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GBswitching
Avaya千兆位局域网交换:
为IP交换提供增强的QoS
80系列体系结构概述:
强大的服务质量
白皮书
2001年2月
目录
第一章:
简介
第二章:
服务质量
第三章:
流量类别、分类和排队
第四章:
流量类别
第五章:
Cajun80系列数据流量
第六章:
QoS机制:
分类
第七章:
排队—灵活/强大的行为
第八章:
流量管理
第九章:
输入和输出标记(或重新分类)
第十章:
摘要
第十一章:
参考书目
简介
电子商务的兴起标志着企业经营方式本质上的转型。
在电子商务领域中,许多传统的商业系统和流程正被联网解决方案所代替,这些解决方案挖掘了企业网络和Internet的全部潜能,加快了企业目标的实现过程。
随着电子商务的发展,各企业正在评估电子商务对其竞争地位的影响,并采取相应措施。
对许多大型机构来说,在21世纪中能否取得成功,将取决于他们把企业网络作为电子商务战略车轮所实现的商业成绩和技术成就。
上一篇题为“使您的网络面向电子商务就绪:
Avaya公司”的白皮书,可以作为面向电子商务变革发展企业网络的指南,其把重点放在了许多技术领域上,包括:
●提高的扩充能力
●更高的可用性
●增强的安全性
●强健的服务质量
●设计模块内部及设计模块之间一致互补的功能
●对复杂功能的端到端管理能力
通过采用Avaya的P580和P882及Cajun家族交换机使用的80系列模块,可以实现下述技术目标:
●更高的扩充能力(高达139Gb/s)
●更加强健的服务质量功能(IETFDiffServ、ToS、QoS映射、单阶段分类、完善的低时延排队、流量管理)
●更高的交换机密度(高达128x1Gb/s或768x10/100Mbps)
●改善的模块化系数和灵活性(带有混合1Gb/s和10/100端口及GBIC光纤端口的模块)
●改善的管理能力(更多的计数器,逐个VLAN统计)
●改善的性能价格比
本文是系列文章中的第二篇文件,其描述了AvayaP580和P882路由交换机的体系结构。
本文的目的是详细介绍在AvayaP580和P882路由交换机中,80系列服务质量特性有助于机机构部署电子商务基础设施、实现其商业目标的增强的体系结构和功能。
服务质量
说到神秘的东西,服务质量(QoS)肯定当之无愧!
业内一直在大肆讨论IP、ATM和以太网的QoS,但几乎没有几个网络管理员在当前日益基于IP的网络中真正地管理端到端QoS。
QoS被错误理解的主要原因之一是在评估QoS要求时,在基于IP的专用企业网和公共IP运营商网络之间存在着固有的似是而非的观点。
公共网络
在公共网络中,QoS通常意味着“只获得付费的服务”。
事实上,在公共网络中,基于IP的QoS的主要重点与流量合同确立、按合同提供服务、及强制实施这些合同有关。
因此,如果公共运营商能够向客户保障特定的时延和带宽,那么运营商最关注的是保证消费者只获得合同中协商的网络资源。
正是这种签约确定的网络资源占用要求,使得ATM成为SONET/SDH基础设施的广域网重叠部分,并取得了巨大成就。
在ATM中,网络设施是为了建立和实施流量合同而专门设计的。
考虑到基于IP的网络流量增长,运营商在建立纯粹基于IP的QoS中寻求使用的机制不可避免地集中在开通和强制实施消息的网络带宽上。
企业网络
在企业网络中,QoS管理的基本主题是满足最终用户要求,而不是原始的带宽占用。
如表Q.1所示,应用要求和配置文件在应用之间存在着很大的差异。
由于日常的移动、增加、变动活动,同时由于存在数千台台式电脑、数百种各种组合应用,因此为管理企业中QoS而开通的带宽占用模型并没有发挥作用。
幸运的是,千兆位以太网革命在局域网中提供的可用带宽,允许许多网络管理员超额开通局域网,并在广域网边缘严格对待QoS问题,从而避免了这种问题。
由于IP电话融合及电子商务应用每天对企业网络提出了关键要求,进而大大提高了与QoS的关联度,上述情形将不可避免地发生变化。
什么是服务质量?
为了更好地进行量化,我们应先了解排队理论,即只要提供的负载不超过可用带宽的50%,那么网络交换系统的平均队列尺寸将是一个分组或更少。
这一说法的推论是,只要提供的负载一直低于输出线速(即10Mbps、100Mbps或1000Mbps以太网)的50%,那么所有分组都会实现最低时延,QoS对网络吞吐量或抖动几乎没有任何影响。
如图Q.1所示。
图Q.1
HighPriorityMeanDelay:
高优先权平均延迟
Delay:
延迟
OfferedLoad:
提供的负载
Low:
低
High:
高
在传统上,企业的广域端连接在给定时间内(单位为分钟或小时)的运行速度要大于等于提供负载的100%。
多年来,一直在广域网边缘处理QoS的多个方面。
随着桌面系统和应用的发展,局域网中三个不同组件的潜力正明显超过这种50%限制,其分别是:
1.交换式10Mbps链路到桌面,同时发生VoIP、流式视频和文件传输或电子商务应用。
采用166MHz奔腾处理器、运行Windows95的低端系统可以很容易使一条10Mbps链路达到饱和,但即使是采用1.5GHzPentium4处理器的桌面,由于当前使用的应用程序中典型的I/O特点,交换式100Mbps链路上对QoS的需求仍然很低。
2.服务器端100Mbps-400Mbps连接,其中网络发出的数据量可能消耗链路的全部带宽,服务器以不同的网络优先权等级运行(即IP电话加面向数据的消息和决策支持)。
在使用当前的服务器和一条1Gb/s以太网服务器端连接时,CPU饱和的可能性要超过网络连接。
但即使在这种情况下,基于应用的QoS仍有助于根据特定交易比其它交易更可能发生的概率,来分配稀缺的CPU资源。
3.交换机间网络骨干连接。
由于1Gb/s以太网的成本较低,同时由于链路集结(LAG)技术的问世及各种负载均衡算法的出现,尽管短期饱和可能导致重要应用发生明显的应用丢失,但局域网骨干上的长期流量饱和通常不是问题。
IPQoS是在拥塞超过网络链路潜在带宽大约50%时,防止网络拥塞影响选定流量的一套机制。
可以运用这些机制,避免实时应用过高的延迟和延迟偏差(如VoIP)。
还可以运用其它机制,在关键电子商务数据应用中避免丢包,而不管其是否基于web。
只要优先权高的流量没有超额占用提供的带宽(即交换机端口),那么QoS就是有效的。
但是,QoS也带来了一个问题。
例如,提供特级服务会给可以提供的尽力而为服务的水平带来不利影响。
表Q.1
服务水平
服务质量
应用
工作时间
最低可用性
最大当机时间
平均吞吐量
最大错误率
最大延迟
最大延迟偏差
前端办公室服务/结算
8a.m.到5p.m.
99.99%
1分钟
9.6kbit/s
10-5
200ms
200ms
前端办公室服务/ATM
全天候
99.99%
1分钟
9.6kbit/s
10-5
200ms
200ms
基于web的订单输入
全天候
99.99%
1分钟
56kbit/s
10-5
1秒
不到一秒
分布式呼叫中心
全天候
99.99%
1分钟
10kbit/s
10-5
200ms
100ms
支持web的呼叫中心
8a.m.到5p.m.
99.50%
10分钟
10kbit/s
10-4
200ms
100ms
后端办公室局域网
全天候
99.50%
10分钟
56kbit/s
10-5
几秒
几秒
PBX互连
8a.m.到5p.m.
99.50%
10分钟
10kbit/s
10-5
200ms
100ms
电子邮件
8a.m.到5p.m.
99.00%
10分钟
64kbit/s
10-5
几秒
几秒
基于视频的远程培训
8a.m.到5p.m.
99.00%
10分钟
384kbit/s
10-8
100ms
100ms
网上浏览
8a.m.到5p.m.
99.00%
10分钟
56kbit/s
10-5
几秒
几秒
流量类别、分类和排队
QoS交换的要素有哪些?
IPQoS基于多种机制和步骤。
在当代以太网交换机中实现服务质量涉及不同的阶段。
几乎声称支持QoS的所有交换机都必须以大体相同的顺序支持这些阶段。
这些阶段包括:
1.包头信息中的流量分类。
包括采用IEEE802.1p优先权标记的明确标识,或采用IETFToS或DiffServ(DS)标记信息的明确标识。
它还可能涉及通过查看第二层(MAC)、第三层(IP地址)、第四层(UDP/TCP和端口)或更高层的分组内容进行隐示分类。
流量分类有时也称为流量着色。
2.把分类后的流量分配给为流量类别服务的多个队列中的一个队列。
3.使用适当的队列管理算法,在流量类别之间分配转发带宽。
这些机制包括流量策略管理、流量整形机制,以及加权循环(WRR)、加权公平排队(WFQ)、和基于类的加权公平排队(CBWFQ)算法。
4.充分的内部交换容量,保证交换机本身不会成为瓶颈。
5.还可以调用流量管理,选择哪些流量受到速率限制或采用流量整形或平滑、随机早期丢弃(RED)和加权随机早期丢弃(WRED)等算法丢包。
6.对下行交换机,可以使用新的流量重新分类对分组进行“重新标记”。
在把未标记的流量分配给VLAN时,或从IEEE802.1p优先权转换到IP优先级ToS字节或DiffServDS字节时,这一点特别重要。
在IP网络中,QoS并不是一种具体的算法或技术,而是按顺序在交换系统中在网络范围内应用大量不同的复杂操作,以获得所需的结果。
流量类别
幸运的是,在我们考察应用的带宽和时延要求时,很明显这些要求可以分成不同的类别。
例如,VoIP传输协议(如RTP封装的G.711/G.723/G.729流量)对带宽要求相对较低,但其对时延和/或时延偏差要求严格。
另一方面,流式广播视频对带宽分配提供了更高而且可以预测的需求,但其时延和时延偏差要求相对较低,因为几乎所有桌面视频应用(Real™
Networks、微软、MediaPlayer等等)都采用了大型的抖动缓冲器。
尽管许多数据应用对网络时延的敏感度相对较低,但它们通常在带宽要求上预测能力不高。
此外,对生成重要营业收入的电子商务应用,特别是直接与消费者接合的应用,网络必须提供卓越的响应时间和性能,丢包率要降到微乎其微。
可以把基于IP的网络分成不同的流量类别,然后管理流量类别,而不是每个单独的应用或用户。
这种流量类别的概念允许在企业中实现QoS管理,而不是乱糟糟的一大群字母。
IEEE和IETF–一大群字母
IEEE和IETF都提供了多种机制,支持在第二层和第三层区分流量,在一个IP管理域内支持最多8种不同的类别。
IEEE802.1p/Q
在IEEE中,IEEE802.1在IEEE802.1D桥接规范的802.1p/Q规范中定义了8种优先级(序号为0-7)。
IEEE802.1p是在第二层用一个优先值标记分组的机制。
该标记加在MAC包头(如以太网帧包头)和第三层协议(如IP包头)之间。
第二层以太网交换机识别这个标记,不要求交换机解析分组的IP包头。
IETF服务类型
在IETF中,作为IP包头一部分的服务类型(ToS)字节提供了八种IP优先级。
ToS是一种老的(部分上过时)的IP包头机制,其只提供了部分分组优先权分配。
在IP包头中有一个特定的字节,称为ToS字节或ToS字段。
在Internet和专用网络中采用ToS部署IP优先级并不是其真正的初衷,但其通常能够满足特定网络服务供应商或路由器厂商的需求。
在这个字段中,取值为0表示分组只获得尽力而为的服务。
其它取值代表不同的意思,具体取决于这个字段用于哪种方案(参见图Q.2)。
IP优先级是一种分组优先权分配机制。
它在一定程度上与802.1p平行,但在第三层实现,这样路由器和第三层交换机可以识别IP优先级,一般第二层交换机则不能识别IP优先级。
它使用0-7,与802.1p非常相似,但它位于IP包头内部(而不是位于第二层标记上)。
IP优先级使用ToS字节的3位(MSB、第一个、最左边3位)。
因此,IP优先级是ToS的一部分。
事实上,IP优先级只是过去没有真正部署的ToS的一部分。
在人们谈论ToS时,他们有时指的就是IP优先级。
除IP优先级使用的3位以外,针对其它位还有别的ToS定义。
在其它位中,其中一位在设置时将表明分组应该获得低延迟,另一位表明高吞吐量,等等。
与IP优先级不同,这些旧的ToS语义大多数已经过时,根本没有得到广泛部署。
IETF差别化服务
差别化服务(DiffServ)是IETF定义的比较新的一种QoS体系结构。
它包括的概念是,分组可以标上某个值,路由器可以使用这个值,把分组划分成流量类别,以获得路由器中的特定行为。
标记在IP包头ToS字节中完成,在本文中称为DS字段。
DSCP是指DiffServ编码点,这一术语用于标记分组的值。
DSCP包含6位,即写入IP包头中ToS字节的最左边(最有效的)6位(参见下面)。
DSCP定义向下兼容IP优先级,但其不能向下兼容ToS字节中其它位的旧语义。
为了实现向下兼容能力,预先定义了与IP优先级值对应的8个DSCP,以表示与IP优先级相同的意思。
由于IP优先级是6位DSCP中最有效的位(而不是最无效的位),因此这些值不是0-7,相反,与IP优先级n对应的DSCP是n*8。
例如,DSCP40(十进制)与IP优先级5相对应。
在IETF的差别化服务中,DS字节支持与ToS字节标记的向下兼容能力,但DS字节的DiffServ编码点(DSCP)字段提供了一个更加丰富的流量分类和行为集合。
图Q.2IETF差别化服务(DS)字节
1
2
3
4
5
6
7
8
X
X
X
X
X
X
CU
CU
如需全面了解IPQoS、DiffServ和RSVP,请参阅贝尔实验室技术杂志1998年10-12月,QoS和DiffServ-
IEEE和IETF实现技术
IEEE和IETF中工作之间的主要差别之一是支持IEEE802.1p优先权字段的交换机实现技术只需保证它支持采用至少两个队列实现最低的严格优先权。
但是,ToS和/或DS流最类别的解释包括流量测量、流量整形和采用丢包概率(PLP)的策略管理等概念,而不只是简单的优先权。
换句话说,IETF解决了怎样制订丢弃哪些流量及为哪些流量分配优先权的决策。
服务类别推荐
在企业网络中高效、简单、直观的QoS管理方式是定义数量有限的流量类别(一般不超过4个),并在网络范围内管理这些类别,如图Q.3所示。
图Q.3
NetworkManagementandControlTraffic:
网络管理和控制流量
TimeDependentTraffic:
与时间有关的流量
HighPriorityBusinessApplicationsTraffic:
高优先权的商业应用流量
RegularDataTraffic:
普通的数据流量
HighestPriority:
最高优先权
BestEffort:
尽力而为
RoutingProtocols,SNMP,Signalling,CallManagement,etc.:
路由协议、SNMP、信令、呼叫管理等等
VoIP(H.323),VideoConferencing,On-lineCollaborativeApplications:
VoIP(H.323)、视频会议、在线协作应用
KeyBusinessApplications–SAP,PeopleSoft,etc.:
主要商业应用—SAP、PeopleSoft等等
AllOtherApplications:
所有其它应用
一般来说,这四种服务类别及其推荐的优先权取值是:
1.最高优先权(保持网络运行)–IEEE=7,IP优先级=7,DSCP=56
网络管理流量,OSPF,生成树
2.对时间敏感的流量–IEEE=5,IP优先级=5,DSCP=40
实时语音、视频会议
3.高优先权数据–IEEE=1,IP优先级=1,DSCP=8
SAP,Web等等
4.尽力而为–IEEE=0,IPPrecedence=0,DSCP=0
所有其它应用
一旦在企业范围内协商确定流量类别,那么网络管理员将使用AvayaCajunRules™策略管理器之类的工具设置规则,把流量分配给特定的流量类别。
这些规则采用应用和用户配置文件的形式,并使用简单的Boolean语言把这些用户和应用分配给流量类别。
然后管理软件把这些规则转换成交换机使用的具体流量分类机制,其中可以包括:
●信源/信宿IP地址-(用户、工作组、系统应用)
●TCP/UDP端口编号-(应用)
●应用层包头-(应用、内容、上下文)
●802.1p(802.1D)优先权-(预先按终端系统或上行交换机分类的流量)
●ToS字段或DiffServDS字段-(预先按终端系统或上行交换机分类的流量)
在Avaya家族局域网交换机中可以部署任何或所有这些工具和机制,但80系列P580和P882提供了当前市场上某些最强大、最可管理、最经济的QoS功能。
Avaya80系列中的数据流动
在详细考察Avaya80系列实现技术中的每种QoS机制(分类、排队和流量管理)之前,我们应先了解80系列交换机中的基本数据流动。
正如在这一系列文章中第一本白皮书内所讨论的那样,AvayaP580和P882被划分为输入/输出缓冲纵横交换机,带有内部加速功能。
下面的图Q.4中列出了一个纯千兆位以太网端口的数据流动简化版本。
10/100端口、ATM端口和广域网端口的数据流动略微复杂一些,但包含了所有基本要素。
在Avaya80系列结构中,帧从网络到达交换机,被80系列转发ASIC(FCHIP)以高达1Gbps的线速存储到可用的输入缓冲器中。
每个千兆位端口具有一个FCHIPASIC。
一个FCHIPASIC为多个10/100端口服务。
在帧被缓冲时,FCHIP使用一条并行多阶段管线查看帧包头。
这条管线使用多个转发表、第二层交换和第三层IP和IPX路由规则,实现完全标准化桥接、路由、然后再桥接转发决策。
这条多阶段管线还负责第一层(物理端口)、第二层(MAC地址和IEEE802.1p/Q标记)、第三层(IP地址和DiffServ/ToS标记)和第四层(UDP/TCP信源和/或信宿端口)流量分类决策。
在制订转发决策后,ASIC把信宿输出物理端口和流量分类信息追加到帧上,把帧分配给8个队列(流量类别)中的一个队列,然后最后路由通过交换机的其余部分。
如果帧由于不需要转发(第二层)或被访问控制列表(ACL)过滤而丢弃,那么将重新分配缓冲器存储空间,然后丢弃帧。
FCHIP可以实时制定所有转发分类决策,在分组全部接收到输入缓冲器之前,完成全部帧查找、转发和分类决策。
一旦帧被完全接收到8个输入队列中的一个队列内部,它会流经服务每个输出端口的8个输出队列之一。
帧将以最快输入速度211%以上的速度穿过纵横杆。
分类后的流量类别的优先权决定着纵横杆争用和优先权分配。
此外,如果帧是多路广播帧,它可在一个纵横周期中排队到多个输出缓冲器,因为纵横杆能够把一个输入的分组复制到多个输出上。
在流经纵横杆之后,帧根据各种策略从每个端口8个队列中的一个队列传送到网络中,这些策略可以通过命令行界面(CLI)、交换机的内部Web界面或Avaya的CajunRules策略管理器系统实现。
可以为8个队列/类别中的每个队列/类别分配优先权,分配最小和/或最大带宽、最小和/或最大队列尺寸(抖动),并进行测量、整形、标上丢包概率(PLP)或进行其它管理,以实现所需的一系列流量管理目标。
如果输出队列拥塞导致资源稀缺或不可用,那么可以使用尾部丢弃或加权随机早期丢弃算法丢弃帧。
这种体系结构的意义是,在帧流经交换机时,第一层和第二层帧接收、第三层分组转发、及所有形式的分类、排队、流量管理、帧重新分类(标记)和传输操作都按正确的顺序进行。
所有这些的时延一般都低于4毫秒(千兆位端口到千兆位端口)。
QoS机制:
分类
如上所述,Avaya80系列体系结构支持第一层、第二层、第三层和第四层分类。
为本文目的,我们将把重点放在所有80系列模块固有的无状态第1-4层分类和排队上。
通过增加一个或多个服务器交换机模块(M8000R-SSM),还可以增强任何AvayaP580或P882,以支持超高性能第4-7层实时分类和交换。
分类优先级
表Q.2说明了80系列体系结构中的分类优先级。
在80系列数据流动中我们已经讨论过,进入的帧先在第一层处理,然后在第二层桥接,在第三层和第四层路由,最后再在第二层桥接。
在这一过程中,许多步骤涉及到明示分类,其中流量类别信息要么位于帧标记(IEEE或DiffServ/ToS)之中,要么来自默认设置(如物理端口或默认DSCP)。
分类也可以是隐示的(即从帧内部中导出)。
不管是哪种情况,这种分类都是无状态的,即从以前的帧或后来的帧中独立地为每个帧导出分类。
表Q.2说明了通过80系列数据流的帧的分类程序。
在确定将为一个帧分配8个流量类别中哪个类别时,表中较高的项目的优先级要高于表中较低的项目。
这个表在很大程度上可以看作与IP最长匹配路由表相同,在IP最长匹配路由表中,匹配的最高优先级(列表顶部)获得分配输出流量类别的优先级。
在实践中,这种相当复杂的过程在很大程度上对网络管理员是不可视的,让我们看一下九个可能的分类步骤:
●第1-3步:
IEEE802.1p标记的优先级将超过任何其它标记,如3ComPace或CiscoISL。
但是,如果物理端口被设置成忽略输入L2标记,或如果进入的帧没有标记,那么为入口物理端口分配的默认优先权将优于任何标记的优先权。
●第4-7步:
在第二层,入口地址表中配置的任何优先权分配都将优于任何端口默认值或标记的优先权分配。
输出地址表中的出口优先权分配优于早些时候执行的第二层优先权分配(如有)。
●第8-9步:
最后,第三层分类一直优于第二层。
这一直适用,而不管第三层分类的发起点在哪里。
在这种情况下,我们在第三层/第四层流量这一术语中包括了全部第三层和第四层ACL规范(包括SRC/DSTIP地址、UDP/TCP和SRC/DSTIP端口编号)。
第三层/第四层流量过滤器可能事实上只是由为IP路由目的进行的查找第三层信宿地址决定的,或者可以来自为覆盖所有第二层默认值而设计的DiffServ(DS)覆盖操作。
表Q.2分类优先级表
分类
流量类别来自:
9.第三层/第四层访问列表项目
第三层默认优先权
8.IP包头中的DSCP值
DS查表中的优先权
7.第二层信宿地址最大类别
允许的最大第二层输出类别
6.第二层信宿地址
第二层地址表(输出)
5.第二层信源地址最大类别
允许的最大第二层进入类别
4.第二层信源地址
第二层地址表(进入)
3.物理端
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