Bandwidth Management 頻寬管理

前言

Bandwidth Management (頻寬管理) 常見於企業與服務供應商 (ISP) 之間的網絡連線，當 Interface Speed 大於供應商所承諾的 Committed Information Rate (CIR)，則企業網管人員需主動限制輸出頻寬。學習 Bandwidth Management 主要在於兩個範疇：Traffic Shaping 和 Traffic Policing。本篇文章會先探討 Bucket 與 Token 原理，再闡述 Traffic Shaping 和 Traffic Policing 的設定。

需要 Bandwidth Management 的原因

用以連接 Remote Site 的 Point-to-Point 或 Point-to-Multipoint 連線頻寬一般成本較高，ISP 只能提供不高於 CIR 的服務保證，超出 CIR 的 Traffic 就不會保證能否送達目的地了，也有可能需要為額外使用的頻寬收費。因此，網管人員應實施有效的 Bandwidth Management 去限制 Bandwidth 使用量。

Bandwidth Management 的原理

Bandwidth Management 的原理很簡單！只要 ISP 告訴我們 CIR 限制是多少，我們就把 Interface 的傳輸速度壓下去，這就成功了！好像很廢話！請先看下圖，例如：一個速度 10 Mbps 的 Interface，CIR 只容許 2 Mbps。

bandwidth management

如圖所見，Interface 以 1 秒為間距，每 1 秒只容許傳輸 2 Mbits，傳夠 2 Mbits 後便停止傳送，然而 Interface 以 10 Mbps 的速度工作，只需 0.2 秒便完成 2 Mbits 的數據傳輸，然後等待 0.8 秒才再做下一次傳送。問題是：0.8 秒的等待時間實在太久了，用 VoIP 作例子，持續的 VoIP Packet 之間不應相距多於 100 ms (0.1 秒)。VoIP Packet 多被 QoS 設定為高重要性，所以可以幻想得到在每一次的傳輸，VoIP Packet 都被安排在較前列位置，可惜每隔 0.8 秒才獲得一次傳輸機會對 Voice Traffic 帶來重大影響。

如果把間距由 1 秒縮短至 0.25 秒，每段間距改成只限制傳輸 0.5 Mbits。有趣的是：這改變一樣可以達成每秒傳輸 2 Mbits 這個限制，但每次傳送的相距時間卻可大幅降低。

bandwidth management

Bucket and Token Algorithm

為了更加實體化，我們一般會使用 Bucket and Token 去解釋 Bandwidth Management。在 Bucket and Token Algorithm 裡，Interface 每傳送 1 Bit，必需從 Bucket 消耗一粒 Token，如果 Bucket 裡沒有 Token 則不容許傳送。每隔一定時間 (Time Interval Tc)，系統就會向 Bucket 補充一定數量 (Committed Burst Bc) 的 Token。以上圖為例，系統每隔 0.25 秒就向 Bucket 注入 50 萬粒 Token，而 Bucket 的容量剛好也等於 Committed Burst Bc，滿瀉的 Token 會被移除，這意味著 Interface 在未來 0.25 秒內最多只能傳送 0.5 MBits (500,000 Bits) ，這就可以確保傳輸速度不會超過限額。

bandwidth management

所以當 ISP 告訴我 CIR 是 2 Mbps，假若我們把 Committed Burst Bc 設定成 500,000 Bits，系統就會很容易計算出 Time Interval Tc 是 0.25 秒，即每秒有 4 次注入 Token 的循環。公式如下：

                                                      Tc = Bc / CIR

Bc 的大小是可以自行決定的，從剛才的例子可見，Bc 的 Size 太大，間距增長導致 Delay 增加，那麽把 Bc 設定成細小的值，情況又會怎樣呢？今次我們以 Interface Speed 10 Mbps，設定 CIR 為 1 Mbps 去傳送一個 1,500 Bytes (12,000 Bits) 的 Packet 作例子，計算一下使用不同 Bc 的傳送時間。

1. 如 Bc = 900，Tc ＝ 900/1,000,000=0.0009 秒
2. 以 Packet Size 12,000 除 900 得出要傳送完成需要 13 個循環再多一點點。
3. 13 個循環所需時間為 13 x 0.0009 = 0.0117 秒，即 0.0117 秒傳送了 13 次 900 Bits，共 11,700 Bits，剩餘的 300 Bits 就要等待下一次循環了。
4. 到了第 14 個循環，Interface 以 10 Mbps 的速度把剩餘的 300 Bits 傳送，共使用：300/10,000,000 ＝ 0.00003 秒
5. 因此整個傳送過程共用了 0.0117+0.00003=0.01173 秒，這個由 Packet 開始被傳送至到完成傳送的時間可稱之為 Lead Time。

只要計算不同 Bc 所得出的 Lead Time，可得出下圖，從圖中可見，不同 Bc 之 Lead Time 相距甚遠，可以有數倍之差。當 Bc 增加至與 Packet Size 相等時 (12,000 Bits)，Lead Time 變得較少。由此可見，把 Bc 設定成與 Packet Size 相等是一個很好的選擇。但問題是，網絡上 Traffic 的 Packet Size 千變萬化，我們需要估算一下什麼 Traffic 比較多和重要，如果網絡大部份 Traffic 是 VoIP，則可把 Bc 設成 RTP 的 Payload Size，例如：G711 是 160 Bytes。如果 Traffic 以大 Size 的 File Transfer 為主，則可設成一般系統的 Maximum Transmission Unit (MTU) 1,500 Bytes。

bandwidth management

Traffic Shaping

如果看到這裡你還應付得來的話，我們便可以開始討論 Traffic Shaping 了。所謂 Shaping 的意思很簡單，就是把超出 CIR 的 Packet 暫時放在一個 Buffer 之中等待一下，到情況許可時再傳送出去，這樣就可以低成本地和更有效率地使用 Bandwidth。從下圖可以看到 Shaping 後的 Traffic 看起來比較平整，尖峰被削掉並安排在較後時間輸出。

bandwidth management

圖片來源

Class-based Shaping

以下介紹一個最基本的 Shaping 設定。

第一步：設定 Policy Map。Keyword class-default 意思是所有未分類的 Traffic，由於我們並沒有做 QoS Classification，所以這裡的意思就是把所有 Traffic 來做一個 Shaping 設定。當然我們可以為不同的 Traffic 類型分別做不同的 Shaping 設定，但很少會這樣處理，因為我們通常會為不同的 Traffic Class 做了 CBWFQ 和 LLQ 等設定來限制其 Bandwidth。關於 Classification 和 QoS 設定將會在日後介紹 QoS 的文章中再詳細說明。

Shape 指令第一個選項請選 average (稍後說明)，然後第二個選項是要限制的 CIR，第三個選項就是 Committed Burst Bc，最後是 Excess Burst Be 暫時設為 0 (稍後說明)。

R2(config)#policy-map SHAPE-TO-1M
R2(config-pmap)#class class-default
R2(config-pmap-c)#shape average 1m 12000 0

第二步：把 Policy Map 放到 Outgoing Interface。

R2(config)#int ethernet 1/1
R2(config-if)#service-policy output SHAPE-TO-1M

用 show policy-map interface 指令查看結果。

R2#show policy-map interface ethernet 1/1
 Ethernet1/1 

  Service-policy output: SHAPE-TO-1M

    Class-map: class-default (match-any)  
      7944 packets, 7651699 bytes
      5 minute offered rate 20000 bps, drop rate 0000 bps
      Match: any 
      Queueing
      queue limit 64 packets
      (queue depth/total drops/no-buffer drops) 0/2/0
      (pkts output/bytes output) 7944/7651699
      shape (average) cir 1000000, bc 12000, be 0
      target shape rate 1000000

Committed Burst 與 Excess Burst

一切設定好後，本來以為可以休息一下，突然你又收到 ISP 銷售人員來電，告訴你不如多付一點點錢，他們便容許你在必要時提升 Bandwidth，這又是什麼回事呢？原來 ISP 的連線和網絡設備在同一時間正招呼不同的顧客，每位顧客都擁有自己的 CIR，但 ISP 知道不可能每位顧客都在同一時間用到 CIR 的上限，所以他們還有空間把非繁忙時間剩餘的 Bandwidth 賣出去，稱為 Over-subscription。於是他們介紹你一個新計劃，除了那 1 Mbps 的保證服務外，你還可以使用額外 0.5 Mbps，但使用這些額外 Bandwidth 的 Traffic 只能在網絡暢通時送達。於是網管人員該怎樣修改 Shaping 設定呢？

我們再拿水桶圖出來解說一下，左面是原設定。如要使用額外頻寬，我們可以把 Bucket 的 Size 加大，讓它可以裝載更多的 Token，留意補充 Token 的速度並無改變，可以幻想得到，在 Traffic 量少時，Token 便會被貯起來，最終能貯至 Bc + Be。假設把 Be 設成 6,000，當 12,000 + 6,000 Token 在同一循環被使用時，該時刻的理論 Bandwidth 達 18,000/0.012 = 1.5 Mbps，然而平均 Bandwidth 卻從來沒有改變，因為 Token 補充速度沒有改變，這就好像把用不完的 Bandwidth 先貯起來，到有需要時一次過爆發。

bandwidth management

修改 Be 設定如下：

R2(config)#policy-map SHAPE-TO-1M
R2(config-pmap)#class class-default
R2(config-pmap-c)#shape average 1m 12000 6000

R2#show policy-map interface ethernet 1/1
 Ethernet1/1 

  Service-policy output: SHAPE-TO-1M

    Class-map: class-default (match-any)  
      16123 packets, 15515474 bytes
      5 minute offered rate 19000 bps, drop rate 0000 bps
      Match: any 
      Queueing
      queue limit 64 packets
      (queue depth/total drops/no-buffer drops) 0/4/0
      (pkts output/bytes output) 16123/15515474
      shape (average) cir 1000000, bc 12000, be 6000
      target shape rate 1000000

PIR (Peak Information Rate)

我們還可以進一步把補充 Token 的水量加大，更進取地使用額外 Bandwidth。只要把 Shape 指令裡的 keyword average 換成 peak，則 Token 補充量變為 Bc + Be，在 Tc 不改變的情況下，傳輸頻寬因而變大，亦稱為 PIR (Peak Information Rate)。

bandwidth management

設定如下：

R2(config)#policy-map SHAPE-TO-1M
R2(config-pmap)#class class-default
R2(config-pmap-c)#shape peak 1m 12000 6000

R2#show policy-map interface ethernet 1/1
 Ethernet1/1 

  Service-policy output: SHAPE-TO-1M

    Class-map: class-default (match-any)  
      19117 packets, 18386110 bytes
      5 minute offered rate 19000 bps, drop rate 0000 bps
      Match: any 
      Queueing
      queue limit 64 packets
      (queue depth/total drops/no-buffer drops) 0/4/0
      (pkts output/bytes output) 19117/18386110
      shape (peak) cir 1000000, bc 12000, be 6000
      target shape rate 1500000

網管人員需注意 ISP 只為 CIR Bandwidth 作保證傳輸，超過 CIR 則有機會被 Drop 或 Delay，考慮以上因素才決定使用那一種設定。

queue-limit

剛開始介紹 Shaping 時有提過 Packet 等待傳送時會被儲存在 Buffer 之中，此 Buffer 也稱為 queue-limit，容量可以調校。Packet 會在這 Buffer 裡排隊等候傳送，但如果 queue-limit 爆滿，則會發生 Tail Drop，即後來想進入 Buffer 的 Packet 會被 Drop 掉，除非使用了 WRED，這又是 QoS 的話題，在稍後關於 QoS 的文章再說明。修改 queue-limit 指令如下：

R2(config-pmap-c)#queue-limit 200

R2#show policy-map interface ethernet 1/1
 Ethernet1/1 

  Service-policy output: SHAPE-TO-1M

    Class-map: class-default (match-any)  
      27918 packets, 26846162 bytes
      5 minute offered rate 20000 bps, drop rate 0000 bps
      Match: any 
      Queueing
      queue limit 200 packets
      (queue depth/total drops/no-buffer drops) 0/4/0
      (pkts output/bytes output) 27918/26846162
      shape (peak) cir 1000000, bc 12000, be 6000
      target shape rate 1500000

修改 queue-limit 時除了可用 Packet 作單位外，也可以容量 Bytes 和時間 ms 或 us 作單位。如使用時間作單位，則系統會以 [CIR x 時間] 計算出 Bytes，這很實用，例如：網絡以傳送 Live Video 為主，基本上超過 1 秒 delay 的影像 Payload 對 Client 來說已經沒有意義了，倒不如把 queue-limit 定在 1000ms，這就能把超出 1 秒 Delay 的 Packet Drop 掉，留些空間給未來的影像 Payload 進入 queue。

R2(config-pmap-c)#queue-limit 1000 ms

R2#show policy-map interface ethernet 1/1
 Ethernet1/1 

  Service-policy output: SHAPE-TO-1M

    Class-map: class-default (match-any)  
      30041 packets, 28890083 bytes
      5 minute offered rate 20000 bps, drop rate 0000 bps
      Match: any 
      Queueing
      queue limit 1000 ms/ 125000 bytes
      (queue depth/total drops/no-buffer drops) 0/4/0
      (pkts output/bytes output) 30041/28890083
      shape (peak) cir 1000000, bc 12000, be 6000
      target shape rate 1500000

修改 queue-limit 需注意如果 queue-limit 值太短可能會觸發不必要的 QoS Congestion Management (未來 QoS 文章中再解說)，相反如果 queue-limit 太長則會導致 Packet 在 queue 裡等太久而發生 delay 問題。

Traffic Policing

現在我們換個身份，變成 ISP 那邊的網管人員，雖然我們已告訴客戶 CIR 或 PIR，但我們無法保證客戶有乖乖的做好 Bandwidth Management，他們可能把超額的 Traffic 硬塞過來給我們。因此作為 ISP 的一方必需做好我們自家的 Bandwidth Management，去好好處理客戶硬塞過來的 Traffic。ISP 用的不會是 Shaping，試想想，Traffic 已經來到我的 Interface 了，進來的 Traffic 必需盡快處理掉，要傳送或是丟棄還是做其他動作？這要靠 Traffic Policing 設定去決定。Traffic Policing 與 Traffic Shaping 相似的地方是一樣用到水桶理論，但很玩野的是：Policing 的 Token 單位是 Bytes 而不是 Bits。另外，Policing 不會作延時傳送，Token 的足夠與否所決定的是對 Packet 的政策 (即 Policy)，也稱為顏色 (Color)。Traffic Policing 一共有 3 種：分別是 Single-rate Two-color Policer、Single-rate Three-color Policer 與及 Two-rate Three-color Policer (或稱 Dual-rate Three-color Policer)。

Single-rate Two-color Policer

透過查看 Bc Bucket 是否有足夠 Token 來作出判斷執行綠色動作 (Conform Action) 還是紅色動作 (Exceed Action)，Action 是可以自訂的，選項包括：傳送 (Transmit)、丟棄 (Drop) 或者重新標記 (Remark)。

bandwidth management

以下 Policing 設定把 CIR 設為 1 Mbps，Bc 設為 1500 Bytes，Conform Action 設為 Transmit，Exceed Action 設為 Drop。透過這設定，客戶傳過來的流量一旦超過了雙方協議的 CIR，就會開始被 Drop 掉。

R3(config)#policy-map ONE-RATE-TWO-COLOR
R3(config-pmap)#class class-default
R3(config-pmap-c)#police cir 1000000 bc 1500
R3(config-pmap-c-police)#conform-action transmit 
R3(config-pmap-c-police)#exceed-action drop
R3(config-pmap-c-police)#exit
R3(config-pmap-c)#exit
R3(config-pmap)#exit
R3(config)#int ethernet 1/0
R3(config-if)#service-policy input ONE-RATE-TWO-COLOR

R3#show policy-map interface ethernet 1/0
 Ethernet1/0 

  Service-policy input: ONE-RATE-TWO-COLOR

    Class-map: class-default (match-any)  
      42 packets, 41468 bytes
      5 minute offered rate 1000 bps, drop rate 1000 bps
      Match: any 
      police:
          cir 1000000 bps, bc 1500 bytes
        conformed 27 packets, 18758 bytes; actions:
          transmit 
        exceeded 15 packets, 22710 bytes; actions:
          drop 
        conformed 1000 bps, exceeded 1000 bps

Single-rate Three-color Policer

增加 Be Bucket，從 Bc 滿瀉的 Token 會被移到 Be Bucket。透過查看兩個 Bucket 是否有足夠 Token 來作出判斷執行綠色動作 (Conform Action)、黃色動作 (Exceed Action) 還是紅色動作 (Violate Action)。與 Single-rate Two-color Policer 不同的是，Single-rate Three-color 可以對超額流量提供一定程度的容忍，例如用 Remark 的方法降低其重要性並嘗試傳送。

bandwidth management

以下 Policing 設定加入了 Be 設定使其成為 Single-rate Three-color，Exceed Action 設為 set-dscp-transmit af23 表示 Packet 會被更改 DSCP 才傳送。(DSCP 原理將會在 QoS 文章中詳細說明)

R3(config)#policy-map ONE-RATE-THREE-COLOR
R3(config-pmap)#class class-default
R3(config-pmap-c)#police cir 1000000 bc 1500 be 1500
R3(config-pmap-c-police)#conform-action transmit 
R3(config-pmap-c-police)#exceed-action set-dscp-transmit af23 
R3(config-pmap-c-police)#violate-action drop
R3(config-pmap-c-police)#exit
R3(config-pmap-c)#exit
R3(config-pmap)#exit
R3(config)#int ethernet 1/0
R3(config-if)#service-policy input ONE-RATE-THREE-COLOR 

R3#show policy-map interface ethernet 1/0
 Ethernet1/0 

  Service-policy input: ONE-RATE-THREE-COLOR

    Class-map: class-default (match-any)  
      21 packets, 21446 bytes
      5 minute offered rate 1000 bps, drop rate 1000 bps
      Match: any 
      police:
          cir 1000000 bps, bc 1500 bytes, be 1500 bytes
        conformed 13 packets, 9334 bytes; actions:
          transmit 
        exceeded 0 packets, 0 bytes; actions:
          set-dscp-transmit af23
        violated 8 packets, 12112 bytes; actions:
          drop 
        conformed 1000 bps, exceeded 0000 bps, violated 1000 bps

Two-rate Three-color Policer

Two-rate Three-color 比起 Single-rate Three-color 不同的地方是 Be Bucket 透過 PIR 補充，而非來自滿瀉的 Bc Bucket。這設定能準確判斷 Traffic 是否已超出 CIR 而落入 PIR 範圍，並執行相應動作。

bandwidth management

以下 Policing 設定加入了 PIR 設定使其成為 Two-rate Three-color。

R3(config)#policy-map TWO-RATE-THREE-COLOR
R3(config-pmap)#class class-default
R3(config-pmap-c)#police cir 1000000 bc 1500 pir 1500000 be 1500
R3(config-pmap-c-police)#conform-action transmit 
R3(config-pmap-c-police)#exceed-action set-dscp-transmit af23 
R3(config-pmap-c-police)#violate-action drop
R3(config-pmap-c-police)#exit
R3(config-pmap-c)#exit
R3(config-pmap)#exit
R3(config)#int ethernet 1/0
R3(config-if)#service-policy input TWO-RATE-THREE-COLOR 

R3#show policy-map interface ethernet 1/0
 Ethernet1/0 

  Service-policy input: TWO-RATE-THREE-COLOR

    Class-map: class-default (match-any)  
      83 packets, 84250 bytes
      5 minute offered rate 3000 bps, drop rate 3000 bps
      Match: any 
      police:
          cir 1000000 bps, bc 1500 bytes
          pir 1500000 bps, be 1500 bytes
        conformed 51 packets, 35802 bytes; actions:
          transmit 
        exceeded 0 packets, 0 bytes; actions:
          set-dscp-transmit af23
        violated 32 packets, 48448 bytes; actions:
          drop 
        conformed 3000 bps, exceeded 0000 bps, violated 3000 bps

相關主題

發佈留言

2018-04-14

Posted In: 網絡服務 Services

Leave a Comment