Qos基本原理+园区网络

解决网络拥塞最直接就是增加带宽，但是费钱。可以用Qos解决
Qos( Quality of Service) 设置不同流量不同优先级

1. QoS技术概述

延迟 v.s. 延迟抖动

延迟 vs 延迟抖动

• 延迟：指一个数据包从源端传输到目的端所需要的时间。延迟是一个静态的值（假设网络条件不变），通常可以通过网络路由、物理距离等来测定。例如，一个数据包从A到B需要100毫秒，这就是延迟。

• 延迟抖动：指多个数据包的延迟在不同时间段的波动。例如，数据包1到达B用了100毫秒，而数据包2用了110毫秒，数据包3用了90毫秒，这种延迟的变化就是延迟抖动。

举例说明

假设有一个网络传输应用，比如视频会议或在线游戏，在理想状态下，每个数据包的传输延迟是固定的，比如100毫秒。那么，在这种情况下，延迟抖动是0，因为每个数据包的延迟都是一致的。

现在，假设网络负载变化较大，导致不同的数据包传输延迟发生波动：

• 数据包1用了100毫秒
• 数据包2用了120毫秒
• 数据包3用了80毫秒
• 数据包4用了110毫秒

在这种情况下，延迟在80毫秒到120毫秒之间波动，延迟抖动为40毫秒（即120 - 80 = 40毫秒）。延迟抖动会导致视频或语音传输中的画面或声音卡顿、延迟等问题，影响用户体验。

延迟和延迟抖动的影响

• 延迟对传输数据的速度有直接影响，但如果延迟是稳定的，实时应用可以通过调整缓冲区来适应。例如，延迟为100毫秒的语音通话可以通过固定的缓冲时间来保持通话流畅。

• 延迟抖动则更难处理，因为延迟的不稳定性会导致数据包到达的时间不一致，进而引起语音或视频卡顿。为了减少延迟抖动的影响，通常会引入抖动缓冲，即在接收端将数据包暂时存储，再按固定速率发送出去，从而平滑数据的播放。不过，较大的抖动缓冲会增加整体延迟。

延迟抖动的典型场景

• 视频会议：如果延迟抖动较大，画面和声音会出现不同步或断断续续的现象，影响会议的质量。
• 在线游戏：在需要低延迟的游戏中，延迟抖动会导致玩家的动作与服务器的反馈不同步，影响游戏体验。
• 语音通话：延迟抖动会导致声音不连贯，甚至丢失音节，给用户带来不好的体验。

1. Best-Effort Service（尽力而为服务模型）

举例：假设一个用户在高峰时段下载文件或浏览网页，由于Best-Effort服务没有优先级设置，这个用户的数据包可能会因网络拥堵而延迟或丢失，但系统不会进行重传或优化，网络仅“尽力而为”地传输数据。

2. Integrated Service（综合服务模型，简称IntServ）

举例：在一场跨国视频会议中，参与者需要流畅的音视频体验，因此使用IntServ模型。会话开始前，系统会通过RSVP协议预留所需的带宽，确保会议中的视频和音频不会受到其他网络流量的影响，即使网络出现拥堵，也能保持高质量的通信。

3. Differentiated Service（区分服务模型，简称DiffServ）

举例：假设某企业网络内同时运行着VoIP电话、视频会议和员工的网页浏览。网络管理员将VoIP电话和视频会议流量打上高优先级标签，网页浏览流量为中优先级，文件下载为低优先级。当网络拥堵时，交换机会优先转发高优先级的数据包（如VoIP和视频会议），确保这些关键应用的质量，而低优先级的数据包（如文件下载）可能会受到延迟或丢包影响。

这些QoS技术在网络流量管理中起到不同的作用，通常配合使用，形成一条完整的链条，来确保流量在网络中得到合理的控制和分配。以下是每个技术的详细解释和举例说明，帮助你了解它们的作用及如何串联在一起：

1. 流量分类和标记

举例：在一个企业网络中，可以将不同类型的流量分类并打上标记，例如，将VoIP电话流量打上“高优先级”标签，将视频会议打上“中优先级”标签，将普通网页浏览和下载流量打上“低优先级”标签。这样，后续的QoS技术可以根据这些标签来决定优先级、带宽和处理方式。

2. 令牌桶

举例：假设一个网络接口设置了每秒允许1000个数据包的速率。令牌桶每秒生成1000个令牌，当流量保持在这个速率以内时，每个数据包都能获得令牌通过。但如果流量突增到每秒2000个数据包，由于令牌不足，超出的1000个数据包将被丢弃或延迟，确保接口速率不超出设定值。

3. 流量监管

举例：在一个运营商网络中，可以对某些用户的带宽进行监管，例如对每月数据流量超过100GB的用户，限制其网速至1Mbps，以避免超量用户占用过多的网络资源。

4. 拥塞避免

举例：在路由器接口的出口方向使用**加权随机早期检测（WRED）**算法，当网络负载超过80%时，随机丢弃低优先级的数据包，从而降低整体流量，减缓拥塞趋势。WRED可以确保高优先级流量的传输，而丢弃低优先级流量，达到负载均衡的效果。

5. 拥塞管理

举例：在一个企业网络的出口路由器中，将VoIP电话和视频流量放在高优先级队列，网页浏览和文件下载流量放在低优先级队列。当带宽不足时，路由器会优先转发高优先级流量，确保重要业务的质量，而低优先级流量可能会延迟或暂时丢弃。

6. 流量整形

举例：在一个企业出口路由器中，将对外流量控制在20Mbps的速率，避免突发流量影响下游链路的稳定性。如果流量超过20Mbps，路由器会将超出的流量暂存并缓慢发送，保持整体流量的平稳性。

是否在同一链条上

这些QoS技术通常在一条链条上串联，从入口到出口，依次进行流量控制，以确保网络流量符合预期。一个典型的链条可能如下：

1. 流量分类和标记（入口）→ 根据规则为流量打标签。
2. 令牌桶（入口）→ 控制流量速率，防止突发流量。
3. 流量监管（入口）→ 对超额流量采取措施，保护网络资源。
4. 拥塞避免（出口）→ 当检测到拥塞趋势时，主动丢弃低优先级流量。
5. 拥塞管理（出口）→ 使用队列和调度算法，优先处理高优先级流量。
6. 流量整形（出口）→ 平滑流量突发，适应下游网络资源。

通过将这些技术串联在一起，可以实现从入口到出口的全面流量控制和管理，确保网络资源的合理使用并优化用户体验。

6. HQoS介绍

**HQoS（Hierarchical Quality of Service，分层服务质量）**是一种高级QoS管理机制，通过分层结构来实现更精细的流量控制和带宽管理。HQoS在传统QoS的基础上，引入了多个层次的服务质量控制，能够对网络中的流量进行更复杂的分级和调度，从而更有效地满足不同业务的服务质量需求。

HQoS的典型应用场景

1. 运营商网络
   在运营商的网络中，HQoS通常用于对不同用户和业务类型进行分层管理。例如，家庭用户和企业用户可能会被分配不同的带宽和优先级，企业用户内部的语音通话、视频会议、数据传输等也会被分层处理，确保语音和视频流量在网络拥塞时优先得到服务。

2. 企业网络
   在大型企业网络中，HQoS可以对不同部门、应用和流量类型进行分层管理。例如，企业的语音通话、视频会议和关键业务应用可以设置为高优先级，普通的网络流量（如文件下载）设置为低优先级。HQoS确保在带宽不足时，重要的业务可以优先得到服务，而不会因为低优先级流量影响用户体验。

3. 数据中心
   在数据中心中，HQoS用于对不同租户的流量进行控制。每个租户的流量可以划分为不同的层次，例如网络管理流量、应用流量和普通数据流量。HQoS可以确保管理流量和应用流量的优先级，而不被其他低优先级的流量影响，从而保证数据中心的可靠性和稳定性。

园区

生成树（Spanning Tree Protocol, STP）是一种用于防止网络中出现回路的协议。它通过选择出一个网络中的“根桥”（Root Bridge）以及各交换机之间的主路径，形成一棵“生成树”，从而在有环路的交换机网络中构建无环拓扑，确保数据包不会无限循环。

举例说明：

假设我们有三个交换机SW1、SW2和SW3，连接形成一个三角形结构。由于它们之间都有连接，如果没有STP协议，当某台设备发送广播消息时，数据包可能会在交换机之间循环传递，导致网络拥塞，甚至造成网络瘫痪。

生成树的工作流程：

1. 选举根桥：每个交换机会广播一个配置BPDU（Bridge Protocol Data Unit）来竞选“根桥”。BPDU包含优先级和交换机ID。交换机会比较优先级和ID，优先级低的交换机会成为“根桥”。在图中，SW1被选为了根桥。

2. 确定路径：STP根据每个交换机到根桥的路径成本，选择路径成本最低的链路为主链路。每个交换机会有一个“指定端口”连接到根桥，这个端口用于数据传输，其他的连接会被设为非指定端口或备用端口。

3. 阻塞冗余链路：为了避免环路，STP会阻塞多余的端口。例如，在图中，SW2和SW3之间的一条链路被标记为“非指定端口”，因此该链路会被阻塞，不参与数据转发。

总结：

生成树的目的就是通过选择性的阻塞冗余路径来形成一个无环的结构，从而避免环路的产生，保证网络的正常通信。

快速生成树（Rapid Spanning Tree Protocol, RSTP）和多生成树（Multiple Spanning Tree Protocol, MSTP）是生成树协议（STP）的改进和扩展版本，用于提高网络的可靠性和效率，特别是在大型和复杂的网络中。

1. 快速生成树（RSTP）

快速生成树协议是STP的改进版本，它可以更快地收敛，即在网络拓扑发生变化时能够更快地恢复。STP的收敛时间通常需要30-50秒，而RSTP能够在几秒钟内完成拓扑结构的调整。

特点：

• 更快的收敛速度：通过简化端口状态的转换流程，RSTP大大缩短了收敛时间。
• 新端口角色和状态：RSTP增加了“边缘端口”、“替换端口”等角色，增强了对网络变化的响应速度。
• 向下兼容STP：RSTP可以与STP共存，但当网络中所有设备都支持RSTP时，才能实现更快的收敛。

2. 多生成树（MSTP）

多生成树协议是为了在一个网络中支持多个生成树实例而设计的协议。MSTP的核心思想是通过划分多个虚拟网络实例，让不同的VLAN使用不同的生成树，从而实现更好的负载均衡。

特点：

• 支持多个生成树实例：不同的VLAN可以绑定到不同的生成树实例，允许多条路径共存，从而提升网络的资源利用率。
• 负载均衡：通过为不同的VLAN分配不同的路径，MSTP能够在多个链路上分配流量，避免单一链路过载。
• 兼容RSTP：MSTP基于RSTP，可以享受RSTP的快速收敛优势。

总结：

• RSTP：主要用于加速收敛速度，适用于对故障恢复时间敏感的场景。
• MSTP：用于支持多条生成树路径，适用于需要负载均衡的大型网络。

在实际应用中，RSTP和MSTP可以大大提高网络的灵活性和效率。

OSPFv2（Open Shortest Path First version 2）和策略路由是网络路由中的两个不同概念，各自解决不同的路由问题。下面分别介绍这两者：

1. OSPFv2（开放最短路径优先协议）

OSPFv2是一种内部网关协议（IGP），主要用于IPv4网络中的路由选择。它属于链路状态协议，通过建立和维护链路状态数据库来计算最短路径。OSPFv2被广泛应用于中、大型企业网络和服务提供商的网络。

特点：

• 链路状态协议：OSPF通过每个路由器广播链路状态信息来建立全网的拓扑视图，从而计算最短路径。
• 使用Dijkstra算法：OSPF利用Dijkstra算法计算从路由器到各个网络的最短路径。
• 区域划分：OSPF可以将网络划分为多个区域（Areas），以减少路由开销和数据库大小。区域0（骨干区域）用于连接不同的区域。
• 快速收敛：OSPF在网络拓扑发生变化时能够快速收敛，适合对故障恢复时间要求较高的网络。
• 无类别：OSPF支持无类别的IP地址（CIDR），能够更高效地利用IP地址空间。

使用场景：

OSPFv2常用于企业网络或数据中心中，适合结构复杂、需要快速收敛的场景。它特别适合大型网络，因为区域划分有助于减轻路由开销。

2. 策略路由

策略路由（Policy-Based Routing, PBR）是一种允许管理员根据自定义策略来决定数据包的转发路径的技术，而不依赖于传统的最短路径算法。它的工作方式是根据数据包的特定属性（如源IP地址、目的IP地址、协议类型、端口等）来应用路由策略，决定数据包的传输路径。

特点：

• 灵活性：策略路由允许管理员基于非传统的条件（如应用需求、用户角色、服务质量等）来控制路由决策。
• 基于条件的转发：PBR能够根据数据包的源地址、目的地址、协议类型等属性来应用不同的策略，以实现定制化的转发路径。
• 服务质量（QoS）：策略路由常用于实现特定流量的服务质量控制，如为高优先级流量提供更优路径。

使用场景：

策略路由通常用于特定需求的场景，如：

• 负载均衡：通过策略路由将流量分散到多个链路上，避免链路过载。
• 流量分流：可以将不同部门、不同应用或不同用户的流量分流至不同的路由路径。
• 实现安全策略：可以将特定的流量引导到防火墙、监控设备或其他安全设备，以增强网络安全性。

总结：

• OSPFv2：一种动态路由协议，自动计算最短路径，适合构建复杂的内部网络拓扑。
• 策略路由：一种根据自定义条件控制数据包转发路径的技术，适合流量管理、负载均衡和安全策略的实施。

两者可以结合使用。例如，在使用OSPF动态路由协议的网络中，可以配合策略路由来处理特定流量，从而实现更加灵活和高效的网络管理。