اصول کیفیت سرویس: طبقه‌بندی و اولویت‌بندی ترافیک شبکه

چرا همه ترافیک نمی‌توانند یکسان رفتار شوند

یک لینک شبکه پهنای باند محدودی دارد، و در دوره‌های ازدحام، برخی ترافیک باید منتظر بماند در حالی که ترافیک دیگر ابتدا منتقل می‌شود. اپلیکیشن‌های مختلف تحمل بسیار متفاوتی برای این تأخیر دارند: یک دانلود فایل بزرگ می‌تواند تأخیر قابل‌توجه را بدون هیچ تأثیر محسوسی تحمل کند، در حالی که یک تماس صوتی یا ویدیویی زنده حتی با مقادیر کوچک تأخیر یا jitter قطع‌قطع و غیرقابل‌استفاده می‌شود. Quality of Service (QoS) مجموعه‌ای از تکنیک‌هاست که ترافیک را شناسایی، اولویت‌بندی، و مدیریت می‌کنند تا اپلیکیشن‌های حساس-به-تأخیر در طول ازدحام محافظت شوند.

ویژگی‌های کلیدی QoS که اهمیت دارند

پهنای باند: چقدر داده می‌تواند در ثانیه منتقل شود
  - انتقال‌های فایل بزرگ به پهنای باند بالا نیاز دارند، اما
    تأخیر را تحمل می‌کنند

تأخیر (Latency): زمانی که یک بسته از منبع به
  مقصد سفر می‌کند
  - صدا و ویدیو به تأخیر پایین و پایدار نیاز دارند

Jitter: تغییر در تأخیر بین بسته‌های پیاپی
  - صدا و ویدیو به‌شدت حساس به jitter هستند،
    چون باعث لکنت صوتی/ویدیویی می‌شود

از‌دست‌رفتن بسته: درصد بسته‌هایی که هرگز نمی‌رسند
  - صدا می‌تواند مقدار کمی را تحمل کند (با استفاده
    از پنهان‌سازی خطای کدک)، اما اپلیکیشن‌های
    مبتنی‌بر-TCP از‌دست‌رفتن را بسیار متفاوت از
    طریق ارسال‌مجدد مدیریت می‌کنند

درک اینکه کدام‌یک از این ویژگی‌ها بیشترین اهمیت را برای یک نوع خاص از ترافیک دارد پایه‌ای برای طراحی یک سیاست QoS مؤثر است — ترافیک صوتی به‌طور خاص به تأخیر پایین و jitter پایین نیاز دارد، حتی به قیمت از‌دست‌رفتن بسته کوچک اتفاقی، در حالی که یک انتقال فایل نه به تأخیر پایین و نه jitter پایین نیاز دارد اما به‌طور عظیمی از پهنای باند موجود بهره می‌برد.

طبقه‌بندی و علامت‌گذاری: شناسایی نوع ترافیک

پیش از اینکه یک دستگاه بتواند ترافیک را اولویت‌بندی کند، ابتدا باید تشخیص دهد هر بسته چه نوع ترافیکی را نمایندگی می‌کند — فرآیندی به نام Classification (طبقه‌بندی) — و سپس معمولاً بسته را با آن طبقه‌بندی علامت‌گذاری می‌کند تا سایر دستگاه‌ها در طول مسیر بتوانند تصمیمات سازگار بگیرند بدون نیاز به دوباره-طبقه‌بندی خودشان.

علامت‌گذاری لایه ۲: CoS (Class of Service)
  یک فیلد ۳ بیتی درون تگ 802.1Q، که پیش‌تر
  در این مجموعه درباره VLAN ها بحث شد
  بازه: 0-7، فقط روی لینک‌های ترانک معنادار،
  چون درون خود تگ VLAN وجود دارد

علامت‌گذاری لایه ۳: DSCP (Differentiated Services Code Point)
  یک فیلد ۶ بیتی درون خود هدر IP
  بازه: 0-63، در سراسر کل مسیر سرتاسر باقی
  می‌ماند، چون بخشی از هدر IP است نه یک تگ
  لایه ۲ که در مرزهای لایه ۳ حذف می‌شود

DSCP معمولاً نسبت به CoS برای سیاست QoS سرتاسر ترجیح داده می‌شود به‌طور خاص چون از هاپ‌های مسیریابی لایه ۳ باقی می‌ماند، در حالی که یک علامت CoS در یک تگ 802.1Q در لحظه‌ای که یک بسته مسیریابی می‌شود به‌جای سوئیچ‌شدن از دست می‌رود، چون مسیریابی هدر لایه ۲ را کاملاً حذف می‌کند.

مقادیر رایج DSCP

EF (Expedited Forwarding، DSCP 46):
  به‌طور خاص برای ترافیک صوتی رزرو شده،
  که کمترین تأخیر و jitter ممکن را تضمین می‌کند

AF (Assured Forwarding، مقادیر مختلف):
  یک خانواده از مقادیر که سطوح مختلفی از
  تحویل تضمین‌شده فراهم می‌کنند، معمولاً برای
  ویدیو و اپلیکیشن‌های داده حیاتی-برای-کسب‌وکار استفاده می‌شود

پیش‌فرض (DSCP 0):
  ترافیک تلاش-بهترین بدون مدیریت خاص،
  پیش‌فرض برای ترافیک بدون علامت‌گذاری صریح

پیکربندی طبقه‌بندی و علامت‌گذاری

Router(config)# class-map match-all VOICE-TRAFFIC
Router(config-cmap)# match protocol rtp
Router(config-cmap)# exit

Router(config)# policy-map MARK-TRAFFIC
Router(config-pmap)# class VOICE-TRAFFIC
Router(config-pmap-c)# set dscp ef
Router(config-pmap-c)# exit
Router(config-pmap)# exit

Router(config)# interface gigabitethernet 0/1
Router(config-if)# service-policy input MARK-TRAFFIC

این پیکربندی از الگوی استاندارد Cisco Modular QoS CLI (MQC) پیروی می‌کند: یک class-map مشخص می‌کند چه ترافیکی تطبیق داشته باشد، یک policy-map مشخص می‌کند چه عملی روی آن ترافیک منطبق‌شده انجام شود، و service-policy سیاست را روی یک اینترفیس خاص در یک جهت خاص اعمال می‌کند.

صف‌بندی: تصمیم‌گیری اینکه کدام ترافیک اول در طول ازدحام می‌رود

وقتی ترافیک طبقه‌بندی و علامت‌گذاری شود، مکانیزم‌های Queuing (صف‌بندی) ترتیب واقعی‌ای که بسته‌ها منتقل می‌شوند وقتی یک لینک ازدحام دارد و چند بسته برای همان اینترفیس خروجی رقابت می‌کنند را تعیین می‌کنند.

FIFO (First In, First Out):
  ساده‌ترین صف، بدون هیچ اولویت‌بندی‌ای —
  ترافیک دقیقاً به ترتیب دریافت‌شده منتقل می‌شود

Priority Queuing (PQ):
  ترافیک اولویت-بالا همیشه اول خدمت می‌گیرد،
  و صف اولویت-بالا را کاملاً خالی می‌کند پیش از
  اینکه هر ترافیک اولویت-پایین‌تری فرستاده شود —
  ریسک: ترافیک اولویت-پایین می‌تواند کاملاً گرسنه بماند
  اگر ترافیک اولویت-بالا مداوم باشد

Weighted Fair Queuing (WFQ):
  به‌طور خودکار پهنای باند را به‌طور عادلانه بین
  جریان‌ها تخصیص می‌دهد، و به جریان‌های کوچک‌تر/تعاملی
  به‌طور متناسب توجه بیشتری می‌دهد

Low Latency Queuing (LLQ):
  ترکیب صف‌بندی اولویت سخت‌گیرانه (برای صدا،
  که واقعاً نیاز دارد همیشه اول برود) با
  weighted fair queuing برای همه دسته‌های ترافیک دیگر
  — رایج‌ترین استراتژی صف‌بندی مستقرشده
  در شبکه‌های سازمانی مدرن

پیکربندی LLQ با یک صف اولویت برای صدا

Router(config)# policy-map QUEUE-POLICY
Router(config-pmap)# class VOICE-TRAFFIC
Router(config-pmap-c)# priority 128
-- تا 128 kbps پهنای باند اولویت-سخت‌گیرانه را
-- به‌طور خاص برای صدا رزرو‌شده تضمین می‌کند

Router(config-pmap)# class class-default
Router(config-pmap-c)# fair-queue
-- ترافیک باقی‌مانده با weighted fair queuing
-- در میان همه جریان‌های دیگر مدیریت می‌شود

Router(config)# interface gigabitethernet 0/0
Router(config-if)# service-policy output QUEUE-POLICY

دستور priority 128 هم قابلیت‌دسترسی پهنای باند برای صدا را تضمین می‌کند و، به‌طور حیاتی، یک حد policing اعمال می‌کند — ترافیک صوتی فراتر از 128 kbps دور ریخته می‌شود به‌جای اینکه اجازه یابد کل لینک را مصرف کند، که از یک جریان بدرفتار یا حمله‌کننده که صف اولویت-سخت‌گیرانه را انحصاری کند و همه ترافیک دیگر را کاملاً گرسنه بگذارد جلوگیری می‌کند.

تأیید پیکربندی و آمار QoS

Router# show policy-map interface gigabitethernet 0/0

  Service-policy output: QUEUE-POLICY
    Class-map: VOICE-TRAFFIC (match-all)
      1204 packets, 96320 bytes
      Queueing
      Strict Priority
      Bandwidth 128 (kbps) Burst 3200 (Bytes)
      (pkts matched/bytes matched) 1204/96320
      (total drops) 0

شمارنده (total drops) مهم‌ترین فیلد واحد برای نظارت است — هر drop درون دسته صوتی به‌طور خاص یا نشان می‌دهد پهنای باند رزرو‌شده برای حجم ترافیک صوتی واقعی کافی نیست، یا یک افزایش ناگهانی غیرمنتظره ترافیک به‌طور نادرست در آن دسته اولویت طبقه‌بندی می‌شود.

چرا QoS حتی روی لینک‌های پهنای‌باند-بالا اهمیت دارد

یک تصور غلط رایج این است که QoS وقتی پهنای باند لینک به‌اندازه کافی بالا باشد غیرضروری می‌شود — اما ازدحام لحظه‌ای، حتی روی یک لینک با ظرفیت میانگین سخاوتمندانه، همچنان تأخیرهای صف‌بندی کوتاهی ایجاد می‌کند که برای ترافیک حساس-به-jitter مانند صدا فاجعه‌بار است، حتی وقتی استفاده میانگین بلندمدت لینک کاملاً راحت به‌نظر برسد. درک هم‌زمان طبقه‌بندی، علامت‌گذاری، و صف‌بندی تصویر کاملی که برای تضمین اینکه ترافیک حیاتی و حساس-به-تأخیر رفتار سازگاری صرف‌نظر از ازدحام لحظه‌ای در جای دیگری از شبکه دریافت کند نیاز است فراهم می‌کند.