流量整形

什么是流量整形

流量整形是对输出报文的速率进行控制，使报文以均匀的速率发送出去。

流量整形通常是为了使报文速率与下游设备相匹配。当从高速链路向低速链路传输数据，或发生突发流量时，带宽会在低速链路出口处出现瓶颈，导致数据丢失严重。这种情况下，需要在进入高速链路的设备出口处进行流量整形，如图6-10。

图6-10 从高速链路向低速链路传输数据

通过在上游设备的接口出方向配置流量整形，将上游不规整的流量进行削峰填谷，输出一条比较平整的流量（如图6-11），从而解决下游设备的瞬时拥塞问题。

图6-11 使用流量整形的效果

流量整形的实现原理

流量整形通常使用缓冲区和令牌桶来完成，当报文的发送速度过快时，首先在缓冲区进行缓存，在令牌桶的控制下再均匀地发送这些被缓冲的报文。

路由器上，流量整形中令牌添加方式是周期性添加，添加的时间间隔为CBS/CIR，每次添加的令牌数为CBS个。

路由器上，流量整形之后的带宽计算不包括帧头和CRC，这与CAR相反。例如shaping 23Mbps，对于IPoE而言，是指IP流量为23Mbps，不包含帧头、CRC。

此外，流量整形中的CBS参数是否支持手工修改与产品类型、版本、单板类型相关。

流量整形是在队列调度之后，数据包在出队列的过程中进行的（队列及队列调度的相关介绍请参见本文下一章节“拥塞管理和避免”）。

流量整形分为两种：

• 队列流量整形：对接口的每个队列进行流量整形，区分优先级。
  • 队列调度之后在出队的时候，对于不需要整形的报文，直接转发；对于需要进行整形的报文，则先进行令牌桶评估。
  • 在令牌桶评估后，如果数据包速率符合要求，则被标记为绿色并转发；如果数据包速率超标，则当前正在出队的数据包仍然转发出去，同时，将该数据包所在队列的状态改为不可调度，等令牌桶填充了新的令牌时再调度此队列。队列的状态改为不可调度后，该队列允许报文继续入队，但入队满了的时候会丢弃报文。因此，虽然流量整形使超额的数据能够从接口平滑地输出，但并不表示流量整形永远不会丢包。
  • 图6-12 队列流量整形过程
    
    
  • 假设设备端口某队列配置shaping的CIR为1Mbps，PBS为2000 bytes，初始状态时C桶满（即C桶为2000 bytes），报文每毫秒填充1Mbps*1ms=1000bit=125bytes。
    • 假设第1个到达的报文是1500 bytes时，检查C桶发现令牌数大于数据包的长度，所以数据包被标为绿色，C桶减少1500 bytes，还剩500 bytes。
    • 假设1ms之后,到达第2个报文1500 bytes。此时新增令牌125 bytes，加上C桶原来剩余的令牌500bytes，此时C桶共有625 bytes，令牌数大于0，报文被转发，C桶此时剩余令牌为625 bytes-1500 bytes=-875 bytes。由于令牌桶减为负数，队列被暂停转发。
    • 又过1ms后到达第3个报文1000 bytes，但C桶只有-875 bytes +125 bytes = - 750 bytes，依然为负数，因此队列被暂停转发。
    • 假设又过6ms后到达第4个报文1500 bytes，此时C桶有- 750 bytes+125 bytes x 6 = 0个令牌，因此队列被暂停转发。
    • 假设又过1ms后到达第5个报文1500 bytes，此时C桶有125 bytes令牌，因此第3个报文被转发。此时令牌桶剩余令牌数为125 bytes -1000 bytes = - 875 bytes，因此队列被暂停转发。
    以上过程汇总如下：

    表6-1

    包序号	时刻	包长	报文处理前C桶令牌	报文处理后C桶剩余令牌	处理结果	处理前队列状态	处理后队列状态
    -	-	-	2000	2000	-	可调度	可调度
    1	0	1500	2000	500	第1个报文出队列	可调度	可调度
    2	第1ms	1500	625	-875	第2个报文出队列	暂停调度	暂停调度
    3	第2ms	1000	-750	-750	第3个报文出队列	暂停调度	暂停调度
    4	第8ms	1500	0	0	第4个报文出队列	暂停调度	暂停调度
    5	第9ms	1500	125	-875	第3个报文出队列	可调度	暂停调度

• 接口流量整形：也叫接口限速LR（Line rate），限制接口发送的所有报文（包括紧急报文）的总速率，是对整个出接口进行流量整形，不区分优先级。如图6-13，
  • 队列调度之后在出队的时候，对所有队列的数据包总和进行令牌桶评估。
  • 在令牌桶评估后，如果数据包总速率符合要求，则转发；如果数据包总速率超标（即令牌桶中的令牌不足），则接口暂停调度，等令牌足够时再继续调度。
  图6-13 端口流量整形过程
  
  

  端口整形的报文标记过程与队列整形原理一样，此不赘述。

流量整形的应用

流量整形的典型应用是基于下游网络节点的流量监管的SLA指标来控制本地流量的输出，减少报文丢失。

图6-14 流量整形的应用

• 端口流量整形的应用

  如图6-15，假设一个Hub-Spoke组网模式的企业，总部与分支机构通过ISP使用专线相连，其链路带宽为1Gbps。当所有分支同时向总部发送数据时，可能会在连接总部的ISP边缘节点造成拥塞。为了避免在ISP丢包，可以在各分支的边缘设备出口处进行端口流量整形。

  图6-15 端口流量整形的应用
  
  

• 队列流量整形的应用

  如图6-16，假设一个Hub-Spoke组网模式的企业，总部与分支机构通过ISP使用专线相连，其链路带宽为1Gbps。分支机构访问Internet是经过总部的，而总部到Internet的链路只有100Mbps。如果所有分支机构以高速率同时访问Internet，则可能使分支机构及总部访问Internet的总web流量超过100Mbps，导致web流量在ISP被丢弃。

  如果在分支机构的出口设备及总部访问Internet的出口设备上配置基于队列对web流量进行整形，可防止web流量的丢失。

  图6-16 队列流量整形的应用
  
  

整形精度调整-最后一公里QoS

最后一公里是指宽带接入交换机（如以太 DSLAM）到最终用户的这一段传输线路。在最后一公里，如图6-17，企业/家庭用户通常采用IPoE、PPPoE方式接入到以太 DSLAM，DSLAM再通过城域网接入到IP骨干网边缘设备BRAS/SR。

图6-17 最后一公里组网示例

对于宽带接入的场景，BRAS/SR和DSLAM之间是以太链路，BRAS/SR采用以太封装报文，其流量整形是基于以太封装的。

即使用户和DSLAM之间也是以太链路，其封装开销也可能比BRAS/SR上的用户侧封装开销大。例如，BRAS/SR封装的以太报文不带VLAN Tag，用户和DSLAM之间采用VLAN或QinQ封装，其报文则携带了一层或两层VLAN TAG。

为了解决上述问题，可在BRAS/SR配置最后一公里QoS特性。最后一公里QoS是指设备在进行流量整形时，根据用户订购带宽和DSLAM下行接口带宽进行精度调整，通过调整报文字节对整形带宽进行补偿。

以上原因导致BRAS/SR无法自动推断出报文经过DSLAM封装后的总长度，需要手工配置补偿字节数overhead。

配置补偿字节数之后，对于DSLAM采用以太链路接入CPE的场景，BRAS/SR会自动根据转发的报文长度及配置的overhead，直接推断出报文经过DSLAM封装后的总长度，从而自动对整形带宽进行修正。

作为参考，下文给出了常见报文封装开销及几种典型场景下需要配置的补偿值。