Qos令牌桶技术原理

令牌桶基础

概述：

配合软件队列使用。
单位是Byte而不是报文的个数，如果一个报文所需的Byte数超过了所剩余的令牌个数，就无法发送，也就是说一个令牌对应一个Byte。
令牌桶可以看作是一个存放一定数量令牌的容器。系统按设定的速度向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多出的令牌溢出，桶中令牌不再增加。
在使用令牌桶对流量进行评估时，是以令牌桶中的令牌数量是否足够满足报文的转发为依据的。如果桶中存在足够的令牌可以用来转发报文，称流量遵守或符合约定值，否则称为不符合或超标。

依据令牌桶的令牌注入方式及桶的数量定义了3种令牌桶模型：

单速单桶双色模型。
单速双桶三色模型(RFC 2697)。
双速双桶三色模型(RFC2698)。

令牌桶术语：
一、令牌桶模型中可能有单桶或双桶模型，单桶模型中使用的桶称为CBS桶，而双桶单速模型中使用的桶分别称为CBS和EBS桶；双桶双速模型中使用的桶是CBS和PBS：

CBS (Committed Bucket Size)：承诺突发尺寸，表示C桶的容量，即C桶瞬间能够通过的承诺突发流量。
EBS (Excess Burst Size)：超额突发尺寸，表示E桶的容量，即E桶瞬间能够通过的超出突发流量。
PBS（Peak Burst Size）：峰值突发尺寸，表示P桶的容量，即P桶瞬间能够通过的超出突发流量。

下文为方便描述将三个令牌桶分别称为C (Committed)桶、E (Excess) 桶和P（Peak）桶。

二、Tc和Te：分别表示C桶和E桶中的当前令牌数量，单位为个。

三、信息速率：

CIR (Committed Information Rate)：承诺信息速率，向C桶中注入令牌的速率，同时也是C桶允许传输或转发数据的平均速率，单位bit/s。
PIR（peak Information Rate）：峰值信息速率，向P桶中注入令牌的速率，同时也是P桶允许传输或转发数据的平均速率，单位bit/s。

四、色(color)：根据桶中当前令牌是否满足数据转发需要而定义的颜色标识，它是模型描述时对分类的数据的颜色定义，将能从桶中取走足量令牌的报文标记为绿色或黄色，而将未能在桶中获得足量令牌的报文，标记为红色。通过命令，如green pass yellow pass red pass，可以设置不同颜色的报文的具体动作。

一、单速单桶双色模型

桶中令牌以承诺的恒定速率CIR注入，桶大小固定，当注入令牌超出桶的容量后，多余的令牌就被丢弃掉。对于到达的报文，图上图中用B表示报文的大小。

若B≤Tc，报文被标记为绿色，且Tc减少B。
若B>Tc，报文被标记为红色，且Tc不减少B。.

过程描述：
若桶中有令牌，数据包转发会消耗桶中的令牌，若令牌足量，满足报文转发需要的数量，则报文被标记为绿色，并在桶中取走等量令牌。若待转发报文在桶中得不到足够令牌则标记为红色，桶中令牌不减。

例如：
若当前C桶中有2000个令牌，有2份待转发数据报文，大小分别为1500B和800B。假设此期间没有令牌注入，当第一份数据报文和C桶内令牌进行比较时，令牌满足，则第一份报文转发出去，桶中令牌剩余为500个。而第二份报文需要800个令牌，令牌桶中令牌不够，这份报文被标记为红色，不被转发出去，令牌桶中令牌量不变化，单速单桶的模型因其仅以承诺速率CIR注入令牌到C桶，所以C桶中令牌是承诺的令牌。

消耗C桶令牌的数据报文，其转发速率不会超出CIR，流量图如下：

虚线部分是红色流量，阴影部分是绿色流量。在QoS机制中，只要有提到流量不超出特定速率，则该机制中必内置令牌桶的速率限制模型。

cir 2000 cbs 50000 ，表示承诺信息速率为2000kbit/s，承诺突发尺寸为50000Byte。报文大小小于50000Byte的都能转发，转发速率最大为2000kbit/s。

二、单速双桶三色模型

系统按照CIR速率向桶中投放令牌，向C桶注入令牌，若溢出，则E桶令牌增加。

若Tc<CBS，Tc 增加。
若Tc=CBS，Te<EBS， Te增加。
若Tc=CBS，Te=EBS，则都不增加。

对于到达的报文，用B表示报文的大小。

若B≤Tc，报文被标记为绿色，且Tc减少B。
若Tc<B≤Te，报文被标记为黄色，且Te减少B。
若Te<B，报文被标记为红色，且Tc和Te都不减少。

过程描述：
C桶中令牌是承诺部分，系统始终以速率CIR注入令牌，但若前一时刻C桶中令牌没有用光或没有使用(因没有数据转发)，则下次注入时会致C桶溢出，过量的令牌并没有被丢掉，定义的E桶就是专门用来装多余的令牌的。所以E桶的大小可在实现中定义得稍大些，可使系统保留前面时刻未用令牌的能力相对增强，可减少令牌因溢出而致的损失。

报文转发时，先从承诺的C桶中取令牌，如果令牌够，则标记报文为绿色，桶中令牌减少。若C桶中令牌不够(Tc<B)，则继续比较E桶令牌。若E桶令牌够，则标记报文为黄色，否则为红色。

例如：
若C桶当前令牌为2000，E桶令牌为1000，待转发数据报文有3份，大小分别为1500B、 800B、 700B，假设3份报文在转发过程中没有令牌注入。根据上面的逻辑，第一份报文同C桶比较，令牌满足，标记为绿色，此时令牌桶C剩余令牌为500，令牌桶E令牌依然为1000。第二份报文需要800个令牌，C桶承诺部分不够，则使用E桶令牌，E桶部分是累积起来的令牌，第二份报文使用E桶令牌，并标记为黄色，E桶剩余令牌200。第三份报文在C桶和E桶都没有足量的令牌，所以标记为红色。

双桶模型由于EBS桶的存在，因此流量可以在承诺的CIR速率基础上过量突发，在某时刻速率可以达到很高。由于前一时刻数据量低，令牌没有使用，因此在下一时刻有过量突发所致的流量过高。但虽有过量突发，但流量的平均速率<=CIR。流量图如下：

P1是使用E桶令牌的流量，P3是使用C桶令牌的流量。P2 处没有转发的流量。P1对应黄色流量，P3 对应绿色流量。

三、双速双桶三色模型

系统按照PIR速率（峰值速率）向P桶中投放令牌，按照CIR速率向C桶中投放令牌：

当Tp<PBS时，P桶中令牌数增加，否则不增加。
当Tc<CBS时，C桶中令牌数增加，否则不增加。

对于到达的报文，用B表示报文的大小：

若Tp<B，报文被标记为红色。
若Tc<B≤Tp，报文被标记为黄色，且Tp减少B。
若B≤Tc,报文被标记为绿色，且Tp和Tc都减少B。

任何一种模型都做到把流量同令牌桶中的令牌量比对，而打上不同的颜色，并代表不同的分类。如果按令牌量是否足量来决定报文转发，红色代表该类数据没有对应的令牌，而不能被系统转发。黄色代表有对应的令牌，但该令牌不是承诺的令牌(仅取自P桶)。绿色代表该类数据使用的令牌是承诺速率所注入的令牌。

双速模型并没有像单速模型在实际中应用那么广，它一定程度上解决了单速双桶模型的不足，双速模型引入了PIR，PIR一定要大于CIR。

过程描述：
P桶和C桶都是独立注入令牌的，如果桶中令牌溢出，并不会装入到另一个桶里。PIR是峰值速率，CIR是承诺速率，此模型可保证当输入数据的速率超出PIR时，超出部分将被丢弃，而低于PIR部分的报文，高于CIR的部分被标记为黄色，低于CIR部分被标记为绿色。所以待转发的报文先和P桶比较，若P桶令牌不够，则标记为红色，令牌不减。而若P桶令牌够，则继续比较C桶令牌，仅当二者令牌都够时，都做等量相减。

例如：
P桶令牌为2000，C桶令牌为1000，待转发报文有3份，大小分别为1500B、800B、400B，第一份报文和P桶比较，令牌够，继续和C桶比较，C桶不够。第一份转发出去，P桶剩余令牌500，C桶令牌没变化，为1000且报文被标记为黄色。第二份报文大小为800，先和P桶比较，因P桶令牌不够而标记为红色，桶内令牌不变。第三份报文先和P桶比较，再和C桶比较。都满足则都减令牌，并标记为绿色，P 桶剩余100， C桶剩余600。

此模型能解决单速双桶模型中因E桶的原因而致的流量过量突发而引起的速率波动幅度的不确定性，所以对最高的速率做了限制，如果该模型应用在数据转发的场景下，它使实际数据包的转发速率达到PIR，这往往致企业边缘设备流出的报文速率过高，而上游运营商处丢掉超出CIR的部分流量。流量图如下：

P1是超出PIR部分的“红色”流量，P2是黄色”流量，而P3是“绿色”流量。使用双速模型可使流量分为3份，可自定义不同颜色的流量的流行为，可以丢弃或打标记。

单速双桶和双速双桶模型对比

整理资料来源：《HCIE路由交换学习指南》