QoS中拥塞避免机制详解——WRED技术详解

今天继续给大家讲解QoS，本文主要介绍了QoS中非常重要的拥塞避免技术，本文以WRED技术为例，着重介绍了WRED技术的背景和原理，以及在华为路由器上的相关配置命令。
阅读本文，您需要有一定的QoS基础知识，如果您对此还存在疑惑，欢迎查阅我博客中的其他文章，相信您一定会有收获。
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一、拥塞避免与传统报文丢弃

前面我们介绍过，拥塞控制技术可以在计算机网络发生拥塞时，采取合适的方式对软件队列中的报文进行合理的调度，使得一些重要的报文得到带宽和时延上的保证。但是，当网络设备中拥塞加剧后，如果软件队列被数据报文填满，则新进入的数据包就会被网络设备直接丢弃，这就被称为尾部丢弃。
尾部丢弃会产生多种问题，主要有以下三点：
1、引起TCP全局同步现象
TCP协议是一种非常成功的传输层协议，TCP协议在设计时，TCP头部存在着window字段，TCP可以使用该字段实现滑动窗口机制。当两个设备建立TCP链接后，端到端在通信过程中会根据Window字段确定一次发送的数据包大小。当网络中网络设备出现拥塞时，就会出现TCP数据包被丢包的现象， TCP协议在发现自己的数据包出现丢包现象后，意识到网络中可能出现了拥塞，因此TCP协议会主动降低Window的大小，减少数据包的发送速率。
当网络中存在大量TCP链接时，如果发生网络拥塞，对所哟的TCP链接数据包进行了尾部丢弃，则所有的TCP链接都出现了丢包现象，这就会使得所有的TCP链接主动降低窗口大小，而当所有的TCP降低串口大小后，就会使得网络中网络拥塞现象得到缓解，此时TCP流量就会将窗口调大，从而增加数据包发送速率。然后网络再次出现拥塞，导致循环往复。
TCP同步现象示意图如下所示：

从图中可以看出，多个TCP流量会出现报文发送速率忽高忽低的同步现象，而这会导致重传报文所占比例增大，降低了带宽利用率。
2、TCP流量饿死现象
除了引发TCP全局同步现象外，当网络中同时存在大量的TCP链接和UDP链接时，会出现TCP流量饿死现象。由于TCP有滑动窗口机制而UDP则没有相应的机制，因此TCP会降低其数据包转发速率，而UDP没有相应的机制，UDP则会进一步占据由TCP主动退出而节省下来的流量，因此导致网络设备中大量的TCP报文被丢弃，TCP流量被“饿死”的现象。
3、重要的报文被丢弃
此外，如果此时网络中有敏感和重要的报文，则如果采用尾部丢弃的方式，这些重要和敏感的数据包也会被丢弃。

二、RED原理

为了解决上述问题，引入了RED技术。所谓RED，即Random Early Detection，早期随机丢弃技术。RED技术在软件队列还没有满之前，就会随机的丢弃一部分数据报文，从而延缓网络拥塞的到来，采用RED技术，丢弃策略如下图所示：

RED的丢弃方式会设置一个丢弃下限和丢弃上限，还有一个丢弃概率。当队列中的报文数量小于丢弃下限时，则不会丢弃数据报文；当队列中报文数量介于丢弃上限和丢弃下限之间时，会随着队列中报文数量的增加从而提升丢弃报文的概率。当队列中报文数量达到丢弃上限后，则会采用尾部丢弃的方式。
RED技术，可以在拥塞到来之前，提前“丢掉”一部分报文，从而延缓网络拥塞的到来。RED技术解决TCP全局同步问题，但是不能解决TCP流量饿死和重要敏感的报文被丢弃问题。

三、WRED原理

为了解决RED的固有缺陷，QoS中可以配置WRED方式。所谓WRED，即Weighted Random Early Detection，加权报文早期随机丢弃技术。与RED技术相比，WRED可以为不同队列中的报文设置不同的丢弃下限、丢弃上限和最大丢弃概率。WRED策略如下图所示：

WRED可以使得当网络拥塞发生后，最先丢弃优先级比较低的报文，随后如果网络拥塞加剧，则会逐步的丢弃优先级高的报文。WRED技术可以解决CP流量饿死和重要敏感的报文被丢弃问题，是QoS配置中拥塞避免的的常用配置策略。
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