luận văn môn báo hiệu và điểu khiển kết nối đề tài tìm hiểu về QOS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
000




MÔN
BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ QOS


Giảng Viên
TS. Hoàng Trọng Minh

Sinh Viên
Nguyễn Công Tình

Nguyễn Văn Tuấn

Nguyễn Hoàng Sơn

Vương Thị Hằng






HÀ NỘI - THÁNG 10/2014
Tìm hiểu về QoS

2

Mục lục:
Phần 1: Quản lý tắc nghẽn 4
1.1 Khái niệm hàng đợi router Cisco 5
1.1.1 Hàng đợi cứng và hàng đợi mềm 8
1.1.2. Hàng đợi trong giao diện Versus Subinterfaces và Virtual Circuits (VCs) 13
1.1.3. Tóm tắt các khái niệm về hàng đợi 15
1.2. Các khái niệm cơ chế lập lịch: FIFO, PQ, CQ, và MDRR 16
1.2.1. Hàng đợi FIFO (FIFO Queuing) 16
1.2.2. Hàng đợi ưu tiên (Priority Queuing) 18
1.2.3. Hàng đợi tùy biến (Custom Queuing) 19
1.3. Khái niệm và cấu hình: WFQ, CBWFQ, và LLQ 20
1.3.1. Hàng đợi cân bằng trọng số - Weighted Fair Queuing (WFQ) 20
1.3.1.1. Phân loại WFQ (WFQ Classification) 21
1.3.1.2. Lập lịch WFQ : Tác động thực 22
1.3.1.3. Lập lịch WFQ: Tiến trình 22
1.3.1.4. WFQ: Chính sách bỏ gói, số lượng và chiều dài hàng đợi 24
1.3.1.6. Tóm tắt WFQ 26
1.3.2. Hàng đợi cân bằng trọng số theo lớp - Class-Based WFQ (CBWFQ) 27
1.3.2.1. Cấu hình CBWFQ 29
1.3.2.2. Tóm tắt CBWFQ 39
1.3.3. Low Latency Queuing (LLQ) 40
1.3.3.1. Cấu hình LLQ 41
1.3.3.2. LLQ với nhiều hơn một hàng đợi ưu tiên 45
1.3.3.3. LLQ và lệnh bandwidth remaining percent 46
1.3.4. So sánh WFQ, CBWFQ, và LLQ 48
Phần 2: Traffic Policing and Shaping 50
2.1. Khái niệm Traffic Policing và Traffic Shaping: 51

2.1.1. Shaping và Policing sử dụng khi nào và ở đâu. 51
2.1.2. Policing sử dụng khi nào và ở đâu. 52
2.1.3. Traffic Shaping sử dụng khi nào và ở đâu. 54
2.2. Shaping hoạt động như thế nào 57
2.2.1. Traffic Shaping with No Excess Burst 61
2.2.2. Traffic Shaping with Excess Burst 62
2.2.3. Traffic-Shaping thích ứng 63
2.2.4. Shape sử dụng ở đâu: Interfaces, Subinterfaces và VCs 65
2.2.5. Queuing và Traffic Shaping 67
Tìm hiểu về QoS

3

2.3. Policing hoạt động như thế nào? 70
2.3.1. CB Policing: Single-Rate, Two-Color (1 Bucket) 71
2.3.2. CB Policing: Dual Token Bucket (Single-Rate) 72
2.3.3. CB Policing: Dual Token Bucket (Dual Rate) 73
2.3.4. Policing but Not Discarding 75
2.4. Cấu hình Shaping 76
2.4.1 Cấu hình Class-Based Shaping 76
2.4.2. Thiết lập Bc để tính Tc 79
2.4.3. Tuning Shaping for Voice Using LLQ and a Small Tc 81
2.4.4. Miscellaneous CB Shaping Configuration: Adaptive Shaping 85
2.4.5. Cấu hình Miscellaneous CB Shaping: Phần trăm Shaping 86
2.5. Cấu hình Policing 87
2.5.1. Cấu hình Class Based Policing 87
2.5.2. Cấu hình Dual-Rate Policing 93
2.5.3. Multi-action Policing 93
2.5.4. Policing by Percentage 94
2.5.5. CB Policing mặc đinh Bc và Be 95

2.5.6. Tóm tắt cấu hình CB Policing 95
Phần 3: Tránh tắc nghẽn bằng chính sách loại bỏ gói. 104
3.1. Tổng quan về tránh tắc nghẽn 105
3.1.1. Phản ứng của TCP và UDP với việc mất gói tin 105
3.1.2. Các khái niệm về “Tail Drop, Global Synchronization, and TCP Starvation” 108
3.2. Loại bỏ gói sớm (RED) 110
3.3. Weighted RED (WRED) 113
3.3.1. Làm thế nào để WRED biết được trọng số của gói tin. 114
3.3.2. WRED and Queuing 117
3.3.3. Cấu hình WRED 119
3.3.4. Tóm tắt WRED 131
3.4. Sự thông báo tắc nghẽn một cách rõ ràng (Explicit Congestion Notification-
ECN) 131
3.4.1. Các khái niệm về ECN 131
3.4.2. Cấu hình ECN 135




Tìm hiểu về QoS

4

Phần 1: Quản lý tắc nghẽn

Các nội dung sẽ được đề cập trong phần này:
 Liệt kê và giải thích các thuật toán xếp hàng khác nhau.
 Giải thích thành phần của hệ thống hàng đợi cứng và hàng đợi mềm trong
router Cisco và sự ảnh hướng của chúng đến việc điều hướng và tắc nghẽn.
 Mô tả lợi ích và hạn chế của việc sử dụng WFQ để thực hiện QoS

 Giải thích mục đích và các tính năng của Class-Based WFQ (CBWFQ)
 Giải thích mục đích và tính năng của Low Latency Queuing (LLQ)
 Xác định các câu lệnh trong Cisco IOS yêu cầu để cấu hình và giám sát LLQ.

Hầu hết mọi người hiểu các khái niệm cơ bản của hàng đợi, bởi vì hầu hết
chúng ta đểu đã từng xếp hàng mỗi ngày: xếp hàng để trả tiền cho cửa hàng tạp hóa,
xếp hàng đợi đợi một nhân viên giao dịch ngân hàng, xếp hàng để vào một chuyến đi
tại một công viên giải trí …. Vì vậy, hầu hết các khái niệm về xếp hàng bên trong
chương này đều trực quan và dễ hiểu.
Chương này bắt đầu với một số khái niệm xếp hàng bên trong các router Cisco, trong
đó có sự phân biệt giữa hàng đợi cứng và hàng đợi mềm, và nơi hàng đợi mềm có thể
được sử dụng. Sau đó, phần thứ hai và thứ ba trong ba phần chính trong chương này
bao gồm chi tiết cụ thể về một số cơ chế xếp hàng có sẵn bên trong các router Cisco.
Ghi chú:
Tail drop: “Hủy bỏ gói cuối hàng đợi”.
Jitter: Độ biến thiên trễ
Loss: Việc mất gói
Traffic shaping: Định hướng lưu lượng, điều hòa lưu lượng
FIFO: First in first out

Tìm hiểu về QoS

5

Hàng đợi ảnh hướng đến tất cả 4 đặc điểm QoS là băng thông trực tiếp, trễ, độ
biến thiên trễ và mất gói (directlybandwidth, delay, jitter, and packet loss). Nhiều
người khi nghe thuật ngữ “QoS” sẽ nghĩ ngay đến hàng đợi tuy nhiên QoS bao gồm
nhiều khái niệm và tính năng hơn là chỉ mình hàng đợi. Hàng đợi chắc chắn là công
cụ QoS thường được triển khai và quan trọng nhất.
Chương này bắt đầu bằng việc giải thích các khái niệm cốt lõi về hàng đợi. Sau đó,
hầu hết các kỹ thuật hàng đợi được kiểm chứng, bao gồm các khái niệm bổ sung cụ
thể với từng kỹ thuật , cấu hình , giám sát và xử lý sự cố.

1.1 Khái niệm hàng đợi router Cisco
Hầu hết mọi người đã hiểu nhiều khái niệm liên quan đến việc xếp hàng. Đầu
tiên, phần này sẽ giải thích những điều cơ bản, định nghĩa một vài thuật ngữ. Sau đó
một vài bản IOS chi tiết cụ thể sẽ được đưa ra để kiểm chứng.
IOS lưu trữ các gói tin trong bộ nhớ khi xử lý các gói tin. Khi các bộ định tuyến đã
xử lý tất cả công việc yêu cầu ngoại trừ việc gửi các gói tin qua đường ra, nếu giao
diện (interface) đường ra (outgoing) hiện đang bận, bộ định tuyến chỉ cần giữ các gói
tin trong bộ nhớ đợi cho đến khi giao diện được thông suôt. Để quản lý các gói tin chờ
để được đi qua giao diện, IOS tạo một hàng đợi. Một hàng đợi chỉ tổ chức các gói tin
đang đợi để thoát ra khỏi giao diện, nó chính là hàng loạt các con trỏ được trỏ tới bộ
nhớ đệm nơi lưu trữ tạm thời các gói tin đang đợi để thoát ra khỏi giao diện.
Kiểu hàng đợi được sử dụng nhiều nhất là hàng đợi đơn, với cơ chế lập lịch first-in,
first-out (FIFO). Điều đó có nghĩa là gì ? Khi IOS quyết định đưa gói tin kế tiếp từ

hàng đợi, những gói tin vẫn còn trong hàng đợi, nó sẽ lấy gói tin đến sớm hơn các gói
tin khác trong hàng đợi. Hình 1-1 cho thấy một bộ định tuyến với giao diện được sử
dụng hàng đợi FIFO đơn.
Hình 1-1. Hàng đợi FIFO đơn


Mặc dù một hàng đợi đơn FIFO dường như không cung cấp tất cả tính năng
QoS nhưng nó thực sự ảnh hưởng đến việc bỏ gói (drop), trễ (delay) và biến thiên trễ
(jitter). Vì chỉ có một hàng đợi, bộ định tuyến không cần phải phân loại lưu lượng để
đặt nó vào trong các hàng đợi khác nhau.Vì chỉ có một hàng đợi, bộ định tuyến không
cần phải lo lắng về việc làm thế nào để quyết định lấy gói tin tiếp theo từ hàng đợi
nào, chỉ có một lựa chọn. Và vì chỉ có một hàng đợi logic FIFO, bộ định tuyến không
cần sắp xếp lại gói tin bên trong hàng đợi.
Tìm hiểu về QoS

6

Tuy nhiên, kích thước của hàng đợi ra phụ thuộc vào delay, jitter, và loss. Vì hàng đợi
có kích thước hữu hạn nên nó có thể đầy. Nếu nó bị lấp đầy và các gói tin khác cần
được đưa vào hàng đợi thì tail drop sẽ là nguyên nhân khiến gói tin bị loại bỏ. Một
giải pháp được đưa ra là tăng chiều dài hàng đợi. Tuy nhiên với việc tăng chiều dài
hàng đợi sẽ đồng nghĩa với việc tăng độ trễ trung bình vì gói tin có thể đứng đợi sau
một số lượng lớn các gói tin khác. Trong hầu hết trường hợp khi độ trễ trung bình
tăng, độ biến thiên trễ trung bình cũng tăng theo. Danh sách sau đây tóm tắt các khái
niệm cơ bản liên quan đến chiều dài hàng đợi:
 Với một hàng đợi dài hơn, tail drop sẽ xảy ra ít hơn so với hàng đợi ngắn hơn,
nhưng độ trễ trung bình tăng, với độ biến thiên trễ trung binh thường là tăng
như vậy.
 Với một hàng đợi ngắn hơn, tail drop tăng so với hàng đợi dài hơn, nhưng độ
trễ trung bình giảm, với độ biến thiên trễ trung bình thường giảm theo.

Để đánh giá đúng nhất khái niệm hàng đợi, ta cần phải xem xét hệ thống xếp hàng có
ít nhất 2 hàng đợi. Hãy xem xét hình 1-2 với minh họa 2 hàng đợi FIFO đầu ra:

Hình 1-2. Hàng đợi kép đầu ra FIFO


Hình 1-2 minh họa cho câu hỏi được trả lời bởi các kĩ thuật xếp hàng. Bước 1,
bước phân loại, hoạt động như kĩ thuật phân loại và đánh dấu, ngoại trừ kết quả của
việc đặt một gói tin trong hàng đợi , như trái ngược với đánh dấu một gói tin. Vì thế ở
bước 1, tiêu đề gói tin được kiểm tra tùy thuộc vào các giá trị phù hợp, các gói tin
được đặt vào hàng đợi thích hợp. Trước khi đặt các gói tin trong hàng đợi, các bộ định
tuyến phải đảm bảo rằng không gian hàng đợi có sẵn , như thể hiện ở bước 2 trong
hình 1-2. Nếu không có không gian có sẵn , các gói tin sẽ bị loại bỏ . Bên trong mỗi
hàng đợi, các gói dữ liệu có thể được sắp xếp lại ( bước 3): Tuy nhiên , trong ví dụ
này , mỗi hàng đợi đều sử dụng FIFO logic , vì vậy các gói tin sẽ không bao giờ được
sắp xếp lại trong hàng đợi. Cuối cùng, hệ thống hàng đợi phải lựa chọn lấy những gói
tiếp theo để truyền từ một trong hai hàng đợi 1 hoặc 2 (Bước 4) . Hệ thống lập lịch
đưa ra quyết định ở bước 4 .
Mặc dù phần phân loại của mỗi kĩ thuật xếp hàng là tương đối rõ ràng, tuy
nhiên hãy xem xét hai điểm sau khi nghĩ về việc phân loại bởi một kỹ thuật xếp hàng.
Đầu tiên, với một chiến lược QoS với mục đích phân loại và đánh dấu xuất hiện tại
gần biên lối vào của mạng, các kĩ thuật xếp hàng có thể sắp xếp các gói tin đã được
Tìm hiểu về QoS

7

đánh dấu. Vì vậy, công cụ xếp hàng có thể phân loại các dựa trên các trường được
đánh dấu. Thứ hai, đối với từng loại lưu lượng truy cập mà ta muốn cung cấp xử lý
xếp hàng khác nhau, ta cần có một hàng đợi khác nhau. Ví dụ, ta có thể muốn phân
loại lưu lượng thành sáu lớp cho xếp hàng , do đó, mỗi lớp có thể được xử lý khác

nhau trong các hàng đợi khác nhau. Nếu kĩ thuật xếp hàng chỉ hỗ trợ bốn hàng đợi
khác nhau, ta có thể cần phải xem xét một kĩ thuật xếp hàng khác để hỗ trợ chính sách
QoS.
Bên trong mỗi hàng đợi , các phương pháp xếp hàng sử dụng hàng đợi FIFO.
Một điều thú vị cho hàng đợi xảy ra sau khi các gói dữ liệu đã được sắp xếp, khi
router quyết định hàng đợi nào sẽ lấy những gói tin tiếp theo. Lập lịch xếp hàng mô tả
các quá trình của thiết bị, trong trường hợp này một bộ định tuyến, lựa chọn mà hàng
đợi sẽ phục vụ tiếp theo. Quá trình này còn được gọi là một thuật toán dịch vụ hoặc
một thuật toán dịch vụ hàng đợi. Các tiến trình lập lịch có quyền sử dụng lượng băng
thông hoặc một tỷ lệ phần trăm băng thông đường truyền cho một hàng đợi cụ thể.
Lập lịch có thể luôn phục vụ một hàng đợi đầu tiên, có nghĩa là các gói tin trong hàng
đợi này sẽ có trễ và jitter rất thấp.
Một dẫn giải cuối cùng về các khái niệm cốt lõi của hàng đợi : Kích thước của
mỗi gói tin không ảnh hưởng đến độ dài của hàng đợi hoặc có bao nhiêu gói tin nó có
thể giữ . Một hàng đợi có độ dài 10 giữ mười gói 1500 byte dễ dàng như nó giữ mười
gói 64 byte . Hàng đợi thực sự không giữ các gói tin vào chúng, thay vào đó nó chỉ
giữ con trỏ đến các gói tin và nội dung được tổ chức tại vùng đệm .
Bảng 1-2 tóm tắt các khái niệm quan trọng của hàng đợi. Bảng này dùng để so sánh
các kĩ thuật xếp hàng được giới thiệu trong chương.
Bảng 1-1. Các khái niệm chính khi so sánh các kỹ thuật xếp hàng
Tính năng
Định nghĩa
Đặc điểm QoS
bị ảnh hưởng
Phân loại
Khả năng để kiểm soát các gói dữ liệu để xác định
hàng đợi các gói tin nên được đặt . Nhiều tùy chọn có
sẵn .
None
Chính sách

bỏ gói
Khi hàng đợi đã được xác định, chính sách bỏ gói xác
định các quy tắc mà các bộ định tuyến lựa chọn để bỏ
các gói tin. Tail drop, modified tail drop, WRED
(Weighted Random Early Detect), and ECN (Explicit
Congestion Notification) là những tùy chọn chính
Mất gói (loss)
Quá trình
lập lịch
trong một
hàng đợi
đơn
Trong hầu hết các trường hợp , các gói tin bên trong
một hàng đợi đơn đã được lập lịch sử dụng FIFO logic.
Băng thông,
trễ, jitter và
mất gói.
Tìm hiểu về QoS

8

Bảng 1-1. Các khái niệm chính khi so sánh các kỹ thuật xếp hàng
Tính năng
Định nghĩa
Đặc điểm QoS
bị ảnh hưởng
Quá trình
lập lịch giữa
các hàng đợi
khác nhau

Định nghĩa cách xếp hàng chọn hàng đợi để lấy các
gói tin kế tiếp và đặt nó vào trong TX Queue (
Transmit Queue).
Băng thông,
trễ, jitter và
mất gói.
Số lượng tối
đa hàng đợi
Số lượng tối đa của hàng đợi khác nhau là các kỹ thuật
hỗ trợ việc xếp hàng, là số lượng tối đa của phân loại
lưu lượng truy cập có thể được điểu khiển bằng
phương pháp xếp hàng khác nhau.
None
Chiều dài
lớn nhất của
hàng đợi
Số lượng tối đa các gói tin trong một hàng đợi đơn.
Mất gói, trễ

1.1.1 Hàng đợi cứng và hàng đợi mềm
Các hàng đợi cho được mô tả trong chương này được tạo ra bởi các phần mềm
trong một bộ định tuyến, cụ thể là Cisco IOS . Tuy nhiên, khi một tiến trình lập lịch
xếp hàng quyết định gói tin nào sẽ gửi tiếp, các gói dữ liệu không di chuyển trực tiếp
ra ngoài giao diện. Thay vào đó, các bộ định tuyến di chuyển các gói tin từ giao diện
hàng đợi mềm đến một hàng đợi FIFO nhỏ trên mỗi giao diện . Cisco gọi điều này là
phân tán, hàng đợi cuối cùng này hoặc là Transmit Queue (TX Queue) hoặc Transmit
Ring (TX Ring), tùy thuộc vào mô hình của bộ định tuyến. Những hàng đợi FIFO này
gọi là hàng đợi cứng.
Mục đích của hàng đợi cứng là để điều chỉnh việc sử dụng liên kết đến 100
phần trăm khi các gói tin đang đợi để thoát khỏi một giao diện. Hàng đợi cứng giữ gói

tin gửi đi để giao diện không phải dựa vào bộ vi xử lý trong các bộ định tuyến để bắt
đầu gửi các gói tin tới. Hàng đợi cứng có thể được truy cập trực tiếp bởi các mạch tích
hợp ứng dụng riêng biệt (ASICs) kết hợp với một giao diện, vì vậy ngay cả khi bộ vi
xử lý đang bận, giao diện có thể bắt đầu gửi các gói tin tiếp theo mà không cần chờ
đợi việc xử lý tại CPU. Bởi vì các nguồn tài nguyên hạn chế nhất trong một router
thường là băng thông trên các giao diện, đặc biệt là giao diện WAN, nên bộ định
tuyến cần gửi các gói tin tiếp theo ngay lập tức khi giao diện kết thúc gửi các gói tin
cuối cùng. Hàng đợi cứng cung cấp một thành phần quan trọng để đạt được mục tiêu
đó.
Tuy nhiên, sự tồn tại của hàng đợi phần cứng làm ảnh hưởng đến xếp hàng đến
mức độ nào. Hình 1-3 mô tả hàng đợi cứng, cùng với một hàng đợi mềm FIFO đơn.

Tìm hiểu về QoS

9

Hình 1-3. Hàng đợi mềm FIFO đơn với một hàng đợi cứng đơn.


Hai ví dụ khác nhau được trình bày trong Hình 1-3 . Trong phần đầu của hình,
kịch bản bắt đầu với không có gói tin trong hàng đợi mềm và không có các gói tin
trong hàng đợi cứng . Sau đó, bốn gói tin đến. Với một hàng đợi cứng có chỗ cho bốn
gói, tất cả bốn gói được đặt vào hàng đợi phần cứng.

Trong ví dụ thứ hai, bất kỳ gói dữ liệu mới đến sẽ được đặt vào hàng đợi mềm.
Giả sử rằng hàng đợi mềm và hàng đợi cứng rỗng trước khi bảy gói thể hiện trong
hình đến, bốn gói đầu tiên sẽ được đưa vào hàng đợi cứng và ba gói còn lại trong hàng
đợi mềm. Vì vậy, bất kỳ gói dữ liệu mới nào đến sẽ được đặt ở cuối hàng đợi mềm.
Tất cả các kỹ thuật xếp hàng trong IOS tạo và quản lý giao diện hàng đợi mềm, chứ
không phải giao diện hàng đợi cứng. Mỗi giao diện sử dụng một TX Queue (hoặc TX

Ring), và hàng đợi cứng là một hàng đợi FIFO, không bị ảnh hưởng bởi cấu hình hàng
đợi trên giao diện.

Trong hình 1- 3 , các gói dữ liệu được gửi theo thứ tự mà chúng đã được gửi
nếu hàng đợi cứng không tồn tại. Tuy nhiên trong một số trường hợp hàng đợi cứng
ảnh hương lên kết quả của việc lập lịch của hàng đợi mềm. Ví dụ , hãy xem xét hình
1-4 , nơi xếp hàng được cấu hình với hai hàng đợi phần mềm. Trong kịch bản này, sáu
gói tin đến nơi, đánh số theo thứ tự mà chúng đến. Hàng đợi mềm cấu hình chỉ rõ rằng
hai gói đầu tiên (1 và 2) nên được đặt vào hàng đợi 2 , và bốn gói tiếp theo (đánh số từ
3 đến 6) nên được đặt vào hàng đợi 1 .



Tìm hiểu về QoS

10

Hình 1-4. Khả năng tác động của hàng đợi cứng lên hàng đợi mềm 1


Nhiều người cho rằng các bộ định tuyến hoạt động như thể hiện trong phần trên
của hình 1-4, với việc lập lịch xác định thứ tự mà các gói tin thoát khỏi giao diện.
Trong thực tế, IOS hoạt động như thể hiện trong nửa dưới của hình 1-4. Trong nửa
đầu của hình, nếu tất cả sáu gói tin đã đến ngay lập tức, tất cả sáu gói sẽ được đặt vào
hàng đợi mềm thích hợp. Nếu lịch trình của kỹ thuật xếp hàng luôn phục vụ gói dữ
liệu từ hàng đợi 1, và chỉ phục vụ hàng đợi 2 nếu hàng đợi 1 rỗng , thứ tự các gói dữ
liệu đi sẽ khác với thứ tự đến.Trong thực tế, các gói dữ liệu từ 3 đến 6 sẽ thoát ra theo
thứ tự, và sau đó các gói 1 và 2 sẽ được gửi đi. Cuối cùng, thứ tự sẽ chỉ phụ thuộc vào
sự logic của tiến trình lập lịch của kỹ thuật xếp hàng.
Tuy nhiên trong ví dụ này các gói dữ liệu sẽ thực sự thoát khỏi giao diện theo

thứ tự mà các gói tin đã nhận được vì sự tồn tại của hàng đợi cứng . Như đã đề cập
trước đó, khi các bộ định tuyến xác định các giao diện đầu ra cho một gói tin, nó sẽ
kiểm tra hàng đợi cứng cho giao diện đó. Nếu không gian có sẵn, các gói dữ liệu được
đặt trong hàng đợi phần cứng, và không có hàng đợi đầu ra được thực hiện cho gói tin
đó. Trong ví dụ này , bởi vì kịch bản giả định rằng không có các gói khác đang đợi để
thoát khỏi S0/0 giao diện R1 trước khi sáu gói tin đến , hai gói đầu tiên được đặt trong
hàng đợi phần cứng. Khi gói tin thứ 3 đến, hàng đợi cứng S0/0 đầy, vì vậy các gói từ 3
đến 6 được đặt vào trong một giao diện hàng đợi mềm, dựa trên cấu hình hàng đợi cho
giao diện S0/0 của R1. Việc phân loại xếp hàng logic đặt gói 3 đến 6 vào hàng đợi 1.
Tìm hiểu về QoS

11

Các bộ định tuyến lấy các gói theo thứ tự từ TX Queue và di chuyển các gói tin theo
thứ tự 3, 4, 5 và 6 từ hàng đợi 1 vào hàng đợi phần cứng . Thực tế trình tự gói tin rời
khỏi S0 giống như khi chúng đến.
IOS tự động cố gắng để giảm thiểu tác động của hàng đợi cứng với các kỹ thuật
hàng đợi IOS. IOS duy trì mục tiêu ban đầu là luôn có một gói tin trong hàng đợi
cứng, sẵn sàng cho giao diện gửi ngay lập tức khi nó hoàn tất việc gửi các gói tin
trước đó. Khi bất kỳ kỹ thuật hàng đợi mềm được kích hoạt trên một giao diện, những
bản IOS thấp thường giảm kích thước của hàng đợi cứng đến một giá trị nhỏ, thường
chiều dài là 2. Giá trị càng nhỏ thì tác động của TX Queue lên các phương pháp xếp
hàng càng nhỏ.
Ví dụ 1-1 liệt kê một số lệnh cho phép ta kiểm tra kích thước của hàng đợi
cứng, và thay đổi kích thước . ( Hãy ghi nhớ những cái tên khác cho hàng đợi cứng là
TX Ring và TX Queue. )

VD 1-1. Chiều dài TX Queue: Tìm kiếm và thay đổi chiều dài.

Dùng lệnh “tx-ring-limit 5” trong mod interface.

Tìm hiểu về QoS

12



Dùng lệnh show controllers serial 0/0 để hiển thị danh sách kích thước của
TX Queue hoặc TX Ring. Trong phần đánh dấu đỏ, cụm từ " tx_limited = 1 (2) " có
nghĩa là TX Ring (Hàng đợi cứng) nắm giữ 2 gói và 1 là chiều dài tự động được giới
hạn.
Ở hình thứ 2 chiều dài của TX ring được định nghĩa một cách rõ ràng với lệnh
tx-ring-limit 5 . Dùng lại lệnh show controllers serial 0/0, ta thấy " tx_limited = 1
(5) " có nghĩa chiều dài của TX ring là 5.
Danh sách sau đây tóm tắt những điểm chính về hàng đợi cứng liên quan đến ảnh
hưởng của các hàng đợi mềm:
 Hàng đợi cứng luôn thực hiện việc lập lịch FIFO và không thể thay đổi.
 Hàng đợi cứng sử dụng một hàng đợi duy nhất trên mỗi giao diện.
 IOS rút ngắn giao diện hàng đợi cứng tự động khi một hàng đợi mềm được cấu
hình.
 Chiều dài hàng đợi cứng có thể được cấu hình các giá trị khác nhau.
Tìm hiểu về QoS

13

1.1.2. Hàng đợi trong giao diện Versus Subinterfaces và Virtual
Circuits (VCs)
Kỹ thuật xếp hàng trên IOS tạo và quản lý hàng đợi mềm kết hợp với một giao
diện và sau đó các gói tin được đưa vào hàng đợi cứng liên kết với giao diện đó. IOS
cũng hỗ trợ xếp hàng trên subinterface của Frame Relay và từng FramRelay VCs
(ATM VCs) khi điều hòa lưu lượng (traffic shaping) được kích hoạt. Hàng đợi

shaping queue được tạo ra bởi tính năng traffic-shaping, hướng gói tin vào hàng đợi
đầu ra giao diện sau đó đi vào hàng đợi cứng. Cũng giống như các hàng đợi mềm,
hàng đợi shaping queue và hàng đợi trên mỗi VC của ATM có thể được quản lý bằng
các kỹ thuật xếp hàng IOS.
Sự tương tác giữa hàng đợi shaping queue liên kết với một subinterface hoặc
VC, và hàng đợi mềm kết hợp với một giao diện vật lý là không rõ ràng. Vì vậy, trước
khi chuyển sang các kỹ thuật hàng đợi khác nhau, hãy xem xét các trường hợp có thể
xảy ra trên subinterface, VCs và giao diện vật lý để kích hoạt hàng đợi trong một bộ
định tuyến một cách tối ưu nhất.
Hình 1-5 mô tả sự tương tác giữa các loại hàng đợi. R1 có nhiều mạch ảo cố
định Frame Relay (PVC) cùng thoát khỏi S0/0 giao diện vật lý của nó . Con số này
cho thấy hàng đợi kết hợp với hai PVC, một hàng đợi mềm và một hàng đợi cứng cho
giao diện vật lý.

Hình 1-5. Hàng đợi Shaping Queues, hàng đợi mềm và hàng đợi cứng


Trong ví dụ này, mỗi subinterface sử dụng một hàng đợi shaping queue FIFO
duy nhất; một hàng đợi mềm duy nhất được liên kết với giao diện vật lý. Thoạt nhìn
có vẻ đơn giản: một gói tin đến, quyết định chuyển tiếp và thoát tại subinterface
S0/0.1. Nó được đặt vào trong hàng đợi shaping queue subinterface 0/0.1 và sau đó
vào hàng đợi mềm giao diện vật lý tiếp đến là vào hàng đợi cứng. Cuối cùng nó thoát
ra khỏi giao diện.
Tìm hiểu về QoS

14

Trong một số trường hợp, các gói dữ liệu được chuyển trực tiếp từ hàng đợi
shaping queue sang hàng đợi cứng. Các gói tin thậm chí còn không được đặt vào trong
hàng đợi mềm nếu hàng đợi cứng chưa đầy! Nếu không có tắc nghẽn xảy ra trên giao

diện, các gói tin sẽ không đi vào hàng đợi cứng. Nếu không có tắc nghẽn xảy ra trong
hàng đợi cứng, các gói tin sẽ không đi vào hàng đợi mềm và các kỹ thuật xếp hàng
kích hoạt trên giao diện không ảnh hưởng đến các gói tin khi rời khỏi giao diện.
Trong một số trường hợp, IOS không đặt các gói tin vào trong hàng đợi
shaping queue khi chúng đến, nhưng thay vào đó các gói tin được đặt vào hàng đợi
mềm hoặc TX Queue. Khi các tính năng shaping biết rằng một gói tin mới đến không
vượt quá tốc độ cho phép thì không có cần thiết phải làm chậm các gói tin. Trong
trường hợp đó, một kỹ thuật xếp hàng sử dụng để quản lý hàng đợi shaping queue
cũng sẽ không ảnh hướng lên gói cụ thể.
Traffic shaping có thể gây ra việc các gói tin được đưa vào hàng đợi shaping
queue trên subinterface ngay cả khi không có tắc nghẽn trên các giao diện vật lý.
Traffic shaping được kích hoạt trên một subinterface hoặc VC sẽ làm chậm dòng chảy
của lưu lượng rời khỏi subinterface hoặc VC. Trong thực tế, traffic shaping trên
subinterface tạo ra tắc nghẽn giữa các hàng đợi shaping queue và hàng đợi mềm giao
diện vật lý. Trên một giao diện vật lý, các gói tin chỉ có thể rời khỏi giao diện với tốc
độ clock rate đã được cấu hình sẵn; tương tự các gói tin chỉ có thể rời khỏi hàng đợi
shaping queue với tốc độ của traffic-shaping.
Ví dụ, VC kết hợp với subinterface S0/0.1 sử dụng một tốc độ thông tin cam
kết (CIR) 64 kbps và S0/0 sử dụng một mạch T/1 . Nếu không có traffic shaping, lưu
lượng lớn hơn 64 kbps có thể được gửi cho PVC và các yếu tố duy nhất hạn chế sẽ là
tốc độ truy cập (T/1). Các mạng Frame Relay có thể loại bỏ một số các lưu lượng vì
các bộ định tuyến có thể gửi nhiều hơn (lên đến 1,5 Mbps) trên VC, vượt quá lưu
lượng cam kết (64- kbps CIR ) . Vì vậy, traffic shaping có thể được kích hoạt trên
subinterface hoặc VC, hạn chế tốc độ chung cho PVC này đến 64 kbps, để tránh mất
khung bên trong mạng Frame Relay. Nếu lưu lượng trên subinterface vượt quá 64
kbps trong một khoảng thời gian, traffic shaping làm chậm việc gửi lưu lượng dư thừa
bằng cách đặt các gói tin vào hàng đợi shaping queue liên kết với các subinterface và
điều chỉnh tốc độ trong hàng đợi shaping queue bằng shaped rate.
Hình 1-6 cho thấy một phiên bản cập nhật của hình 1-5 ; cái này thì PVC hiện
đang vượt quá tỷ lệ hình , và PVC khác không được vượt quá tỷ lệ hình . Trong hình

1-6, các gói tin đến và được chuyển ra khỏi một trong hai subinterface . Lưu lượng
cho subinterface 0/0.1 vượt quá tốc độ shaping và các gói cho subinterface 0/0.2 thì
không. Vì vậy, IOS đặt một số gói vào hàng đợi shaping queue cho subinterface 0/0.1,
bởi vì traffic shaping sẽ làm chậm gói tin bởi hàng đợi. Trên subinterface 0/0.2 IOS
không xếp hàng các gói tin vì tốc độ shaping không vượt quá mức cho phép.


Tìm hiểu về QoS

15

Hình 1-6. Shaping kích hoạt trên một VC và không kích hoạt trên VC còn lại.


1.1.3. Tóm tắt các khái niệm về hàng đợi
Các kỹ thuật xếp hàng sẽ được so sánh dựa trên sáu điểm chung được liệt kê
trong phần này. Hình 1-7 chỉ ra những điểm này trong cùng một chuỗi cho mỗi điểm
được liệt kê trong phần tiếp theo trên mỗi kỹ thuật xếp hàng .

Hình 1-7. Sáu điểm so sánh cho kỹ thuật hàng đợi trong IOS


Việc lập lịch (Scheduling) được sự chú ý nhất khi các kỹ sư mạng chọn kỹ
thuật xếp hàng nào để sử dụng cho một ứng dụng cụ thể. Tuy nhiên, các thành phần
khác trong quá trình xếp hàng cũng quan trọng không kém. Ví dụ, nếu phần phân loại
(classification) của một kỹ thuật xếp hàng có thể không phân loại lưu lượng theo quy
định của chính sách QoS cho mạng thì hoặc là chính sách phải được thay đổi hoặc kỹ
thuật khác phải được sử dụng. Một trong những ví dụ là PQ và CQ rằng không thể tận
dụng lợi thế trực tiếp từ network-based application recognition ( NBAR ) nhưng
CBWFQ và LLQ có thể. Ngoài ra, một số kỹ thuật xếp hàng cho phép tạo chính sách

bỏ gói cho mỗi hàng đợi trở nên đặc biệt quan trọng khi thoại và video cạnh tranh với
lưu lượng truy cập dữ liệu trong một mạng hội tụ .

Tìm hiểu về QoS

16

1.2. Các khái niệm cơ chế lập lịch: FIFO, PQ, CQ, và MDRR
Lập lịch liên quan đến một kĩ thuật xếp hàng logic sử dụng để chọn hàng đợi
mà từ đó nó sẽ lấy gói tin kế tiếp. Trong phần này ta sẽ nghiên cứu 3 cơ chế lập lịch là
FIFO, PQ và CQ. Ở phần sau sẽ là 3 kĩ thuật hàng đợi phổ biến nhất là WFQ ,
CBWFQ và LLQ .
1.2.1. Hàng đợi FIFO (FIFO Queuing)
Lý do đầu tiên mà một bộ định tuyến cần hàng đợi mềm là để giữ một gói tin
trong khi chờ giao diện xử lý xong gói tin trước đó. Hàng đợi FIFO cung cấp một
phương tiện để tổ chức các gói tin trong khi chúng đang chờ để thoát khỏi một giao
diện.
Hàng đợi FIFO không cần hai tính năng thú vị nhất của các công cụ xếp hàng
khác, cụ thể là phân loại và lập lịch. Hàng đợi FIFO sử dụng một hàng đợi mềm duy
nhất cho giao diện. Bởi vì chỉ có một hàng đợi, không cần thiết phải phân loại để
quyết định việc xếp hàng và không cần phải lập lịch để chọn các hàng đợi để từ đó các
lấy gói tin tiếp theo. Chỉ có một phần thực sự thú vị của hàng đợi FIFO là chiều dài
hàng đợi đó là việc cấu hình và làm thế nào chiều dài hàng đợi ảnh hưởng đến trễ và
mất gói.
Hàng đợi FIFO sử dụng tail drop để quyết định khi nào bỏ hoặc sắp xếp các gói
tin . Nếu ta cấu hình một hàng đợi FIFO dài hơn thì sẽ có nhiều hơn các gói tin có thể
có trong hàng đợi, có nghĩa là sẽ các gói tin ít bị hủy hơn. Tuy nhiên, với một hàng
đợi dài hơn, các gói dữ liệu có thể gặp nhiều chậm trễ và jitter. Với một hàng đợi ngắn
hơn, ít thời gian trễ , nhưng hàng đợi FIFO đơn bị lấp đầy nhanh hơn, nó sẽ gây ra
nhiều tail drop. Những sự thật này là đúng cho bất kỳ phương pháp xếp hàng nào, bao

gồm cả FIFO.
Hình 1-8 phác thảo đơn giản hàng đợi FIFO. R1 sử dụng hàng đợi FIFO trên
giao diện kết nối với R2. Chỉ một quyết định được yêu cầu khi cấu hình hàng đợi
FIFO là liệu có nên thay đổi độ dài của hàng đợi.

Hình 1-8. Hàng đợi FIFO đơn giản


Hãy nhớ xem xét hai bước khi cấu hình hàng đợi FIFO. Đầu tiên , cấu hình
hàng đợi FIFO thực sự đòi hỏi phải tắt tất cả các loại hàng đợi. Cisco IOS sử dụng
WFQ là phương pháp xếp hàng mặc định trên giao diện serial chạy ở tốc độ E1 và
Tìm hiểu về QoS

17

chậm hơn. Tuy nhiên, IOS không cung cấp một lệnh để kích hoạt hàng đợi FIFO. Để
cho phép hàng đợi FIFO hoạt động, trước tiên ta vô hiệu hóa WFQ bằng cách sử dụng
lệnh no fair-queue. Nếu các kỹ thuật xếp hàng khác đã được cấu hình một cách rõ
ràng , ta phải vô hiệu hóa trước. Chỉ cần bằng cách loại bỏ tất cả cấu hình hàng đợi
khác từ một giao diện, bạn đã kích hoạt FIFO !
Các bước cấu hình FIFO thứ hai mà ta phải xem xét là để ghi đè lên chiều dài hàng
đợi mặc định. Để làm như vậy, sử dụng lệnh hold-queue x out để thiết lập lại chiều
dài của hàng đợi.

Ví dụ 1-2 Cấu hình hàng đợi FIFO.
R1#conf t
Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z.
R1(config)#int s0/0
R1(config-if)#no fair-queue

R1#show int s0/0
Serial0/0 is administratively down, line protocol is down
Hardware is GT96K Serial
MTU 1500 bytes, BW 1544 Kbit, DLY 20000 usec,
reliability 255/255, txload 1/255, rxload 1/255
Encapsulation HDLC, loopback not set
Keepalive set (10 sec)
CRC checking enabled
Last input never, output never, output hang never
Last clearing of "show interface" counters never
Input queue: 0/75/0/0 (size/max/drops/flushes); Total output drops: 0
Queueing strategy: fifo
Output queue: 0/40 (size/max)
5 minute input rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
5 minute output rate 0 bits/sec, 0 packets/sec
0 packets input, 0 bytes, 0 no buffer
Received 0 broadcasts, 0 runts, 0 giants, 0 throttles
0 input errors, 0 CRC, 0 frame, 0 overrun, 0 ignored, 0 abort
0 packets output, 0 bytes, 0 underruns
0 output errors, 0 collisions, 5 interface resets
0 output buffer failures, 0 output buffers swapped out
0 carrier transitions
DCD=up DSR=up DTR=up RTS=up CTS=up

R1#conf t
Enter configuration commands, one per line. End with CNTL/Z.
R1(config)#int s0/0
R1(config-if)#hold-queue 50 out

R1#show int s0/0

Last input never, output never, output hang never
Last clearing of "show interface" counters never
Input queue: 0/75/0/0 (size/max/drops/flushes); Total output drops: 0
Queueing strategy: fifo
Output queue: 0/50 (size/max)

Tìm hiểu về QoS

18

Ví dụ 1-2 cho thấy hàng đợi FIFO được cấu hình bằng cách loại bỏ các cấu
hình WFQ mặc định với lệnh no fair-queue. Lệnh show interface hiển thị các thực tế
là hàng đợi FIFO được sử dụng, và hàng đợi đầu ra có tối đa 40 chỗ. Sau khi cấu hình
hàng đợi đầu ra giữ 50 gói với lệnh hold-queue 50 out, dùng lênh show interface
hàng đợi được sử dụng vẫn là FIFO nhưng với kích thước hàng đợi tối đa là 50. Hàng
đợi FIFO khá là cơ bản, nhưng nó cung cấp một chức năng hữu ích đó là tổ chức xếp
hàng cho các gói tin cho đến khi giao diện không còn bận.

1.2.2. Hàng đợi ưu tiên (Priority Queuing)
Tính năng đặc biệt nhất của hàng đợi ưu tiên là hệ thống lập lịch. Lập lịch lưu
lượng PQ để hàng đợi ưu tiên cao hơn luôn luôn nhận được phục vụ dẫn đến các tác
dụng phụ là hàng đợi ưu tiên thấp hơn không được dùng đến. Với tối đa là bốn hàng
đợi là cao, trung bình , bình thường và thấp, PQ có thể hoàn thành việc lập lịch có thể
dễ dàng thể hiện, như trong hình 1-9 .

Hình 1-9. Quá trình lập lịch cho hàng đợi PQ


Như đã thấy trong hình 1-9 , nếu hàng đợi cao luôn luôn có một gói tin đang
chờ, lập lịch sẽ luôn lấy các gói trong hàng đợi cao . Nếu hàng đợi cao không có gói

Tìm hiểu về QoS

19

tin đang chờ, nhưng hàng đợi trung bình lại có, một gói tin được lấy từ hàng đợi trung
bình và sau đó quá trình này lại bắt đầu tại hàng đợi cao. Hàng đợi thấp chỉ được phục
vụ nếu hàng đợi cao, trung bình và bình thường không có bất kỳ gói tin nào đang chờ.
Lập lịch PQ có một số lợi ích và hạn chế rõ ràng. Các gói tin trong hàng đợi
cao có thể yêu cầu dùng 100% băng thông liên kết với trễ và jitter nhỏ. Tuy nhiên các
hàng đợi thấp bị ảnh hưởng. Khi liên kết bị ách tắc, các ứng dụng người dùng có thể
ngừng làm việc nếu các gói tin của họ được đặt vào hàng đợi ưu tiên thấp hơn .
Thực tế, hàng đợi PQ có mức ưu tiên thấp hơn là sự lựa chọn khá phổ biến cho
việc tạo hàng đợi ngày nay. Ngoài ra, phương pháp LLQ có xu hướng là một lựa chọn
tốt hơn, vì lập lịch của LLQ có khả năng để phục vụ các gói ưu tiên cao đầu tiên và
ngăn chặn việc các hàng đợi có ưu tiên thấp hơn không được hoạt động.

1.2.3. Hàng đợi tùy biến (Custom Queuing)
Trong lịch sử, hàng đợi tùy biến (CQ) là kỹ thuật hàng đợi phát triển sau PQ
được đưa vào IOS. CQ giải quyết những hạn chế lớn nhất của PQ bằng cách cung cấp
một kỹ thuật xếp hàng phục vụ tất cả các hàng đợi, ngay cả trong thời gian bị tắc
nghẽn. Nó có 16 hàng đợi sẵn, đó là rất nhiều đối với hầu hết các ứng dụng. Phần
nhược điểm của CQ so với PQ là lập lịch của CQ không có một tùy chọn để luôn phục
vụ một hàng đợi đầu tiên như hàng đợi cao của PQ, do vậy CQ không phải là công cụ
tốt nhất để chống trễ và độ nhạy jitter.

Như với hầu hết các kỹ thuật xếp hàng, phần thú vị nhất của kỹ thuật này là lập
lịch. Lập lịch của CQ dành một tỷ lệ băng thông liên kết tổng thể cho mỗi hàng đợi.
Hình 1-10 mô tả lập lịch của CQ.

Hình 1-10. Lập lịch logic cho hàng đợi CQ

Lập lịch CQ sử dụng cơ chế round-robin trên mỗi hàng đợi, bắt đầu với hàng
đợi 1. CQ lấy gói tin từ hàng đợi cho đến khi tổng số byte theo quy định cho hàng đợi
đã được đáp ứng hoặc vượt quá. Sau khi hàng đợi đã được phục vụ cho nhiều byte
hoặc hàng đợi không còn bất kỳ gói dữ liệu nào, CQ sẽ chuyển sang hàng đợi tiếp
theo và lặp đi lặp lại quá trình này.

Tìm hiểu về QoS

20

CQ không cấu hình tỷ lệ phần trăm băng thông liên kết chính xác, nhưng nó
cấu hình số byte được lấy từ mỗi hàng đợi khi mỗi round-robin vượt qua hàng đợi .
Giả sử một kỹ sư cấu hình CQ sử dụng năm hàng đợi. Các kỹ sư chỉ định 10.000 byte
cho mỗi hàng đợi. Với cấu hình này, các kỹ sư đã dành 20 phần trăm băng thông liên
kết cho mỗi hàng đợi. (Nếu mỗi hàng đợi gửi 10.000 byte, tổng cộng là 50.000 byte
được gửi đi mỗi chu kỳ thì mỗi hàng đợi đã gửi 20 phần trăm tổng số byte). Nếu thay
vào đó các kỹ sư đã giao số lượng byte 5.000 byte cho 2 hàng đợi đầu tiên, 10.000 cho
2 hàng đợi tiếp theo, và 20.000 cho hàng đợi thứ năm, tổng số byte gửi đi sẽ là 50.000
byte. Vì vậy hàng đợi 1 và 2 sẽ nhận được 5.000/50.000 hay 10% băng thông liên kết.
Hàng đợi 3 và 4 sẽ nhận được 10000/50000 hoặc 20% của băng thông, và xếp hàng 5
sẽ nhận được 20000/50000 hoặc 40%. Về cơ bản đảm lập lịch cho hàng đợi CQ bảo
băng thông tối thiểu cho mỗi hàng đợi và cho phép hàng đợi có nhiều băng thông khi
đúng điều kiện . Hãy tưởng tượng rằng 5 hàng đợi đã được cấu hình với số lượng byte
5.000 , 5.000 , 10.000 , 10.000, và 20.000 cho hàng đợi từ 1 đến 5 tương ứng . Nếu tất
cả 5 hàng đợi có rất nhiều gói tin để gửi, tỷ lệ phần trăm băng thông cho mỗi hàng đợi
là 10%, 10%, 20%, 20% và 40% như được mô tả trước đó. Tuy nhiên, giả sử rằng
hàng đợi 4 không có lưu lượng truy cập trong một khoảng thời gian ngắn. Trong thời
gian đó , lập lịch của hàng đợi CQ cố gắng để phục vụ hàng đợi 4, nó thông báo rằng

không có gói tin nào đang chờ đợi. Lập lịch CQ di chuyển ngay lập tức vào hàng đợi
tiếp theo. Qua khoảng thời gian này chỉ hàng đợi từ 1, 2, 3, 5 có gói tin đang chờ.
Trong trường hợp này , các hàng đợi sẽ nhận được 12,5%, 12,5%, 25%, 0% và 50%
băng thông liên kết tương ứng . (Số lượng byte mỗi chu kỳ/ 40.000) Cũng lưu ý rằng
hàng đợi chưa được cấu hình sẽ được tự động bỏ qua.
Không giống như PQ, CQ không đặt tên cho hàng đợi, hàng đợi sẽ được tính từ
1 đến 16. Không có hàng đợi nào được ưu tiên hơn hơn bằng cách dùng lập lịch, trừ
việc chọn số byte dịch vụ cho mỗi hàng đợi. Vì vậy, trong ví dụ trước, hàng đợi 5 với
20.000 byte dịch vụ trên mỗi lượt, có thể được coi là hàng đợi "tốt nhất" với cấu hình
này. Các mô hình lưu lượng sẽ thay đổi theo thời gian dài ngắn khác nhau. Vì vậy việc
lựa chọn những con số thực tế đòi hỏi phải phân tích và dự đoán lưu lượng truy cập
tốt.

1.3. Khái niệm và cấu hình: WFQ, CBWFQ, và LLQ
Trong phần này, ta sẽ nói về các khái niệm và cấu hình cho ba kỹ thuật xếp
hàng phổ phổ biến nhất trong các bộ định tuyến của Cisco. CBWFQ sử dụng lập lịch
tương tự như CQ và MDRR, đặt băng thông liên kết cho mỗi hàng đợi. LLQ kết hợp
các tính năng đặt phòng băng thông của CBWFQ với một hàng đợi ưu tiên cao PQ,
được gọi là hàng đợi trễ thấp (Low Latency Queue) , cho phép lưu lượng truy cập bị
trễ ở trong hàng đợi ngắn nhất có thể. Nhưng trước tiên, phần này bắt đầu với WFQ,
sử dụng một cách lập lịch hoàn toàn khác nhau .

1.3.1. Hàng đợi cân bằng trọng số - Weighted Fair Queuing (WFQ)
WFQ khác với PQ và CQ ở nhiều điểm khác nhau. Sự khác biệt đầu tiên và rõ
ràng nhất là WFQ không cho phép tùy chọn phân loại (classification) phải được cấu
Tìm hiểu về QoS

21

hình! WFQ phân loại các gói tin dựa trên luồng (flow). Một luồng bao gồm tất cả các

gói có cùng một địa chỉ IP nguồn và cùng cổng nguồn và cổng đích. Một sự khác biệt
lớn nữa của WFQ so với PQ và CQ là lập lịch, lập lịch chia làm 3 mức đó là low-
volume, higher-precedence flows over large-volume, lower-precedence flows. Cũng
vì WFQ dựa trên dòng và mỗi dòng sử dụng một hàng đợi khác nhau nên số lượng
hàng đợi trở nên khá lớn, lên đến tối đa là 4096 hàng đợi trên mỗi giao diện.

1.3.1.1. Phân loại WFQ (WFQ Classification)
Trong một gói tin IP, dòng được xác định bởi ít nhất năm các mục :
 Địa chỉ IP nguồn
 Địa chỉ IP đích.
 Giao thức lớp giao vận (TCP hoặc UDP) được định nghĩa bởi trường header
trong Giao thức IP.
 Địa chỉ cổng nguồn TCP hay UDP
 Địa chỉ cổng đích TCP hay UDP
 IP Precedence
Ngoài ra WFQ cũng phân loại dựa trên byte ToS hoặc cụ thể hơn là trường IP
Precedence trong byte ToS.
Cho dù WFQ sử dụng các byte ToS hay không khi phân loại gói tin không quan trọng
nhiều . Một thiết kế tốt yêu cầu các gói dữ liệu trong một dòng duy nhất nên có
Precedence hoặc trường DSCP thiết lập với cùng giá trị như vậy các gói tin giống
nhau sẽ được phân loại vào cùng một dòng, bất kể WFQ có quan tâm đến các byte
ToS hay không khi phân loại .
Thuật ngữ "dòng chảy" có thể có một vài ý nghĩa khác nhau. Ví dụ, hãy tưởng
tượng một máy tính được tải về một trang web. Người dùng thấy trang xuất hiện, đọc
các trang trong 10 giây và nhấn một nút. Một trang web thứ hai xuất hiện, người dùng
đọc trang trong 10 giây và nhấn nút khác. Tất cả các trang và các đối tượng đến từ một
máy chủ web duy nhất, và tất cả các trang và các đối tượng đã được nạp bằng cách sử
dụng một kết nối TCP duy nhất giữa máy tính và máy chủ. Có bao nhiêu sự kết hợp
của nguồn / đích , địa chỉ / cổng và giao thức lớp giao vận khác nhau được sử dụng?
Có bao nhiêu dòng khác nhau? Từ một quan điểm thông thường, chỉ có một dòng

chảy tồn tại trong ví dụ này , bởi vì chỉ có một kết nối TCP được sử dụng. Từ quan
điểm của WFQ , không có dòng xuất hiện hoặc ba dòng tồn tại và thậm chí có thể
nhiều hơn nữa.
Hầu hết mọi người đều cho rằng chỉ có một dòng TCP duy nhất tồn tại miễn là
có thể duy trì kết nối TCP, bởi vì các gói tin trong kết nối luôn có cùng một địa chỉ
nguồn, cổng nguồn, địa chỉ đích, và cổng đích. Tuy nhiên, WFQ xem xét một dòng
chỉ tồn tại nếu gói dữ liệu từ dòng đó cần được xếp hàng. Ví dụ, khi người dùng đang
đọc các trang web trong 10 giây, các bộ định tuyến hoàn thành việc gửi tất cả các gói
tin từ máy chủ web khi đó hàng đợi cho dòng đó là rỗng. Bởi vì các bộ định tuyến
trung gian không có gói tin trong hàng đợi cho dòng chảy đó nên WFQ loại bỏ các
dòng. Tương tự như vậy , ngay cả khi chuyển đối tượng khác nhau trong một trang
web, nếu hàng đợi của dòng WFQ rỗng thì nó loại bỏ các hàng đợi bởi vì nó không
còn cần thiết.
Tìm hiểu về QoS

22

1.3.1.2. Lập lịch WFQ : Tác động thực
Cisco công bố thông tin về cách lập lịch WFQ hoạt động. Tuy nhiên, ngay cả
với một sự hiểu biết về cách lập lịch làm việc, các mục tiêu thực sự đằng sau việc lập
lịch không rõ ràng. Phần này phản ánh những gì WFQ cung cấp, và các phần sau đây
mô tả cách WFQ hoàn thành nhiệm vụ. Cơ chế lập lịch cho WFQ có hai mục tiêu
chính.
Đầu tiên là cung cấp một sự công bằng giữa các dòng hiện đang tồn tại. Để
cung cấp sự công bằng, WFQ cho mỗi dòng lượng băng thông như nhau. Nếu 10 dòng
tồn tại trong một giao diện và băng thông là 128 kbps thì mỗi dòng có băng thông là
12,8 kbps. Nếu 100 dòng tồn tại, mỗi dòng được 1,28 kbps. Giả sử với link liên kết
128Kbps với 10 dòng . Nếu dòng 1 cần 5 kbps mà WFQ cho phép 12,8 kbps cho mỗi
dòng, hàng đợi kết hợp với dòng 1 có thể không bao giờ có nhiều hơn một vài gói
trong nó bởi vì các gói sẽ đi ra nhanh chóng. Nếu dòng 2 cần 30 kbps mà WFQ chỉ

cung cấp cho hàng đợi này 12,8 kbps nên gói tin sẽ trở lại trong hàng đợi dòng 2. Các
gói tin ở hàng đợi sẽ chịu trễ, jitter và có thể bị mất nếu hàng đợi đầy. Tất nhiên, nếu
dòng 1 chỉ cần 5 kbps, lập lịch WFQ sẽ cho phép các luồng khác sử dụng lượng băng
thông mở rộng.
Mục tiêu thứ hai của lập lịch WFQ là cung cấp băng thông nhiều hơn cho dòng
với giá trị IP precedence cao hơn. Ví dụ với 10 dòng trong một liên kết 128-kbps, nếu
5 dòng sử dụng precedence 0 và 5 dòng sử dụng precedence 1, WFQ muốn cung cấp
cho dòng precedence 1 băng thông gấp đôi dòng có precedence 0. Do đó, 5 dòng
precedence 0 sẽ nhận được khoảng 8,5 kbps mỗi dòng và 5 dòng có precedence 1 sẽ
nhận được khoảng 17 kbps mỗi dòng. Trong thực tế, WFQ cung cấp việc chia sẻ băng
thông dựa trên tỷ lệ ưu tiên của mỗi dòng chảy cộng với một. Nói cách khác, dòng có
precedence 7 có băng thông cao hơn 8 lần so với dòng có precedence 0, bởi vì
(7+1)/(0+1)=8. Nếu bạn so sánh precedence 3 với precedence 0, tỷ lệ này là khoảng
(3+1)/(0+1) =4.
Vậy mục đích của WFQ là gì ? Bỏ qua việc ưu tiên, câu trả lời ngắn gọn là
dòng chảy khối lượng bé hơn nhận được dịch vụ tốt hơn và các dòng chảy khối lượng
cao hơn nhận được dịch vụ kém hơn. Dòng có ưu tiên cao hơn nhận được dịch vụ tốt
hơn so với dòng có ưu tiên thấp hơn. Nếu dòng có khối lượng thấp hơn được cho giá
trị precedence cao hơn thì các giá trị băng thông/trễ / jitter / loss sẽ được cải thiện hơn
nhiều. Trong một mạng, những nơi có nhạy cảm trễ nhiều thì nơi đó dòng có khối
lượng thấp hơn vì vậy WFQ là một giải pháp tuyệt vời . Chỉ cần 1 lệnh để kích hoạt
nó và nó đã được kích hoạt mặc định! WFQ thuận lợi cho dòng chảy khối lượng thấp
hơn, có thể là các dòng chảy quan trọng hơn như Telnet và Systems Network
Architecture (SNA) đóng gói trong IP.

1.3.1.3. Lập lịch WFQ: Tiến trình
WFQ cho mỗi dòng một tỷ lệ phần trăm trọng lượng của băng thông liên kết.
Tuy nhiên, WFQ không ấn định trước hàng đợi như các kỹ thuật xếp hàng dựa trên
lớp (class-based) vì WFQ tự động tạo ra hàng đợi để giữ các gói trong mỗi dòng. Mỗi
dòng có thể có giá trị ưu tiên khác nhau, tỷ lệ băng thông liên kết cho mỗi dòng chảy

sẽ thay đổi và nó sẽ thay đổi rất nhanh vì các gói tin đến và đi thường xuyên. Trong
Tìm hiểu về QoS

23

thời gian ngắn, WFQ chỉ có thể không được thực hiện bằng cách chỉ định một tỷ lệ
phần trăm băng thông hoặc một số byte cho mỗi hàng đợi.
Cơ chế lập lịch WFQ thực sự là rất đơn giản. Khi hàng đợi cứng giải phóng
một chỗ trống, WFQ có thể di chuyển một gói tin đến đó, giống như bất kỳ công cụ
hàng đợi khác. Lập lịch WFQ lấy gói tin với các số thứ tự (SN) thấp nhất trong số tất
cả các hàng đợi và di chuyển nó vào hàng đợi cứng. Các SN (sequence number) được
chỉ định khi các gói tin được đặt vào một hàng đợi.

Hình 1-11. WFQ: Gán số thứ tự SN và hàng đợi phục vụ


WFQ tính toán SN trước khi thêm một gói tin đến hàng đợi cụ thể là trước khi
quyết bỏ gói ( Drop Decision). Lập lịch xem xét cả chiều dài gói và mức ưu tiên khi
tính toán SN. Công thức để tính toán SN cho một gói tin như sau:

Previous_SN +(weight * new_packet_length)

Trong đó "weight" được tính như sau:

𝒘𝒆𝒊𝒈𝒉𝒕 =
𝟑𝟐, 𝟑𝟖𝟒
(𝑰𝑷 𝑷𝒓𝒆𝒄𝒆𝒅𝒆𝒏𝒄𝒆 + 𝟏)


Công thức trên bao gồm:

+ Chiều dài của gói tin mới (new_packet_length): Bằng cách xem xét chiều
dài gói tin, kết quả tính toán SN sẽ cho một số cao hơn cho các gói tin lớn hơn
và một số thấp hơn cho các gói tin nhỏ hơn.
+ Số SN trước đó (Previous_SN): Bằng cách bao gồm các SN của gói tin trước
đặt vào hàng đợi, công thức sẽ gán một số lớn cho các gói tin trong hàng đợi
đó.
+ Trọng lượng của dòng (weight): Lập lịch WFQ sẽ gửi gói tin với số SN thấp
nhất và WFQ muốn cung cấp thêm băng thông cho các dòng ưu tiên cao. Vì
vậy, các giá trị trọng lượng là tỉ lệ nghịch với giá trị ưu tiên.

Bảng 1-2 liệt kê các giá trị trọng lượng được sử dụng bởi WFQ trong IOS 12,0
(5)T/12,1 .

Tìm hiểu về QoS

24

Bảng 1-2. WFQ Weight Values, as of 12.0(5)T/12.1
Precedence
After 12.0(5)T/12.1
0
32384
1
16192
2
10794
3
8096
4
6476

5
5397
6
4626
7
4048

Như đã thấy trong bảng, giá trị ưu tiên càng lớn thì giá trị trọng lượng càng nhỏ dẫn
đến số SN sẽ nhỏ dần.
Một bộ định tuyến sử dụng WFQ có thể được gọi là quá công bằng. Với nhiều
dòng, WFQ sẽ cung cấp băng thông cho tất cả các dòng. Điều gì sẽ xảy ra nếu có tới
200 dòng mới bắt đầu một lúc? Mỗi dòng mới sẽ nhận được được số SN tương đối
thấp, vì SN của gói đã được gửi trước đó được sử dụng để tính toán. Các gói dữ liệu
đã có trong hàng đợi hiện tại sẽ phải đợi trên tất cả các gói dữ liệu mới . Trong một nỗ
lực để cung cấp cho mỗi dòng một số lượng băng thông, WFQ có thể thực sự không
cung cấp cho một số hoặc hầu hết các dòng đủ băng thông cho chúng tồn tại.

1.3.1.4. WFQ: Chính sách bỏ gói, số lượng và chiều dài hàng đợi
WFQ sử dụng chính sách tail-drop với một chút thay đổi cho việc lựa chọn khi
bỏ các gói tin. Quyết định này dựa trên một số yếu tố, một trong số đó là SN của gói
tin.
WFQ đặt một giới hạn tuyệt đối về số lượng các gói tin được xếp hàng trong tất
cả các hàng đợi, giá trị này được gọi là giới hạn hold-queue. Nếu một gói tin mới đến
và giới hạn hold-queue đã đạt được thì gói tin đó sẽ bị hủy. Đó là một phần của quyết
định không dựa trên một hàng đợi duy nhất, nhưng trên toàn bộ hệ thống hàng đợi
WFQ cho giao diện.
Các quyết định tiếp theo được dựa trên một hàng đợi riêng lẻ. Nếu một gói tin
cần được đặt vào một hàng đợi và ngưỡng Congestive Discard Threshold (CDT) đã
đạt được, các gói dữ liệu có thể được bỏ đi. CDT gần giống như chiều dài hàng đợi tối
đa cho mỗi hàng đợi của dòng. Để đánh giá đúng cách CDT được sử dụng, ta xem xét

hình 1-12



Tìm hiểu về QoS

25

Hình 1-12. WFQ Modified Tail Drop và Congestive Discard Threshold


Kích thước hold-queue giới hạn tổng số gói tin trong tất cả các hàng đợi lưu
lượng. Tuy nhiên, CDT giới hạn số lượng các gói tin trong mỗi hàng đợi. Nếu gói tin
CDT đang nằm trong một hàng đợi, WFQ xẽ xem xét loại bỏ các gói tin mới. Thông
thường, các gói dữ liệu mới được loại bỏ. Tuy nhiên nếu một gói tin với một số SN
lớn hơn đã được xếp hàng trong một hàng đợi khác, WFQ đành phải loại bỏ các gói
tin có SN lớn hơn! Trong thời gian ngắn, WFQ có thể loại bỏ một gói tin trong luồng
khác khi hàng đợi cho luồng đó đã vượt quá CDT nhưng vẫn có số thứ tự thấp hơn. Ta
có thể cấu hình CDT đến một giá trị từ 1 đến 4096.
Cuối cùng, WFQ có thể được cấu hình cho tối đa là 4096 hàng đợi, nhưng giá
trị thực tế chỉ bao gồm cấp số mũ của 2 từ 16 đến 4096. IOS hạn chế các giá trị vì
WFQ thực hiện một thuật toán băm để phân loại lưu lượng truy cập và các thuật toán
băm chỉ hoạt động khi số lượng hàng đợi là một trong những giá trị hợp lệ.

1.3.1.5. Cấu hình WFQ
Mặc dù WFQ đòi hỏi một chút kiểm tra sâu hơn để hiểu tất cả các khái niệm cơ
bản nhưng cấu hình lại thực sự đơn giản. IOS sử dụng WFQ theo mặc định trên tất cả
các cổng serial với băng thông đặt ở tốc độ T/1 và E/1 và thấp hơn. Không thể thiết
lập các thông số WFQ cho một hàng đợi riêng lẻ, cấu hình WFQ chỉ dài một hoặc hai
dòng.

Bảng 1-3. Lệnh cấu hình WFQ
Command
Mode and Function
fair-queue [congestive-discard-
threshold [dynamic-queues [reservable-
queues]]]
Kích hoạt WFQ, đặt CDT, thiết lập số
lượng hàng đợi tối đa, đặt số dành cho
RSVP sử dụng.
hold-queue length out
Thay đổi chiều dài của hold-queue