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QoS技术中令牌桶算法实现方式比较


李晓利等:QoS技术中令牌桶算法实现方式比较

ZTE COMMUNlCATIONS

对两种方式的实现过程进行了具体

QoS技术中令牌桶算法实现 方式比较
GOmDafISOn belWeen I OKen BUCKel AIaOrllnmS Compafison Belween Token Buckel

A蛔orilhms

的比较分析。

1令牌桶算法基本原理
令牌桶是网络设备的内部存储 池,而令牌则是以给定速率填充令牌 桶的虚拟信息包。每个到达的令牌都 会从数据队列领出相应的数据包进 行发送,发送完数据后令牌被删除。 RFc中定义了两种令牌桶算

in QOS Technology
李晓秘九l Xiao.1|,郭字春/GUo
{schoo|of
Eleclronics ana|nformation

法——单速率三色标记算法和双速
率三色标记算法,其评估结果都是为 Yu.chun
Jiaolon9

《北京交通大学电子信息I程学院.北京100G144)
Eng|neenng.Belllng

报文打上红、黄、绿三色标记。Oos会
UnIvers岭。Be釉g伯0044。china)

根据报文的颜色,设置报文的丢弃优
先级,其中单速率三色标记比较关心 报文尺寸的突发,而双速率三色标记 则关注速率上的突发,两种算法都可

中图分类号:TN92

文献标识码:A文章编号:1009—6868(2007}03~0056—05

工作于色盲模式和非色盲模式。以下 结合这两种工作模式介绍一下RFc 中所描述的这两种算法。

摘要:令牌桶算法是目前IP Qos中最常采用的一种流量测量方法,厂泛应用于约定访 问速率技术、通用流量整形技术以及物理接口总速率限制等技术中。IETF RFC建议 规范了单速率三色标记和双速率三色标记两种令牌桶算法,在桶的构成、令牌添加 和报文处理流程方面前者较后者简单,成为目前业界比较常用的流量标记方式。在 实际虚用中,应针对不同的流量特征选择恰当的标记方式。 关键词:令牌桶;单速率三色标记;双速率三色标记;流量监管
Abstmct:The tOken bucket afgor『thm is the most popufar method Of tra仟.c measuring in
P QoS technoIogy.1t has been Tra什jc Shaping

1.1单速率三色标记算法 IETF的RFc文件|2]定义了单速率

三色标记算法,评估依据以下3个参
数:承诺访问速率(cIR),即向令牌桶

wideIy used in CommItted Access Rate(CAR),Generic Rate《LR》technologies.Two


fGTS),and

L;ne

kjnds of token bucket

中填充令牌的速率;承诺突发尺寸 (cBS),即令牌桶的容量,每次突发所
允许的最大流量尺寸(注:设置的突

aIgomhms—a

singIe阳te three cOlOr marker and

two

rate

three color

marker—have

been recommended in the Intemet Enginee ring Task

Force(1ETF)Request for Comment (RFC)documents.In view of the bucket architecture,the token adding.and the packet
process.the singIe
rate

three coIor marker is easier than the two

rate

one.For practicaI

发尺寸必须大于最大报文长度);超
额突发尺寸(EBS)。 一般采用双桶结构:c桶和E桶。 死表示c桶中的令牌数,死表示E桶

appIicatiOns,different tra仟ic characteristics ch00se different afgomhm. Key wOrds:tOken bucket:a singIe marker:traffic poIicing
rate

three cOlor marker:a twO

rate

three cOIOr

中令牌数,两桶的总容量分别为cBs
和EBs。初始状态时两桶是满的,即Tc

和死初始值分别等于CBs和EBs。令
牌的产生速率是cIR,通常是先往c桶

随蒺翼誓霎,蒜燮磊鬈
上传输的质量是IP网发展中的一个 关键所在。IP Qos技术的开发,目的就 是为用户业务提供端到端的服务质 量保证,已成为近几年业界研究的热 点。目前存在多种IPQoS服务模型,其

量整形技术来实现服务质量控制,在 其速率限制和流量整形中,主要使用 了令牌桶算法来评估流量速率是否 超过规定值…。 本文第一部分阐述了一下网络 工程师任务小组(IETF)请求注解 (RFc)建议规范的两种令牌桶算法; 第二部分简要介绍了令牌桶算法在
IP

中添加令牌,等c桶满了,再往E桶中 添加令牌,当两桶都被填满时,新产
生的令牌将会被丢弃。

色盲模式下,假设到达的报文长 度为口。若报文长度曰小于c桶中的令
牌数%,则报文被标记为绿色,且c桶

中的令牌数减少B;若冗<B<死,则标 记为黄色,E和c桶中的令牌数均减 少口;若口>Te,标记为红色,两桶总令
牌数都不减少。

中应用最广的是区分服务模型(Di船
serv)。Di缸Serv模型通过数据包分类、 拥塞管理、拥挤避免、速率限制和流

Oos中的应用;第三部分详细说明

了目前业界常用的两种实现方式,并

豸@

中兴通讯技术

万   方数据

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ZTE COMMUNlCATl0NS

按照规定的速率向桶中存放令牌 需由此接口发送的报文

进行处理。当桶中有足够的令牌则报

文可以被继续发送下去,同时令牌桶



继续发送

中的令牌量按报文的长度做相应的 减少;当令牌桶中的令牌不足时,报 文将不能被发送,只有等到桶中生成 了新的令牌,报文才可以发送。这就 可以限制报文的流量只能是小于等 于令牌生成的速度,达到限制流量的 目的。

回口口回 口回回口口 mm nn““

回口丢弃 回回回
在非色盲模式下,若报文已被标 记为绿色或曰<死,则报文被标记为

●图1

CAR进行流量控制 示意图 牌,被标记为黄色报文,从c桶中获取 令牌的报文被标记为绿色;当报文速 率小于cIR时,报文所需令牌数不会 超过死,只从c桶中获取令牌,所以只 会被标记为绿色报文。 在非色盲模式下,如果报文已被 标记为红色或者超过邛+死部分无法 得到令牌的报文,被标记为红色;如

2.2在通用流量整形中的应用 通用流量整形中(Grrs)㈩(如图2所 示)与cAR的原理稍有差别:第一, GTS只用于出方向流量限速,CAR出 人方向均可以,但一般多用于人方 向;第二,利用cAR进行报文流量控

绿色,孔减少B;若报文已被标记为黄
色或死<曰<死,则标记为黄色,且死减 少曰;若报文已被标记为红色或 曰>死,则标记为红色,%和强都不 减少。

制时,对超过速率限制的报文直接丢 弃,而GTS则是对超过速率限制的报 文进行缓冲,即当令牌桶中的令牌少 到报文不能再发送时,报文将被缓存
入队列,等有了足够的令牌之后再发 送,这样就减少了报文的丢弃,但是

1.2双速率三色标记算法 IETF的RFc文件[3]定义了双速率

果标记为黄色或者超过死未超过邛 部分报文记为黄色;如果报文被标记 为绿或未超过托部分报文,被标记为 绿色。

三色算法,主要是根据4种流量参数
来评估:cIR、cBs、峰值信息速率 (PIR),峰值突发尺寸(PBs)。前两种参 数与单速率三色算法中的含义相同, PIR这个参数只在交换机上才有,路 由器没有这个参数。该值必须不小于 cIR的设置值,如果大于cIR,则速率 限制在CIR于PRI之间的一个值。 与单速率三色标记算法不同,双 速率三色标记算法的两个令牌桶c桶 和P桶填充令牌的速率不同,c桶填 充速率为CIR,P桶为PIR;两桶的容量 分别为cBs和PBs。用Tc和Tp表示两 桶中的令牌数目,初始状态时两桶是 满的,即冗和邛初始值分别等于CBs 和PBS。 色盲模式下,如果到达的报文速 率大于PIR,超过Tp+Tc部分无法得到 令牌,报文被标记为红色,未超过 邛+死而从P桶中获取令牌的报文标 记为黄色,从c桶中获取令牌的报文 被标记为绿色;当报文速率小于PIR, 大于cIR时,报文不会得不到令牌,但 超过昂部分报文将从P桶中获取令

要注意的是,如果缓存队列已满,这
时到达的报文仍旧会被丢弃。

2令牌桶算法的应用
2.1在流量监管中的应用 约定访问速率(cAR)是流量监管 常用技术之一…,它的监管原理如图 1所示。 根据预设的匹配规则先对报文 进行分类,不符合匹配规则的报文不 需要经过令牌桶的处理,直接发送; 符合匹配规则的报文,则需要令牌桶



3在端口限速中的应用 端口限速fLR)…(如图3所示)也用

于出方向,但不同于GTs的是:第一,
GTS与CAR是在IP层实现的,所以对

于不经过IP层处理的报文不起作用,
而LR则能够限制在物理接口上通过

的所有报文;第二,LR不但能够对超 过流量限制的报文进行缓存,并且可 以利用Qos丰富的队列如优先级队列 (PQ)、自定义队列(CQ)、加权公平对
按照规定的速率向桶中存放令牌

需由此接口发送的报文



,匍

继续发送

回回口回 回回口回口 回口回回

≤≤刮
口回丢弃 口口口
≯”#‘穆

图2◆

GTS进行流量控制 示意图

万   方数据

中兴通讯技术3,

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按照规定的速率向桶中存放令牌

速率的比值:丁c=CBS/CIR,每次添加 的令牌数为cBs个;(2)一次性添加, 只有当令牌桶中没有令牌时才添加 令牌,如图6所示,添加令牌的数量是



△f×C婀(△f是当前时间与上次添加令
牌的时间之差),且是一次添加完毕, 并不是按照一定速率添加。

..图3 入队缓存

3.1.3报文处理流程

LR进行流量限制 示意图

一般的报文处理方法如图7所
示:当报文到来后,直接与桶中的令

但是在实际应用中,令牌桶究竟是怎 么实现的?令牌桶中的令牌是怎么添 加的?报文的处理流程又是什么样 的?下面就简单谈一谈令牌桶在业界 的实现方式【5]。

牌数相比较,如果有足够的令牌就转
发,如果没有足够的令牌则丢弃或缓 存。这种令牌桶处理方式在突发流量

的处理上没有优势,也就是说当存在
较大的突发流量时,令牌桶可能会由

于没有足够令牌无法处理报文,而且
3.1单速率三色标记算法的实现

在没有突发流量且报文到达速率较
大时,报文处理流程也不连续,有时

▲图4单速率三色标记算法的令牌桶构成

3.I?l桶的构成 在令牌桶的构成上,目前业界有 两种方式,如图4所示。 可以由一个桶实现,即C桶是E桶 中的一部分(图4上1,最终桶的容量是 由EBS决定的。不管有没有突发流量,

会因为令牌数量不足而造成丢包。 为解决这种无谓的丢包问题,目
前业界采用了一种借贷机制的报文

处理方法,如图8所示。当报文到来 后,只要令牌桶中有令牌,无论数量
是否足够,都可以转发报文。当令牌

EBs不能为O,必须大于或等于cBs。
这种实现方式完全按照令牌桶的定 义来实现,因为cBs和EBs都是令牌 桶的参数,所以放人一个相同的桶实 ▲图5单速率三色标记算法的令牌 添加流程一 现,通过突发计数器来进行区分。也 可以由两个桶实现(图4下),即C桶和 E桶分开实现。如果不允许有突发流 量,EBS则设置成o。

数量小于报文长度时,就可以欠债转 发,即转发后令牌桶中令牌数目为 负;当下次添加令牌的时候,先还清
所欠债务,再继续转发报文。这种处

理方法较前者在处理突发报文时有
优势,能够保证报文发送的连续性。

3.I.4实现^式比较
假设令牌桶的总容量为l
000 kb,

3.1.2令牌添加 令牌桶的添加完全依照 RFc规定实现,按照恒定的速 率cIR添加。即每隔1/CIR时间 添加一个令牌,添加顺序为先 ▲图6单速率三色标记算法的令牌 添加流程二 添加c桶再添加E桶,当令牌 桶添加满的时候,再产生的令

CIR为125 kb/s,报文到达的速率为

列(wFQ)等来缓存报文。

牌就会被丢弃。 实际中比较常见的有两

3令牌桶实现
上面介绍了RFC中定义的令牌桶 技术原理以及其在IP Qos中的应用,

种实现方式:(1)周期性的添 加,如图5所示,添加的时间间 隔就是令牌桶的容量与添加 ▲图7单速率三色标记算法的报文处理流程一

58

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由图10可知,对方式一来说,由
报文到达, 察看桶中令牌数

于令牌桶总的容量只有1

000

kb,发

送完每条报文后桶中剩余令牌数都 为o。此时若有突发流量,则报文必然
令牌数是

逗奎三乡

查一

丢弃报文

被丢弃。而方式二令牌数可为负,当

突发报文到达时即使令牌数不足仍
可通过欠债方式现将报文转发出去,

一一7\
令牌数小于报

l是

≮篓譬乡
『Ⅲ

查一转发报文.桶中令牌数
减去报文长度

后续再偿还债务。
(3)大小包混合时:方式一可能 会造成大包始终得不到转发,而方式 二则不会。 ..图8 单速率三色标记算法 的报文处理流程二 如果发送一长度大于1
000

转发报文,桶中令牌数 减去报文长度.变为负值

kb的

报文,方式一中则始终会由于令牌不 足而丢弃报文,方式二则可以通过借 债方式现转发报文后偿还债务。
(4)数据流发送过程平缓程度:方

200

kb/s,报文长度为125 kBfl 000kb)。 方式一:周期性添加令牌,只有

第二条报文发送结束,累计欠债250

kb。

这时若有报文到达,就不能继续欠 债,而要注人新的令牌才能继续转 发。直到第15 s第三条报文发送完毕 由于一次添加令牌不够还清所欠令

当令牌数足够时才转发报文。添加令 牌的周期为8 s,而转发一条报文的时 间为5
s。

式二数据处理的时间较长,所以趋势
明显比方式一平缓。

方式二:一次性添加令牌,当令

牌,所以造成了短暂的丢包现象,而
在前17s内丢包率仅为1/17—5.9%。 (2)突发流量处理:方式二在突发 流量处理方面优于方式一。

3.2双速率三色算法的实现

牌数不足时采用借债机制。转发一条
报文的时间是5 s,但是添加令牌的时 间是不一定的,每次添加令牌的数目

3.2.1桶的构成 双速率三色算法的实现,目前业

为伽×△f。
图9至图1l是对这两种方式的令 牌桶中令牌数、报文转发速率和令牌 添加过程的比较。 分析数据的处理流程得出以下 结论: (1)数据包丢弃率:方式二的丢包 率远小于方式一。 方式一中,由于令牌添加周期与 报文发送周期的不一致,导致第6 s到 第8 s由于没有令牌不能转发报文。而 第8 s到第16 s虽然在不断添加令牌, 但令牌数不足以转发一个报文,所以 仍旧无法转发报文,那在这一段时间 内到达的报文将被丢弃掉。在前16s 的时间内丢包率达到了1 0/16— 62.5%,由于添加令牌和发送报文的 时间都是固定的,所以整个发送过程 中的丢包率也为62.5%。 方式二中,第5 s第一条报文发送 结束令牌被消耗光,但第6 s又立即加 入了550 kb令牌,虽不够转发一条报 文,但可以采用借债机制,直到第10


图9◆ 两种方式报文处理过 程中令牌桶中令牌数 的比较

图10◆

两种方式报文转发速 率的比较

万   方数据

中兴通…鬈9

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ZTE COMMUNICATlONS

等原因,成为目前业界比较常用流量 标记方式。但不同的实现方式决定了

其具有一定的性能差异,合理的采用 借债方式可以弥补其在丢包率、突发
流量处理性能、大小包混合转发性

能、数据转发平缓程度等性能方面的 不足。但当存在较大速率的突发流量 时,单速率三色标记算法的借债机制
..图11

将不能较好的改善性能问题,所以单 速率三色标记算法不能完全取代双
速率三色表算法。在实际应用中,应 针对不同的流量特征选择恰当的标

两种方式添加令牌过 程的比较 丫表1单、双速率三色标记算法比较
单速率三色标记算法 桶的结构 令牌添加方式 单桶或双桶 双速率三色标记算法 双桶

记方式。

报娥理流程觯’氅徽翁萋磐懒'
界的实现基本上完全依照RFc的规 定,用两个令牌桶来实现,两个令牌 桶的容量不同,第一个是cBs,第二个 是PBS。

简单,单桶和双桶均采用恒定速率lc删添加令牌。 复杂,两桶添加令牌的速率不同1分另Ⅱ为cIR和研R}。

5参考文献:
…何宝宏IP网络的服务质量讲座:第4讲lP网络 流量与拥塞控制技术【J]中国数据通信,2003,
5(5):96—99.

【2】Helnanen J,Guerln R.1ETF RFC

2697:A

关注速率上的突发,当报文速率过犬时 可向PBS桶中借令牌。

sinqle rate three coIor

marker[R】P…adeIphh
lETF RFC 2698:A two

PA.USA:UniversitV Of PennsVlvania,1 999

【3】Heinanen J.Gue—n
rate three color ma



rker【R】.PhlIadelphia.PA.

以只会被标记为绿色报文。 当发送突发报文时,若突发流量 大于PBs,则超出部分统计为红色报 文;当突发流量大于cBs,但小于PBs 时,则超过CBs部分标记为黄色报文;

USA:Unjversitv of PennsvIvan㈦1999.

【4】李建宝,桑海令牌桶算法在IP QoS中的应用 [J】.华南金融电脑,2006,14(4):98—99 【5】QoS技术白皮书【EB/O L】
httD://www huawel一3com
com

cn/

收稿日期:2007一04一03

3.2.2令牌添加 双速率三色标记算法中两桶添 加令牌的速率不同,cBs桶添加令牌 的速率是cIR,PBs桶添加令牌的速率 则是PIR。添加令牌时先添加cBs桶, cBs桶填满后再添加PBs桶。

当突发流量小于cBs时,全部标记为 绿色报文。 在流量控制中,用户可针对不同 颜色的报文设定不同行为,如;允许 通过、丢弃、或重新标记优先级等。

3.3单速率三色算法与双速率三色


3.2.3报文处理流程 当发送连续流量时,先看报文速 率是否超过PIR:当报文速率大于PIR 时,超过PBs部分流量无法得到令牌, 被标记为红色报文;未超过PBS而从 PBs桶中获取令牌的报文标记为黄色 报文;从CBs桶中获取令牌的报文被 标记为绿色报文。当报文速率小于 PIR,大于CIR时,报文不会得不到令 牌,但会超过cBs部分报文将从PBs 桶中获取令牌,被标记为黄色报文; 其他报文将从cBs桶中取令牌,被标 记为绿色报文;当报文速率小于cIR 时,报文所需令牌数不会超过CBS,所

算法的比较 单、双速率三色标记算法的比较 如表1所示。 单速率三色标记算法采用单桶 或双桶结构,令牌添加方式和报文处 理流程比较简单;双速率三色记算法 采用双桶结构,令牌添加方式和报文 处理流程相对复杂。前者关注报文尺 上的突发,后者关注速率上的突发, 两者各有优点。
郭宇春,北京交通大学电子 信息工程学院,副教授,硕士 生导师,主要研究领域为网 络测量与建模、拓扑、路由、 P2P网络和IP网络服务质量 等,已发表论文20余篇。 李晓利,北京交通大学电子 信息工程学院通信与信息系 统专业在读硕士生。主要研 究方向为通信信息网络。

4结束语
相对双速率三色标记算法而言, 单速率三色标记算法由于实现简单

㈣瓣鼗冀嚣溪鏊鬃饕漓爨蕤囊羹冀鬟蘼壤黉嚣鏊爨攥錾饕

60

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万   方数据

QoS技术中令牌桶算法实现方式比较
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 李晓利, 郭宇春, LI Xiao-li, GUO Yu-chun 北京交通大学电子信息工程学院,北京,100044 中兴通讯技术 ZTE COMMUNICATIONS 2007,13(3) 2次

参考文献(5条) 1.何宝宏 IP网络的服务质量讲座:第4讲IP网络流量与拥塞控制技术[期刊论文]-中国数据通信 2003(05) 2.Heinanen J.Guerin R IETF RFC 2697:Asingle rate three color marker 1999 3.Heinanen J.Guerin R IETF RFC 2698:A tworate three color marker 1999 4.李建宝.桑海 令牌桶算法在IP QoS中的应用[期刊论文]-华南金融电脑 2006(04) 5.QoS技术白皮书

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引证文献(1条) 1.胡云 对网络流量管理与拥塞管理的研究[期刊论文]-电脑开发与应用 2009(5)

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