一、QoS理论知识（基础）
QoS：Quality of Service
网络质量：带宽、延迟、抖动、丢包率等
IP网络：没有部署QoS时，FIFO，平等对待
随着网络的融合，在IP网络中存在很多种类型的数据（数据、语音、视频）
IP网络中部署QoS的几种方式：
1）Best Effort：尽力服务（IP网络的特点，或者说根本没有部署QoS）
2）Integrated Service：集成服务
RSVP（资源预留协议）
利用某种信令（例如RSVP）来预先申请网络资源，从而满足该应用的服务质量。
该QoS模型能最好地实现端到端（end-to-end）的服务质量
在IP网络中，集成服务是为每个数据流来保证的
缺点：应用程序需要支持RSVP，网络设备需要记录资源申请的信息（是有状态的结构）
在大型网络中不能很方便地部署
3）Diff Serv：差别服务
对不同类型的报文进行差别对待，提供不同的服务质量。
优点：
是逐跳处理的
每一跳设备首先对报文进行分类，接着为不同类别的数据提供不同的质量
部署时可以逐步部署
应用程序无需进行更改
缺点：
无法实现与集成服务相当的端到端服务质量。
QoS的相关技术：
1）分类（Classification）
可以利用L2头信息，L3信息，L4头信息，L7信息来对报文进行分类，以便后续进行差别对待
分类是DiffServ的基础，如果没有正确的分类，就无法很好地实现DiffServ。
2）标记（Marking）
标记的目的是使得后续的设备能够更简单地进行分类。
通常是把标记打在L2头或L3头上。
L2头：以Ethernet为例，没有空闲字段可以做标记之用。
802.1Q中，带802.1Q标签的Ethernet帧。
802.1Q的4字节中包含：
2字节的协议标识
3比特：User Priority（在802.1p中定义，成为CoS-Class of Service）
1比特：CFI（在令牌环网中使用，Ethernet中该比特为0）
12比特：VLAN_ID（表示VLAN ID号）
L3头：IP头，利用ToS字段（8比特）来作为标记
3）拥塞管理机制（Congestion Management）
即队列机制
FIFO（First In First Out，先进先出）
PQ（Priority Queue，优先级队列）
RR（Round Robin，轮询）
WRR（Weighted Round Robin，加权轮询）
WFQ（Weighted Fair Queue，加权公平队列）
CBWFQ（Class-Based WFQ，基于类的加权公平队列）
LLQ（Low Latency Queue，低延迟队列）
4）拥塞避免机制（Congestion Avoidance）
即丢包技术
Tail-Drop（尾丢包）
RED（随机早期检测）
WRED（加权随机早期检测）
5）管制（Policing）
即限速
可以将某种类别的流量进行限速，使之不超过规定的速率。
管制：对于超出部分进行丢包或者重标记（通常是降低优先级），因此管制通常会增加丢包率。
6）整形（Shaping）
可以将某种类别的流量进行整形，使之不超过规定的速率。
整形：对于超出部分进行缓冲，等空闲再发送，因此整形通常会增加延迟。
7）广域网链路效率机制（WAN Link Efficiency）
a）压缩
b）链路分片或交织（LFI）
二、标记
DSCP：
定义的PHB（每一跳行为）
i）为了与IPP的兼容，定义了CS0~CS7,前3个比特与IPP对应，后3个比特固定为000 ii）AF（确保转发）
AF11，AF12，AF13
AF21，AF22，AF23
AF31，AF32，AF33
AF41，AF42，AF43
在AF的PHB定义中，建议在转发报文时，AF4x>AF3x>AF2x>AF1x
对于同一个类别，AF41，AF42，AF43的报文，建议在需要丢包时，AF43的丢包概率最大，二AF41的丢包概率最小
注：DSCP的6个比特，在AF中，其中前3个比特对应AF的类别，接下来的2个比特对应丢包概率，二最后1个比特固定为0
AF21，010 01 0，对应的十进制18
AFxy，实际上对应的十进制值为8x+2y
iii）EF（Expedited Forward，快速转发）
注：设置标记为EF的报文，将来建议的处理方式是保障带宽，保证低延迟。
EF对应的二进制为101110，十进制为46
补充：
精确匹配：
MAC地址表（二层交换机转发数据）、邻接表（下一跳地址《---》接口和二层地址）
最长匹配：
IP路由表
首次匹配：
ACL、IP前缀列表、Route-map、Policy-map
语音的编码：ITU-T
G.711 一路语音，语音载荷占用带宽为64Kbps
Voice载荷
RTP头（12字节）
UDP头（8字节）
IP头（20字节）
L2头（根据不同的2层封装协议而不同）G.723 一路语音，语音载荷占用带宽为8Kbps G.729 一路语音，语音载荷占用带宽为8Kbps
视频编码：
H.263
H.264
三、拥塞管理和拥塞避免机制
1、队列技术
1）路由器的队列体系结构
2）具体的队列技术
a）FIFO
只有一个队，也就是说所有的报文是按照达到的先后顺序依次排入该队中。
思科设备：高速接口默认是使用FIFO
低速接口默认是WFQ
硬件队列：一定是FIFO
b）PQ（Priority Queue，优先级队列）
总共有4个队（high、medium、normal、low），到达的报文可以根据配置排入4个队之一。
PQ的调度机制：
只要高优先级的队中有报文，一定先将其排列到硬件队列中。
只有当高优先级的队没有报文时，才会轮到下一个级别进行调度。
优点：实现优先级
缺点：可能饿死低优先级的队列
配置实例：
priority-list 1 protocol ip high
interface f0/0
priority-group 1
上述的配置采用legacy CLI（传统QoS命令行配置），而不是MQC（模块化QoS命令行）
c）CQ（Custom Queue）
实际上就是实现了RR和WRR
CQ最多可以配置17个队（0～16），其中0保留给系统使用，用户数据通常放入1～16中。
配置实例：
queue-list 1 protocol ip 1
queue-list 1 queue 1 byte-count 4000 表示轮到队1时，可以发送4000字节的报文
int f0/0
custom-queue-list 1
注意：一个接口只能应用1个队列技术
d）RR(Round Robin)
不同的报文可以排到不同的队中。
RR的调度机制：
多个队轮流调度，即第一个队发送一些报文，接着轮着第二个队，依次类推。
轮到某个队调度时，发送多少报文，可以通过权重来控制，体现不同队的优先级。
e）WRR（Weighted Round Robin）
不同的报文可以排到不同的队中。
WRR的调度机制：
多个对轮流调度，即第一个队发送一些报文，接着轮着第二个队，依次类推。
轮到某个队调度时，发送多少报文，可以通过权重来控制，体现不同队的优先级。
f）WFQ
WFQ的目的是希望每个流都有机会得到转发，并且根据每个流的IP优先级来设置
权重，权重越大，将来占用的带宽越多。
WFQ自动将数据进行分类，用户无法控制
WFQ会根据数据的流信息来进行分类，会将不同流排到不同的队列中。
WFQ采用某种hash（哈希）函数：
（源IP地址、目的IP地址、ToS字段、协议号、源/目的端口号等等）
WFQ的队列数量是可控制的，为了实现不同流都能得到传输的机会，必须让不同流排到不同队中，
因此通常需要配置WFQ的队列数量使之大于实际网络中流的数量。
假设某个网络中存在以下几个流：
flow 1：IPP=3
flow 2：IPP=3
flow 3：IPP=0
flow 4：IPP=5
flow 1的权重(3+1)/((3+1)+(3+1)+(0+1)+(5+1))
由于WFQ无法让用户自行对流量进行分类，并且每个流能够占用多少带宽也是无法设置的。
因此WFQ通常用于class-default中
配置：
int s0/0
fair-queue
或
fair-queue 64 512 16
其中64为CDT（即每个队的长度，默认为64），512为WFQ中队的数量
hold-queue 2000 out
指该接口下所有队的报文数量不能超过2000
在WFQ中，什么时候会丢包？
1）当该报文所属的队已经排满了
2）当该接口的所有队的报文累加起来已经达到2000，此时也会丢包
配置时一般要将队的数量大于实际网络中流的数量，16为WFQ保留给RSVP的保留队列数量（默认为0）
g）CBWFQ
CBWFQ允许用户自行定义分类，并未某种分类设定带宽值（即该类的最小带宽保证）CBWFQ的队列数量等于类的数量，CBWFQ能为不同类保留带宽，并且允许class-default使用WFQ
缺点：
CBWFQ对于像语音这样的实时数据，无法保证低延迟。
h）LLQ（Low Latency Queue）
CBWFQ+PQ
在CBWFQ的基础上，将PQ整合进来。
将语音排入PQ，优先转发；而其他数据放入CBWFQ队列中来调度。
注意：由于PQ的抢占特性，可能饿死低优先级数据；
因此在LLQ中引入PQ时，做了适当的管制，即在网络拥塞时，PQ所占用的带宽不能超过设定的带宽值。
2、丢包技术
1）Tail-Drop（尾丢包）
2）WRED（加权随机早期检测Weighted Random Early Detect）
注意：WRED必须与某种队列技术配合使用（目前能够配合的包括WFQ和CBWFQ）实例1:
class-map test01
match access-group 100
class-map test02
match access-group 101
policy-map test
class test01
bandwidth 256
random-detect 默认是基于IPP的
class test02
bandwidth 128
random-detect dscp-based 开启WRED，基于DSCP
random-detect dscp af11 30 40 20
接口上也可以直接配置random-detect
在VOIP中是不能使用WRED的
交换机中的拥塞管理（队列技术）和拥塞避免（丢包技术）
交换机中的队列技术已WRR（Weighted Round Robin，加权轮询）为主
配置命令：
int f0/1
wrr-queue bandwidth 10 15 25 0
设置4个队轮询的带宽比例（如果配置了priority-queue out，最后一个参数为PQ，因此不参加轮询）
wrr-queue cos-map 1 0 1
wrr-queue cos-map 2 2 3
wrr-queue cos-map 3 4 5 6
wrr-queue cos-map 4 5
设置将不同CoS值的报文放入4个队之一
priority-queue out
设置队4为优先级队列
注意：在Catalyst 3550中，只能将队4配置为优先级队列
管制和整形
比如物理层速率为256kbps，现在希望限速64kbps
假设Tc=125ms
通过64kbps×125ms来计算每个Tc内能发送的比特数量
8000比特
31.25ms
在每个Tc内，其中31.25ms是以满速率（物理层速率）来发送数据，而接下来的93.75ms 则静默。
Tc：时间间隔
Bc：承诺突发尺寸，指在每个Tc间隔内能够发送的比特数量
CIR：承诺信息速率，即整形的速率。
Be：额外的突发尺寸
正常情况下，一个Tc周期内能发送Bc比特的数据
但是如果在前一段时间所发送的数据没有达到整形的带宽（相当于发送了较少的速率），那么在接下来的一个或多个Tc间隔内发送Bc+Be的数据
BECN（后向拥塞指示）
FECN（前向拥塞指示）
R1---PVC---帧中继网络——PVC---R2
假设R1通过该PVC向R2发送数据，此时在帧中继网络中发生拥塞，它可以发送带BECN 比特的帧中继报文给R1
或者发送带FECN比特的帧中继报文给R2
帧中继流量整形的自适应：
当收到BECN时，开始进行流量整形；75%×CIR
再收到BECN时，继续流量整形，并将整形速率逐步下降，直到整形速率减为mincir（该值通常为CIR×50%）
当一段时间内没有收到BECN，则整形速率逐步增加，直到恢复为CIR
示例：
shape peak 64000
实际整形的速率：64（1+（BC+BE））=128kbps
BC=8000bit BE=8000bit
实例1：
policy-map SHAPE
class class-default
shape average percent 50 125 ms
int s0/0
bandwidth 128
service-policy output SHAPE（针对s0/0接口出流量进行整形（速率为64kbps，TC为125ms，Bc为64kbps×125ms）
实例2：
policy-map SHAPE
class class-default
shape peak 64000
实例3：（结合自适应整形流量）用于帧中继
policy-map SHAPE
class class-default
shape average 64000
shape adaptive 32000
int s0/0
encapsulation frame-relay
service-policy output SHAPE
该接口出流量整形为64kbps，若帧中继网络持续拥塞，则整形速率会持续减少，知道32kbps （MinCir）
传统的FRTS配置
map-class frame-relay FR1
frame-relay cir 64000
int s0/0
encapsulation frame-relay
frame interface-dlci 101
frame-relay traffic-shaping
frame-relay class FR1
基于MQC的FRTS配置
policy-map MQC_FRTS
class class-default
shape average 64000
map-class frame-relay FR2
service-policy MQC_FRTS
int s0/0
encapsulation frame-relay
frame interface-dlci 101
frame-relay traffic-shaping 注意这条命令要删除
frame-relay class FR2
基于MQC的FRTS配置只能基于class-default，不能基于其他的class
假设CIR为64kbps，PIR为128kbps
如果使用双速率，三颜色的模型
一个报文到达，离上一个报文的时间为100ms，
此时将向Bc桶放入64kbps×100ms/8=800字节，将向Be桶放入128kbps×100ms/8=1600字节