QoS队列调度算法

队列指的是在缓存中对报文进行排序的逻辑。当流量的速率超过接口带宽或超过为该流量设置的带宽时，报文就以队列的形式暂存在缓存中。报文离开队列的时间、顺序，以及各个队列之间报文离开的相互关系由队列调度算法决定。

华为交换机设备的每个端口上都有 8 个下行队列，称为CQ（Class Queue）队列，也叫 端口队列（Port-queue），在交换机内部与前文提到的 8 个PHB一一对应，分别为BE、 AF1、AF2、AF3、AF4、EF、CS6 和CS7。单个队列的报文采用 FIFO（First In First Out）原则入队和出队。

• PQ（Priority Queuing）调度

PQ（Priority Queuing）调度，就是严格按照队列优先级的高低顺序进行调度。只有 高优先级队列中的报文全部调度完毕后，低优先级队列才有调度机会。 采用PQ 调度方式，将延迟敏感的关键业务放入高优先级队列，将非关键业务放入 低优先级队列，从而确保关键业务被优先发送。 PQ调度的缺点是：拥塞发生时，如果较高优先级队列中长时间有分组存在，那么 低优先级队列中的报文就会由于得不到服务而“饿死”。

假设端口有 3 个采用PQ调度的队列，分别为高优先（High）队列、中优先（Medium） 队列、和低优先（Low）队列，它们的优先级依次降低。如图，其中报文编号表示报文到达顺序。

图1 PQ调度

• RR（Round Robin）调度

RR调度采用轮询的方式，对多个队列进行调度。RR以环形的方式轮询多个队列。 如果轮询的队列不为空，则从该队列取走一个报文；如果该队列为空，则直接跳过该队列，调度器不等待。

图2 RR调度

RR调度各个队列之间没有优先级之分，都能够有相等的概率得到调度。RR调度的缺点是：所有队列无法体现优先级，对于延迟敏感的关键业务和非关键业务无法得到区别对待，使得关键业务无法及时得到处理

• WRR（Weighted Round Robin）调度

加权轮询WRR（Weighted Round Robin）调度主要解决RR不能设置权重的不足。 在轮询的时候，WRR每个队列享受的调度机会和该队列的权重成比例。RR调度相当于权值为 1 的WRR调度。 WRR的实现方法是为每个队列设置一个计数器 Count，根据权重进行初始化。每次 轮询到一个队列时，该队列输出一个报文且计数器减一。当计数器为 0 时停止调度该队列，但继续调度其他计数器不为 0 的队列。当所有队列的计数器都为 0 时，所有计数器重新根据权重初始化，开始新一轮调度。在一个循环中，权重大的队列被多次调度。

图3 WRR调度

假设某端口有3个队列采用WRR调度，为每个队列配置一个权值，依次为50%、 25%、25%，详细的调度过程如下： 首先计数器初始化：Count[1]=2，Count[2]=1，Count[3]= 1。

− 第 1 个轮询： 从队列 1 取出报文 1 发送，Count[1]=1；从队列 2 取出报文 5 发送，Count[2]=0； 从队列 3 取出报文 8 发送，Count[3]=0。
− 第 2 个轮询： 从队列 1 取出报文 2 发送，Count[1]=0；由于Count[2]=0，Count[3]=0，队列 2 和队列 3 不参与此轮调度。 此时，Count[1]=0，Count[2]=0，Count[3]=0，将计数器重新初始化：Count[1]=2， Count[2]=1，Count[3]= 1。
− 第 3 个轮询：从队列 1 取出报文 3 发送，Count[1]=1；从队列 2 取出报文 6 发送，Count[2]=0； 从队列 3 取出报文 9 发送，Count[3]=0。
− 第 4 个轮询： 从队列 1 取出报文 4 发送，Count[1]=0；由于Count[2]=0，Count[3]=0，队列 2 和队列 3 不参与此轮调度。 此时，Count[1]=0，Count[2]=0，Count[3]=0，将计数器重新初始化：Count[1]=2， Count[2]=1，Count[3]= 1。

从统计上看，各队列中的报文流被调度的次数与该队列的权值成正比，权值越大被调度的次数相对越多。如果该端口为100Mbps，则可以保证最低权重的队列至少获得25Mbit/s带宽，避免了采用PQ调度时低优先级队列中的报文可能长时间得不到服务的缺点。WRR对于空的队列直接跳过，循环调度的周期变短，因此当某个队列流量小的时候，剩余带宽能够被其他队列按照比例占用。

WRR调度有两个缺点：

1. WRR调度按照报文个数进行调度，因此每个队列没有固定的带宽，同等调度机 会下大尺寸报文获得的实际带宽要大于小尺寸报文获得的带宽。而用户一般关 心的是带宽。当每个队列的平均报文长度相等或已知时，通过配置WRR权重， 用户能够获得想要的带宽；但是，当队列的平均报文长度变化时，用户就不能 通过配置WRR权重获取想要的带宽。
2. 低延时需求业务（如语音）得不到及时调度。

• DRR（Deficit Round Robin）调度

差分轮询DRR（Deficit Round Robin）调度实现原理与RR调度基本相同。DRR与RR的区别是：RR调度是按照报文个数进行调度，而DRR是按照报文长度进行调度。

DRR为每个队列设置一个计数器Deficit，Deficit 初始化为一次调度允许的最大字节数， 一般为接口MTU。每次轮询到一个队列时，该队列输出一个报文且计数器Deficit 减去报文长度。如果报文长度超过了队列的调度能力，DRR调度允许Deficit 出现负值，以保证长报文也能够得到调度。但下次轮循调度时该队列将不会被调度。当计数器为 0 或 负数时停止调度该队列，但继续调度其他计数器为正数的队列。当所有队列的Deficit 都为 0 或负数时，将所有队列的Deficit 计数器加上初始值，开始新一轮调度。

假设某端口MTU=150Bytes，有 2 个队列Q1和Q2采用DRR调度，Q1 队列中有多个 200Bytes 的长报文，Q2队列中有多个100Bytes 的端报文，则调度过程如图 4 所示。

图4 DRR调度

由图4可以看出，经过第 1~6 轮DRR调度，Q1队列被调出了3个200Bytes 的报文， Q2队列被调出了6个100Bytes 的报文。从长期的统计看，Q1和 Q2 的实际输出带宽比 是 1:1，为公平的比例。DRR调度避免了采用PQ调度时低优先级队列中的报文可能长时间得不到服务的缺点。 但是，DRR调度不能设置权重，且也具有低延时需求业务（如语音）得不到及时调度的缺点。

• DWRR（Deficit Weighted Round Robin）调度

差分加权轮询DWRR（Deficit Weighted Round Robin）调度主要解决DRR不能设置权重的不足。DRR调度相当于权值为 1 的DWRR调度。 DWRR为每个队列设置一个计数器Deficit，Deficit 初始化为Weight * MTU。每次轮询到一个队列时，该队列输出一个报文且计数器Deficit 减去报文长度。当计数器为 0 时停止调度该队列，但继续调度其他计数器不为 0 的队列。当所有队列的计数器都为 0 时，所有计数器的Deficit 都加上Weight*MTU，开始新一轮调度。

图5 DWRR调度

假设某端口MTU=150Bytes，有 2 个队列Q1和Q2采用DRR调度，Q1 队列中有 多个 200Bytes 的长报文，Q2队列中有多个 100Bytes 的端报文，Q1和Q2配置权重 比为weight1:weight2=2:1。则DWRR调度过程如图 2-37。

1. 第一轮调度 Deficit[1] =weight1* MTU=300，Deficit[2] = weight2* MTU=150Bytes，从 Q1 队 列取出 200Bytes 报文发送，从Q2队列取出 100Bytes 发送；发送后，Deficit[1] = 100，Deficit[2] =50。
2. 第二轮调度
   从 Q1 队列取出 200Bytes 报文发送，从Q2队列取出 100Bytes 发送；发送后， Deficit[1] = -100，Deficit[2] =-50。
3. 第三轮调度
   此时两个队列都为负，因此，Deficit[1] = Deficit[1]+weight1* MTU=-100+2150=200，Deficit[2] = Deficit[2]+weight2 MTU=-50+1*150=100。
   从 Q1 队列取出 200Bytes 报文发送，从Q2队列取出 100Bytes 发送；发送后， Deficit [1] = 0，Deficit[2] = 0。

由上图可以看出，经过第 1~3 轮DWRR调度，Q1队列被调出了3个200Bytes 的 报文，Q2 队列被调出了3个100Bytes 的报文。从长期的统计看，Q1和Q2的实际 输出带宽比是 2:1，与权重比相符。

DWRR调度避免了采用PQ调度时低优先级队列中的报文可能长时间得不到服务的缺点，也避免了各队列报文长度不等或变化较大时，WRR调度不能按配置比例分 配带宽资源的缺点。但是，DWRR调度也具有低延时需求业务（如语音）得不到及时调度的缺点。

• WFQ（Weighted Fair Queuing）调度

加权公平队列WFQ（Weighted Fair Queuing）调度是按队列权重来分配每个流应占有出口的带宽。同时，为了使得带宽分配更加“公平”，WFQ 以 bit 为单位进行调度，类似于图 6的 bit-by-bit 调度模型

图6 WFQ调度

Bit-by-bit 调度模型可以完全按照权重分配带宽，防止长报文比短报文获得更多带宽，从 而减少大小报文共存时的时延抖动。但Bit-by-bit 调度模型只是理想化的模型，实际上，华为交换机实现的WFQ是按照一定的粒度，例如 256B、1KB，或其他粒度，具体按何种粒度，与单板类型相关。
WFQ的优点主要有以下几点：

• 不同的队列获得公平的调度机会，从总体上均衡各个流的延迟。
• 短报文和长报文获得公平的调度：如果不同队列间同时存在多个长报文和短报文等 待发送，让短报文优先获得调度，从而在总体上减少各个流的报文间的抖动。
• 从统计上看，权重越小，所分得的带宽越少。权重越大，所分得的带宽越多。