Управление QoS на платформе Windows. Параметры QoS

26.06.2019

Существует такая служба как QoS . Расшифровывается сия аббревиатура, как Quality of Service . В случае настройки системы ее крайне нежелательно активировать, так как она имеет свойство существенно уменьшать пропускную способность сети (приблизительно на 20 процентов)

Сейчас, пожалуй, невозможно найти такого человека, который бы ни разу не читал ни одно из FAQ , касающихся работы Windows .

20% — это, разумеется, просто безумно много. И конечно же Майкрософт – должен погибнуть. Утверждения такого плана переходят из одного ФАКа в другой, бродят по форумам, средствам массовой информации, пользуются огромным успехом во всяких «твикалках» — программному обеспечению по «обучению» Windows . Раз облачать подобного рода утверждения необходимо крайне осторожно, этим-то мы сейчас и займемся, качественно применяя системный подход. То бишь крайне детально рассмотрим проблемный вопрос, будем опираться на авторитетные первоисточники.

Что есть сеть с качественным сервисом?

Предлагаем вам принять такое определение сетевой системы, которое максимально упрощено. Приложения начинают свою работу, делают ее на хостах и в результате своей деятельности меняются информацией друг с другом. Приложения шлют информацию ОС для передачи по сети. Как только нужная информация передается ОС, она автоматически становится сетевым трафиком.

QoS в свою очередь опирается на возможности сети обрабатывать такой трафик таким образом, чтобы точно выполнить запросы не одного, а сразу нескольких приложений. Это требует наличия базового механизма по переработке трафика из сети, который способен различать и классифицировать этот трафик, который имеет право на особенную обработку и право на управление самими механизмами.

Функциональные возможности этой службы созданы для того чтобы удовлетворять нескольких сетевых субъектов: во-первых, сетевых администраторов, а во-вторых, сами сетевые приложения. Зачастую, они имеют некоторые разногласия. Сетевой администратор стремится ограничить ресурсы, которые используются специфическим приложением, в то время как это же приложение стремится захватить как можно большее количество свободных ресурсов из сети. Интересы их могут согласовываться, если учитывать тот факто, что администратор сети будет играть самую главную роль, по отношению ко всем пользователям и приложениям.

Основные параметры службы QoS

Разные приложения имеют совершенно разные требования к переработке их трафика. Приложения в некоторой степени более или менее терпимы к потере и несущественным задержкам сетевого трафика.

Эти требования находят своё применение в таких параметрах, которые связанны с QoS :

Полоса пропускания (англ. Bandwidth) – та скорость с которой трафик, который генерируется приложением, может быть и должен быть передан по сети

Задержка (Latency) – время задержки, которое может допустить само приложение при доставке пакета информации

Изменение задержки (Jitter )

Потеря (Loss ) – коэффициент потери информации.

Если бы мы имели доступ к вечным ресурсам сети, то абсолютно весь трафик приложения мы могли бы распределять с нужной скоростью, с временем задержки, равным нулю, изменениями времени тоже равным нулю и с отсутствием каких-либо потерь. Но сетевые ресурсы далеко не вечны.

Механизм рассматриваемой службы держит под контролем распределение ресурсов сети длятрафика приложения, для того чтобы выполнить необходимые условия для его передачи.

Базовые ресурсы службы QoS и способы обработки трафика

Сети, которые занимаются поддержанием связи между хостами, пользуются самыми разными сетевыми устройствами, в число которых также входят хабы, маршрутизаторы, свичи, а также сетевые адаптеры хостов. Любой из перечисленных имеет сетевые интерфейсы. Любой сетевой интерфейс способен передавать и принимать трафик с завершенной скоростью. Когда скорость, с которой трафик направлялся на интерфейс, превышает ту скорость, с которой интерфейс осуществляет передачу дальше трафика, то зачастую получается перегрузка.

Сетевые устройства способны обрабатывать состояние перегрузки, организовывая целую цепь трафика в памяти устройства (в его буфере), пока она (перегрузка) не пройдет. В иных же случаях оборудование может не принимать трафик, для того чтобы сделать перегрузку менее тяжелой. Как результат, приложения встречаются со значительным изменением времени ожидания (потому что трафик остается в очередях на интерфейсах) или даже с полной потерей трафика.

Возможности интерфейсов, касающиеся пересылки сетевого трафика и наличие памяти, предназначенной для хранения трафика в сетевых устройствах будут составлять фундаментальные ресурсы, которые в свою очередь требуются для обеспечения службы QoS для продолжения потоков трафика в приложениях.

Распределение ресурсов службы QoS по сетевым устройствам

Устройства, которые поддерживают рассматриваемую службу, относительно рационально пользуются ресурсами сети для передачи сетевого трафика. То бишь трафик приложений, которые соответственно более терпимы к задержкам, хранится в буфере, а трафик приложений, который в определенной степени более критичен к задержкам, отсылается дальше.

Для того, чтобы решить эту проблему сетевое устройство должно прежде всего осуществлять идентификацию трафика путем распределения пакетов, а также составлять очереди и осуществлять посредством собственных механизмов, их обслуживание

Механизмы и способы обработки трафика

Подавляющее большинство локальных сетей основывается на технологии iEEE 802 и включает token —ring , Ethernet и так далее. 802.1p является механизмом обработки трафика для поддержки службы QoS в подобного рода сетях.

802.1p способно определить поле (второй уровень в сетевой модели OSI ) в заглавии пакета 802, которое несет какое-то значение приоритета. Обычно, маршрутизаторы или же хосты, отсылая свой трафик в локальную сеть, маркируют все посланные ими пакеты, присваивая им какое-то значение приоритета. Подразумевается, что свичи, хабы, мосты и иные сетевые устройства будут обрабатывать пакеты путем организации очередей. Область применения указанного механизма обработки трафика ограничивается LAN . В тот же момент, когда пакет пересекает LAN (через третий уровень OSI ), приоритет 802.1p сразу же удаляется

Механизм третьего уровня – Diffserv , который определяет в поле в третьем уровне загаловка IP -пакетов, которые называются DSCP (расш. Diffserv codepoint )

Itserv представляет из себя законченный пакет услуг, который определяет гарантированных сервис и сервис, который управляет перегрузками. Гарантированный сервис способен нести какой-то объем трафика с ограниченной задержкой. Сервис, который управляет загрузкой,вызывается нести какой-то объем трафика когда «появляется легкая загруженность сетей». Они являются в какой-то степени измеримыми услугами, так как они определяются, для того чтобы обеспечить соотношение QoS к какому-то количеству трафика.

Так как технология ATM может фрагментировать пакеты в сравнительно небольшие ячейки, то оно способно предложить весьма заниженное время задержки. Если нужно передать пакет срочно, то интерфейс ATM может всегда освободиться для передачи на время, которое нужно, чтобы передать лишь одну ячейку.

Также служба QoS имеет в своём распоряжении довольно много непростых механизмов, которые обеспечивают работу такой технологии. Хотим отметить только лишь один, но очень существенный момент: для того, чтобы служба начала функционировать, нужна поддержка такой технологии и наличие необходимой настройки на всех передачах от первоначального пункта и до конечного

Нужно принять:

Абсолютно все маршрутизаторы принимают участиев передаче необходимых протоколов;

Первый QoS —сеанс, котор ый требует 64 кбпс, инициализируется между хостами A и B

Второй сеанс, который требует 64 кбпс, инициализируется между хостами A и D

Для того, чтобы значительно упростить схему предпологаем, что конфигурация маршрутизаторов конструируется таким образом, чтоони имеют возможность резервировать абсолютно все сетевые ресурсы.

Для нас важно, что один вопрос о резервировании 64 кбпс должен был достигнуть трех маршрутизаторов по пути потока информации между хостами A и B . Следующий запрос о 64 кбпс смог бы д остигнуть трех маршуртизаторов между хостами A и D . Маршрутизаторы бы смогли исполнить запросы на резервировании ресурсов, так как они не больше максимально указанной точки. Если же вместо этого любой из хостов B и C смог бы инициализировать 64 кбпс QoS -сеанс с А-хостом, то в таком случае маршрутизатор, который обслуживает указанные хосты, скорее всего запретил бы какое-то одно соединение.

А сейчас попробуем представить, что сетевой администратор выключает обработку службы в трех маршрутизаторах, которые обслуживают хост E ,D ,C ,B . В таком случае запросы о ресурсах больших 64 кбпс будут удовлетворяться вне зависимости от расположения хоста, который принимает участие в создании. В этом случае гарантии качества были бы крайне низки, так как трафик для единого хоста наносил бы ущерб трафику другого. Качество обслуживания, скорее всего, могло бы остаться прежним, если бы верхний маршрутизатор смог ограничить запросы до 64кбпс, но это бы привело к крайне неэффективному использованию ресурсов сети.

С другой же стороны, пропускную способность всех связей в сети мы могли бы увеличить до 128 кбпс. Однако увеличенная пропускная способность будет использоваться только лишь если два хоста будут одновременно требовать ресурсы. Если это не будет так, то сетевые ресурсы вновь станут использоваться крайне неэффективно

Майкрософтовские QoS -компонент ы

98 версия Windows располагает лишь компонентами QoS только для уровня пользователей:

QoS сервис провайдер

Winsock 2 (GQoS API )

Некоторые компоненты приложений

Более поздние операционные системы компании Майкрософт содержат все, что указано выше, а также такие компоненты, как:

Traffic .dll – возможность управления трафиком

Rsvpsp .dll и служб ы rsvp .exe ,а также QoS ACS . В XP и 2003 не используются

Mspgps .sys – классификатор пакетов, способен определить класс сервиса, принадлежащий пакету.

Psched .sys является планировщиком пакетов службы QoS . Его функция заключается в определении параметров службы для специфического потока информации. Весь трафик будет отмечаться каким-то значением приоритета. Планировщик пакетов будет определять трафик, путем постановки в очередь всех покетов и обрабатывать конкурирующие запросы через поставленные в очередь пакеты данных, которые нуждаются в своевременном доступе к сети.

Планировщик пакетов QoS (Psched.sys). Определяет параметры QoS для специфического потока данных. Трафик помечается определенным значением приоритета. Планировщик пакетов QoS определяет график постановки в очередь каждого пакета и обрабатывает конкурирующие запросы между поставленными в очередь пакетами, которые нуждаются в одновременном доступе к сети.

Финальный аккорд

Все вышеизложенные моменты не могут дать одного ответа на вопрос, куда же все-таки уходят те самые 20 процентов (которые, к слову сказать, никто еще точно не измерил). Исходя из всей информации, которая указана выше, этого быть ни в коем случае не должно. Однако оппоненты выдвигают свой довод: система QoS отличная, да вот реализована неважно. И, как следствие, 20% все же уходят. Скорее всего, проблема допекла и самого гиганта софта, так как он уже очень давно в свою очередь стал опровергать подобного плата мысли.

В настоящее время вместе с планомерным увеличением скоростей передачи данных в телекоммуникациях увеличивается доля интерактивного трафика, крайне чувствительного к параметрам среды транспортировки. Поэтому задача обеспечения качества обслуживания (Quality of Service - QoS) становится все более актуальной.

Рассмотрение вопроса подобной сложности лучше всего начинать с простых и понятных примеров настройки оборудования, например, фирмы Cisco. Представленный здесь материал, безусловно, не может конкурировать с www.cisco.com. Наша задача – начальная классификация огромного объема сведений в компактном виде с целью облегчения понимания и дальнейшего изучения.

1. Определения и термины.

Определений термина QoS настолько много, что мы выберем единственно верное - правильно, от Cisco: "QoS – QoS refers to the ability of a network to provide better service to selected network traffic over various underlying technologies…". Что можно литературно перевести как: "QoS – способность сети обеспечить необходимый сервис заданному трафику в определенных технологических рамках".

Необходимый сервис описывается многими параметрами, отметим среди них самые важные.

Bandwidth (BW) - полоса пропускания, описывает номинальную пропускную способность среды передачи информации, определяет ширину канала. Измеряется в bit/s (bps), kbit/s (kbps), mbit/s (mbps).

Delay - задержка при передаче пакета.

Jitter - колебание (вариация) задержки при передаче пакетов.

Packet Loss – потери пакетов. Определяет количество пакетов, отбрасываемых сетью во время передачи.

Чаще всего для описания пропускной способности канала проводят аналогию с водопроводной трубой. В ее рамках Bandwidth – это ширина трубы, а Delay – длина.

Время передачи пакета через канал Transmit time [s] = packet size / bw .

Например, найдем время передачи пакета размером 64 байта по каналу шириной 64 килобита/c:

Packet size = 64*8=512 (bit) Transmit Time = 512/64000 = 0.008 (c)

2. Сервисные модели QoS.

2.1. Best Effort Service.

Негарантированная доставка. Абсолютное отсутствие механизмов QoS. Используются все доступные ресурсы сети без какого-либо выделения отдельных классов трафика и регулирования. Считается, что лучшим механизмом обеспечения QoS является увеличение пропускной способности. Это в принципе правильно, однако некоторые виды трафика (например, голосовой) очень чувствительны к задержкам пакетов и вариации скорости их прохождения. Модель Best Effort Service даже при наличии больших резервов допускает возникновение перегрузок в случае резких всплесков трафика. Поэтому были разработаны и другие подходы к обеспечению QoS.

2.2. Integrated Service (IntServ).

Integrated Service (IntServ, RFC 1633) - модель интегрированного обслуживания. Может обеспечить сквозное (End-to-End) качество обслуживания, гарантируя необходимую пропускную способность. IntServ использует для своих целей протокол сигнализации RSVP. Позволяет приложениям выражать сквозные требования к ресурсам и содержит механизмы обеспечения данных требований. IntServ можно кратко охарактеризовать как резервирование ресурсов (Resource reservation).

2.3. Differentiated Service (DiffServ).

Differentiated Service (DiffServ, RFC 2474/2475) - Модель дифференцированного обслуживания. Определяет обеспечение QoS на основе четко определенных компонентов, комбинируемых с целью предоставления требуемых услуг. Архитектура DiffServ предполагает наличие классификаторов и формирователей трафика на границе сети, а также поддержку функции распределения ресурсов в ядре сети в целях обеспечения требуемой политики пошагового обслуживания (Per-Hop Behavior - PHB). Разделяет трафик на классы, вводя несколько уровней QoS. DiffServ состоит из следующих функциональных блоков: граничные формирователи трафика (классификация пакетов, маркировка, управление интенсивностью) и реализаторы PHB политики (распределение ресурсов, политика отбрасывания пакетов). DiffServ можно кратко охарактеризовать как приоритезацию трафика (Prioritization).

3. Базовые функции QoS.

Базовые функции QoS заключаются в обеспечении необходимых параметров сервиса и определяются по отношению к трафику как: классификация, разметка, управление перегрузками, предотвращение перегрузок и регулирование. Функционально классификация и разметка чаще всего обеспечиваются на входных портах оборудования, а управление и предотвращение перегрузок – на выходных.

3.1. Классификация и разметка (Classification and Marking).

Классификация пакетов (Packet Classification) представляет собой механизм соотнесения пакета к определенному классу трафика.

Другой не менее важной задачей при обработке пакетов является маркировка пакетов (Packet Marking) - назначение соответствующего приоритета (метки).

В зависимости от уровня рассмотрения (имеется в виду OSI) эти задачи решаются по-разному.

3.1.1. Layer 2 Classification and Marking.

Коммутаторы Ethernet (Layer 2) используют протоколы канального уровня. Протокол Ethernet в чистом виде не поддерживает поле приоритета. Поэтому на Ethernet портах (Access Port) возможна лишь внутренняя (по отношению к коммутатору) классификация по номеру входящего порта и отсутствует какая-либо маркировка.

Более гибким решением является использование стандарта IEEE 802.1P, который разрабатывался совместно с 802.1Q. Иерархия отношений здесь следующая: 802.1D описывает технологию мостов и является базовой для 802.1Q и 802.1P. 802.1Q описывает технологию виртуальных сетей (VLAN), а 802.1P обеспечение качества обслуживания. В целом, включение поддержки 802.1Q (транк с виланами), автоматически дает возможность использования 802.1P. Согласно стандарту используются 3 бита в заголовке второго уровня, которые называются Class of Service (CoS). Таким образом, CoS может принимать значения от 0 до 7.

3.1.2. Layer 3 Classification and Marking.

Маршрутизирующее оборудование (Layer 3) оперирует IP пакетами, в которых под цели маркировки предусмотрено соответствующее поле в заголовке - IP Type of Service (ToS) размером один байт. ToS может быть заполнен классификатором IP Precedence или DSCP в зависимости от задачи. IP precedence (IPP) имеет размерность 3 бита (принимает значения 0-7). DSCP относится к модели DiffServ и состоит из 6 бит (значения 0-63).

Кроме цифровой формы, значения DSCP могут быть выражены с использованием специальных ключевых слов: доставка по возможности BE – Best Effort, гарантированная доставка AF – Assured Forwarding и срочная доставка EF – Expedited Forwarding. В дополнение к этим трем классам существуют коды селектора классов, которые добавляются к обозначению класса и обратно совместимы с IPP. Например, значение DSCP равное 26 можно записать как AF31, что полностью равнозначно.

MPLS содержит индикатор QoS внутри метки в соответствующих битах MPLS EXP (3 бита).

Промаркировать IP пакеты значением QoS можно разными способами: PBR, CAR, BGP.

Пример 1. Маркировка PBR

Policy Based Route (PBR) можно использовать с целью маркировки, производя ее в соответствующей подпрограмме (Route-map может содержать параметр set ip precedence):

!
interface FastEthernet0/0
ip policy route-map MARK
speed 100
full-duplex
no cdp enable
!
!
route-map MARK permit 10
match ip address 1
set ip precedence priority
!

На выходе интерфейса можно увидеть результат (например, программой tcpdump под unix):

# tcpdump -vv -n -i em0
... IP (tos 0x20 ...)

Пример 2. Маркировка CAR.

Механизм Committed Access Rate (CAR) разработан для ограничения скорости, однако дополнительно может и маркировать пакеты (параметр set-prec-transmit в rate-limit):

!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.252
rate-limit input access-group 1 1000000 10000 10000 conform-action set-prec-transmit 3 exceed-action set-prec-transmit 3
no cdp enable
!
access-list 1 permit 192.168.0.0 0.0.0.255
!

#sh interface FastEthernet0/0 rate-limit

3.2. Управление перегрузками (Congestion Management). Механизм очередей.

3.2.1. Перегрузки (Congestions).

Перегрузка возникает в случае переполнения выходных буферов передающего трафик оборудования. Основными механизмами возникновения перегрузок (или, что равнозначно, скоплений - congestions) является агрегация трафика (когда скорость входящего трафика превышает скорость исходящего) и несогласованность скоростей на интерфейсах.

Управление пропускной способностью в случае перегрузок (узких мест) осуществляется с помощью механизма очередей. Пакеты помещаются в очереди, которые упорядоченно обрабатываются по определенному алгоритму. Фактически, управление перегрузками – это определение порядка, в котором пакеты выходят из интерфейса (очередей) на основе приоритетов. Если перегрузок нет – очереди не работают (и не нужны). Перечислим методы обработки очередей.

3.2.2. Layer 2 Queuing.

Физическое устройство классического коммутатора можно упрощенно представить следующим образом: пакет приходит на входной порт, обрабатывается механизмом коммутации, который решает, куда направить пакет, и попадает в аппаратные очереди выходного порта. Аппаратные очереди представляет собой быструю память, хранящую пакеты перед тем, как они попадут непосредственно на выходной порт. Далее, согласно определенному механизму обработки, пакеты извлекаются из очередей и покидают коммутатор. Изначально очереди равноправны и именно механизм обработки очередей (Scheduling) определяет приоритезацию. Обычно каждый порт коммутатора содержит ограниченное число очередей: 2, 4, 8 и так далее.

В общих чертах настройка приоритезации заключается в следующем:

1. Изначально очереди равноправны. Поэтому предварительно необходимо их настроить, то есть определить очередность (или пропорциональность объема) их обработки. Чаще всего это делается привязкой приоритетов 802.1P к очередям.

2. Необходимо сконфигурировать обработчик очередей (Scheduler). Чаще всего используются взвешенный циклический алгоритм (Weighted Round Robin WRR) или строгая очередь приоритетов (Strict Priority Queuing).

3. Назначение приоритета поступающим пакетам: по входному порту, по CoS или, в случае дополнительных возможностей (Layer 3 switch), по каким-то полям IP.

Работает все это следующим образом:

1. Пакет попадает в коммутатор. Если это обычный Ethernet пакет (клиентский Access Port), то он не имеет меток приоритета и таковая может выставляться коммутатором, например, по номеру входного порта, если это нужно. Если входной порт транковый (802.1Q или ISL), то пакет может нести метку приоритета и коммутатор может ее принять или заменить на необходимую. В любом случае пакет на данном этапе попал в коммутатор и имеет необходимую разметку CoS.

2. После обработки процессом коммутации пакет в соответствии с меткой приоритета CoS направляется классификатором (Classify) в соответствующую очередь выходного порта. Например, критический трафик попадает в высокоприоритетную, а менее важный в низкоприоритетную очереди.

3. Механизм обработки (Scheduling) извлекает пакеты из очередей согласно их приоритетам. Из высокоприоритетной очереди за единицу времени будет выдано на выходной порт больше пакетов, чем из низкоприоритетной.

3.2.3. Layer 3 Queuing.

Маршрутизирующие устройства оперируют пакетами на третьем уровне OSI (Layer 3). Чаще всего поддержка очередей обеспечивается программно. Это означает в большинстве случаев отсутствие аппаратных ограничений на их число и более гибкое конфигурирование механизмов обработки. Общая парадигма QoS Layer 3 включает маркировку и классификацию пакетов на входе (Marking & Classification), распределение по очередям и их обработку (Scheduling) по определенным алгоритмам.

И еще раз подчеркнем, что приоритезация (очереди) требуется в основном только в узких, загруженных местах, когда пропускной способности канала не хватает для передачи всех поступающих пакетов и нужно каким-то образом дифференцировать их обработку. Кроме того, приоритезация необходима и в случае предотвращения влияния всплесков сетевой активности на чувствительный к задержкам трафик.

Проведем классификацию Layer 3 QoS по методам обработки очередей.

3.2.3.1. FIFO.

Элементарная очередь с последовательным прохождением пакетов, работающая по принципу первый пришел – первый ушел (First In First Out - FIFO), имеющему русский эквивалент кто первый встал того и тапки. По сути, здесь нет никакой приоритезации. Включается по умолчанию на интерфейсах со скоростью больше 2 мбит/с.

3.2.3.2. PQ. Очереди приоритетов.

Priority Queuing (PQ) обеспечивает безусловный приоритет одних пакетов над другими. Всего 4 очереди: high, medium, normal и low. Обработка ведется последовательно (от high до low), начинается с высокоприоритетной очереди и до ее полной очистки не переходит к менее приоритетным очередям. Таким образом, возможна монополизация канала высокоприоритетными очередями. Трафик, приоритет которого явно не указан, попадет в очередь по умолчанию (default).

Параметры команды.
распределение протоколов по очередям:
priority-list LIST_NUMBER protocol PROTOCOL {high|medium|normal|low} list ACCESS_LIST_NUMBER
определение очереди по умолчанию:
priority-list LIST_NUMBER default {high|medium|normal|low}
определение размеров очередей (в пакетах):
priority-list LIST_NUMBER queue-limit HIGH_QUEUE_SIZE MEDIUM_QUEUE_SIZE NORMAL_QUEUE_SIZE LOW_QUEUE_SIZE

обозначения:
LIST_NUMBER – номер обработчика PQ (листа)
PROTOCOL - протокол
ACCESS_LIST_NUMBER – номер аксесс листа
HIGH_QUEUE_SIZE – размер очереди HIGH
MEDIUM_QUEUE_SIZE - размер очереди MEDIUM
NORMAL_QUEUE_SIZE - размер очереди NORMAL
LOW_QUEUE_SIZE - размер очереди LOW

Алгоритм настройки.

1. Определяем 4 очереди
access-list 110 permit ip any any precedence network
access-list 120 permit ip any any precedence critical
access-list 130 permit ip any any precedence internet
access-list 140 permit ip any any precedence routine

priority-list 1 protocol ip high list 110
priority-list 1 protocol ip medium list 120
priority-list 1 protocol ip normal list 130
priority-list 1 protocol ip low list 140
priority-list 1 default low

priority-list 1 queue-limit 30 60 90 120

2. Привязываем к интерфейсу

!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
priority-group 1
no cdp enable
!

3. Просмотр результата
# sh queueing priority

Current priority queue configuration:

List

Queue Args

low

default

high

protocol ip

list 110

medium

protocol ip

list 120

normal

protocol ip

list 130

low

protocol ip

list 140

#sh interfaces fastEthernet 0/0
…
Queueing strategy: priority-list 1
…

Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: priority

high/19 medium/0 normal/363 low/0

3.2.3.3. CQ. Произвольные очереди.

Custom Queuing (CQ) обеспечивает настраиваемые очереди. Предусматириваетмя управление долей полосы пропускания канала для каждой очереди. Поддерживается 17 очередей. Системная 0 очередь зарезервирована для управляющих высокоприоритетных пакетов (маршрутизация и т.п.) и пользователю недоступна.

Очереди обходятся последовательно, начиная с первой. Каждая очередь содержит счетчик байт, который в начале обхода содержит заданное значение и уменьшается на размер пакета, пропущенного из этой очереди. Если счетчик не ноль, то пропускается следующий пакет целиком, а не его фрагмент, равный остатку счетчика.

Параметры команды.
определение полосы пропускания очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER byte-count
BYTE_COUT

определение размеров очередей:
queue-list LIST-NUMBER queue QUEUE_NUMBER limit QUEUE_SIZE

обозначения:
LIST-NUMBER – номер обработчика
QUEUE_NUMBER – номер очереди
BYTE_COUT – размер очереди в пакетах

Алгоритм настройки.

1. Определяем очереди
access-list 110 permit ip host 192.168.0.100 any
access-list 120 permit ip host 192.168.0.200 any

queue-list 1 protocol ip 1 list 110
queue-list 1 protocol ip 2 list 120
queue-list 1 default 3

queue-list 1 queue 1 byte-count 3000
queue-list 1 queue 2 byte-count 1500
queue-list 1 queue 3 byte-count 1000

Дополнительно можно установить размеры очередей в пакетах
queue-list 1 queue 1 limit 50
queue-list 1 queue 2 limit 50
queue-list 1 queue 3 limit 50

2. Привязываем к интерфейсу
!
interface FastEthernet0/0
ip address 192.168.0.2 255.255.255.0
speed 100
full-duplex
custom-queue-list 1
no cdp enable
!

3. Просмотр результата
#sh queueing custom

Current custom queue configuration:

List

Queue

Args

default

protocol ip

list 110

protocol ip

list 120

byte-count 1000

byte-count 2000

#sh interface FastEthernet0/0
…
Queueing strategy: custom-list 1
…

#sh queueing interface fastEthernet 0/0
Interface FastEthernet0/0 queueing strategy: custom

Output queue utilization (queue/count)
0/90 1/0 2/364 3/0 4/0 5/0 6/0 7/0 8/0
9/0 10/0 11/0 12/0 13/0 14/0 15/0 16/0

3.2.3.4. WFQ. Взвешенные справедливые очереди.

Weighted Fair Queuing (WFQ) автоматически разбивает трафик на потоки (flows). По умолчанию их число равно 256, но может быть изменено (параметр dynamic-queues в команде fair-queue). Если потоков больше, чем очередей, то в одну очередь помещается несколько потоков. Принадлежность пакета к потоку (классификация) определяется на основе TOS, протокола, IP адреса источника, IP адреса назначения, порта источника и порта назначения. Каждый поток использует отдельную очередь.

Обработчик WFQ (scheduler) обеспечивает равномерное (fair - честное) разделение полосы между существующими потоками. Для этого доступная полоса делится на число потоков и каждый получает равную часть. Кроме того, каждый поток получает свой вес (weight), с некоторым коэффициентом обратно пропорциональный IP приоритету (TOS). Вес потока также учитывается обработчиком.

В итоге WFQ а втоматически справедливо распределяет доступную пропускную способность, дополнительно учитывая TOS. Потоки с одинаковыми IP приоритетами TOS получат равные доли полосы пропускания; потоки с большим IP приоритетом – большую долю полосы. В случае перегрузок ненагруженные высокоприоритетные потоки функционируют без изменений, а низкоприоритетные высоконагруженные – ограничиваются.

Вместе с WFQ работает RSVP. По умолчанию WFQ включается на низкоскоростных интерфейсах.

Алгоритм настройки.
1. Помечаем трафик каким-либо способом (устанавливаем IP приоритет - TOS) или получаем его помеченным

2. Включаем WFQ на интерфейсе
interface FastEthernet0/0
fair-queue

interface FastEthernet0/0
fair-queue CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD DYNAMIC_QUEUES

Параметры:
CONGESTIVE_DISCARD_THRESHOLD – число пакетов в каждой очереди, при превышении которого пакеты игнорируются (по умолчанию - 64)
DYNAMIC_QUEUES – число подочередей, по которым классифицируется трафик (по умолчанию - 256)

3. Просмотр результата
# sh queueing fair
# sh queueing interface FastEthernet0/0

3.2.3.5. CBWFQ.

Class Based Weighted Fair Queuing (CBWFQ) соответствует механизму обслуживания очередей на основе классов. Весь трафик разбивается на 64 класса на основании следующих параметров: входной интерфейс, аксесс лист (access list), протокол, значение DSCP, метка MPLS QoS.

Общая пропускная способность выходного интерфейса распределяется по классам. Выделяемую каждому классу полосу пропускания можно определять как в абсолютное значение (bandwidth в kbit/s) или в процентах (bandwidth percent) относительно установленного значения на интерфейсе.

Пакеты, не попадающие в сконфигурированные классы, попадают в класс по умолчанию, который можно дополнительно настроить и который получает оставшуюся свободной полосу пропускания канала. При переполнении очереди любого класса пакеты данного класса игнорируются. Алгоритм отклонения пакетов внутри каждого класса можно выбирать: включенное по умолчанию обычное отбрасывание (tail-drop, параметр queue-limit) или WRED (параметр random-detect). Только для класса по умолчанию можно включить равномерное (честное) деление полосы (параметр fair-queue).

CBWFQ поддерживает взаимодействие с RSVP.

Параметры команды.

критерии отбора пакетов классом:
class-map match-all CLASS
match access-group
match input-interface
match protocol
match ip dscp
match ip rtp
match mpls experimental

определение класса:

class CLASS
bandwidth BANDWIDTH
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect

определение класса по умолчанию (default):

class class-default
bandwidth BANDWIDTH
bandwidth percent BANDWIDTH_PERCENT
queue-limit QUEUE-LIMIT
random-detect
fair-queue

обозначения:
CLASS – название класса.
BANDWIDTH – минимальная полоса kbit/s, значение независимо от bandwidth на интерфейсе.
BANDWIDTH_PERCENT - процентное соотношение от bandwidth на интерфейсе.
QUEUE-LIMIT – максимальное количество пакетов в очереди.
random-detect – использование WRED.
fair-queue – равномерное деление полосы, только для класса по умолчанию

По умолчанию абсолютное значение Bandwidth в классе CBWFQ не может превышать 75% значение Bandwidth на интерфейсе. Это можно изменить командой max-reserved-bandwidth на интерфейсе.

Алгоритм настройки.

1. Распределение пакетов по классам - class-map

class-map match-all Class1
match access-group 101

2. Описание правил для каждого класса - policy-map
policy-map Policy1
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect

3. Запуск заданной политики на интерфейсе - service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256

4. Просмотр результата
#sh class Class1
#sh policy Policy1
#sh policy interface FastEthernet0/0

Пример 1.

Деление общей полосы по классам в процентном соотношении (40, 30, 20).
access-list 101 permit ip host 192.168.0.10 any
access-list 102 permit ip host 192.168.0.20 any
access-list 103 permit ip host 192.168.0.30 any

class-map match-all Platinum
match access-group 101
class-map match-all Gold
match access-group 102
class-map match-all Silver
match access-group 103

policy-map Isp
class Platinum
bandwidth percent 40
class Gold
bandwidth percent 30
class Silver
bandwidth percent 20

interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Isp

3.2.3.6. LLQ.

Low Latency Queuing (LLQ) – очередность с низкой задержкой. LLQ можно рассматривать как механизм CBWFQ с приоритетной очередью PQ (LLQ = PQ + CBWFQ).
PQ в LLQ позволяет обеспечить обслуживание чувствительного к задержке трафика. LLQ рекомендуется в случае наличия голосового (VoIP) трафика. Кроме того, он хорошо работает с видеоконференциями.

Алгоритм настройки.

1. Распределение пакетов по классам - Class-map
access-list 101 permit ip any any precedence critical

class-map match-all Voice
match ip precedence 6
class-map match-all Class1
match access-group 101

2. Описание правил для каждого класса - Policy-map

Аналогично CBWFQ, только для приоритетного класса (он один) указывается параметр priority.
policy-map Policy1
class Voice
priority 1000
class Class1
bandwidth 100
queue-limit 20
class class-default
bandwidth 50
random-detect

3. Запуск заданной политики на интерфейсе - Service-policy
interface FastEthernet0/0
bandwidth 256
service-policy output Policy1

Пример 1.
Относим класс Voice к PQ, а все остальное к CQWFQ.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
class VPN
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface X
Sevice-policy output Voice
!

Пример 2.
Дополнительно ограничиваем общую скорость для PQ в LLQ, чтобы он не монополизировал весь канал в случае неправильной работы.
!
class-map match-any Voice
match ip precedence 5
!
policy-map Voice
class Voice
priority 1000
police 1024000 32000 32000 conform-action transmit exceed-action drop
class Vpn
bandwidth percent 50
class class-default
fair-queue 16
!
interface FastEthernet0/0
service-policy output Voice
!

Нет ни одного человека, который бы хоть раз не прочитал какой-нибудь FAQ по Windows XP. А раз так, то каждый знает, что есть такая вредная служба Quality of Service — сокращенно QoS. При настройке системы ее настоятельно рекомендуется отключать, потому что она по умолчанию ограничивает сетевую пропускную способность на 20%, и как будто бы эта проблема существует и в Windows 2000.

Вот эти строки:

Q: Как полностью отключить службу QoS (Quality of Service)? Как ее настроить? Правда ли, что она ограничивает скорость сети?
A: Действительно, по умолчанию Quality of Service резервирует для своих нужд 20% от пропускной способности канала (любого - хоть модем на 14400, хоть гигабитный Ethernet). Причем даже если удалить службу QoS Packet Scheduler из Properties-соединения, этот канал не освобождается. Освободить канал или просто настроить QoS можно здесь. Запускаем апплет Group Policy (gpedit.msc). В Group Policy находим Local computer policy и нажимаем на Administrative templates. Выбираем пункт Network - QoS Packet Sheduler. Включаем Limit reservable bandwidth. Теперь снижаем Bandwidth limit 20% до 0% или просто отключаем его. При желании здесь же можно настроить и другие параметры QoS. Для активации произведенных изменений остается только перезагрузиться.

20% - это, конечно, очень много. Воистину Microsoft - "маздай". Утверждения подобного рода кочуют из FAQ в FAQ, из форума в форум, из СМИ в СМИ, используются во всевозможного рода "твикалках" - программах по "настройке" Windows XP (кстати говоря, откройте "Групповые политики" и "Локальные политики безопасности", и ни одна "твикалка" не сравнится с ними по богатству вариантов настройки). Разоблачать голословные утверждения такого рода нужно осторожно, что мы сейчас и сделаем, применив системный подход. То есть основательно изучим проблемный вопрос, опираясь на официальные первоисточники.

Что такое сеть с качественным сервисом?

Давайте примем следующее упрощенное определение сетевой системы. Приложения запускаются и работают на хостах и обмениваются данными между собой. Приложения отправляют данные операционной системе для передачи по сети. Как только данные переданы операционной системе, они становятся сетевым трафиком.

Сетевая служба QoS опирается на способность сети обработать этот трафик так, чтобы гарантированно выполнить запросы некоторых приложений. Это требует наличия фундаментального механизма по обработке сетевого трафика, способного идентифицировать трафик, имеющий право на особую обработку и право управлять этими механизмами.

Функциональные возможности QoS призваны удовлетворить двух субъектов сети: сетевые приложения и сетевых администраторов. Они часто имеют разногласия. Администратор сети ограничивает ресурсы, используемые специфическим приложением, в то же время приложение пытается захватить как можно больше сетевых ресурсов. Их интересы могут быть согласованы, принимая во внимание тот факт, что сетевой администратор играет главенствующую роль по отношению ко всем приложениям и пользователям.

Основные параметры QoS

Различные приложения имеют различные требования по обработке их сетевого трафика. Приложения в большей или меньшей степени терпимы к задержкам и потерям трафика. Эти требования нашли применение в следующих параметрах, связанных с QoS:

Bandwidth (полоса пропускания) - скорость, с которой трафик, генерируемый приложением, должен быть передан по сети;
Latency (задержка) - задержка, которую приложение может допустить в доставке пакета данных;
Jitter - изменение времени задержки;
Loss (потеря) - процент потерянных данных.

Если бы были доступны бесконечные сетевые ресурсы, то весь трафик приложения можно было бы передать с требуемой скоростью, с нулевым временем задержки, нулевым изменением времени задержки и нулевыми потерями. Однако сетевые ресурсы не безграничны.

Механизм QoS контролирует распределение сетевых ресурсов для трафика приложения, чтобы выполнить требования по его передаче.

Фундаментальные ресурсы QoS и механизмы обработки трафика

Сети, которые связывают хосты, используют разнообразные сетевые устройства включая сетевые адаптеры хостов, маршрутизаторы, свичи и хабы. Каждый из них имеет сетевые интерфейсы. Каждый сетевой интерфейс может принять и передать трафик с конечной скоростью. Если скорость, с которой трафик направлен на интерфейс, выше, чем скорость, с которой интерфейс передает трафик дальше, то возникает перегрузка.

Сетевые устройства могут обработать состояние перегрузки, организуя очередь трафика в памяти устройства (в буфере), пока перегрузка не пройдет. В других случаях сетевое оборудование может отказаться от трафика, чтобы облегчить перегрузку. В результате приложения сталкиваются с изменением времени ожидания (так как трафик сохраняется в очередях на интерфейсах) или с потерей трафика.

Способность сетевых интерфейсов к пересылке трафика и наличие памяти для сохранения трафика в сетевых устройствах (до тех пор, пока трафик не может быть послан дальше) составляют фундаментальные ресурсы, требующиеся для обеспечения QoS для потоков трафика приложений.

Распределение ресурсов QoS по сетевым устройствам

Устройства, поддерживающие QoS, разумно используют ресурсы сети для передачи трафика. То есть трафик приложений, более терпимых к задержкам, становится в очередь (сохраняется в буфере в памяти), а трафик приложений, критичных к задержкам, передается далее.

Для выполнения этой задачи сетевое устройство должно идентифицировать трафик путем классификации пакетов, а также иметь очереди и механизмы их обслуживания.

Механизм обработки трафика

Механизм обработки трафика включает в себя:

802.1p;
Дифференцированные услуги per-hop-behaviors (diffserv PHB);
Интегрированные услуги (intserv);
ATM и др.

Большинство локальных сетей основано на технологии IEEE 802 включая Ethernet, token-ring и др. 802.1p - это механизм обработки трафика для поддержки QoS в таких сетях.

802.1p определяет поле (уровень 2 в сетевой модели OSI) в заголовке пакета 802, которое может нести одно из восьми значений приоритета. Как правило, хосты или маршрутизаторы, посылая трафик в локальную сеть, маркируют каждый посланный пакет, присваивая ему определенное значение приоритета. Предполагается, что сетевые устройства, такие, как свичи, мосты и хабы, обработают пакеты соответствующим образом, используя механизмы организации очередей. Область применения 802.1p ограничена локальной сетью (LAN). Как только пакет пересекает локальную сеть (через уровень 3 OSI), приоритет 802.1p удаляется.

Diffserv - это механизм уровня 3. Он определяет поле в уровне 3 заголовка пакетов IP, названных diffserv codepoint (DSCP).

Intserv - это целый комплекс услуг, определяющий гарантированный сервис и сервис, управляющий загрузкой. Гарантированный сервис обещает нести некоторый объем трафика с измеримой и ограниченной задержкой. Сервис, управляющий загрузкой, соглашается нести некоторый объем трафика с "появлением легкой загруженности сети". Это - измеримые услуги в том смысле, что они определены, чтобы обеспечить измеримый QoS к определенному количеству трафика.

Поскольку технология ATM фрагментирует пакеты в относительно маленькие ячейки, то она может предложить очень низкое время задержки. Если необходимо передать пакет срочно, интерфейс ATM может всегда освобождаться для передачи на время, которое требуется, чтобы передать одну ячейку.

QoS имеет еще много разных сложных механизмов, обеспечивающих работу этой технологии. Отметим лишь один важный момент: для того, чтобы QoS заработала, необходима поддержка этой технологии и соответствующая настройка на всем протяжении передачи от начальной точки до конечной.

QoS – целая пачка технологий, без которых современная сеть работает крайне плохо, а ряд задач не может выполнить вообще. Это и логики классификации трафика, и схема marking’а, когда данные помечаются путём помещения в заголовок канального или сетевого уровня соответствующих пометок, и управление логикой работы очередей, когда надо отправить несколько потоков данных через ограниченный по пропускной способности интерфейс, и шейпинг, и многие другие дисциплины, без которых целостная картина просто не получится. Фундаментально это изучается разве что на курсе , да и то – в пять дней не всегда влезаем, материала там много.

Однако, сетевые настройки Windows в плане “глубже, чем просто айпишник назначить”, обычно являют собой что-то мистическое для администратора (да и для большинства тренеров Microsoft тоже, т.к. сетевые вопросы в авторизованных курсах Microsoft рассказываются крайне минималистично). Хотя ничего ужасного в сетевых технологиях нет, скорее, наоборот – зачастую бытует мнение, что “в Windows этого нет”, базирующееся на глубоком выводе о том, что говорящий это не нашёл за 10 секунд.

Попробуем разобраться.

Предположим, что Вы уже знаете сетевые технологии на базовом уровне, хотя бы слышали про ethernet, 802.1Q и формат IP-пакета. Если не слышали – имеет смысл послушать наш курс , это бесплатно. Конечно, лучше изучить QoS основательно , но это, в принципе, не строго необходимо для восприятия данного материала.

QoS в Windows Server 2012 и других версиях ОС

Глобальные настройки QoS
Настраиваем политики QoS
IP Precedence, DSCP – что и как
WMM_AC и специфика 802.11-сетей
Взаимодействие политик QoS

Включаем поддержку QoS в сетевой подсистеме Windows

Для того, чтобы маркировать и CoS и ToS, у Windows есть специальный сетевой компонент, который так и называется – QoS Packet Scheduler. Установите его и включите на всех сетевых интерфейсах, на которых планируется управление QoS.

QoS для старых версий Windows – Windows XP и Windows Server 2003

Для поддержки QoS в NT 5.1 / NT 5.2 Вам также необходимо в явном виде включить поддержку маркировки ToS – по умолчанию там она выключена. Это делается путём изменения DWORD32 значения DisableUserTOSSetting у ключа реестра HKLM\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters на нуль. Если такого значения нет – создайте его и обнулите в явном виде, а после перезапустите систему – без этого параметр не применится и ОС будет продолжать игнорировать заданную приложениями через Winsock опцию IP_TOS.

Теперь продолжим про настройки, общие для разных версий Windows.

Если посмотреть внимательно, то этот компонент по сути и есть NDIS-драйвер:

Далее. Для того, чтобы мы могли указывать не только L3-параметры QoS (которые в IP-заголовке в поле ToS), а ещё и L2-параметры (которые в 802.1Q заголовке, в части, называемой 802.1p), нам надо включить на сетевом адаптере поддержку 802.1Q. Это будет выглядеть по разному в разных сетевых адаптерах – но примерно так:

Если такого пункта нет, то ставить метки CoS в кадре 802.3 некуда. Это уменьшит практическую пользу от настроек QoS, но, в общем-то, не уберёт её. Суть в том, что обычный хост не добавляет этот заголовок в 802.3-кадр, и эта настройка, в зависимости от сетевого адаптера, может обозначать разное – или “принимать кадры с 802.1Q-заголовком и анализировать его, в том числе и 802.1p”, или “делать это только в случае, когда мы отправляем кадр с меткой 802.1Q”. Смотрите детальнее специфику своего сетевого адаптера, общий совет тут выдать можно только один – если заголовка 802.1Q нет, то данные о качестве обслуживания можно добавить лишь в L3-заголовок.

Если Вы проделали всё вышеуказанное – система готова к тому, чтобы реализовывать заданные Вами параметры QoS. Теперь надо их задать.

Глобальные настройки QoS в Windows

Глобальные настройки QoS коснутся двух моментов – того, как будет обрабатываться входящий TCP-трафик, и того, как будут взаимодействовать политики QoS и установки QoS на уровне отдельных приложений. Находятся они в объекте групповой политики, точнее – в , в контекстном меню Advanced QoS Settings… , вызываемом нажатием правой кнопки мыши. Рассмотрим их по отдельности.

Настройки Inbound TCP Traffic

Выглядеть они будут примерно так:

Это, по сути, никакой не QoS, а управление окном TCP для трафика в сторону данного хоста. Идея в том, что данная настройка напрямую влияет на то, какое максимальное значение receive window будет предлагаться при работе TCP-соединений. Начиная с NT 6.0, в Windows появилась человеческая поддержка окна TCP размером более 64К, вот данная политика и позволяет задать это максимальное значение окна централизованно. При задании уровня 0 окно будет ограничено 64КБ, при 1 – 256КБ, при 2 – 1МБ, а при 3 – 16МБ.

Учтите, что чем больше окно, тем реже TCP отправляет подтверждения о приёме, и тем менее “динамично” он реагирует на форс-мажорные ситуации, когда сегмент TCP задерживается или теряется. Чем меньше – тем быстрее реакция, но больше служебного трафика. В общем и целом в надёжных сетях при передаче больших объёмов данных (например, файл-сервер в локальной сети офиса) целесообразно устанавливать значение выше, а при сценарии “По tcp-сессии идёт не очень много данных, но у канала варьируется латентность и качество” – меньшее значение.

Настройки DSCP Marking Override

Выглядеть данные настройки будут так:

Это достаточно простая настройка, некий аналог mls qos trust cos в Cisco IOS. Суть – разрешать или нет приложениям, которые умеют метить трафик, делать это. Если выберете, что в явном виде можно – то когда приложение будет устанавливать поле ToS, то политики QoS будут игнорироваться, если нет – то наоборот; приложения на данном хосте будут безрезультатно вызывать функции API по маркировке трафика, а вся маркировка будет идти по явно указанной в политиках логике.

Давайте теперь посмотрим, как эти политики формируются.

Настраиваем политики QoS

Находятся они там же – Computer Configuration / Windows Settings / Policy-based QoS . Рассмотрим создание политики.

Первое, что надо учесть – ограничения политик. Под них может подпадать только трафик TCP и UDP. Другие IP-протоколы ограничить не получится. Плюс есть дополнительные настройки для HTTP-сессий, что улучшает ситуацию. Поэтому штатное решение по управлению качеством обслуживания затрагивает не весь возможный трафик, но в подавляющем большинстве случаев является достаточным. Приоритет исходящего IPSec или PPTP-трафика, например, задать не получится.

При создании политики первым делом надо будет указать её название (произвольное, технического назначения не имеет), значение DSCP и ограничение на полосу. Давайте чуток вспомним, что это и зачем.

QoS – это большая пачка технологий. Это и то, как помечать пакеты и кадры (Marking), и то, как формировать очереди для отправки нескольких потоков с разными метками через один интерфейс (Queuing), и то, как сбрасывать из этих очередей лишний трафик (Shaping). Когда речь идёт о сегменте сети, в котором эта логика единообразна и продумана (трафик X помечается на всех устройствах однотипно и однотипно же добавляется в очереди), говорят о том, что это – домен QoS. Мы будем рассчитывать на то, что установки, которые мы сейчас делаем через групповую политику, будут аналогично восприниматься сетевыми устройствами – это уже out of scope для этой статьи, но для полноценной поддержки QoS в организации это сделать нужно. Иначе нет никакого особого смысла тщательно классифицировать трафик, потом помечать, а потом на первом же коммутаторе в процессе отправки в uplink валить всё в одну кучу с логикой FIFO.

Когда деревья были большими – 31 год назад, в 1981 году – в заголовке IP-пакета тоже, как и сейчас, было одинокое поле размером с байт и с названием ToS – Type of Service. То, что делать с этим полем, написали в RFC 791 и назвали IP Precedence. Делать предлагалось многое – помечать каждый пакет “уровнем важности” от 0 до 7, используя 3 бита этого поля, и добавлять пожелания вида “если есть возможность, отправь трафик по каналу с меньшей латентностью / большей надёжностью / большей номинальной полосой пропускания”, используя ещё 3 бита. Два бита отложили до лучших времён. Как-то так:

[
Бит приоритета N0 |
Бит приоритета N1 |
Бит приоритета N2 |
Бит задержки |
Бит толщины |
Бит надёжности |
Unused |
Unused
]

Потом ещё чуток подумали и задействовали дополнительный бит, добавив 4е пожелание – “чтобы через тот канал, который подешевле в плане денег” – RFC 1349 . Итого остался один незадействованный бит, получилось 8 уровней приоритета трафика плюс 4 бита и их комбинации влияли на выбор “при прочих равных условиях”.

Предполагалось, что этого хватит. Стало так:

[
Бит приоритета N0
Бит приоритета N1
Бит приоритета N2
Бит нежелательной задержки
Бит толщины (канала)
Бит надёжности
По любви или за деньги
Unused
]

Хорошо заметно, что логическую модель пожеланий разрабатывала женщина.

Модель IP Precedence была простой и предполагала, что весь трафик можно разбить на 8 классов, между которыми будет простое логическое соотношение вида “5 всегда важнее, чем 4”, плюс добавить некоторые пожелания. Все задачи по реализации этой схемы (чтобы одинаковый трафик метили одинаковыми IP Precedence, и обрабатывали схожим способом, плюс учитывали пожелания в виде 4х дополнительных бит) ложились на администратора. Впоследствии 4 бита “пожеланий” практически перестали использовать, и схема IP Precedence превратилась в минималистичную “8 глобальных типов трафика, выстроеных по важности”. Их можно трактовать и называть по-разному, логики работы это не поменяет, например так:

0 – То, что называется Best Effort – трафик, который будет доставляться по остаточному принципу, когда будет возможность. Best Effort – это не “наилучшим способом”, это “хотели, как лучше, а как получится – посмотрим”. Обычно 0 – это весь неклассифицированный трафик.
1 – Распознаный трафик. Например, HTTP, SMB, FTP. Это не значит, что этот трафик какой-то особенный. Он хотя бы “понятно какой”.
2 – Приоритетный трафик. Например, RDP – при перекачке файла будет не очень хорошо, если начнёт тормозить работа с терминальным сервером.

Но 14 лет назад, в 1998 году, парни из EMC и Cisco решили, что не хватит, и придумали ощутимо более гибкую систему, притом сразу и для ToS в IPv4, и для его потомка – Traffic Class в IPv6 . Назвали её Differentiated Services. Система задействовала уже все 8 бит поля ToS – 6 на идентификатор класса (DSCP), и 2 на сигнализацию в случае заторов в сети (ECN). Как раз этот, более современный способ, и используется в политиках Windows. Метки, заданные по DSCP, более многочисленные, поэтому разбиваются на несколько групп.

DSCP-метки группы CS – Class Selector’ы

Этот механизм, который описан в RFC 2474 , нужен для совместимости с предыдущей реализацией. В этом случае используется только 3 первые бита из 6, остальные устанавливаются в нули, поэтому с точки зрения расположения данных внутри байта ToS, CS’ы задают те же самые биты, что и IP Precedence. Соответственно, CS’ов будет 8 штук – от CS0 до CS7, и выглядеть они будут предсказуемо:

CS0 = 000 000
CS1 = 001 000
CS2 = 010 000
CS3 = 011 000
CS4 = 100 000
CS5 = 101 000
CS6 = 110 000
CS7 = 111 000

DSCP-метки группы AF – Assured Forwarding

Эти метки, логика которых есть в RFC 2597 , уже интереснее – они содержат по 2 значения, x и y, поэтому записываются в читаемом варианте как AFxy.

Первое значение – x – будет обозначать класс трафика. Классов определено 4 – от единицы до четвёрки. Их иногда называют словами – единица = бронзовый, двойка = серебряный, тройка = золотой, четвёрка = платиновый. Это значение будет записано в первые 3 бита. Во вторые будет записан y – он будет обозначать приоритет при необходимости сброса трафика. Будет определено три значения – единица будет обозначать low drop priority, двойка – medium, тройка – high. Это будет обозначать, что трафик одного и того же класса, но с разными приоритетами, будет при возникновении ситуации удаляться исходя из этого приоритета – вначале low, потом medium, потом high. Не запутайтесь – пакет с high drop priority сбрасывается последним, а с low – первым.

Если сеть не поддерживает 3 приоритета, то она должна поддерживать хотя бы 2 – тогда они выглядят как AFx1 в роли “менее важного” и AFx2-AFx3 в роли “более важного”.

Определены следующие значения:

AF11 = 001 010 (в десятичном варианте DSCP = 10)
AF12 = 001 100 (в десятичном варианте DSCP = 12)
AF13 = 001 110 (в десятичном варианте DSCP = 14)
AF21 = 010 010 (в десятичном варианте DSCP = 18)
AF22 = 010 100 (в десятичном варианте DSCP = 20)
AF23 = 010 110 (в десятичном варианте DSCP = 22)
AF31 = 011 010 (в десятичном варианте DSCP = 26)
AF32 = 011 100 (в десятичном варианте DSCP = 28)
AF33 = 011 110 (в десятичном варианте DSCP = 30)
AF41 = 100 010 (в десятичном варианте DSCP = 34)
AF42 = 100 100 (в десятичном варианте DSCP = 36)
AF43 = 100 110 (в десятичном варианте DSCP = 38)

DSCP-метка EF – Expedited Forwarding

Это – высший, “premium” класс обслуживания. Значение этой метки – 46, она обозначает трафик, который надо отправить самым лучшим по всем параметрам способом.

Вкратце всё. Как понятно, значение DSCP равное нулю будет обозначать Best-Effort доставку.

Специфика 802.11-сетей

У WiFi будет своя классификация типов трафика. Она будет называться WMM_AC (Wireless MultiMedia Access Categories) и будет достаточно несложной.

Весь трафик с DSCP от 48 и выше относится к Voice-классу (обозначается как VO)
Весь трафик с DSCP от 32 до 47 относится к Video-классу (обозначается как VI)
Весь трафик с DSCP от 24 до 31 относится к BestEffort-классу (обозначается как BE)
Весь трафик с DSCP от 8 до 23 относится к Background-классу (обозначается как BK)
Весь трафик с DSCP от 0 до 7 относится (опять, да?) к BestEffort-классу (обозначается тоже как BE)

Соответственно, если Ваш WiFi-адаптер поддерживает WMM, то Вы можете включить это на уровне драйвера WiFi-адаптера, и он будет классифицировать свой исходящий трафик по 4м очередям в соответствии с “VO самый главный, VI второй, BE обычный, а BK – фоновый”. Если в Вашей сети политики QoS будут действовать на хосты с WiFi-адаптерами – учитывайте эти моменты при планировании политик.

Создаём политику

При создании политики мы можем указать нужный DSCP-класс и ограничение на полосу пропускания исходящего трафика, подпадающего под нужный критерий. Как оба этих значения, так и одно из них.

Применение политики на указанные приложения

Здесь есть три варианта – политика будет действовать на трафик от любого приложения, от указанного (указывается исполняемый модуль), или только на HTTP-ответы от наших приложений, подпадающих под нужные критерии. Третий вариант будет интересен, когда надо будет через политику ограничить полосу отдаваемого трафика для указанных HTTP-ресурсов – допустим, если мы хотим ограничить “отдаваемые с нас” видеофайлы, подпадающие под критерий вида “http://www..

Применение политики на указанные source/destination IPv4/IPv6-адреса

Достаточно тривиальные настройки – можно дополнительно ограничить применение политик QoS на трафик по L3-критерию. Замечу, что если в предыдущей настройке было выбрано “ограничить отдаваемый от нас в ответ на специфичный HTTP-запрос трафик”, то будет доступна только фильтрафия по destination, т.к. откуда исходит трафик и так понятно – от нас.

Применение политики на указанные source/destination TCP/UDP порты

Это просто – разве что не забудьте, что диапазон портов указывается через двоеточие (вида 1024:65535, а не 1024-65535).

В общем-то всё, политика создана. Можно создать и ещё. Как они будут взаимодействовать в случае пересечения?

Взаимодействие политик QoS

В случае, когда трафик будет подпадать под несколько политик, будет определяться “выигравшая”, приоритеты будут выставляться так:

Политики QoS уровня пользователя перекрывают политики QoS уровня компьютера
Если определена политика, влияющая на конкретное приложение, и есть политика, под которую тот же трафик подпадает, но уже по сетевым критериям (адреса, номера портов), то выигрывает политика приложения
Политика, действующая на настройку более конкретно, перекроет общую. Это отнесётся и к подпадению сразу под две политики сетевого плана (подпасть под 192.168.1.0/24 важнее, чем под 192.168.0.0/16), и под “указанный явно порт лучше чем диапазон портов”, и под “более конкретный URL вида http://host/video/* лучше, чем http://host/*”

Зафиксируйте также интересную штуку – на серверных ОС Microsoft настройки QoS применяются всегда, а на клиентских – только в случае, когда сетевой интерфейс для исходящего трафика распознан как Domain Network. Это сделано специально, чтобы ограничения, действующие на ноутбук сотрудника при работе в корп.сети, не ограничивали бы по скорости и качеству его работу во внешних сетях. Это не влияет на безопасность, поэтому не является ослаблением оной; это лишь ограничения исходящего трафика.

Теперь – о глобальных настройках “движка QoS” – сетевого компонента QoS Packet Scheduler.

Данные параметры будут указывать общесистемные (не относящиеся к конкретному типу трафика и сетевому интерфейсу) настройки этого механизма. Располагаться они будут в соответствующей ветке групповых политик:

Параметр QoS Packet Scheduler – Limit Outstanding Packets

Данная настройка указывает максимальный размер системной очереди исходящих пакетов. Т.е. если пакет назначен для отправки через конкретный интерфейс (найден next-hop и назначен egress interface), он считается “отправляемым” по данному критерию, и увеличивает этот счётчик на единицу. Как только пакет будет успешно отправлен (заметьте – именно пакет, этот счётчик работает только для L3-пакетов), счётчик уменьшится. Технически в Windows L3-очереди для конкретного интерфейса нет, есть только L2 (т.е. из кадров), поэтому если суммарное количество таких вот “ожидающих” пакетов будет больше указанного числа, то новый пакет не будет отправлен вообще, пока очередь не будет разгружена. От размера пакета это не зависит, считаются “головы” ожидающих пакетов. Пакеты всех сетевых протоколов (и IPv4, и IPv6) считаются вместе, т.е. при значении по умолчанию – 65536 – поставить “в очередь” по, допустим, 35 тысяч пакетов IPv4 и IPv6 не получится – 65537й пакет любого протокола будет отброшен по логике tail drop (т.е. не помещён в очередь).

Я бы рекомендовал помнить, что исходящий пакет лимитируется кадровым MTU, которое в случае включения поддержки Jumbo Frames на сетевых интерфейсах будет 9КБ, поэтому даже дефолтная настройка, по сути, выделяет буфер для ожидающих пакетов суммарным размером до 589.824.000 байт, т.е. более полугигабайта (в случае обычного сетевого интерфейса 10/100Мбит – поменьше, 98.304.000 байт). Этого более чем достаточно на все случаи жизни (просто подумайте, что это за приложение такое, которое будет пытаться впихнуть в исходящую очередь интерфейса столько пакетов), поэтому зачастую целесообразно это значение уменьшать – уменьшается объём RAM, занимаемый служебными структурами драйвера QoS Packet Scheduler. Я ставлю на хосты, у которых виртуальные сетевые интерфейсы и не-интенсивная нагрузка (например, DC/GC) значение в 4096, и footprint драйвера QoS проседает.

Для узлов, к которым подключается много внешних сессий, плюс настроен QoS, плюс отдаваемые данные состоят из мелких пакетов (голос, торренты) это значение может быть увеличено. Общая логика, думается, понятна – есть память и потребность отдавать очень много мелких пакетов – вполне можно и в ограничение в 65536 упереться.

Параметр QoS Packet Scheduler – Set Timer Resolution

В случае, когда настроено ограничение какого-либо типа исходящего трафика по полосе (“шейпинг”), данный параметр указывает то, какой минимальный квант времени используется для расчётов.

Логика проста – допустим, используется стандартное значение в 10ms. Это значит, что секунда делится на 100 равных частей. Допустим, есть правило, которое ограничивает сервис X по отправке до 5МБайт в секунду. Следовательно, 100 раз в секунду будет запускаться счётчик, который будет измерять трафик, фактически отправленный подпадающим под правило сервисом. Если этот трафик за учётный период в 10ms наберёт 50КБ, то больше он отправляться не будет и начнёт уходить в “ожидающую” очередь, про которую рассказано в предыдущем пункте. Ну а когда начнётся новый период в 10ms, опять сможет быть отправлено 50КБ.

Соответственно, чем это число больше, тем шейпинг будет “грубее”, но меньше будет тратиться процессорных ресурсов. А чем число меньше, тем более “гладко” будет уходить трафик – заметьте, это всё относится только к трафику, подпадающему под правила QoS, трафик без маркировки это затрагивать не будет. Имеет смысл увеличить разрешение таймера (до 2ms например) в случае, когда есть правило по отправке голосового трафика – это положительно повлияет на качество исходящего потока.

Параметр QoS Packet Scheduler – Limit Reservable Bandwidth

Самая страшная настройка – сколько про неё сказок рассказывается уже лет 10, просто ппц. Легенды о том, что “венда по дефолту 20% сетевой полосы пропускания просто так зажимает”, я слышал в десятках вариантов – от безобидного “потому что они тупые там и не могут нормально сетевуху полностью нагрузить” до шизоидного “это чтобы данные с винта пользователя в Пентагон отправлять”.

На самом деле всё просто. Это – суммарное количество резервируемой всеми правилами QoS, работающими на данной системе, полосы пропускания. Т.е. если оно 20%, а у Вас сетевой интерфейс в 100 Мбит, то как бы Вы не старались, и не создавали, например, 3 правила, каждое из которых резервирует под приложение по 15 мегабит (3*15=45), то Вы никак больше 20 мегабит не займёте в результате своим приоритезированным трафиком.

Грубо говоря, это значение показывает, сколько “QoS’овского классифицированного” трафика в процентах от номинальной полосы пропускания интерфейса может быть. Целесообразно, если Вы пишете политики QoS, увеличить это число например до 90%. Почему не до 100? Потому что в случае, когда по каким-то причинам весь трафик некоего приложения станет супер-приоритетным, и полоса резервирования будет 100%, другой трафик будет вечно проигрывать соревнование за очерёдность отправки, и система не сможет делать свои задачи – грубо говоря, например, отвалятся всякие служебные протоколы типа IKE, который ходит по 500му порту UDP, NTP, DNS, и прочие. Вот от этого идёт страховка, когда делают не 100, а не от того, что “винда просто так берёт и часть сети не использует”.

Quality Windows Audio Video Experience (qWave) – что такое и нужен ли

Данный компонент, появившийся со времен NT 6.0, представляет из себя клиент-серверный сервис, технически работающий по портам 2177 TCP/UDP, и нужный для того, чтобы две службы на разных хостах могли “договориться” о том, какому потоку данных какой приоритет предоставить. Сервер, инициирующий передачу данных, имеет роль initiator, принимающая сторона имеет роль sink. Суть в том, что приложение, которое сможет “заказать” у qWave уровень качества для своих данных, должно быть соответствующим способом разработано (например, использовать для установки сессии функционал.NET). qWave, по сути, будет перекрывать своими настройками, если они есть, системные. Плюсов у интегрированного подхода много – qWave автоматически определяет, поддерживается ли 802.1p не только на конечных хостах, но и на промежуточном сетевом оборудовании, позволяет гибко и на ходу переопределять резервируемую полосу для нужного трафика, а также постоянно отслеживать такие параметры, как latency канала (QoS Packet Scheduler этого делать не может), периодически отправляя тестовые пакеты и “промеряя” качество линии между двумя хостами.

Напомню – “просто так” установить этот компонент можно, но нужен софт, который будет уметь запросить у него функционал. По умолчанию qWave не работает, т.к. если бы он работал, то он тратил бы ресурсы сети на тестовые измерения качества канала.

Вместо заключения

Надеюсь, что эта краткая экскурсия в достаточно интересный мир управления трафиком была интересна и будет Вам полезна на практике.

Начнем с определений:

Сравнение IPP и DSCP.

Per-Hop Behaviors (PHB)

1.Default PHB

3.Assured Forwarding PHB (AF)

4.Class Selector PHB (CS)

Попробуем разобраться, что такое QoS (Quality of Service), какие стандарты и определения к ней относятся. Поговорим о Best Effort Service, IntServ, DiffServ, PHB, ToS, CoS, IP Precedence (IPP), DSCP, AF, EF, Default PHB.

Давайте первым делом определимся, что же такое Quality of Service. Существует множество определений QoS, мне больше всего нравится вот это:

Под QoS (Quality of Service) следует понимать способность сети (сетевой инфраструктуры) обеспечить необходимый (требуемый) уровень сервиса заданному сетевуму трафику при использование различных технологий.

Под сервисом понимается множество параметров при передачи данных. Рассмотрим основные из них:

1. Bandwidth - ширина полосы пропускания. 2. End-to-end delay - задержка при передаче пакета. 3. Jitter - изменение задержки во времени при передаче пакетов. 4. Packet Loss – потеря (отбрасывание) пакетов при передачи данных.

Сервисные модели Quality of Service.

Существуют 3 различные сервисные моделей QoS.

1. Best Effort Service. Негарантированная доставка.

По сути, в этой модели отсутствуют какие-либо механизмы QoS. Используются все доступные ресурсы сети. Отсуствуют механизмы управления трафиком. Для улучшения QoS используется расширение полосы пропускания в узких местах, однако это не всегда даёт нужный эффект т.к. существуют типы трафика, чувствительные к задержкам и джиттеру (например VoIP).

2. Integrated Service (IntServ). Интегрированное обслуживание.

Обеспечивает сквозное (End-to-End) качество обслуживания, т.е. происходит резервирование ресурсов на всем пути прохождения трафиика. Для резирвирования ресурсов (Resource reservation) используется протокол RSVP, гарантируя необходимую пропускную способность. Существенным недостатком является постоянное резервирование ресурса, даже в том случае, если он не используется или используется не полностью.

3. Differentiated Service (DiffServ). Дифференцированное обслуживание.

Для обеспечения QoS используется ряд специальных компонентов, таких как классификаторы и формирователи трафика на границе сети, также применяются функции распределения ресурсов в ядре сети.

DiffServ выпоняет две функции:

1. Формирование трафика на границах сети - функции классификации, маркировки пакетов и управление интенсивностью. 2. Политика пошагового обслуживания PHB (Per-Hop Behavior) включает функции распределения ресурсов и отбрасывания пакетов.

QoS Классификация и маркировка пакетов.

Начнем с определений:

Классификация пакетов (Packet Classification) - отнесение пакета к определенному классу.

Маркировка пакетов (Packet Marking) - установка требуемого приоритета.

Следует отметить, что классификация и маркировка пакетов отличаются в зависимости от уровня OSI, на котором работает устройство. Как правило, все коммутаторы работают на уровне L2, а именно с Ethernet кадрами. Маршутизаторы работают на уровне L3 и уже не с кадрами, а пакетами.

Классификация и маркировка пакетов на уровне L2

В протоколе Ethernet отсуствует возможность классификации и маркировки пакетов. Классификация возможна лишь по номеру входящего порта (что в большинстве случаев не представляет никакого интереса), а маркировка вообще невозможна.

Однако не все так плохо. Появился стандарт IEEE 802.1Q, описывающий технологию виртуальных локальных сетей VLAN, вместе с которым был разработан стандарт 802.1P для обеспечения QoS в сетях Ethernet (классификации и маркировки Ethernet кадров).

В стандарте 802.1P предусмотрено поле User Priority или второе более позднее название CoS (Class of Service), состоящее из 3-х бит в заголовке 802.1Q, т.е. CoS может принимать значения от 0 до 7.

Формат Ethernet кадра 802.1Q.

Классы трафика согласно стандарту IEEE 802.1P.

Классификация и маркировка пакетов на уровне L3

На L3 мы имеем дело с протоколом IP (Internet Protocol). При разработке протокола IP для целей QoS было специально предусмотрено поле ToS (Type of Service) размером один байт.

Поле ToS может быть заполнен классификатором IP Precedence или DSCP в зависимости от задачи.

IP precedence (IPP) имеет размерность 3 бита, может принимать значения 0-7, т.е. можно говорить о 8-ми классах обслуживания. Изначально использовался классификатор IPP, но со временем появилась необходимость разделять трафиик на большее чем 8 классов обслуживания, следствием чего явилась разработка классификатора DSCP.

DSCP состоит из 6 бит (значения 0-63). Использование дополнительных 3-х бит позволяют ввести большее количество классов. DSCP обратно совместим с IPP. Важно понимать, что оборудование должно поддерживать обработку поля ToS заполненого классификатором DSCP, на старом оборудование с этим могут возникнуть проблемы.

Сравнение IPP и DSCP.

Per-Hop Behaviors (PHB)

Разберем более подробно понятие PHB.

Per-Hop Behaviors (PHB) - это политика пошагового обслуживания, иными словами, это некий алгоритм действий по обработки пакетов, выполняемый на каждом узле. PHB определяет, к какой из очередей отнести пакет, а также сброс пакетов в очереди в случае перегрузок.

Существуют 4 стандартизованных PHB.