广域网流量调度方案发展与应用

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随着企业信息业务的不断丰富，数据大集中已经成为IT建设的趋势，在广域网带宽紧张、成本昂贵的情况下，解决带宽与业务之间的矛盾，构建快速、稳定、高质量的广域网络，保障关键业务传输质量，实现链路资源的充分利用，成为广域网解决方案的重要组成部分。

广域网流量调度方案发展与应用

一、 从流量控制到流量调度

1、广域网流量与带宽的矛盾

广域网覆盖范围广、接入用户多、承载业务复杂。随着政府、企业等信息化的不断发展，尤其是近年来数据大集中带来的业务整合，高清视频、IP语音、公共资源平台等应用上线，推动广域网数据类型、数据流量、网络规模的快速增加。

相对于园区网、城域网和数据中心，广域网跨越距离远，线路资源有限，高速带宽费用昂贵。快速增加的业务流量与有限的带宽资源之间的矛盾，使得广域网上的流量很容易产生拥塞，导致业务延时增加、流量抖动，甚至丢包。如图1所示。

广域网的上述矛盾决定了广域网业务质量的“不可靠”性，也使得流量控制始终是广域网方案设计的核心内容。

2、流量控制方案

随着线路类型以及网络产品和技术的发展，在广域网上进行流量控制的技术主要分为三种。

l InterServ方式

集中服务方式，主要应用于早期的广域网专线，如ATM、FR，通过将线路划成多个PVC**(Permanent Virtual Circuit，永久虚电路，例如ATM线路的VPI/VCI、FR线路的DLCI等)，每个PVC分配所需的保证带宽(CBR)，将线路的实际带宽在PVC上进行分配。通过将不同类型的业务映射到对应的PVC上，使用PVC的分配带宽，实现不同类型业务的传输带宽和时延质量保证。

该种方式要求网络中的所有节点(包括核心节点)都记录并保留每个类型业务流的资源预留状态，同时为每个类型的业务流设置单独的内部虚电路资源，以保证业务流的带宽。因而该方式对于可划分PVC的ATM、FR等线路比较容易实现。

然而现在广域线路以POS、E1、以太网为主，采用共享带宽方式，在线路上已经不能进行虚拟电路划分。另外，在大型网络中，业务流数量非常庞大，对网络节点设备的处理能力有着非常高的要求。同时，由于必须在所有节点上都保留每个类型业务流的资源状态，整体网络设计和部署的可扩展性也较低。

因此，IntServ方式主要在早期的广域网线路中应用，而不再适应当前以IP为主的广域网线路，以及日益增多的应用业务，它逐渐被DiffServ方式所替代。

l DiffServ方式

区分服务方式，是IETF工作组为了克服InterServ的可扩展性差而提出的服务模型，目的是制定一个可扩展性相对较强的方法来保证IP的服务质量。在DiffServ模型中，业务流被划分成不同的区分服务类。一个业务流的区分服务类由其IP包头中的区分服务标记字段(Different Service Code Point，简称DSCP)来表示。在实施DiffServ的网络中，每一个节点路由器都会根据数据包的DSCP字段执行相应的PHB(Per Hop Behavior)行为，主要包括EF、AF、BE三类：

1. Expedited Forwarding (EF)：主要用于低延迟、抖动和丢包率的业务，这类业务一般运行一个相对稳定的速率，需要在路由器中进行快速转发。

2. Assured Forwarding (AF)：这类业务在没有超过最大允许带宽时能够确保转发，一旦超出最大允许带宽，则允许根据不同的丢弃级别丢弃报文。

3. Best Effort (BE)：尽力转发，主要用于对时延、抖动和丢包不敏感的业务。

区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息的数量少，因此扩展性较好。目前，区分服务是业界认同的IP骨干网的QoS解决方案。尽管IETF为每个标准的PHB都定义了推荐的DSCP值，但是设备厂家可以重新定义DSCP与PHB之间的映射关系，用户可根据网络实际需要进行灵活定义。

l MPLS TE方式：

Diffserv是基于流分类的逐跳行为，但是不能选择路径。MPLS TE流量工程是将InterServ方式应用到IP网络中，进行资源预留和流量分担，从而提高线路带宽利用率，对网络资源的使用进行优化。但是TE的实现机制比较复杂，对设备的功能和性能要求很高;同时TE主要应用于运营商骨干网络，适合于网状或者半网状网络结构，对于企业级的星形、层次化网络结构并不适合。因此MPLS TE在企业级广域网中应用比较少见。

在以上三种方式中，目前较为常用的是DiffServ方式，采用流量分类、流量监管(限速)、拥塞管理(优先级队列)等QoS技术，对不同类型流量执行不同的流量控制策略，保证高优先级关键业务的传输质量。

3、流量调度需求

流量控制方案虽然能够保证关键业务的传输质量，但随着广域网上业务类型的增加，面临多样化的业务流量控制需求，逐渐显现一些不足，主要体现在以下几点。

l 不能全局协调

DiffServ方式的出发点就是通过PHB的方式，每个节点独立执行流量控制策略。目前广域网的双节点、双链路组网方式已经成为主流，这种基于单节点、单链路的PHB控制策略，无法充分利用主、备链路带宽。例如，当主链路业务流量突发超过主链路带宽时，根据主链路节点设备的流量控制策略，即使备链路有空闲带宽，仍然会对主链路上过载流量进行丢弃，导致同一网络节点上的链路资源没有得到充分利用。备链路很可能仍有一定的空闲。根据主链路节点的流量控制策略，主链路上必然产生流量丢包，备链路上的空闲资源没有得到有效利用。

图2 双链路流量控制

如图2所示，主、备链路带宽均为10M，主链路流量突发(达到12M)，而备链路流量正常(6M)。由于R1、R2的流量控制策略是独立部署和执行的，根据路由器R1的流量控制策略，会有2M流量被丢弃，而R2所在链路还空余4M的链路带宽，主、备链路压力和利用率不均衡。

l 不能动态调整

流量控制是基于业务流特征执行策略，一般很少考虑对终端用户进行控制。事实上，业务类型和终端用户的增加，使得业务流突发存在很大的不确定性。例如在线办公系统(Notes、Email等)，通过流量控制保证2M带宽，则10人使用时，每人平均100K的流量，50人使用时，每人平均只有40K。如果一些用户收发大邮件、占用大量带宽，将会导致其他人员只能使用远小于平均值的带宽，业务访问速度降低，甚至会影响正常办公。

若对每个用户的访问速度进行限制(例如每人最大50K)，又会抑制整体访问速度，当并发访问人员较少时，虽然带宽有富余，访问速度也不能增加。因此，由于缺乏动态调整机制，很难对每个用户的使用带宽进行有效限制和保证，以提高效率、兼顾公平性。

l 不能精细化控制

通过路由器、交换机等网络设备执行流量控制策略，必须明确配置每种业务的特征(IP地址、端口号、协议类型、优先级等)，对于无法通过上述特征识别的业务(如FTP、基于HTTP、P2P等的应用)，基于流量控制方案不能进行有效的控制。而随着B/S架构、服务器虚拟化的广泛应用，传统的业务流特征已经不再包含单一应用，必须有对应的深入识别和控制手段，进行精细化流量控制。

l 整体部署策略复杂

DiffServ方式流量控制虽然可以结合MPLS TE、分层QoS技术，实现更加强大的流量控制功能(例如对关键业务进行带宽预留，对不同部门的不同业务进行分级带宽保证)，但MPLS TE和分层QoS技术实现和配置比较复杂，除了运营商骨干网，企业级网络中应用较少。事实上，基于企业级网络的组网结构和运维管理水平，它需要简单、直观、可扩展、适应性强的技术和策略。

为了改进传统流量控制方案中的不足，满足多样化的业务流量控制需求，企业广域网需要一种动态、智能、简单的机制实现流量控制，这就是流量调度。

二、 流量调度方案的主要构成

广域网流量调度方案，主要包括业务分流、拥塞避免、流量路由、精细化流量控制等几个部分。

1、业务分流

业务分流是进行流量调度方案设计的前提。通过路由协议(Cost、路由优先级等路由策略调整)、策略路由、VRRP/VRRPE等，将流量在链路上进行策略性的分担。例如将办公、生产等业务在主链路上承载，将视频会议业务在备链路上承载。

2、拥塞避免

传统的流量控制是“后觉”行为，主要部署在网络设备出接口，当需要转发的流量超过出接口带宽时，执行拥塞管理策略，通过优先级队列转发高优先级流量、丢弃低优先级流量。QoS技术中虽然有WRED拥塞避免技术，但其主要原理是通过提前丢包降低业务流速率，从而减轻出接口拥塞程度，但并不能完全避免拥塞。

图3 拥塞管理时延测试

以某测试为例，出接口为10M以太网链路，配置CBQ优先级队列，优先保证UDP报文流量。通过流量测试仪生成混合报文，UDP包(模拟视频流)占1/4，IP包(64字节)占1/4，IP包(1024字节)占1/2，依次测试流量为1.2M、2.4M、3.6M、…、10.8M、12M等几种情况，记录每个报文的平均时延、丢包率。

测试结果如图3所示，流量未超过链路带宽时，所有报文都能够正常转发，平均时延在1ms以下。当流量超过链路带宽，发生拥塞时，通过CBQ拥塞管理策略，UDP包仍然能够完全转发，丢包率为0;而IP包的丢包率随着流量增加而增大。同时，无论是UDP包还是IP包，平均时延都大幅增加，达到15ms以上，IP包甚至达到30ms以上。

可见，虽然拥塞管理可以保证高优先级流量的传输带宽与正常转发，但会导致较大的时延，对高清视频等敏感业务造成一定的影响。

通过拥塞避免，则可以有效的解决上述问题。拥塞避免的主要思路是“先觉”，采用简单、高效的令牌桶技术，对路由器进入的流量进行评估和着色，对链路带宽内的流量标记绿色，超过链路带宽的流量标记红色，只允许绿色的流量进入到出接口，使得出接口的流量不会超过链路带宽，不产生拥塞。

相对于复杂的CBQ队列调度机制，拥塞避免采用了简单、高效的令牌桶流量评估和转发机制，有效降低了流量的时延。如图4所示，通过拥塞避免，路由器总体流量达到出接口链路带宽的120%～160%时，将时延控制在5ms左右，大大低于拥塞管理的时延。

图4 拥塞避免与拥塞管理时延对比

3、流量路由

传统的流量控制，每个网络节点都基于出接口链路带宽独立执行策略，无法实现主、备链路带宽资源的充分利用。通过流量路由技术，可以实现对多个端口或链路进行流量全局调度，动态监测整个节点链路的带宽利用率;在业务突发时，将较低优先级的流量报文重路由到空闲的备链路上转发，避免主链路上的流量拥塞，从而尽量避免报文丢弃，提高系统链路带宽的利用率。由于业务突发时不发生丢包，因此能够维持应用层会话不中断，提高整体应用系统的可靠性。

流量路由实现流程主要包括以下三部分，如图5所示：

流量监测：对进入路由器的所有流量进行统计，获取优先级、流量大小特征。图5中，主链路带宽为10M，流量1、2、3、4的保证带宽分别为2M、2M、4M、2M，实际带宽分标为2M、2M、3M、5M，其中流量4有突发，实际带宽大于保证带宽，流量3的实际带宽小于保证带宽。

流量着色：根据流量监测的结果，以及设定的拥塞避免策略，为各类业务流标记颜色，以执行对应的转发策略。具体原则为：

(1)根据每个业务的保证带宽、实际流量，对流量报文着色。

当业务流量低于保证带宽时，标记为绿色;当业务流量高于保证带宽时，表示有突发，将超过保证带宽的突发流量标记为红色。图5中，流量1、2、3的业务流量标记为绿色，流量4有2M流量标记为绿色，3M流量标记为红色;

(2)进行多级调度，为业务流量重分配带宽，从而达到带宽均衡。

经过步骤(1)后，业务流量包括绿色的正常流量，以及红色的突发流量。如果某个业务流量小于保证带宽，则绿色的流量速率小于出接口带宽，此时可以通过多个业务带宽重分配，将富余的带宽分配给一部分红色的突发流量，使之变为绿色。反之，如果绿色流量的速率大于出接口带宽，此时可以通过多个业务带宽重分配，将一部分优先级较低的流量变为红色。图5中，流量3的实际流量比保证带宽小1M，流量1、2、3的绿色流量带宽为9M，富余的1M将分配给流量4，则流量4有3M流量标记为绿色，2M流量标记为红色;

(3)可以将红色的流量进行优先级重标记，打上特定的DSCP优先级，用于执行流量转发策略。例如，将着色为红色的流量，标记特殊优先级DSCP11。

流量转发：根据流量着色结果执行转发策略。对绿色的流量正常转发，通过出接口A沿主链路转发;对红色的流量，按照设定的流量策略，将报文丢弃，或者重路由到出接口B，转发给相邻路由器，沿备链路转发。

在实际应用中，为了防止重路由后的流量再重新返回(例如冗余广域链路故障)，还需要在主路由器上配置策略，禁止由B接口送出的重路由流量再由接口B返回路由器。

4、精细化流量控制

由于传统的流量控制只能根据L2～L4报文进行处理，因此需要依靠DPI(深入报文检测)、ACG(应用流量控制)等技术和设备进行精细化流量识别和控制，并且能够基于用户执行灵活控制策略。

DPI：路由器设备的L4～L7层报文特征识别功能，通过CPU实现。优点是路由器软件集成，不增加额外成本;缺点是识别功能较弱，性能不高。适用于带宽不高、流量较少的小型网络。

ACG：采用专用的硬件设备，通过特征库实现L4～L7层报文特征识别功能，既可以是独立的硬件设备，也可以是路由器的业务模块。优点是功能强大，除了报文特征识别外，还可以基于流特征(如持续时间、速率波动、流量统计特征)识别报文特征难以界定或经常变化的应用流量(如P2P流量，经常更改端口号、协议字段);缺点是需要增加额外投资。适用于带宽较高、流量比较复杂的中大型网络。

通过ACG专用设备，还可以使用直观、易于管理的配置界面，实现复杂的流量控制和调度策略。例如，对广域网30个分支机构、每个机构5种业务设定带宽分配和优先级转发策略。如果通过路由器的分层QoS技术实现，涉及150种QoS策略，配置和实现非常复杂;而通过ACG设备实现，可以通过图形化界面进行统一配置，部署简单、直观。

三、 流量调度方案的主要应用场景

采用流量调度方案，可以满足不同网络环境的多样化流量控制需求。

1、带宽预留与共享

SDH和IP技术在带宽分配方面，前者通过时隙划分带宽，适合对不同部门和业务分配绝对带宽，但各部门和业务之间无法做到带宽共享;后者通过包交换共享带宽，可以充分利用设备和链路资源，但如果需要实现带宽预留，必须通过复杂的MPLS TE技术，实施难度很大。

对于政府、企业的某些广域网建设，多个部门、业务共享物理网络平台，为了兼顾业务传输质量和带宽均衡，有时需要为关键部门和业务分配一定的预留带宽，保证该业务持续、正常运行，防止带宽被其他业务占用;同时，也需要各部门和业务能够共享剩余带宽，当业务突发时，保证总体带宽的利用效率。

通过流量调度方案可以很好的实现上述需求，如图6所示：

在地区A、B的汇聚路由器上，流量调度方案设计如下：

l 地区A、B之间广域网链路带宽155M;

l 为部门1、部门2各预留40M带宽，剩余75M作为共享带宽;

l 为保证视频质量的稳定，各部门视频流(10M)只能占用部门预留带宽，而不能走共享带宽;

l 在部门预留带宽内，数据流量可以自动根据视频流量大小调整带宽分配，当没有视频流量时，数据流量可以占用全部40M预留带宽，超过40M的流量占用共享带宽;有视频流量(2～10M)时，数据流量只占用剩余的预留带宽。

2、双链路流量调度

为保证高可靠，广域网普遍采用主、备冗余链路。随着业务类型和流量的增加，备链路已不再只是作为备份，而是与主链路进行分担，共同承载业务流量，实现对广域网链路资源的充分利用。

传统流量控制设计，都是基于单接口或链路的，当该接口或链路业务流量超出带宽后，就会产生丢包。采用流量调度方案，可以针对双链路组网结构，进行跨设备跨链路的统一流量调度，从而避免一条链路可能严重拥塞，而另外一条链路却空闲的情况，最大化利用链路带宽资源。

图7 双链路流量调度

如图7所示，实现方案设计如下：

l 业务分流：规划路由、策略路由，生产等重要业务走主链路，办公和视频业务走备用链路;

l 过载流量调度：主链路带宽被占满，超过的流量转发到备链路;

l 带宽保证：根据业务优先级进行带宽保证，链路故障、流量超载时，优先保证关键业务传输。

3、带宽公平调配

对于出口带宽较小，而人数较多的分支机构，经常会出现由于某个人收发大邮件等，占用大量的带宽，导致其他人上网速度明显变慢，甚至可能影响到其他的重要业务，比如视频会议。而大邮件收发属于正常办公业务，传统的流量控制只能控制所有用户的办公业务流量，而不能限制某个用户的流量。

通过基于在线IP的动态流量调度技术，则可以实现基于终端IP的带宽公平分配和共享，同时对重要业务进行带宽保证和优先转发。