QoS的一個(gè)重要作用就是對端口流量進(jìn)行監(jiān)管，也就是限制端口流量。但QoS是如何做到這點(diǎn)的呢？那就是QoS的令牌桶機(jī)制了。下面是在筆者剛剛出版的 《 Cisco/H3C 交換機(jī)高級配置與管理技術(shù)手冊》 一書中，經(jīng)過筆者充分理解后的全面詮釋，大家看一下是否可以理解。 http://book.360buy.com/10959197.html

6.3.3 QoS令牌桶工作原理

QoS中的流量監(jiān)管（Traffic Policing）就是對流量進(jìn)行控制，通過監(jiān)督進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)端口的流量速率，對超出部分的流量進(jìn)行“懲罰”（這個(gè)懲罰可以是丟棄、也可是延遲發(fā)送），使進(jìn)入端口的流量被限制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。例如可以限制HTTP報(bào)文不能占用超過50%的網(wǎng)絡(luò)帶寬，否則QoS流量監(jiān)管功能可以選擇丟棄報(bào)文，或重新配置報(bào)文的優(yōu)先級。

QoS流量監(jiān)管功能是采用令牌桶（Token-Bucket）機(jī)制進(jìn)行的。這里的“令牌桶”是指網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部存儲池，而“令牌”則是指以給定速率填充令牌桶的虛擬信息包。可以這么簡單理解，“令牌桶”可以理解為一個(gè)水桶，而“令牌”則可以理解為通過一根水管流到水桶中的水。

交換機(jī)在接收每個(gè)幀時(shí)都將添加一個(gè)令牌到令牌桶中，但這個(gè)令牌桶底部有一個(gè)孔，不斷地按你指定作為平均通信速率（單位為b/s）的速度領(lǐng)出令牌（也就是從桶中刪除令牌的意思）。相當(dāng)于一個(gè)水桶的上邊連接一根進(jìn)水的水管，而下邊又連接一根連接到用水的地方的出水管。在每次向令牌桶中添加新的令牌包時(shí)，交換機(jī)都會(huì)檢查令牌桶中是否有足夠容量（也就是在要向桶水加水前，先要檢查是桶內(nèi)否已滿了），如果沒有足夠的空間，包將被標(biāo)記為不符規(guī)定的包，這時(shí)在包上將發(fā)生指定監(jiān)管器中規(guī)定的行為（丟棄或標(biāo)記），就相當(dāng)于如果當(dāng)前水桶滿了，但上邊水管的水還是來了，這時(shí)要么就是讓這些水白白流到桶外，要么把這些水用其它容器先裝起來，等水桶中不再滿水時(shí)再倒進(jìn)去，供用戶使用。整個(gè)令牌桶的基本工作原理可以用圖6-10來表示。

圖6-10 令牌桶的基本工作作原理

令牌桶填滿的時(shí)間長短是由令牌桶深度（也就是容量，單位為bit，類似于水桶的的深度）、令牌漏出速率（類似桶下邊接的水管的水速）和超過平均速率的突發(fā)通信流（類似于上桶上邊水管突發(fā)的急速水流）持續(xù)的時(shí)間三個(gè)方面共同決定的。 令牌桶的大小利用突發(fā)時(shí)長上限乘以點(diǎn)對點(diǎn)傳輸時(shí)的幀數(shù)限制得出（也就類似突發(fā)水流持續(xù)的時(shí)間*突發(fā)水流的流速）。如果突發(fā)時(shí)間比較短，令牌桶不會(huì)溢出，在通信流上不會(huì)發(fā)生行為。但是，如果突發(fā)時(shí)間比較長，并且速率比較高，令牌桶將溢出，這時(shí)將對突發(fā)過程中的幀采取相應(yīng)的流監(jiān)管策略行為（也就是在水桶滿水后對溢出的水的處理方法）。

在令牌桶處理包的行為方面，RFC中定義了兩種令牌桶算法——單速率三色標(biāo)記（single rate threecolor marker，srTCM）算法和雙速率三色標(biāo)記（two rate threecolor marker，trTCM）算法，其評估結(jié)果都是為包打上紅、黃、綠三色標(biāo)記（所以稱為“三色標(biāo)記”，有關(guān)這些顏色的具體含義將在具體算法中介紹）。QoS會(huì)根據(jù)包的顏色，設(shè)置包的丟棄優(yōu)先級，其中單速率三色標(biāo)記比較關(guān)心包尺寸的突發(fā)，而雙速率三色標(biāo)記則關(guān)注速率上的突發(fā)，兩種算法都可工作于色盲模式和非色盲模式（具體在下面介紹）。下面分別介紹這兩種算法原理。

1. 單速率三色標(biāo)記算法原理

這里首先要理解“單速率”是什么意思，那就是算法中的兩個(gè)令牌桶有同樣的承諾信息速率（CIR），也就是具有相同平均訪問速率。這兩個(gè)令牌桶分別是正常使用的令牌桶（也就是下面將要說到的C桶）和超出令牌桶容量的突發(fā)令牌桶（也就是下面將要說到的E桶），可以理解為兩個(gè)水桶，一個(gè)是正常使用的水桶，另一個(gè)是用來當(dāng)正常使用的水桶滿后裝多余的水的水桶。下面具體解釋單速率三色標(biāo)記算法原理。

單速率三色標(biāo)記（srTCM）算法關(guān)注的是數(shù)據(jù)包的突發(fā)尺寸，數(shù)據(jù)包的色標(biāo)記評估依據(jù)以下3個(gè)參數(shù)：承諾信息速率(CommittedInformation Rate，CIR)、承諾突發(fā)尺寸（Committed BurstSize，CBS）和超額突發(fā)尺寸（Excess Burst Size，EBS）。CIR是指向令牌桶中填充令牌的平均速率，即允許的通信流平均速度；CBS是指每次突發(fā)所允許的最大的流量尺寸，也相當(dāng)于允許的最大取令牌的速率，等于桶的容量（最大時(shí)就是一個(gè)包就可以全部領(lǐng)取桶中的全部令牌）。EBS是指每次突發(fā)允許超出CBS的最大流量尺寸。CBS和EBS的單位都是bit（位）。

單速率三色機(jī)制采用雙桶結(jié)構(gòu)：C桶和E桶（之所以用這兩個(gè)字母來表示，為的就是與前面說的CBS和EBS兩種速率的頭個(gè)字母一致，便于描述），且兩個(gè)令牌桶的CIR一樣。C令牌桶中任何未用的令牌都被放入E令牌桶中，用做以后臨時(shí)超過CIR的突發(fā)流量的令牌；另外，當(dāng)C令牌桶滿時(shí)，超出的令牌也都會(huì)放在E令牌桶中。

Tc和Te分別表示C令牌桶和E令牌桶中的令牌數(shù)，也就是桶中當(dāng)前的容量（單位也為bit），兩桶的總?cè)萘糠謩e為CBS和EBS，也就是對應(yīng)前面介紹的承諾突發(fā)尺寸和超額突發(fā)尺寸，最初它們都是滿的，即Tc和Te初始值分別等于CBS和EBS。正常情況下，不會(huì)使用第二個(gè)令牌桶（也就是E桶），而是把任何CBS（也就是C桶）中未使用的令牌都放入E桶中，只有當(dāng)C令牌桶滿后，后面來的令牌才放到E令牌桶中，為可能出現(xiàn)的突發(fā)數(shù)據(jù)提供信用令牌（也就是經(jīng)過允許的令牌）。

在這種單速率三色標(biāo)記算法中，兩個(gè)令牌桶中令牌的添加是按照相同的CIR速率進(jìn)行的。即每隔1/CIR時(shí)間添加一個(gè)令牌。添加的順序是先添加C桶再添加E桶，當(dāng)兩個(gè)令牌桶中的令牌都滿時(shí)，再產(chǎn)生的令牌就會(huì)被丟棄。至于在發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，令牌的使用IEEE又定義了三種顏色（分別為紅色、黃色和綠色）以及兩種模式：色盲（color-blind）模式和感色（color-aware）模式，默認(rèn)為色盲模式。三種顏色的功能與我們?nèi)粘Ｉ钪械慕煌ㄖ甘緹糁械娜N顏色類似，紅色表示違規(guī)數(shù)據(jù)，直接丟棄，黃色表示數(shù)據(jù)包雖然違法，但不直接丟棄，而是延遲發(fā)送，綠爭為合法數(shù)據(jù)包，直接發(fā)送。

在色盲（color-blind）模式下是假設(shè)包都是沒有經(jīng)過“著色”處理的（不辨別包中原來標(biāo)記的顏色），是根據(jù)包長度來確定包被標(biāo)記的顏色。現(xiàn)假設(shè)到達(dá)的包長度為B（單位為bit）。若包長度B小于C桶中的令牌數(shù)Tc（也就是C桶中的令牌數(shù)足夠該包發(fā)送所需），則包被標(biāo)記為綠色，表示包符合要求，包發(fā)送后C桶中的令牌數(shù)Tc減少B。如果Tc<B<Te（也就是包長度大于C桶中的令牌數(shù)，而小于E桶中的令牌數(shù)），則標(biāo)記為黃色，則從E桶中取出所需令牌，E桶中的令牌數(shù)Te減少B；若B >Te，標(biāo)記為紅色，表示是違反規(guī)定的包，直接丟棄，兩令牌桶中的總令牌數(shù)都不減少。

在感色（color-aware）模式下是假設(shè)包在此之前已經(jīng)過“著色”處理（會(huì)辨別包中原來標(biāo)記的顏色），如果包已被標(biāo)記為綠色，或包長度B<Tc（注意只要滿足其中一個(gè)條件即可，下同），則包被標(biāo)記為綠色，C桶中的令牌數(shù)Tc值隨之也相應(yīng)減少B；如果包已被標(biāo)記為黃色，或Tc<B<Te，則包被標(biāo)記為黃色，同時(shí)E桶中的令牌數(shù)Te也隨之相應(yīng)減少B；如果包已被標(biāo)記為紅色，或B >Te，則包被標(biāo)記為紅色，Tc和Te都不減少。

2. 雙速率三色算法

這里同樣首先要稿清楚“雙速率”是什么意思，它是指該算法中兩個(gè)令牌桶中的CIR速率不同，存在兩個(gè)令牌填充速率。

IETF的雙速率三色標(biāo)記（trTCM）算法主要是根據(jù)四種流量參數(shù)來評估：CIR、CBS、峰值信息速率（Peak InformationRate，PIR），峰值突發(fā)尺寸（Peak Burst Size，PBS）。CIR和CBS參數(shù)與單速率三色算法中的含義相同，PIR就是允許的最大突發(fā)信息傳輸速率，當(dāng)然它的值肯定不會(huì)小于CIR的；PBS是允許的最大突發(fā)信息尺寸，它的值也不會(huì)小于CBS。

與單速率三色標(biāo)記算法不同，雙速率三色標(biāo)記算法中的兩個(gè)令牌桶是C桶和P桶（不是C桶和E桶），但它們的令牌填充速率是不同的，C桶填充速率為CIR，P桶為PIR；兩桶的容量分別為CBS和PBS（之所以用C桶和P桶表示也是基于方便描述，因?yàn)楸硎静煌俾实膮?shù)與對應(yīng)桶的容量參數(shù)相同，第一個(gè)字母對應(yīng)為C，或者P）。用Tc和Tp表示兩桶中的令牌數(shù)目，初始狀態(tài)時(shí)兩桶是滿的，即Tc和Tp初始值分別等于CBS和PBS。

雙速率三色標(biāo)記算法關(guān)注的是速率的突發(fā)，但它不像單速率三色標(biāo)記算法那樣把第一個(gè)桶中未使用的令牌放到第二個(gè)桶中，而是使用兩個(gè)獨(dú)立的令牌桶。第一個(gè)令牌桶為PIR，大小為PBS，第二個(gè)令牌桶為CIR，大小為CBS。數(shù)據(jù)的測量是先比較PIR，然后再比較CIR。也就是在雙速率三色標(biāo)記中，首先判斷的是數(shù)據(jù)發(fā)送速率是否符合規(guī)定的突發(fā)要求，而不是正常情況下的色標(biāo)方法。

雙速率三色標(biāo)記算法也有色盲模式和感色模式兩種。

在色盲模式下，當(dāng)包速率大于PIR，此時(shí)未超過Tp+Tc部分的包會(huì)分別從P桶和C桶中獲取令牌，而且從P桶中獲取令牌的部分包被標(biāo)記為黃色，從C桶中獲取令牌的部分包被標(biāo)記為綠色，超過Tp+Tc部分無法得到令牌的包被標(biāo)記為紅色；當(dāng)包速率小于PIR，而大于CIR時(shí)，包可以得到令牌，但超過Tc部分的包將從P桶中獲取令牌，此時(shí)這部分包都被標(biāo)記為黃色，而從C桶中獲取令牌的包被標(biāo)記為綠色；當(dāng)包速率小于CIR時(shí)，包所需令牌數(shù)不會(huì)超過Tc，只需從C桶中獲取令牌，包被標(biāo)記為綠色。

在感色模式下，如果包已被標(biāo)記為紅色，或者超過Tp+Tc部分無法得到令牌的包，被標(biāo)記為紅色；如果標(biāo)記為黃色，或者超過Tc但未超過Tp部分包記為黃色；如果包被標(biāo)記為綠，或者未超過Tc部分包，被標(biāo)記為綠色。

QoS令牌桶工作原理