Параметры QoS. Миф, касающийся работы службы QoS

Нет ни одного человека, который бы хоть раз не прочитал какой-нибудь FAQ по Windows XP. А раз так, то каждый знает, что есть такая вредная служба Quality of Service — сокращенно QoS. При настройке системы ее настоятельно рекомендуется отключать, потому что она по умолчанию ограничивает сетевую пропускную способность на 20%, и как будто бы эта проблема существует и в Windows 2000.

Вот эти строки:

Q: Как полностью отключить службу QoS (Quality of Service)? Как ее настроить? Правда ли, что она ограничивает скорость сети?
A: Действительно, по умолчанию Quality of Service резервирует для своих нужд 20% от пропускной способности канала (любого - хоть модем на 14400, хоть гигабитный Ethernet). Причем даже если удалить службу QoS Packet Scheduler из Properties-соединения, этот канал не освобождается. Освободить канал или просто настроить QoS можно здесь. Запускаем апплет Group Policy (gpedit.msc). В Group Policy находим Local computer policy и нажимаем на Administrative templates. Выбираем пункт Network - QoS Packet Sheduler. Включаем Limit reservable bandwidth. Теперь снижаем Bandwidth limit 20% до 0% или просто отключаем его. При желании здесь же можно настроить и другие параметры QoS. Для активации произведенных изменений остается только перезагрузиться.

20% - это, конечно, очень много. Воистину Microsoft - "маздай". Утверждения подобного рода кочуют из FAQ в FAQ, из форума в форум, из СМИ в СМИ, используются во всевозможного рода "твикалках" - программах по "настройке" Windows XP (кстати говоря, откройте "Групповые политики" и "Локальные политики безопасности", и ни одна "твикалка" не сравнится с ними по богатству вариантов настройки). Разоблачать голословные утверждения такого рода нужно осторожно, что мы сейчас и сделаем, применив системный подход. То есть основательно изучим проблемный вопрос, опираясь на официальные первоисточники.

Что такое сеть с качественным сервисом?

Давайте примем следующее упрощенное определение сетевой системы. Приложения запускаются и работают на хостах и обмениваются данными между собой. Приложения отправляют данные операционной системе для передачи по сети. Как только данные переданы операционной системе, они становятся сетевым трафиком.

Сетевая служба QoS опирается на способность сети обработать этот трафик так, чтобы гарантированно выполнить запросы некоторых приложений. Это требует наличия фундаментального механизма по обработке сетевого трафика, способного идентифицировать трафик, имеющий право на особую обработку и право управлять этими механизмами.

Функциональные возможности QoS призваны удовлетворить двух субъектов сети: сетевые приложения и сетевых администраторов. Они часто имеют разногласия. Администратор сети ограничивает ресурсы, используемые специфическим приложением, в то же время приложение пытается захватить как можно больше сетевых ресурсов. Их интересы могут быть согласованы, принимая во внимание тот факт, что сетевой администратор играет главенствующую роль по отношению ко всем приложениям и пользователям.

Основные параметры QoS

Различные приложения имеют различные требования по обработке их сетевого трафика. Приложения в большей или меньшей степени терпимы к задержкам и потерям трафика. Эти требования нашли применение в следующих параметрах, связанных с QoS:

• Bandwidth (полоса пропускания) - скорость, с которой трафик, генерируемый приложением, должен быть передан по сети;
• Latency (задержка) - задержка, которую приложение может допустить в доставке пакета данных;
• Jitter - изменение времени задержки;
• Loss (потеря) - процент потерянных данных.

Если бы были доступны бесконечные сетевые ресурсы, то весь трафик приложения можно было бы передать с требуемой скоростью, с нулевым временем задержки, нулевым изменением времени задержки и нулевыми потерями. Однако сетевые ресурсы не безграничны.

Механизм QoS контролирует распределение сетевых ресурсов для трафика приложения, чтобы выполнить требования по его передаче.

Фундаментальные ресурсы QoS и механизмы обработки трафика

Сети, которые связывают хосты, используют разнообразные сетевые устройства включая сетевые адаптеры хостов, маршрутизаторы, свичи и хабы. Каждый из них имеет сетевые интерфейсы. Каждый сетевой интерфейс может принять и передать трафик с конечной скоростью. Если скорость, с которой трафик направлен на интерфейс, выше, чем скорость, с которой интерфейс передает трафик дальше, то возникает перегрузка.

Сетевые устройства могут обработать состояние перегрузки, организуя очередь трафика в памяти устройства (в буфере), пока перегрузка не пройдет. В других случаях сетевое оборудование может отказаться от трафика, чтобы облегчить перегрузку. В результате приложения сталкиваются с изменением времени ожидания (так как трафик сохраняется в очередях на интерфейсах) или с потерей трафика.

Способность сетевых интерфейсов к пересылке трафика и наличие памяти для сохранения трафика в сетевых устройствах (до тех пор, пока трафик не может быть послан дальше) составляют фундаментальные ресурсы, требующиеся для обеспечения QoS для потоков трафика приложений.

Распределение ресурсов QoS по сетевым устройствам

Устройства, поддерживающие QoS, разумно используют ресурсы сети для передачи трафика. То есть трафик приложений, более терпимых к задержкам, становится в очередь (сохраняется в буфере в памяти), а трафик приложений, критичных к задержкам, передается далее.

Для выполнения этой задачи сетевое устройство должно идентифицировать трафик путем классификации пакетов, а также иметь очереди и механизмы их обслуживания.

Механизм обработки трафика

Механизм обработки трафика включает в себя:

• 802.1p;
• Дифференцированные услуги per-hop-behaviors (diffserv PHB);
• Интегрированные услуги (intserv);
• ATM и др.

Большинство локальных сетей основано на технологии IEEE 802 включая Ethernet, token-ring и др. 802.1p - это механизм обработки трафика для поддержки QoS в таких сетях.

802.1p определяет поле (уровень 2 в сетевой модели OSI) в заголовке пакета 802, которое может нести одно из восьми значений приоритета. Как правило, хосты или маршрутизаторы, посылая трафик в локальную сеть, маркируют каждый посланный пакет, присваивая ему определенное значение приоритета. Предполагается, что сетевые устройства, такие, как свичи, мосты и хабы, обработают пакеты соответствующим образом, используя механизмы организации очередей. Область применения 802.1p ограничена локальной сетью (LAN). Как только пакет пересекает локальную сеть (через уровень 3 OSI), приоритет 802.1p удаляется.

Diffserv - это механизм уровня 3. Он определяет поле в уровне 3 заголовка пакетов IP, названных diffserv codepoint (DSCP).

Intserv - это целый комплекс услуг, определяющий гарантированный сервис и сервис, управляющий загрузкой. Гарантированный сервис обещает нести некоторый объем трафика с измеримой и ограниченной задержкой. Сервис, управляющий загрузкой, соглашается нести некоторый объем трафика с "появлением легкой загруженности сети". Это - измеримые услуги в том смысле, что они определены, чтобы обеспечить измеримый QoS к определенному количеству трафика.

Поскольку технология ATM фрагментирует пакеты в относительно маленькие ячейки, то она может предложить очень низкое время задержки. Если необходимо передать пакет срочно, интерфейс ATM может всегда освобождаться для передачи на время, которое требуется, чтобы передать одну ячейку.

QoS имеет еще много разных сложных механизмов, обеспечивающих работу этой технологии. Отметим лишь один важный момент: для того, чтобы QoS заработала, необходима поддержка этой технологии и соответствующая настройка на всем протяжении передачи от начальной точки до конечной.

01.12.2016 | Владимир Хазов

Не весь интернет-трафик одинаково важен. Онлайн-видео без замираний картинки или звонок по Skype без заикания голоса важнее, чем загрузка большого файла с помощью торрент-клиента. Функция обеспечения качества обслуживания (QoS) маршрутизатора, шейпера или системы глубокого анализа трафика (DPI) позволяет расставлять приоритеты, какой трафик важнее, и предоставлять ему большую часть полосы пропускания.

И если дома каждый пользователь может настраивать QoS на своем роутере, то оператор связи, используя современное сетевое оборудование, управляет полосой пропускная для всех своих абонентов и обеспечивает неизменно высокое качество для каждого из них.

Что такое качество обслуживания (QoS )

Функция обеспечения качества обслуживания – отличный, но редко используемый инструмент, с помощью которого можно определять приоритеты для различных видов трафика, а с помощью систем DPI даже для определенных приложений, деля между ними полосу пропускания в разных пропорциях. Правильная настройка правил QoS обеспечит гладкое проигрывание онлайн-видео, в то время как загружается большой файл, или быстрый веб-браузинг, пока дети играют в онлайн-игры.

Подключение к интернету можно сравнить с больницей, в которой полоса пропускания – это число врачей для лечения пациентов, больные являются приложениями, а медсестра – маршрутизатором, который их распределяет.

В обычной сети равнодушная медсестра распределяет пациентов равномерно по свободным врачам, вне зависимости от сложности заболевания, будь то человек с ушибом руки или пострадавший в автомобильной аварии с сотрясением мозга и переломами костей. Каждому из них будет оказана помощь, но ждать им придется одинаковое количество времени, пока не появится доступный доктор. Если всех пациентов будут обслуживать с одинаковым приоритетом, то рано или поздно это приведет к катастрофическим последствиям для больницы и жертвам.

То же самое происходит в домашней сети или сети провайдера. Пропускная способность канала связи выдается равномерно в рамках тарифного плана, без учета важности каждого приложения. К примеру, если вы разговариваете по Skype, а в это время ваши дети запустят кино Netflix, качество звонка резко ухудшится. Интернет-провайдер, в свою очередь, ограничен скоростью канала к вышестоящему оператору связи, и его полосы пропускания может не хватить, чтобы обеспечить качество соединения, если все пользователи одновременно начнут качать файлы через торрент-клиент на максимальной скорости.

Маршрутизатор делит полосу поровну между всеми, не выделяя приоритета какому-либо виду трафика.

Возвращаясь к нашему сравнению с больницей, качество обслуживания – это компетентная медсестра, которая распределяет пациентов между врачами наиболее эффективным способом: пострадавшим в аварии займутся несколько специалистов, а человек с ушибом дождется одного доктора, когда тот освободится.

В сети с функцией качества обслуживания приоритет будет у того приложения или сервиса, который вы самостоятельно определите (онлайн-видео, IPTV, онлайновые игры и т. п.), оно получит большую скорость и минимальные задержки.

Как включить QoS

Существуют сотни различных маршрутизаторов –домашних и офисных, а также сложных устройств операторского класса. Не каждый из них имеет функцию QoS, а если имеет, то ее реализация может отличаться по спектру возможных настроек. Некоторые могут определять только приоритет между устройствами, некоторые – выделять определенные типы трафика (например, видео или голосовую связь), системы DPI способны распознать приложения, не использующие для обмена данными заранее известные заголовки и структуры данных, вносить изменения в поле приоритета проходящих через него пакетов для дальнейшего применения правил QoS.

Невозможно рассказать о нюансах настройки каждого устройства, но можно описать основные шаги, чтобы начать использовать функцию QoS для обеспечения лучшего качества работы с интернетом.

Первый шаг: определить цель

Прежде чем начать настройку любого устройства, необходимо четко определить цели настройки QoS. Если вы решили настроить домашний роутер, то это может быть приоритет рабочего компьютера над остальными устройствами с доступом в интернет для обеспечения комфортной работы или приоритет онлайн-игр перед потоковым видео, чтобы обеспечить минимальные задержки и лаги во время игры.

В домашней сети правила должны быть избирательными и предельно простыми. Если применить десятки различных приоритетов, можно получить отрицательный результат, когда ни одно из приложений не буден нормально работать.

Оператор связи использует QoS для достижения более глобальных целей:

• дифференцирование трафика;
• обеспечение равномерного потока трафика;
• гарантия качества и скорости доступа в интернет для каждого абонента;
• предотвращение сетевых перегрузок;
• уменьшение затрат на Uplink.

Но принципы их достижения схожи с домашней сетью: определение приоритетных видов трафика и приложений, настройка правил в зависимости от приоритета и времени действия.

Второй шаг: определить скорость интернета

Для оператора связи скорость интернета – это скорость доступа к вышестоящему провайдеру (Uplink) или к нескольким провайдерам. Эта величина фиксированная и распределяется между всеми абонентами согласно их тарифным планам. Задачу ее оптимизации и грамотного распределения должны решать правила QoS для обеспечения удовлетворенности клиента от получаемой услуги.

Скорость домашнего интернета часто не совпадает с заявленной провайдером по некоторым причинам, поэтому определение ее реальной цифры – важная задача перед настройкой QoS. Существуют понятия исходящей и входящей скорости, которые необходимо определить самостоятельно.

Чтобы получить реальную картину, вам необходимо закрыть на компьютере все приложения, которые создают нагрузку на сеть, подключить его к роутеру медным кабелем. Технология беспроводной сети Wi-Fi, особенно если она работает не по современным протоколам Wireless N или Wireless AC, может быть узким местом полосы пропускания. Измерения могут показать скорость в 40 Мб/с вместо доступных 75 Мб/с именно из-за ограничений скорости беспроводной передачи данных.

Зайдите на сайт www.speedtest.net и нажмите кнопку «Начать проверку». Полученный результат необходимо перевести из «Мбит/с» в «Кбит/с», так как настройки QoS чаще всего задаются в этих единицах. Это можно сделать, умножив полученные значения на 1000.

В данном примере мы получили входящую скорость 42 900 Кбит/с, а исходящую – 3980 Кбит/с. Именно эти значения можно распределять между пользователями и приложениями в сети.

Третий шаг: включить QoS на роутере

Невозможно описать порядок включения QoS на всех роутерах, так как каждый производитель предоставляет пользователю свой интерфейс управления, а сетевые устройства операторского класса, такие как Cisco, Juniper, Huawei, настраиваются из командной строки.

В большинстве случаев вам потребуется зайти на страницу управления устройством (набрать в браузере его адрес, чаще всего это 192.168.1.1), ввести логин и пароль администратора, которые указаны в руководстве пользователя, и перейти в раздел NAT сетевых настроек, вкладку QoS. Выберите Enable напротив функции Start QoS, порт для применения правил – WAN (порт соединения с провайдером), настройки входящей и исходящей скорости (downlink и uplink) должны указываться в размере 85–90 % от измеренной во втором шаге.

Пониженное значение скоростей указывается для того, чтобы дать обработчику QoS пространство для маневров, только так он работает эффективно. Теперь функция качества обслуживания включена и необходимо настроить правила приоритизации.

Как приоритизировать трафик

После того как функция QoS задействована, необходимо определить правила, по которым она будет работать с трафиком.

Операторы связи настраивают правила исходя из данных, полученных от инструментов аналитики систем DPI, которые показывают узкие места полосы пропускания и тренды, зависящие от времени суток. Некоторые домашние устройства имеют готовые предустановки, которые пользователь должен использовать для приоритизации.

Если же роутер позволяет производить ручные настройки приоритетов, вам необходимо задать их «вилки» в процентах от общей полосы пропускания:

• Maximum: 60–100 %
• Premium: 25–100 %
• Express: 10–100 %
• Standard: 5–100 %
• Bulk: 1–100 %

Эти параметры определяют значение пропускной способности для конкретного устройства или приложения. Например, установив для приложения Maximum, вы назначаете ему использовать 60 % от полосы пропускания во время загрузки сети и 100 %, если сеть полностью доступна. Если установить «Магистральный», то, когда сеть свободна, приложение может использовать любую скорость полосы пропускания, но, если появляется нагрузка, оно получит лишь 1 %.

Хотим напомнить, что к приоритизации надо подходить с четким пониманием того, что вы хотите ограничить.

Варианты приоритизации

1. Приоритет сервиса или приложения

Позволяет для любого устройства в сети назначить приоритет пропускной способности определенного приложения или сервиса перед остальными. Например, если необходимо, чтобы у приложения Skype всегда была выделенная полоса пропускания, и видеоаудиосвязь не имели задержек, искажений или артефактов.

2. Приоритет интерфейса

Интерфейс в данном случае – это метод, по которому ваши устройства подключаются к сети. Вы можете настроить более высокий приоритет устройствам, которые подключаются по проводу, или устройствам беспроводной сети, или, наоборот, уменьшить приоритет гостевых устройств.

3. Приоритет устройств по IP-адресу

Вы можете назначить более высокий приоритет определенному устройству вашей сети по его IP-адресу (статическому или зарезервированному динамическому), тем самым обеспечить его более высокой скоростью доступа по сравнению с другими.

4. Приоритет устройств по MAC-адресу

Если вы используете динамическую адресацию, вы все равно можете назначить высокий приоритет одному из устройств сети по его MAC-адресу, который является уникальным и сведения о котором можно получить либо из программного обеспечения, либо из этикетки на корпусе.

Тест и оценка

Самые главные правила в настройке QoS – это добавлять правила последовательно и не торопиться. Начать необходимо с самых глобальных, а затем настраивать отдельные приложения и сервисы. Если вы добились желаемого результата и QoS выполняет все ваши требования, необходимо сохранить конфигурацию в виде скриншотов или файла резервной копии на случай, если потребуется выполнить сброс роутера и восстанавливать настройки.

Убедиться в правильности работы правил можно запустив сервисы с высоким и низким приоритетом и сравнив их скорости, или запустить speedtest на устройствах сети с разными приоритетами и посмотреть, которое из них покажет больший результат.

Настройка QoS – более сложный процесс, чем базовая настройка роутера, а для оператора связи еще и дополнительные капитальные затраты для покупки платформы DPI, однако и результат позволит добиться более качественного доступа к сети Интернет, а также сэкономить финансы на покупке высокоскоростного канала связи.

В настоящее время вместе с планомерным увеличением скоростей передачи данных в телекоммуникациях увеличивается доля интерактивного трафика, крайне чувствительного к параметрам среды транспортировки. Поэтому задача обеспечения качества обслуживания (Quality of Service - QoS) становится все более актуальной.

Рассмотрение вопроса подобной сложности лучше всего начинать с простых и понятных примеров настройки оборудования, например, фирмы Cisco. Представленный здесь материал, безусловно, не может конкурировать с www.cisco.com. Наша задача – начальная классификация огромного объема сведений в компактном виде с целью облегчения понимания и дальнейшего изучения.

1. Определения и термины.

Определений термина QoS настолько много, что мы выберем единственно верное - правильно, от Cisco: "QoS – QoS refers to the ability of a network to provide better service to selected network traffic over various underlying technologies…". Что можно литературно перевести как: "QoS – способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках".

Необходимый сервис описывается многими параметрами, отметим среди них самые важные.

Bandwidth (BW) - полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (kbps), mbit/s (mbps).

Delay - задержка при передаче пакета.

Jitter - колебание (вариация) задержки при передаче пакетов.

Packet Loss – потери пакетов. Определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

Чаще всего для описания пропускной способности канала проводят аналогию с водопроводной трубой. В ее рамках Bandwidth – это ширина трубы, а Delay – длина.

Время передачи пакета через канал Transmit time [s] = packet size / bw .

Например, найдем время передачи пакета размером 64 байта по каналу шириной 64 килобита/c:

Packet size = 64*8=512 (bit) Transmit Time = 512/64000 = 0.008 (c)

2. Сервисные модели QoS.

2.1. Best Effort Service.

Негарантированная доставка. Абсолютное отсутствие механизмов QoS. Используются все доступные ресурсы сети без какого-либо выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Это в принципе правильно, однако некоторые виды трафика (например, голосовой) очень чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель Best Effort Service даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика. Поэтому были разработаны и другие подходы к обеспечению QoS.

2.2. Integrated Service (IntServ).

Integrated Service (IntServ, RFC 1633) - модель интегрированного обслуживания. Может обеспечить сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует для своих целей протокол сигнализации RSVP. Позволяет приложениям выражать сквозные требования к ресурсам и содержит механизмы обеспечения данных требований. IntServ можно кратко охарактеризовать как резервирование ресурсов (Resource reservation).

2.3. Differentiated Service (DiffServ).

Differentiated Service (DiffServ, RFC 2474/2475) - Модель дифференцированного обслуживания. Определяет обеспечение QoS на основе четко определенных компонентов, комбинируемых с целью предоставления требуемых услуг. Архитектура DiffServ предполагает наличие классификаторов и формирователей трафика на границе сети, а также поддержку функции распределения ресурсов в ядре сети в целях обеспечения требуемой политики пошагового обслуживания (Per-Hop Behavior - PHB). Разделяет трафик на классы, вводя несколько уровней QoS. DiffServ состоит из следующих функциональных блоков: граничные формирователи трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и реализаторы PHB политики (распределение ресурсов, политика отбрасывания пакетов). DiffServ можно кратко охарактеризовать как приоритезацию трафика (Prioritization).

3. Базовые функции QoS.

Базовые функции QoS заключаются в обеспечении необходимых параметров сервиса и определяются по отношению к трафику как: классификация, разметка, управление перегрузками, предотвращение перегрузок и регулирование. Функционально классификация и разметка чаще всего обеспечиваются на входных портах оборудования, а управление и предотвращение перегрузок – на выходных.

3.1. Классификация и разметка (Classification and Marking).

Классификация пакетов (Packet Classification) представляет собой механизм соотнесения пакета к определенному классу трафика.

Другой не менее важной задачей при обработке пакетов является маркировка пакетов (Packet Marking) - назначение соответствующего приоритета (метки).

В зависимости от уровня рассмотрения (имеется в виду OSI) эти задачи решаются по-разному.

3.1.1. Layer 2 Classification and Marking.

Коммутаторы Ethernet (Layer 2) используют протоколы канального уровня. Протокол Ethernet в чистом виде не поддерживает поле приоритета. Поэтому на Ethernet портах (Access Port) возможна лишь внутренняя (по отношению к коммутатору) классификация по номеру входящего порта и отсутствует какая-либо маркировка.

Более гибким решением является использование стандарта IEEE 802.1P, который разрабатывался совместно с 802.1Q. Иерархия отношений здесь следующая: 802.1D описывает технологию мостов и является базовой для 802.1Q и 802.1P. 802.1Q описывает технологию виртуальных сетей (VLAN), а 802.1P обеспечение качества обслуживания. В целом, включение поддержки 802.1Q (транк с виланами), автоматически дает возможность использования 802.1P. Согласно стандарту используются 3 бита в заголовке второго уровня, которые называются Class of Service (CoS). Таким образом, CoS может принимать значения от 0 до 7.

3.1.2. Layer 3 Classification and Marking.

Маршрутизирующее оборудование (Layer 3) оперирует IP пакетами, в которых под цели маркировки предусмотрено соответствующее поле в заголовке - IP Type of Service (ToS) размером один байт. ToS может быть заполнен классификатором IP Precedence или DSCP в зависимости от задачи. IP precedence (IPP) имеет размерность 3 бита (принимает значения 0-7). DSCP относится к модели DiffServ и состоит из 6 бит (значения 0-63).

Кроме цифровой формы, значения DSCP могут быть выражены с использованием специальных ключевых слов: доставка по возможности BE – Best Effort, гарантированная доставка AF – Assured Forwarding и срочная доставка EF – Expedited Forwarding. В дополнение к этим трем классам существуют коды селектора классов, которые добавляются к обозначению класса и обратно совместимы с IPP. Например, значение DSCP равное 26 можно записать как AF31, что полностью равнозначно.

MPLS содержит индикатор QoS внутри метки в соответствующих битах MPLS EXP (3 бита).

Промаркировать IP пакеты значением QoS можно разными способами: PBR, CAR, BGP.

Пример 1. Маркировка PBR

Policy Based Route (PBR) можно использовать с целью маркировки, производя ее в соответствующей подпрограмме (Route-map может содержать параметр set ip precedence):

!
interface FastEthernet0/0
ip policy route-map MARK
speed 100
full-duplex
no cdp enable
!
!
route-map MARK permit 10
match ip address 1
set ip precedence priority
!

На выходе интерфейса можно увидеть результат (например, программой tcpdump под unix):

# tcpdump -vv -n -i em0
... IP (tos 0x20 ...)

Пример 2. Маркировка CAR.

Механизм Committed Access Rate (CAR) разработан для ограничения скорости, однако дополнительно может и маркировать пакеты (параметр set-prec-transmit в rate-limit):

!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.252
rate-limit input access-group 1 1000000 10000 10000 conform-action set-prec-transmit 3 exceed-action set-prec-transmit 3
no cdp enable
!
access-list 1 permit 192.168.0.0 0.0.0.255
!

#sh interface FastEthernet0/0 rate-limit

3.2. Управление перегрузками (Congestion Management). Механизм очередей.

3.2.1. Перегрузки (Congestions).

Перегрузка возникает в случае переполнения выходных буферов передающего трафик оборудования. Основными механизмами возникновения перегрузок (или, что равнозначно, скоплений - congestions) является агрегация трафика (когда скорость входящего трафика превышает скорость исходящего) и несогласованность скоростей на интерфейсах.

Управление пропускной способностью в случае перегрузок (узких мест) осуществляется с помощью механизма очередей. Пакеты помещаются в очереди, которые упорядоченно обрабатываются по определенному алгоритму. Фактически, управление перегрузками – это определение порядка, в котором пакеты выходят из интерфейса (очередей) на основе приоритетов. Если перегрузок нет – очереди не работают (и не нужны). Перечислим методы обработки очередей.

3.2.2. Layer 2 Queuing.

Физическое устройство классического коммутатора можно упрощенно представить следующим образом: пакет приходит на входной порт, обрабатывается механизмом коммутации, который решает, куда направить пакет, и попадает в аппаратные очереди выходного порта. Аппаратные очереди представляет собой быструю память, хранящую пакеты перед тем, как они попадут непосредственно на выходной порт. Далее, согласно определенному механизму обработки, пакеты извлекаются из очередей и покидают коммутатор. Изначально очереди равноправны и именно механизм обработки очередей (Scheduling) определяет приоритезацию. Обычно каждый порт коммутатора содержит ограниченное число очередей: 2, 4, 8 и так далее.

В общих чертах настройка приоритезации заключается в следующем:

1. Изначально очереди равноправны. Поэтому предварительно необходимо их настроить, то есть определить очередность (или пропорциональность объема) их обработки. Чаще всего это делается привязкой приоритетов 802.1P к очередям.

2. Необходимо сконфигурировать обработчик очередей (Scheduler). Чаще всего используются взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin WRR) или строгая очередь приоритетов (Strict Priority Queuing).

3. Назначение приоритета поступающим пакетам: по входному порту, по CoS или, в случае дополнительных возможностей (Layer 3 switch), по каким-то полям IP.

Работает все это следующим образом:

1. Пакет попадает в коммутатор. Если это обычный Ethernet пакет (клиентский Access Port), то он не имеет меток приоритета и таковая может выставляться коммутатором, например, по номеру входного порта, если это нужно. Если входной порт транковый (802.1Q или ISL), то пакет может нести метку приоритета и коммутатор может ее принять или заменить на необходимую. В любом случае пакет на данном этапе попал в коммутатор и имеет необходимую разметку CoS.

2. После обработки процессом коммутации пакет в соответствии с меткой приоритета CoS направляется классификатором (Classify) в соответствующую очередь выходного порта. Например, критический трафик попадает в высокоприоритетную, а менее важный в низкоприоритетную очереди.

3. Механизм обработки (Scheduling) извлекает пакеты из очередей согласно их приоритетам. Из высокоприоритетной очереди за единицу времени будет выдано на выходной порт больше пакетов, чем из низкоприоритетной.

3.2.3. Layer 3 Queuing.

Маршрутизирующие устройства оперируют пакетами на третьем уровне OSI (Layer 3). Чаще всего поддержка очередей обеспечивается программно. Это означает в большинстве случаев отсутствие аппаратных ограничений на их число и более гибкое конфигурирование механизмов обработки. Общая парадигма QoS Layer 3 включает маркировку и классификацию пакетов на входе (Marking & Classification), распределение по очередям и их обработку (Scheduling) по определенным алгоритмам.

И еще раз подчеркнем, что приоритезация (очереди) требуется в основном только в узких, загруженных местах, когда пропускной способности канала не хватает для передачи всех поступающих пакетов и нужно каким-то образом дифференцировать их обработку. Кроме того, приоритезация необходима и в случае предотвращения влияния всплесков сетевой активности на чувствительный к задержкам трафик.

Проведем классификацию Layer 3 QoS по методам обработки очередей.

3.2.3.1. FIFO.

Элементарная очередь с последовательным прохождением пакетов, работающая по принципу первый пришел – первый ушел (First In First Out - FIFO), имеющему русский эквивалент кто первый встал того и тапки. По сути, здесь нет никакой приоритезации. Включается по умолчанию на интерфейсах со скоростью больше 2 мбит/с.

3.2.3.2. PQ. Очереди приоритетов.

Priority Queuing (PQ) обеспечивает безусловный приоритет одних пакетов над другими. Всего 4 очереди: high, medium, normal и low. Обработка ведется последовательно (от high до low), начинается с высокоприоритетной очереди и до ее полной очистки не переходит к менее приоритетным очередям. Таким образом, возможна монополизация канала высокоприоритетными очередями. Трафик, приоритет которого явно не указан, попадет в очередь по умолчанию (default).

Параметры команды.
распределение протоколов по очередям:
priority-list LIST_NUMBER protocol PROTOCOL {high|medium|normal|low} list ACCESS_LIST_NUMBER
определение очереди по умолчанию:
priority-list LIST_NUMBER default {high|medium|normal|low}
определение размеров очередей (в пакетах):
priority-list LIST_NUMBER queue-limit HIGH_QUEUE_SIZE MEDIUM_QUEUE_SIZE NORMAL_QUEUE_SIZE LOW_QUEUE_SIZE

обозначения:
LIST_NUMBER – номер обработчика PQ (листа)
PROTOCOL - протокол
ACCESS_LIST_NUMBER – номер аксесс листа
HIGH_QUEUE_SIZE – размер очереди HIGH
MEDIUM_QUEUE_SIZE - размер очереди MEDIUM
NORMAL_QUEUE_SIZE - размер очереди NORMAL
LOW_QUEUE_SIZE - размер очереди LOW

Алгоритм настройки.

1. Определяем 4 очереди
access-list 110 permit ip any any precedence network
access-list 120 permit ip any any precedence critical
access-list 130 permit ip any any precedence internet
access-list 140 permit ip any any precedence routine

priority-list 1 protocol ip high list 110
priority-list 1 protocol ip medium list 120
priority-list 1 protocol ip normal list 130
priority-list 1 protocol ip low list 140
priority-list 1 default low

priority-list 1 queue-limit 30 60 90 120

2. Привязываем к интерфейсу

!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
priority-group 1
no cdp enable
!

3. Просмотр результата
# sh queueing priority

Current priority queue configuration:

#sh interfaces fastEthernet 0/0
…
Queueing strategy: priority-list 1
…

Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: priority

high/19 medium/0 normal/363 low/0

3.2.3.3. CQ. Произвольные очереди.

Custom Queuing (CQ) обеспечивает настраиваемые очереди. Предусматириваетмя управление долей полосы пропускания канала для каждой очереди. Поддерживается 17 очередей. Системная 0 очередь зарезервирована для управляющих высокоприоритетных пакетов (маршрутизация и т.п.) и пользователю недоступна.

Очереди обходятся последовательно, начиная с первой. Каждая очередь содержит счетчик байт, который в начале обхода содержит заданное значение и уменьшается на размер пакета, пропущенного из этой очереди. Если счетчик не ноль, то пропускается следующий пакет целиком, а не его фрагмент, равный остатку счетчика.

Параметры команды.
определение полосы пропускания очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER byte-count
BYTE_COUT

определение размеров очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER limit QUEUE_SIZE

обозначения:
LIST-NUMBER – номер обработчика
QUEUE_NUMBER – номер очереди
BYTE_COUT – размер очереди в пакетах

Алгоритм настройки.

1. Определяем очереди
access-list 110 permit ip host 192.168.0.100 any
access-list 120 permit ip host 192.168.0.200 any

queue-list 1 protocol ip 1 list 110
queue-list 1 protocol ip 2 list 120
queue-list 1 default 3

queue-list 1 queue 1 byte-count 3000
queue-list 1 queue 2 byte-count 1500
queue-list 1 queue 3 byte-count 1000

Дополнительно можно установить размеры очередей в пакетах
queue-list 1 queue 1 limit 50
queue-list 1 queue 2 limit 50
queue-list 1 queue 3 limit 50

2. Привязываем к интерфейсу
!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
custom-queue-list 1
no cdp enable
!

3. Просмотр результата
#sh queueing custom

Current custom queue configuration:

#sh interface FastEthernet0/0
…
Queueing strategy: custom-list 1
…

#sh queueing interface fastEthernet 0/0
Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: custom

Output queue utilization (queue/count)
0/90 1/0 2/364 3/0 4/0 5/0 6/0 7/0 8/0
9/0 10/0 11/0 12/0 13/0 14/0 15/0 16/0

3.2.3.4. WFQ. Взвешенные справедливые очереди.

Weighted Fair Queuing (WFQ) автоматически разбивает трафик на потоки (flows). По умолчанию их число равно 256, но может быть изменено (параметр dynamic-queues в команде fair-queue). Если потоков больше, чем очередей, то в одну очередь помещается несколько потоков. Принадлежность пакета к потоку (классификация) определяется на основе TOS, протокола, IP адреса источника, IP адреса назначения, порта источника и порта назначения. Каждый поток использует отдельную очередь.

Обработчик WFQ (scheduler) обеспечивает равномерное (fair - честное) разделение полосы между существующими потоками. Для этого доступная полоса делится на число потоков и каждый получает равную часть. Кроме того, каждый поток получает свой вес (weight), с некоторым коэффициентом обратно пропорциональный IP приоритету (TOS). Вес потока также учитывается обработчиком.

В итоге WFQ а втоматически справедливо распределяет доступную пропускную способность, дополнительно учитывая TOS. Потоки с одинаковыми IP приоритетами TOS получат равные доли полосы пропускания; потоки с большим IP приоритетом – большую долю полосы. В случае перегрузок ненагруженные высокоприоритетные потоки функционируют без изменений, а низкоприоритетные высоконагруженные – ограничиваются.

Вместе с WFQ работает RSVP. По умолчанию WFQ включается на низкоскоростных интерфейсах.

Алгоритм настройки.
1. Помечаем трафик каким-либо способом (устанавливаем IP приоритет - TOS) или получаем его помеченным

2. Включаем WFQ на интерфейсе
interface FastEthernet0/0
fair-queue

interface FastEthernet0/0
fair-queue CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD DYNAMIC_QUEUES

Параметры:
CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD – число пакетов в каждой очереди, при превышении которого пакеты игнорируются (по умолчанию - 64)
DYNAMIC_QUEUES – число подочередей, по которым классифицируется трафик (по умолчанию - 256)

3. Просмотр результата
# sh queueing fair
# sh queueing interface FastEthernet0/0

3.2.3.5. CBWFQ.

Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) соответствует механизму обслуживания очередей на основе классов. Весь трафик разбивается на 64 класса на основании следующих параметров: входной интерфейс, аксесс лист (access list), протокол, значение DSCP, метка MPLS QoS.

Общая пропускная способность выходного интерфейса распределяется по классам. Выделяемую каждому классу полосу пропускания можно определять как в абсолютное значение (bandwidth в kbit/s) или в процентах (bandwidth percent) относительно установленного значения на интерфейсе.

Пакеты, не попадающие в сконфигурированные классы, попадают в класс по умолчанию, который можно дополнительно настроить и который получает оставшуюся свободной полосу пропускания канала. При переполнении очереди любого класса пакеты данного класса игнорируются. Алгоритм отклонения пакетов внутри каждого класса можно выбирать: включенное по умолчанию обычное отбрасывание (tail-drop, параметр queue-limit) или WRED (параметр random-detect). Только для класса по умолчанию можно включить равномерное (честное) деление полосы (параметр fair-queue).

CBWFQ поддерживает взаимодействие с RSVP.

Параметры команды.

критерии отбора пакетов классом:
class-map match-all CLASS
match access-group
match input-interface
match protocol
match ip dscp
match ip rtp
match mpls experimental

определение класса:

class CLASS
bandwidth BANDWIDTH
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect

определение класса по умолчанию (default):

class class-default
bandwidth BANDWIDTH
bandwidth percent BANDWIDTH_PERCENT
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect
fair-queue

обозначения:
CLASS – название класса.
BANDWIDTH – минимальная полоса kbit/s, значение независимо от bandwidth на интерфейсе.
BANDWIDTH_PERCENT - процентное соотношение от bandwidth на интерфейсе.
QUEUE-LIMIT – максимальное количество пакетов в очереди.
random-detect – использование WRED.
fair-queue – равномерное деление полосы, только для класса по умолчанию

По умолчанию абсолютное значение Bandwidth в классе CBWFQ не может превышать 75% значение Bandwidth на интерфейсе. Это можно изменить командой max-reserved-bandwidth на интерфейсе.

Алгоритм настройки.

1. Распределение пакетов по классам - class-map

class-map match-all Class1
match access-group 101

2. Описание правил для каждого класса - policy-map
policy-map Policy1
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect

3. Запуск заданной политики на интерфейсе - service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256

4. Просмотр результата
#sh class Class1
#sh policy Policy1
#sh policy interface FastEthernet0/0

Пример 1.

Деление общей полосы по классам в процентном соотношении (40, 30, 20).
access-list 101 permit ip host 192.168.0.10 any
access-list 102 permit ip host 192.168.0.20 any
access-list 103 permit ip host 192.168.0.30 any

class-map match-all Platinum
match access-group 101
class-map match-all Gold
match access-group 102
class-map match-all Silver
match access-group 103

policy-map Isp
class Platinum
bandwidth percent 40
class Gold
bandwidth percent 30
class Silver
bandwidth percent 20

interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Isp

Low Latency Queuing (LLQ) – очередность с низкой задержкой. LLQ можно рассматривать как механизм CBWFQ с приоритетной очередью PQ (LLQ = PQ + CBWFQ).
PQ в LLQ позволяет обеспечить обслуживание чувствительного к задержке трафика. LLQ рекомендуется в случае наличия голосового (VoIP) трафика. Кроме того, он хорошо работает с видеоконференциями.

Алгоритм настройки.

1. Распределение пакетов по классам - Class-map
access-list 101 permit ip any any precedence critical

class-map match-all Voice
match ip precedence 6
class-map match-all Class1
match access-group 101

2. Описание правил для каждого класса - Policy-map

Аналогично CBWFQ, только для приоритетного класса (он один) указывается параметр priority.
policy-map Policy1
class Voice
priority 1000
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect

3. Запуск заданной политики на интерфейсе - Service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Policy1

Пример 1.
Относим класс Voice к PQ, а все остальное к CQWFQ.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
class VPN
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface X
Sevice-policy output Voice
!

Пример 2.
Дополнительно ограничиваем общую скорость для PQ в LLQ, чтобы он не монополизировал весь канал в случае неправильной работы.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
police 1024000 32000 32000 conform-action transmit exceed-action drop
class Vpn
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface FastEthernet0/0
service-policy output Voice
!

QoS - тема большая. Прежде чем рассказывать про тонкости настроек и различные подходы в применении правил обработки трафика, имеет смысл напомнить, что такое вообще QoS.

Quality of Service (QoS) - технология предоставления различным классам трафика различных приоритетов в обслуживании.

Во-первых, легко понять, что любая приоритезация имеет смысл только в том случае, когда возникает очередь на обслуживание. Именно там, в очереди, можно «проскользнуть» первым, используя своё право.
Очередь же образуется там, где узко (обычно такие места называются «бутылочным горлышком», bottle-neck). Типичное «горлышко» - выход в Интернет офиса, где компьютеры, подключенные к сети как минимум на скорости 100 Мбит/сек, все используют канал к провайдеру, который редко превышает 100 МБит/сек, а часто составляет мизерные 1-2-10МБит/сек. На всех.

Во-вторых, QoS не панацея: если «горлышко» уж слишком узкое, то часто переполняется физический буфер интерфейса, куда помещаются все пакеты, собирающиеся выйти через этот интерфейс. И тогда новопришедшие пакеты будут уничтожены, даже если они сверхнужные. Поэтому, если очередь на интерфейсе в среднем превышает 20% от максимального своего размера (на маршрутизаторах cisco максимальный размер очереди составляет как правило 128-256 пакетов), есть повод крепко задуматься над дизайном своей сети, проложить дополнительные маршруты или расширить полосу до провайдера.

Разберемся с составными элементами технологии

(дальше под катом, много)

Маркировка. В полях заголовков различных сетевых протоколов (Ethernet, IP, ATM, MPLS и др.) присутствуют специальные поля, выделенные для маркирования трафика. Маркировать же трафик нужно для последующей более простой обработки в очередях.

Ethernet. Поле Class of Service (CoS) - 3 бита. Позволяет разделить трафик на 8 потоков с различной маркировкой

IP. Есть 2 стандарта: старый и новый. В старом было поле ToS (8 бит), из которого в свою очередь выделялись 3 бита под названием IP Precedence. Это поле копировалось в поле CoS Ethernet заголовка.
Позднее был определен новый стандарт. Поле ToS было переименовано в DiffServ, и дополнительно выделено 6 бит для поля Differencial Service Code Point (DSCP), в котором можно передавать требуемые для данного типа трафика параметры.

Маркировать данные лучше всего ближе к источнику этих данных. По этой причине большинство IP-телефонов самостоятельно добавляют в IP-заголовок голосовых пакетов поле DSCP = EF или CS5. Многие приложения также маркируют трафик самостоятельно в надежде, что их пакеты будут обработаны приоритетно. Например, этим «грешат» пиринговые сети.

Очереди.

Даже если мы не используем никаких технологий приоритезации, это не значит, что не возникает очередей. В узком месте очередь возникнет в любом случае и будет предоставлять стандартный механизм FIFO (First In First Out). Такая очередь, очевидно, позволит не уничтожать пакеты сразу, сохраняя их до отправки в буфере, но никаких преференций, скажем, голосовому трафику не предоставит.

Если хочется предоставить некоторому выделенному классу абсолютный приоритет (т.е. пакеты из этого класса всегда будут обрабатываться первыми), то такая технология называется Priority queuing . Все пакеты, находящиеся в физическом исходящем буфере интерфейса будут разделены на 2 логических очереди и пакеты из привилегированной очереди будут отсылаться, пока она не опустеет. Только после этого начнут передаваться пакеты из второй очереди. Эта технология простая, довольно грубая, её можно считать устаревшей, т.к. обработка неприоритетного трафика будет постоянно останавливаться. На маршрутизаторах cisco можно создать
4 очереди с разными приоритетами. В них соблюдается строгая иерархия: пакеты из менее привилегированных очередей не будут обслуживаться до тех пор, пока не опустеют все очереди с более высоким приоритетом.

Справедливая очередь (Fair Queuing ). Технология, которая позволяет каждому классу трафика предоставить одинаковые права. Как правило не используется, т.к. мало даёт с точки зрения улучшения качества сервиса.

Взвешенная справедливая очередь (Weighted Fair Queuing, WFQ ). Технология, которая предоставляет разным классам трафика разные права (можно сказать, что «вес» у разных очередей разный), но одновременно обслуживает все очереди. «На пальцах» это выглядит так: все пакеты делятся на логические очереди, используя в
качестве критерия поле IP Precedence. Это же поле задаёт и приоритет (чем больше, тем лучше). Дальше, маршрутизатор вычисляет, пакет из какой очереди «быстрее» передать и передаёт именно его.

Считает он это по формуле:

DT=(t(i)-t(0))/(1+IPP)

IPP - значение поля IP Precedence
t(i) - Время, требуемое на реальную передачу пакета интерфейсом. Можно вычислить, как L/Speed, где L - длина пакета, а Speed - скорость передачи интерфейса

Такая очередь по умолчанию включена на всех интерфейсах маршрутизаторов cisco, кроме интерфейсов точка-точка (инкапсуляция HDLC или РРР).

WFQ имеет ряд минусов: такая очередизация использует уже отмаркированные ранее пакеты, и не позволяет самостоятельно определять классы трафика и выделяемую полосу. Мало того, как правило уже никто не маркирует полем IP Precedence, поэтому пакеты идут немаркированные, т.е. все попадают в одну очередь.

Развитием WFQ стала взвешенная справедливая очередь, основанная на классах (Class-Based Weighted Fair Queuing, CBWFQ ). В этой очереди администратор сам задаёт классы трафика, следуя различным критериям, например, используя ACL, как шаблон или анализируя заголовки протоколов (см.NBAR). Далее, для этих классов
определяется «вес» и пакеты их очередей обслуживаются, соразмерно весу (больше вес - больше пакетов из этой очереди уйдёт в единицу времени)

Но такая очередь не обеспечивает строгого пропускания наиболее важных пакетов (как правило голосовых или пакетов других интерактивных приложений). Поэтому появился гибрид Priority и Class-Based Weighted Fair Queuing - PQ-CBWFQ , также известный как, Low Latency Queuing (LLQ) . В этой технологии можно задать до 4х приоритетных очередей, остальные классы обслуживать по механизму CBWFQ

LLQ - наиболее удобный, гибкий и часто используемый механизм. Но он требует настройки классов, настройки политики и применения политики на интерфейсе.

Таким образом процесс предоставления качества обслуживания можно поделить на 2 этапа:
Маркировка . Поближе к источникам.
Обработка пакетов . Помещение их в физическую очередь на интерфейсе, подразделение на логические очереди и предоставление этим логическим очередям различных ресурсов.

Технология QoS - достаточно ресурсоёмкая и весьма существенно грузит процессор. И тем сильнее грузит, чем глубже в заголовки приходится залезать для классификации пакетов. Для сравнения: маршрутизатору гораздо проще заглянуть в заголовок IP пакета и проанализировать там 3 бита IPP, нежели раскручивать поток практически до уровня приложения, определяя, что за протокол идёт внутри (технология NBAR)

Для упрощения дальнейшей обработки трафика, а также для создания так называемой «области доверия» (trusted boundary), где мы верим всем заголовкам, относящимся к QoS, мы можем делать следующее:
1. На коммутаторах и маршрутизаторах уровня доступа (близко к клиентским машинам) ловить пакеты, раскидывать их по классам
2.В политике качестве действия перекрашивать заголовки по-своему или переносить значения QoS-заголовков более высокого уровня на нижние.

Например, на маршрутизаторе ловим все пакеты из гостевого WiFi домена (предполагаем, что там могут быть не управляемые нами компьютеры и софт, который может использовать нестандартные QoS-заголовки), меняем любые заголовки IP на дефолтные, сопоставляем заголовкам 3 уровня (DSCP) заголовки канального уровня (CoS),
чтобы дальше и коммутаторы могли эффективно приоритезировать трафик, используя только метку канального уровня.

Настройка LLQ

Настройка очередей заключается в настройке классов, затем для этих классов надо определить параметры полосы пропускания и применить всю созданную конструкцию на интерфейс.

Создание классов:

class-map NAME
match?

access-group Access group
any Any packets
class-map Class map
cos IEEE 802.1Q/ISL class of service/user priority values
destination-address Destination address
discard-class Discard behavior identifier
dscp Match DSCP in IP(v4) and IPv6 packets
flow Flow based QoS parameters
fr-de Match on Frame-relay DE bit
fr-dlci Match on fr-dlci
input-interface Select an input interface to match
ip IP specific values
mpls Multi Protocol Label Switching specific values
not Negate this match result
packet Layer 3 Packet length
precedence Match Precedence in IP(v4) and IPv6 packets
protocol Protocol
qos-group Qos-group
source-address Source address
vlan VLANs to match

Пакеты в классы можно рассортировывать по различным атрибутам, например, указывая ACL, как шаблон, либо по полю DSCP, либо выделяя конкретный протокол (включается технология NBAR)

Создание политики:

policy-map POLICY
class NAME1
?

bandwidth Bandwidth
compression Activate Compression
drop Drop all packets
log Log IPv4 and ARP packets
netflow-sampler NetFlow action
police Police
priority Strict Scheduling Priority for this Class
queue-limit Queue Max Threshold for Tail Drop
random-detect Enable Random Early Detection as drop policy
service-policy Configure Flow Next
set Set QoS values
shape Traffic Shaping

Для каждого класса в политике можно либо выделить приритетно кусок полосы:

policy-map POLICY
class NAME1
priority?

Kilo Bits per second
percent % of total bandwidth

и тогда пакеты этого класса смогут всегда рассчитывать как минимум на этот кусок.

Либо описать, какой «вес» имеет данный класс в рамках CBWFQ

policy-map POLICY
class NAME1
bandwidth?

Kilo Bits per second
percent % of total Bandwidth
remaining % of the remaining bandwidth

В обоих случаях можно указать как аболютное значение, так и процент от всей доступной полосы

Возникает резонный вопрос: а откуда маршрутизатор знает ВСЮ полосу? Ответ банален: из параметра bandwidth на интерфейсе. Даже если он не сконфигурирован явно, какое то его значение обязательно есть. Его можно посмотреть командой sh int.

Также обязательно помнить, что по умолчанию вы распоряжаетсь не всей полосой, а лишь 75%. Пакеты, явно не попавшие в другие классы, попадают в class-default. Эту настройку для дефолтного класса можно задать явно

policy-map POLICY
class class-default
bandwidth percent 10

(UPD, спасибо OlegD)

max-reserved-bandwidth

Маршрутизаторы ревностно следят, чтобы админ не выдал случайно больше полосы, чем есть и ругаются на такие попытки.

Создаётся впечатление, что политика будет выдавать классам не больше, чем написано. Однако, такая ситуация будет лишь в том случае, если все очереди наполнены. Если же какая то пустует, то выделенную ей полосу наполненные очереди поделят пропорционально своему «весу».

Работать же вся эта конструкция будет так:

Если идут пакеты из класса с указанием priority, то маршрутизатор сосредотачивается на передаче этих пакетов. Причем, т.к. таких приоритетных очередей может быть несколько, то между ними полоса делится пропорционально указанным процентам.

Как только все приоритетные пакеты закончились, наступает очередь CBWFQ. За каждый отсчёт времени из каждой очереди «зачёрпывается» доля пакетов, указанная в настройке для данного класса. Если же часть очередей пустует, то их полоса делится пропорционально «весу» класса между загруженными очередями.

Применение на интерфейсе:

int s0/0
service-policy POLICY

А что же делать, если надо строго рубить пакеты из класса, выходящие за дозволенную скорость? Ведь указание bandwidth лишь распределяет полосу между классами, когда очереди загружены.

Для решения этой задачи для класса трафика в политике есть технология

police conform-action [действие] exceed-action [действие]

Она позволяет явно указать желаемую среднюю скорость (speed), максимальный «выброс», т.е. количество передаваемых данных за единицу времени. Чем больше «выброс», тем больше реальная скорость передачи может отклоняться от желаемой средней. Также указываются: действие для нормального трафика, не превышающего
указанную скорость и действие для трафика, превысившего среднюю скорость. Действия могут быть такими

police 100000 8000 conform-action?

drop drop packet
exceed-action action when rate is within conform and
conform + exceed burst
set-clp-transmit set atm clp and send it
set-discard-class-transmit set discard-class and send it
set-dscp-transmit set dscp and send it
set-frde-transmit set FR DE and send it
set-mpls-exp-imposition-transmit set exp at tag imposition and send it
set-mpls-exp-topmost-transmit set exp on topmost label and send it
set-prec-transmit rewrite packet precedence and send it
set-qos-transmit set qos-group and send it
transmit transmit packet

Часто возникает также и другая задача. Предположим, что надо ограничить поток, идущий в сторону соседа с медленным каналом.

Дабы точно предсказать, какие пакеты дойдут до соседа, а какие будут уничтожены в силу загруженности канала на «медленной» стороне, надо на «быстрой» стороне создать политику, которая бы заранее обрабатывала очереди и уничтожала избыточные пакеты.

И тут мы сталкиваемся с одной очень важной вещью: для решения этой задачи надо сэмулировать «медленный» канал. Для этой эмуляции не достаточно только раскидать пакеты по очередям, надо ещё сэмулировать физический буфер «медленного» интерфейса. У каждого интерфейса есть скорость передачи пакетов. Т.е. в единицу времени каждый интерфейс может передать не более, чем N пакетов. Обычно физический буфер интерфейса рассчитывают так, чтобы обеспечить «автономную» работу интерфейсу на несколько единиц вермени. Поэтому физический буфер, скажем, GigabitEthernet будет в десятки раз больше какого-нибудь интерфейса Serial.

Что же плохого в том, чтобы запомнить много? Давайте рассмотрим подробно, что произойдёт, в случае если буфер на быстрой передающей стороне будет существенно больше буфера принимающей.

Пусть для простоты есть 1 очередь. На «быстрой» стороне сэмулируем малую скорость передачи. Это значит, что попадая под нашу политику пакеты начнут накапливаться в очереди. Т.к. физический буфер большой, то и логическая очередь получится внушительной. Часть приложений (работающих через ТСР) поздно получат уведомление о том, что часть пакетов не получена и долго будут держать большой размер окна, нагружая сторону-приемник. Это будет происходить в том идеальном случае, когда скорость передачи будет равна или меньше скорости приёма. Но интерфейс принимающей стороны может быть сам загружен и другими пакетами
и тогда маленькая очередь на принимающей стороне не сможет вместить всех пакетов, передаваемых ей из центра. Начнутся потери, которые повлекут за собой дополнительные передачи, но в передающем буфере ведь ещё останется солидный «хвост» ранее накопленных пакетов, которые будут передаваться «вхолостую», т.к. на принимающей стороне не дождались более раннего пакета, а значит более позние будут просто проигнорированы.

Поэтому для корректного решения задачи понижения скорости передачи к медленному соседу физический буфер тоже надо ограничить.

Делается это командой

shape average

Ну а теперь самое интересное: а как быть, если мне помимо эмуляции физического буфера надо внутри него создать логические очереди? Например, выделить приоритетно голос?

Для это создаётся так называемая вложенная политика, которая применяется внутри основной и делит на логические очереди то, что в неё попадает из родительской.

Пришло время разобрать какой-нибудь залихватский пример на основе приведенной картинки.

Пусть мы собираеися создать устойчиво работающие голосовые каналы через интернет между CO и Remote. Для простоты пусть сеть Remote (172.16.1.0/24) имеет только связь с СО (10.0.0.0/8). Скорость интерфейса на Remote - 1 Мбит/сек и выделяется 25% этой скорости на голосовой трафик.

Тогда для начала нам надо выделить приоритетный класс трафика с обеих сторон и создать политику для данного класса. На СО дополнительно создадим класс, описывающий трафик между офисами

class-map RTP
match protocol rtp

Policy-map RTP
class RTP
priority percent 25

Ip access-list extended CO_REMOTE
permit ip 10.0.0.0 0.255.255.255 172.16.1.0 0.0.0.255

Class-map CO_REMOTE
match access-list CO_REMOTE

На Remote поступим иначе: пусть в силу дохлости железа мы не можем использовать NBAR, тогда нам остаётся только явно описать порты для RTP

ip access-list extended RTP
permit udp 172.16.1.0 0.0.0.255 range 16384 32768 10.0.0.0 0.255.255.255 range 16384 32768

Class-map RTP
match access-list RTP

Policy-map QoS
class RTP
priority percent 25

policy-map QoS
class CO_REMOTE
shape average 1000000
service-policy RTP

и применить политику на интерфейсе

int g0/0
service-policy output QoS

На Remote установим параметр bandwidth (в кбит/сек) в соответствие со скоростью интерфейса. Напомню, что именно от этого параметра будет считаться 25%. И применим политику.

int s0/0
bandwidth 1000
service-policy output QoS

Повествование было бы не полным, если не охватить возможности коммутаторов. Понятно, что чисто L2 коммутаторы не способны так глубоко заглядывать в пакеты и делить их на классы по тем же критериям.

На более умных L2/3 коммутаторах на маршрутизируемых интерфейсах (т.е. либо на interface vlan, либо если порт выведен со второго уровня командой no switchport ) применяется та же конструкция, что работает и на маршрутизаторах, а если порт или весь коммутатор работает в режиме L2 (верно для моделей 2950/60), то там для класса трафика можно использовать только указание police, а priority или bandwidth не доступны.

Причем часто червь распространяется по нужным для работы портам (ТСР/135,445,80 и др.) Просто закрыть на маршрутизаторе эти порты было бы опрометчиво, поэтому гуманнее поступать так:

1. Собираем статистику по сетевому трафику. Либо по NetFlow, либо NBARом, либо по SNMP.

2. Выявляем профиль нормального трафика, т.е. по статистике, в среднем, протокол HTTP занимает не больше 70%, ICMP - не больше 5% и т.д. Такой профиль можно либо создать вручную, либо применив накопленную NBARом статистику. Мало того, можно даже автоматически создать классы, политику и применить на интерфейсе
командой autoqos :)

3. Далее, можно ограничить для нетипичного сетевого трафика полосу. Если вдруг и подцепим заразу по нестандартному порту, большой беды для шлюза не будет: на загруженном интерфейсе зараза займет не более выделенной части.

4. Создав конструкцию (class-map - policy-map - service-policy ) можно оперативно реагировать на появление нетипичного всплеска трафика, создавая вручную для него класс и сильно ограничивая полосу для этого класса.

Существует такая служба как QoS . Расшифровывается сия аббревиатура, как Quality of Service . В случае настройки системы ее крайне нежелательно активировать, так как она имеет свойство существенно уменьшать пропускную способность сети (приблизительно на 20 процентов)

Сейчас, пожалуй, невозможно найти такого человека, который бы ни разу не читал ни одно из FAQ , касающихся работы Windows .

20% — это, разумеется, просто безумно много. И конечно же Майкрософт – должен погибнуть. Утверждения такого плана переходят из одного ФАКа в другой, бродят по форумам, средствам массовой информации, пользуются огромным успехом во всяких «твикалках» — программному обеспечению по «обучению» Windows . Раз облачать подобного рода утверждения необходимо крайне осторожно, этим-то мы сейчас и займемся, качественно применяя системный подход. То бишь крайне детально рассмотрим проблемный вопрос, будем опираться на авторитетные первоисточники.

Что есть сеть с качественным сервисом?

Предлагаем вам принять такое определение сетевой системы, которое максимально упрощено. Приложения начинают свою работу, делают ее на хостах и в результате своей деятельности меняются информацией друг с другом. Приложения шлют информацию ОС для передачи по сети. Как только нужная информация передается ОС, она автоматически становится сетевым трафиком.

QoS в свою очередь опирается на возможности сети обрабатывать такой трафик таким образом, чтобы точно выполнить запросы не одного, а сразу нескольких приложений. Это требует наличия базового механизма по переработке трафика из сети, который способен различать и классифицировать этот трафик, который имеет право на особенную обработку и право на управление самими механизмами.

Функциональные возможности этой службы созданы для того чтобы удовлетворять нескольких сетевых субъектов: во-первых, сетевых администраторов, а во-вторых, сами сетевые приложения. Зачастую, они имеют некоторые разногласия. Сетевой администратор стремится ограничить ресурсы, которые используются специфическим приложением, в то время как это же приложение стремится захватить как можно большее количество свободных ресурсов из сети. Интересы их могут согласовываться, если учитывать тот факто, что администратор сети будет играть самую главную роль, по отношению ко всем пользователям и приложениям.

Основные параметры службы QoS

Разные приложения имеют совершенно разные требования к переработке их трафика. Приложения в некоторой степени более или менее терпимы к потере и несущественным задержкам сетевого трафика.

Эти требования находят своё применение в таких параметрах, которые связанны с QoS :

Полоса пропускания (англ. Bandwidth) – та скорость с которой трафик, который генерируется приложением, может быть и должен быть передан по сети

Задержка (Latency) – время задержки, которое может допустить само приложение при доставке пакета информации

Изменение задержки (Jitter )

Потеря (Loss ) – коэффициент потери информации.

Если бы мы имели доступ к вечным ресурсам сети, то абсолютно весь трафик приложения мы могли бы распределять с нужной скоростью, с временем задержки, равным нулю, изменениями времени тоже равным нулю и с отсутствием каких-либо потерь. Но сетевые ресурсы далеко не вечны.

Механизм рассматриваемой службы держит под контролем распределение ресурсов сети длятрафика приложения, для того чтобы выполнить необходимые условия для его передачи.

Базовые ресурсы службы QoS и способы обработки трафика

Сети, которые занимаются поддержанием связи между хостами, пользуются самыми разными сетевыми устройствами, в число которых также входят хабы, маршрутизаторы, свичи, а также сетевые адаптеры хостов. Любой из перечисленных имеет сетевые интерфейсы. Любой сетевой интерфейс способен передавать и принимать трафик с завершенной скоростью. Когда скорость, с которой трафик направлялся на интерфейс, превышает ту скорость, с которой интерфейс осуществляет передачу дальше трафика, то зачастую получается перегрузка.

Сетевые устройства способны обрабатывать состояние перегрузки, организовывая целую цепь трафика в памяти устройства (в его буфере), пока она (перегрузка) не пройдет. В иных же случаях оборудование может не принимать трафик, для того чтобы сделать перегрузку менее тяжелой. Как результат, приложения встречаются со значительным изменением времени ожидания (потому что трафик остается в очередях на интерфейсах) или даже с полной потерей трафика.

Возможности интерфейсов, касающиеся пересылки сетевого трафика и наличие памяти, предназначенной для хранения трафика в сетевых устройствах будут составлять фундаментальные ресурсы, которые в свою очередь требуются для обеспечения службы QoS для продолжения потоков трафика в приложениях.

Распределение ресурсов службы QoS по сетевым устройствам

Устройства, которые поддерживают рассматриваемую службу, относительно рационально пользуются ресурсами сети для передачи сетевого трафика. То бишь трафик приложений, которые соответственно более терпимы к задержкам, хранится в буфере, а трафик приложений, который в определенной степени более критичен к задержкам, отсылается дальше.

Для того, чтобы решить эту проблему сетевое устройство должно прежде всего осуществлять идентификацию трафика путем распределения пакетов, а также составлять очереди и осуществлять посредством собственных механизмов, их обслуживание

Механизмы и способы обработки трафика

Подавляющее большинство локальных сетей основывается на технологии iEEE 802 и включает token —ring , Ethernet и так далее. 802.1p является механизмом обработки трафика для поддержки службы QoS в подобного рода сетях.

802.1p способно определить поле (второй уровень в сетевой модели OSI ) в заглавии пакета 802, которое несет какое-то значение приоритета. Обычно, маршрутизаторы или же хосты, отсылая свой трафик в локальную сеть, маркируют все посланные ими пакеты, присваивая им какое-то значение приоритета. Подразумевается, что свичи, хабы, мосты и иные сетевые устройства будут обрабатывать пакеты путем организации очередей. Область применения указанного механизма обработки трафика ограничивается LAN . В тот же момент, когда пакет пересекает LAN (через третий уровень OSI ), приоритет 802.1p сразу же удаляется

Механизм третьего уровня – Diffserv , который определяет в поле в третьем уровне загаловка IP -пакетов, которые называются DSCP (расш. Diffserv codepoint )

Itserv представляет из себя законченный пакет услуг, который определяет гарантированных сервис и сервис, который управляет перегрузками. Гарантированный сервис способен нести какой-то объем трафика с ограниченной задержкой. Сервис, который управляет загрузкой,вызывается нести какой-то объем трафика когда «появляется легкая загруженность сетей». Они являются в какой-то степени измеримыми услугами, так как они определяются, для того чтобы обеспечить соотношение QoS к какому-то количеству трафика.

Так как технология ATM может фрагментировать пакеты в сравнительно небольшие ячейки, то оно способно предложить весьма заниженное время задержки. Если нужно передать пакет срочно, то интерфейс ATM может всегда освободиться для передачи на время, которое нужно, чтобы передать лишь одну ячейку.

Также служба QoS имеет в своём распоряжении довольно много непростых механизмов, которые обеспечивают работу такой технологии. Хотим отметить только лишь один, но очень существенный момент: для того, чтобы служба начала функционировать, нужна поддержка такой технологии и наличие необходимой настройки на всех передачах от первоначального пункта и до конечного

Нужно принять:

Абсолютно все маршрутизаторы принимают участиев передаче необходимых протоколов;

Первый QoS —сеанс, котор ый требует 64 кбпс, инициализируется между хостами A и B

Второй сеанс, который требует 64 кбпс, инициализируется между хостами A и D

Для того, чтобы значительно упростить схему предпологаем, что конфигурация маршрутизаторов конструируется таким образом, чтоони имеют возможность резервировать абсолютно все сетевые ресурсы.

Для нас важно, что один вопрос о резервировании 64 кбпс должен был достигнуть трех маршрутизаторов по пути потока информации между хостами A и B . Следующий запрос о 64 кбпс смог бы д остигнуть трех маршуртизаторов между хостами A и D . Маршрутизаторы бы смогли исполнить запросы на резервировании ресурсов, так как они не больше максимально указанной точки. Если же вместо этого любой из хостов B и C смог бы инициализировать 64 кбпс QoS -сеанс с А-хостом, то в таком случае маршрутизатор, который обслуживает указанные хосты, скорее всего запретил бы какое-то одно соединение.

А сейчас попробуем представить, что сетевой администратор выключает обработку службы в трех маршрутизаторах, которые обслуживают хост E ,D ,C ,B . В таком случае запросы о ресурсах больших 64 кбпс будут удовлетворяться вне зависимости от расположения хоста, который принимает участие в создании. В этом случае гарантии качества были бы крайне низки, так как трафик для единого хоста наносил бы ущерб трафику другого. Качество обслуживания, скорее всего, могло бы остаться прежним, если бы верхний маршрутизатор смог ограничить запросы до 64кбпс, но это бы привело к крайне неэффективному использованию ресурсов сети.

С другой же стороны, пропускную способность всех связей в сети мы могли бы увеличить до 128 кбпс. Однако увеличенная пропускная способность будет использоваться только лишь если два хоста будут одновременно требовать ресурсы. Если это не будет так, то сетевые ресурсы вновь станут использоваться крайне неэффективно

Майкрософтовские QoS -компонент ы

98 версия Windows располагает лишь компонентами QoS только для уровня пользователей:

QoS сервис провайдер

Winsock 2 (GQoS API )

Некоторые компоненты приложений

Более поздние операционные системы компании Майкрософт содержат все, что указано выше, а также такие компоненты, как:

Traffic .dll – возможность управления трафиком

Rsvpsp .dll и служб ы rsvp .exe ,а также QoS ACS . В XP и 2003 не используются

Mspgps .sys – классификатор пакетов, способен определить класс сервиса, принадлежащий пакету.

Psched .sys является планировщиком пакетов службы QoS . Его функция заключается в определении параметров службы для специфического потока информации. Весь трафик будет отмечаться каким-то значением приоритета. Планировщик пакетов будет определять трафик, путем постановки в очередь всех покетов и обрабатывать конкурирующие запросы через поставленные в очередь пакеты данных, которые нуждаются в своевременном доступе к сети.

Планировщик пакетов QoS (Psched.sys). Определяет параметры QoS для специфического потока данных. Трафик помечается определенным значением приоритета. Планировщик пакетов QoS определяет график постановки в очередь каждого пакета и обрабатывает конкурирующие запросы между поставленными в очередь пакетами, которые нуждаются в одновременном доступе к сети.

Финальный аккорд

Все вышеизложенные моменты не могут дать одного ответа на вопрос, куда же все-таки уходят те самые 20 процентов (которые, к слову сказать, никто еще точно не измерил). Исходя из всей информации, которая указана выше, этого быть ни в коем случае не должно. Однако оппоненты выдвигают свой довод: система QoS отличная, да вот реализована неважно. И, как следствие, 20% все же уходят. Скорее всего, проблема допекла и самого гиганта софта, так как он уже очень давно в свою очередь стал опровергать подобного плата мысли.