CCNP13：QOS【分类、队列、标记、丢弃】技术
文章目录
- CCNP13：QOS【分类、队列、标记、丢弃】技术
- 一、浅谈网络通讯：
- 二、QOS的工具概述：
- 1、分类：
- 2、队列：
- 3、标记：
- 4、丢弃机制：
- 三、分类：
- 四、标记：
- 1、优先级：
- 2、DSCP差分服务代码：
- 3、二层标记位置：
- 4、配置：
- （1）PBR策略路由：
- ①PBR策略路由配置步骤：
- ②PBR标记IPv4报头中的优先级：
- （2）CBMARK：
- 五、队列技术：CBWFQ
- 六、丢弃机制：
- 1、默认的丢弃机制：
- 2、RED丢弃机制：
- 3、WRED：
CCNP13：QOS【分类、队列、标记、丢弃】技术
一、浅谈网络通讯：
在讲QOS服务质量之前，我们先说一下网络，网络本身提供一个让数据能通讯成功的服务。网络传输的基本服务标准是：流量先到先走。
由于网络的带宽是共享式的，就会导致网络延时的增加、丢包（包传输超时了，就会被丢弃）、抖动。
名词解释：
①延时：从源到目标消耗的总时间。有以下3种：
A、进程延时：设备处理数据必须消耗的时间。
B、队列延时：缓存区排队。
C、线路传播延时：电流在线路的传播时间，若网线质量差传播所花的时间越多。若双绞线受潮或者被曝晒，信号将会衰减，导致网速骤降。
降低延时的方案：
A、针对进程延时：让设备拥有更快的处理能力，CEF
B、针对队列延时：使用手工QOS，让在缓存区内优先传输重要的数据报文。
C、针对线路传播延时：升级链路，让链路的质量更好。
②带宽：取整段路径最小带宽。
③抖动：抖动的产生可能是丢包也可能不是丢包，比如说A发给B三个包，结果卡掉了一个。那么这个包就需要TCP重传，重传导致这个包比原来更晚。例如你在看网页，点了一下刷新，会刷一下，结果没过多久又来了个包，又刷新了一下。
我接下来要说的QOS，就是让数据在缓冲区排队的时候，给它做些文章，控制哪个流量先走，哪个流量后走。
④带宽争抢：
比如说，这张图上，4台PC都在上网，共享2M的带宽，假设他们都在打游戏，那么带宽消耗并不是很大，平均每人就是0.5M，现在还够用。
但现在PC3开始大流量的需求，比如说开迅雷、云盘等，就会发现PC3将会把PC0、PC1、PC2的流量抢走达到一个接近2M的带宽，导致PC0、PC1、PC2连0.5M都没有了。
接下来我们分析一下原因：
打游戏的时候流量是间歇性的，他们发出的数据包相互插插队，即使大家延时偶尔会增加，但都在一个可接受的范围内，这个网就还可以用。当PC3产生了连续性流量的需求时，其它电脑要发的数据包都挤不进去了，其它电脑的网络质量就会下降。
那么我们总结一下手工QOS的意义：
1、优先重要的数据报文，合理的限速。
2、限制具体的服务，例如：迅雷、QQ，淘宝、下载。
二、QOS的工具概述：
QOS有以下工具：
1、分类
2、标记
3、队列技术
4、监管和整形
5、丢弃机制
上述加粗字体是我接下来要讲的，红色字体表示使用QOS必备的工具。这些工具一般要组合使用，有以下几种组合方案：
| 方案一 | 方案二 | 方案三 | 方案四 |
|---|---|---|---|
| 分类 队列 |
分类 标记 队列 |
分类 队列 监管、整形 |
分类 标记 队列 监管、整形 |
可以把丢弃机制在上述任意四种方案中进行增加。
1、分类：
分类就是说对收到的流量进行分类，对哪些流量先走，哪些流量后走进行分类。
有关分类技术有这些：ACL、NBAR
（1）ACL：
ACL只能针对数据流量，它可以基于二层的MAC、三层的IP或协议号、四层的端口号，来将流量进行分类。
但是对于应用层的流量，ACL是不好做策略的。
（2）NBAR：
对于应用层的流量，我们知道ACL不好做策略，因此有了NBAR。
NABR基于应用层进行数据过滤，例如QQ、迅雷、HTTP、DNS、某个网站等流量都可以。
2、队列：
将流量类别分好之后，确定了哪些流量先走，哪些流量后走，这就是在做策略，策略就是队列。它就是具体执行的，因此这个技术是QOS最核心的技术。
队列技术：PQ、CQ、FIFC、CBWFQ、FBWFQ、LLQ……
3、标记：
一般局域网不用来标记，因为QOS在边界路由器上做。流量在内部没有什么限制，它会在出去时进行限制。
需要标记的原因是因为：如果R1对流量实施了一些规则，我希望第二台路由器和第一台路由器实施一样的规则，第三台路由器和第二台路由器也实施一样的规则。如果没有标记行为也可以，但是就需要第二台路由器重新分类和重新队列，第三台也一样。
如果R1进行了标记，那么R2就可以基于标记的流量进行策略，这样就可以让网络中大量的设备方便实施相同的策略。
对于标记技术有这两个：PBR策略路由、CBMAKE。
4、丢弃机制：
这个机制我之后会详细讲解。
三、分类：
NBAR匹配应用层流量，应用层流量首先是不太好匹配的。对于二层、三层、四层只是一个报头，它是有标准格式的，里面每个参数是干嘛的，也是有明确指标的，因此想匹配还是比较好抓的。
而对于应用层流量（音乐、游戏、网页等等非标准格式流量），对于这种流量可以借鉴杀毒软件的思路（识别特征码，评估行为）进行。
NBAR也是通过识别特征码来进行对流量的分类。这个特征文件的后缀名为PDLM，这个PDLM可以在很多网站下到。至于PDLM文件如何给路由器，需要这个工具——TFTP服务器
我们首先可以使用CRT远程连接上路由器，然后输入以下命令：
我们将配置文件进行备份，通过TFTP协议发送给172.16.*.*的服务器，并对备份文件进行重命名。
之后要想找到该文件，可以到TFTP的根目录中直接查看到。
如果要想把某个文件发送给路由器，原理同刚才一样，先把某个文件放到TFTP的根目录，然后再进行拷贝。
我们可以使用以下命令查看路由器的flash装了些什么。
CORE#show flash:
综上：NBAR关注应用层流量，基于PDLM进行流量的匹配，PDLM是一个应用层流量的特征代码文件。
假设从互联网中下载一个关于bt的PDLM文档，名为bt.pdlm，需要将其加载到路由器或多层交换机中，使用TFTPserver，先将该文件放置于TFTP，然后下载到设备中。
//将PDLM加载到NBAR中
R1(config)#ip nbar pdlm flash://bt.pdlm
//创建分类列表
R1(config)#class-map bt
//匹配协议、bt。这个一般不是单配的，而是在做标记顺便带进去的，这里配置只是进行示例。
//每台设备实际上支持一些协议，例如：pop、pppoe、IPv6等，可以用？显示出来。但是不够我们使用，需要自己下载相关pdlm文件。
R1(config-cmap)#match protocol bt
//扩展示例：
R1(config)#class-map ccie
R1(config-cmap)#match protocol http url www.taobao.com
R1(config-cmap)#match protocol http mime *.jpg
默认http流量均基于80端口进行限制，若设备上的httpserver是基于非80端口工作。
//基于8080 端口处理http流量
R1(config)#ip nbar port-map http tcp 80 8080
四、标记：
标记的目的就是为了整个网络方便实施相同的策略，这个标记如果没有进行修改，会一直存在下去。
在IPv4中的 服务类型 和IPv6中的 分类表 的服务类型字段都是做标记用的。它们的报头中均存在TOS服务类型字段，在IPv4中的TOS字段存在8位，但只使用6位。
1、优先级：
优先级仅取TOS的前3位，也就是8个数，0-7。这也就意味着总共有8个优先级，数值越高优先级越高。
| 流量 | 优先级别 |
|---|---|
| 默认普通流量 | 0 |
| VOIP语言流量 | 5 |
| 控制层面流量 | 6 |
2、DSCP差分服务代码：
由于上述优先级数量太少，导致我们优先级不够用，因此有了DSCP差分服务代码。它使用TOS的前6位，也就是64个数，0-63。差分服务代码可以兼容优先级。
我们想想DSCP使用TOS的前6位，但是优先级只能看到TOS的前3位，为了使DSCP兼容优先级，它使用了以下系列。
| 系列 | 数值 |
|---|---|
| 默认系列 | 全0 |
| CS系列 （类的区分器） |
仅使用前3位，cs1-cs7对应7个优先级。 |
| AF系列 （确保转发） |
分了12类 |
| EF系列 | 固定值为46对应优先级中的5默认均标记语言流量。 |
如果不想考虑兼容性，可以直接使用0-63这些数字标注优先级。
3、二层标记位置：
上面说的都是3层标记，现在说的是二层。
正常以太网的二层包，是不存在任何可标记的地方（目标MAC、原MAC、类型号），因此如果需要进行二层标记需要在以下封装中进行标记。
（1）以太网中只能在802.1Q或ISL封装中进行标记，3位8个优先级。修改优先级后的802.1q被称为802.1p
（2）帧中继的数据帧中存在DE位（合法丢弃位）为0，标示在拥塞时优先丢弃。
（3）MPLS中存在EXP（试验位，试验位共3位存在8个优先级）
4、配置：
（1）PBR策略路由：
路由策略：通过干涉控制层面流量来影响路由表。就是说决定目标怎么去，但不能决顶具体的源流量怎么走。
策略路由：通过干涉数据层面流量转发，同时可以实现对IPv4报头的优先级进行标记。
比如说下面这张图，让R1的1.0环回pingR3的3.0环回的时候走上面，R1的2.0环回pingR3的3.0环回走下面。
对于这种情况只有策略路由才可以做到，而对于路由策略改来改去无非只有三种情况，要么都走上、要么都走下，要么等开销负载均衡。
PBR就是将Route-map直接调用到接口上的应用，凌驾于路由表之上，当存在PBR时，流量按PBR要求进行转发，而不查看路由表。注意，必须调用于数据层面的入口，对于未定义Route-map的流量，将基于路由表正常转发。
例：
接下来我们用上图详细来说配置：
我们要求1.1.1.1 ping 5.5.5.5 走上面，而1.1.2.1 ping 5.5.5.5走下面。我们之前说过PBR策略路由必须调用于数据层面的入口上，因此我们需要在R2进行策略。
①PBR策略路由配置步骤：
A、首先抓流量：
只能使用ACL扩展列表。因为只有ACL可以将源、目，目标同时写。
R2(config)#access-list 100 permit ip host 1.1.1.1 host 5.5.5.5
R2(config)#access-list 101 permit ip host 1.1.2.1 host 5.5.5.5
B、定制Route-map：
Route-map不制作空表，未定义Route-map中流量，将基于路由表正常转发。
//名字为pbr
R2(config)#route-map pbr permit 10
R2(config-route-map)#match ip address 100
//选择走出接口，
R2(config-route-map)#set int f1/0
R2(config)#route-map pbr permit 20
R2(config-route-map)#match ip address 101
//选择下一跳为24.1.1.2
R2(config-route-map)#set ip next-hop 24.1.1.2
C、入接口调用：
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#ip policy route-map pbr
之后可以使用Tracer Route来进行验证流量的去向。
②PBR标记IPv4报头中的优先级：
PBR本身用于干涉数据层面流量走向，同时可以兼职用于修改IPv4报头中的优先级。
还是这张图，上面那张图已经实现了1.1.1.1/24访问5.5.5.5/24走上面，那么我们对上面经过R3的流量进行标记。同理，我们需要先抓取流量，之后定制Route-map，最后在R3的入向接口进行调用。
//使用扩展ACL抓取
R3(config)#access-list 100 permit icmp host 1.1.1.1 host 5.5.5.5
//定制Route-map，名字为xx
R3(config)#route-map xx permit 10
R3(config-route-map)#match ip address 100
//标记它的优先级为4
R3(config-route-map)#set ip precedence 4
R3(config)#int f0/0
R3(config-if)#ip policy route-map xx
要想验证数据包是否被标记可以使用抓包工具，但这种验证方法，R3将流量进行标记之后，需要在R3~R4之间的链路进行抓包，在链路上抓包就很困难了。
要想验证流量是否被标记，可以在R4上做一个ACL，抓取从 1.1.1.1 ping 5.5.5.5 的ping包。
//抓取1.1.1.1 ping 4.4.4.4的 ping 包，并且保证优先级是4
R4(config)#access-list 100 permit icmp host 1.1.1.1 host 4.4.4.4 precedence 4
//打开debug，动态查看表100里面的数据。若显示，表名成功抓取。
R4#debug ip packet 100
//关闭debug
R4#un all
（2）CBMARK：
CBMARK专门用于标记各种流量，可以标记于二层、三层、四层。CBMARK是一种全新的命令配置模式，基于MQC模式化配置。用于各处标记参数，一定是在数据层面方向上调用。
模块化配置：后一张表将关联前一张表
配置分为3步：
（1）定义感兴趣流量：
R4(config)#ip access-list extended ccie
R4(config-ext-nacl)#permit icmp host 1.1.1.1 host 5.5.5.5
R4(config)#ip access-list extended ccnp
R4(config-ext-nacl)#permit icmp host 1.1.2.1 host 5.5.5.5
（2）定制分类列表：
R4(config)#class-map ccie
R4(config-cmap)#match access-group name ccie
R4(config)#class-map ccnp
R4(config-cmap)#match access-group name ccnp
（3）创建策略表：
//创建名为cbmark的策略表
R4(config)#policy-map cbmark
R4(config-pmap)#class ccie
R4(config-pmap-c)#set precedence 4
R4(config-pmap)#class ccnp
R4(config-pmap-c)#set dscp af11
（4）接口调用：
R4(config#int f0/0
R4(config-if)#service-policy output cbmark
五、队列技术：CBWFQ
队列技术有很多，这里只讲一下CBWFQ，该队列技术也是基于MQC配置。它的主要意义在于限制带宽。
这里举个例子吧：
比如说一个学校，有两个教室，假设A、B俩教室。
A教室使用172.16.10.0/24网段，老师的IP为172.16.10.253
B教室使用172.16.20.0/24网段，老师的IP为172.16.20.253
除上述教室外，还存在办公室，办公室使用的网段为172.16.30.0/24，最后加上服务器172.16.40.250/24
该学校拉了一根企业级宽带共20M：
| 用户 | 要求 |
|---|---|
| 老师 | 下载为8M，上传6M |
| 学生 | 下载只有2M，上传0.5M，但是禁止BT(下载)行为，且每天的9:30-12:00、13:30-16:00期间是不可以上网的。 |
| 办公用户 | 办公下载6M，上传3.5M，不可以有BT行为，不可以访问：www.taobao.com。Server 下载4M，上传10M |
1、下载配置：
（1）抓流量：
R1(config)#ip access-list extended laoshix
R1(config-ext-nacl)#permit ip any host 172.16.10.253
R1(config-ext-nacl)#permit ip any host 172.16.20.253
R1(config)#ip access-list extended xueshengx
R1(config-ext-nacl)#deny ip any host 172.16.10.253
R1(config-ext-nacl)#deny ip any host 172.16.20.253
R1(config-ext-nacl)#permit ip any 172.16.10.0 0.0.0.255
R1(config)#ip access-list extended bangongx
R1(config-ext-nacl)#permit ip any 172.16.30.0 0.0.0.255
R1(config)#ip access-list extended httpx
R1(config-ext-nacl)#permit ip any 172.16.40.250 0.0.0.255
（2）分类：
上面抓了四部分的流量，然后进行分类，因此也要分为四部分。
R1(config)#class-map laoshix
R1(config-cmap)#match access-group name laoshix
R1(config)#class-map xueshengx
R1(config-cmap)#match access-group name xueshengx
R1(config)#class-map bangongx
R1(config-cmap)#match access-group name bangongx
R1(config)#class-map httpx
R1(config-cmap)#match access-group name httpx
（3）策略——CBWFQ直接设置带宽：
CBWFQ：可分为64个类别，存在65个队伍，前64个队伍装载64种分类，第65个队伍装载未分类的流量调度机制，为每个类别的流量分配相对应的带宽。
需要注意的是，调用时的物理链路应该要满足带宽要求。
R1(config)#policy-map xuexiaox
R1(config-pmap)#class laoshix
R1(config-pmap-c)#bandwidth 8000
R1(config-pmap)#class xueshengx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 2000
R1(config-pmap)#class bangongx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 6000
R1(config-pmap)#class httpx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 4000
（4）调用：
调用在路由器的进接口或者出接口。
R1(config)#int f0/0
//注意方向，output是内网（出去后进入内网），input是外网（从外边进来）
R1(config-if)#service-policy output xuexiaox
2、上传配置：
（1）抓流量：
R1(config)#ip access-list extended laoshis
R1(config-ext-nacl)#permit ip host 172.16.10.253 any
R1(config-ext-nacl)#permit ip host 172.16.20.253 any
R1(config)#ip access-list extended xueshengs
R1(config-ext-nacl)#deny ip host 172.16.10.253 any
R1(config-ext-nacl)#deny ip host 172.16.20.253 any
R1(config-ext-nacl)#permit ip 172.16.10.0 0.0.0.255 any
R1(config-ext-nacl)#permit ip 172.16.20.0 0.0.0.255 any
R1(config)#ip access-list extended bangongs
R1(config-ext-nacl)#permit ip 172.16.30.0 0.0.0.255 any
R1(config)#ip access-list extended https
R1(config-ext-nacl)#permit ip 172.16.40.0 0.0.0.255 any
（2）分类：
学生流量有两类：BT流量、非BT流量。
办公流量有三类：BT流量、非BT流量，www.taobao.com的流量。
服务器流量一类、老师流量一类。
R1(config)#class-map laoshis
R1(config-cmap)#match access-group name laoshis
R1(config)#class-map https
R1(config-cmap)#match access-group name https
R1(config)#class-map xueshengbt
R1(config-cmap)#match access-group name xueshengs
//在匹配PDLM文档。
R1(config-cmap)#match protocol bt
R1(config)#class-map xueshengs
R1(config-cmap)#match access-group name xueshengs
R1(config)#class-map bangongbt
R1(config-cmap)#match access-group name bangongs
R1(config-cmap)#match protocol bt
R1(config)#class-map bangonghttp
R1(config-cmap)#match access-group name bangongs
R1(config-cmap)#match protocol http url www.taobao.com
R1(config)#class-map bangongs
R1(config-cmap)#match access-group name bangongs
（3）策略：
R1(config)#policy-map xuexiaos
R1(config-pmap)#class laoshis
R1(config-pmap-c)#bandwidth 6000
R1(config-pmap)#class server
R1(config-pmap-c)#bandwidth 10000
R1(config-pmap)#class xueshengbt
R1(config-pmap-c)#drop
R1(config-pmap)#class xueshengs
R1(config-pmap-c)#bandwidth 500
R1(config-pmap)#class bangongbt
R1(config-pmap-c)#drop
R1(config-pmap)#class bangonghttp
R1(config-pmap-c)#drop
R1(config-pmap)#class bangongs
R1(config-pmap-c)#bandwidth 3500
（4）调用：
R1(config)#int f0/0
//注意方向，对于上传input是内网（出去后进入互联网），output出向调用。
R1(config-if)#service-policy output xuexiaos
（5）上网时间管理：使用基于时间的ACL
//创建名叫xuesheng的time-range
R1(config)#time-range xuesheng
//先设置这个列表生效的总时间，一般为多少年。如果不配置，则该列表永久生效。
R1(config-time-range)#absolute start 12:00 1 aug 2019 end 12:00 1 aug 2020
//周期时间设定
R1(config-time-range)#periodic daily 9:30 to 12:00
R1(config-time-range)#periodic daily 13:30 to 16:00
//制作ACL
R1(config)#ip access-list extended xueshengtime
R1(config-ext-nacl)#permit ip host 172.16.10.253 any
R1(config-ext-nacl)#permit ip host 172.16.20.253 any
R1(config-ext-nacl)#deny ip 172.16.10.0 0.0.0.255 any time-range xuesheng
R1(config-ext-nacl)#deny ip 172.16.20.0 0.0.0.255 any
time-range xuesheng
R1(config-ext-nacl)#permit ip any any
上述没有用到标记，如果再有一个R2要和R1实现相同的策略，那么就要用到标记了。
R1(config)#policy-map xuexiaox
R1(config-pmap)#class laoshix
R1(config-pmap-c)#bandwidth 8000
//使用CBMARK为该分类进行标记
R1(config-pmap-c)#set dscp af11
R1(config-pmap)#class xueshengx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 2000
R1(config-pmap-c)#set dscp af12
R1(config-pmap)#class bangongx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 6000
R1(config-pmap-c)#set dscp af13
R1(config-pmap)#class httpx
R1(config-pmap-c)#bandwidth 4000
R1(config-pmap-c)#set dscp af14
之后第二台设备，不抓了，然后基于标记分类。
R1(config-pmap)#class-map laoshix
R1(config-pmap-c)#set dscp af11
R1(config-pmap)#class-map xueshengx
R1(config-pmap-c)#set dscp af12
R1(config-pmap)#class-map bangongx
R1(config-pmap-c)#set dscp af13
R1(config-pmap)#class-map httpx
R1(config-pmap-c)#set dscp af14
之后R2再做策略，调整带宽即可。之后的R3、R4、R5都是这么做，它们可以直接复制粘贴一个策略表。
六、丢弃机制：
1、默认的丢弃机制：
假设，R1首先发1个包给R2，R2收到包之后进行确认。第二次R1发给R2十个包，R2收到包之后进行确认。它们之间的网速是慢启动，可以看到网速随着时间的变化而不断地上升。等R2已经达到所能收包的最大值时，R1还并不清楚R2还能接收多少，R1会继续增大。
多出R2所能承受的能力时，R1那部分发出的包将会被丢弃，之后这些被丢弃的包将再次被重传。此时R1便知道了R2所能接受最大的包的数量。R1之后便会减少发送包的数量，那么网速将会下降。
上图中，我们就会认为此时带宽的瓶颈就是蓝颜色线条。但是，在网速下降之后，路由还会不断地增加发包数量，来试探整个网络地最大带宽。
之后如此反复循环，不断测试网络最大带宽，保持这种状态。之所以这么做，是因为我们不知道现在地传输能力就是永远的传输能力，它需要不断地去尝试。
而它的实际带宽可能介于波峰与波谷之间，慢启动导致的带宽利用率相对要低一些。期间是在不停的丢弃包，这种机制叫做尾丢，它是默认的丢弃机制，带宽的利用率低。
2、RED丢弃机制：
RED丢弃机制：随机原始检测，默认阀值为32到40之间，数据传输量处于32到40间时，将及逆行随机丢弃，每个数据包的丢弃概率为10%，大于40绝对丢弃，以此来延缓被动丢包的周期时长，提高链路的利用率。
在第一次到达发送数据包顶峰（假设为50）降下来之后，第二次便会丢10%的包来减缓传输速度的快速增长。之后传输速度的加速度被降低了，当再次到达顶峰下来之后，再传输的时候会再次丢几个包。用图片来描述就是这个样子：
其实就是拉长了上下时间的总幅度，提高了时间的利用率，虽然挑战最高峰被打下来了，但还是会比之前的高。
3、WRED：
WRED：基于不同的优先级数据包存在不同的阀值，目前的IOS默认支持WRED。
R2(config)#int f0/0
//在调用了QOS的接口上配置
R2(config-if)#random-detect
R2#show queueing random-detect
R2(config)#int f0/0
//7优先级，35最小阀值，40最大阀值，10为分母。
R2(config-if)#random-detect precedence 7 35 40 10
缺点：
1、仅支持TCP、优先级
2、不支持CBWFQ