一文解析工業(yè)網(wǎng)絡(luò)QoS的原理、作用

作者 |?Henry Martel, Antaira

“? 當今的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能且強大，這與幾年前的情況相比，是一個巨大的變化。? ”

近年來，工業(yè)通信取得了長足的進步。已經(jīng)不再是現(xiàn)場總線卡和串行連接器的時代。當今的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，智能且強大。它們可以通過高速無線網(wǎng)橋、高性能千兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機和萬兆光纖鏈路傳輸數(shù)據(jù)。

然而，情況并非總是如此。直到最近，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)仍然主要是閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，由集成數(shù)字電路、微處理器和邏輯控制器之間的簡單通信組成。多年來，這些簡化的通信形式一直是工業(yè)標準。

隨著技術(shù)和通信的進步，數(shù)字電路變得越來越笨重， 限制性強，維護成本高昂。工業(yè)企業(yè)需要更快、更強大的通信方式，以實現(xiàn)擴張和增長。這最終導致以太網(wǎng)技術(shù)被引入到過去封閉的數(shù)字環(huán)網(wǎng)中。

這些改進的通信方式，對工程師來說是一個重大的飛躍。這種新的數(shù)據(jù)傳輸方式使工程師能夠擴展過去封閉的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，并將遠程管理和分段等新功能，以及基于PC的硬件和軟件融入到他們的網(wǎng)絡(luò)中。

基于以太網(wǎng)的通信具有變革性，然而它確實帶來了一些挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)通信中使用的IEEE 802.3標準，不能滿足實時工業(yè)通信的要求。以太網(wǎng)TCP太慢了。錯誤檢查功能，雖然可以確保數(shù)據(jù)包的傳遞，但會導致延遲，無法支持實時通信。

以太網(wǎng)UDP的數(shù)據(jù)包傳輸速度，要比TCP快得多。然而，UDP協(xié)議的設(shè)計不是特別可靠，不能確保實時數(shù)據(jù)流所需的可靠的數(shù)據(jù)包傳輸。這些功能的缺乏，最終導致了工業(yè)協(xié)議的誕生，這些協(xié)議可以在亞毫秒內(nèi)提供可靠的數(shù)據(jù)包交付，這是同步工業(yè)通信流所必需的。

多年來，交換技術(shù)也經(jīng)歷了幾次變化。曾經(jīng)將通信聯(lián)系在一起的集線器和中繼器已經(jīng)過時。在數(shù)據(jù)傳輸過程中缺乏服務(wù)質(zhì)量（QoS）會導致信令問題，應(yīng)用程序通常會超時。

為了改善數(shù)據(jù)流，增加了帶沖突檢測的載波偵聽多址接入，但隨著具有高級功能集的多層交換機的出現(xiàn)，集線器和中繼器被淘汰。最終，工業(yè)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)運而生。這些功能豐富、堅固耐用的網(wǎng)絡(luò)交換機，專門為工業(yè)環(huán)境設(shè)計，將為工業(yè)領(lǐng)域提供所需的先進通信。

不斷增加的挑戰(zhàn)

交換技術(shù)的進步確實為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)打開了大門。具有更大集成內(nèi)存的更強處理器芯片，使制造商能夠以更高的速率提高數(shù)據(jù)吞吐量。我們現(xiàn)在看到的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機集成了1 GB 和10 GB 交換機端口，以及高達40 GB 的背板交換。

這種交換能力的增加，導致了嚴重依賴帶寬可用性的智能工業(yè)設(shè)備的激增。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，更依賴帶寬的設(shè)備上線，過度訂閱的交換機端口的鏈路擁塞已成為一個真正的問題?，F(xiàn)在，工程師們必須處理工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)問題。因此，他們正在進入管理員的工具包，并使用QoS 等管理功能來穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)代化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，模糊了曾經(jīng)分離的企業(yè)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之間的界限。過去，企業(yè)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是兩個物理獨立的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在則是虛擬分離的，在網(wǎng)絡(luò)的核心和分發(fā)層面上是相互連接。為了進一步增加復(fù)雜性，這些網(wǎng)絡(luò)通常共享虛擬LAN 段，這些段通常帶有安全策略、路由策略和帶寬策略。

服務(wù)質(zhì)量QoS能為工業(yè)通信做些什么？

在典型的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)包的傳輸是基于盡力而為的交付。這意味著在擁塞期間，所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都有相同的幾率被傳輸和丟棄。對于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)流或流量，這種數(shù)據(jù)傳輸方法沒有問題。然而，對于某類數(shù)據(jù)流，例如控制和同步，對數(shù)據(jù)包的交付時間有特殊要求。

圖1：現(xiàn)代化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

QoS為擁塞期間的數(shù)據(jù)包優(yōu)先級和帶寬控制提供了機制。這些機制應(yīng)用流量過濾器來維護特定類型數(shù)據(jù)流（如VoIP 和精確時間協(xié)議）的QoS。

要理解QoS， 首先必須熟悉7 層OSI 模型和4 層TCP/IP 協(xié)議棧。更重要的是，為了創(chuàng)建高效的QoS 實施，您必須了解網(wǎng)絡(luò)的第2 層和第3 層功能。

第2 層和第3 層有不同的體系結(jié)構(gòu)，處理數(shù)據(jù)流的方式也不同。第2 層，以幀的形式處理數(shù)據(jù)流，而第3 層則處理數(shù)據(jù)包。第2 層幀使用MAC 地址作為轉(zhuǎn)發(fā)幀的源和目的地。第3 層數(shù)據(jù)包使用IP 地址實現(xiàn)同樣的目的。?

圖2：第2 層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

服務(wù)質(zhì)量（QoS）概述

QoS 提供了兩種確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕痉椒?，即被稱為集成服務(wù)（IntServ）的有狀態(tài)負載控制，和區(qū)分服務(wù)（DiffServ）的無狀態(tài)負載控制。集成服務(wù)使用信令方法，在數(shù)據(jù)傳輸之前驗證網(wǎng)絡(luò)資源是否可用。區(qū)分服務(wù)使用配置方法標記數(shù)據(jù)包。在本文中，我們將使用區(qū)分服務(wù)進行QoS管理。

圖3：第3層數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)

區(qū)分服務(wù)體系結(jié)構(gòu)規(guī)定，在進入網(wǎng)絡(luò)時對每個數(shù)據(jù)包進行分類，并在退出網(wǎng)絡(luò)之前進行處理。根據(jù)傳輸?shù)牧髁款愋偷牟煌诸悓⒃诘?層或第3層報頭內(nèi)完成。

第2層幀分類，在IEEE 802.1Q幀報頭內(nèi)完成，并使用802.1p服務(wù)類別（CoS）規(guī)范，來確定流量優(yōu)先級。通過在802.1Q標記的以太網(wǎng)幀中找到的3位用戶優(yōu)先級中分配0-7之間的值，可以將流量分類為低優(yōu)先級或高優(yōu)先級。

第3 層數(shù)據(jù)包分類，使用區(qū)分服務(wù)代碼點（DSCP）。這些值位于IP 數(shù)據(jù)包報頭的服務(wù)類型（TOS）字段內(nèi)。TOS 是用于流量分類的一組屬性。

DSCP 值可以是數(shù)字值，也可以是基于標準的名稱， 稱為每跳行為。DSCP 標記有幾大類：盡力而為（BE）、類選擇器（CS）、保證轉(zhuǎn)發(fā)（AF）和快速轉(zhuǎn)發(fā)（EF）。

服務(wù)質(zhì)量背后的機制

在擁塞期間，網(wǎng)絡(luò)流量經(jīng)由配置好的QoS 端口進入交換機，然后會被分離和處理。首先使用CoS 或DSCP 值并依據(jù)其規(guī)格，對傳入流量進行分類，然后再進行分離。

分離后的流量，被轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)管者進行帶寬控制。監(jiān)管者確定需要哪種類型的帶寬需求，并在逐包的基礎(chǔ)上確定采取什么措施。包括轉(zhuǎn)發(fā)、修改或刪除在內(nèi)的操作由標記器執(zhí)行。數(shù)據(jù)包根據(jù)其在出口接口上的規(guī)范放入隊列中，并轉(zhuǎn)發(fā)到其目標。

?輪詢排隊?

路由器和交換機上的以太網(wǎng)端口，具有一組隊列或緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包在等待傳輸時就存儲在這些隊列或緩沖區(qū)中。有幾種方法可以釋放這些隊列，但最常見的兩種是嚴格（Strict）排隊和輪詢（Round robin）排隊。

嚴格排隊確保在從低優(yōu)先級隊列釋放單個幀之前高優(yōu)先級隊列為空。這對于在實驗室測試QoS非常有效，但在大多數(shù)實際應(yīng)用中，效果并不理想。在等待高優(yōu)先級隊列清空時，發(fā)送低優(yōu)先級幀的應(yīng)用會超時并導致失敗。?

▎圖4：輪詢排隊

輪詢排隊允許低優(yōu)先級隊列與高優(yōu)先級隊列一起傳輸。這種方法可以防止電子郵件或網(wǎng)頁流量等低優(yōu)先級應(yīng)用在擁塞期間超時。輪詢排隊將以高優(yōu)先級和低優(yōu)先級隊列的順序傳輸數(shù)據(jù)。例如，10-1將在返回發(fā)送另外10組幀之前，將10個高優(yōu)先級幀發(fā)送到1個低優(yōu)先級幀。輪詢排隊不斷在隊列之間循環(huán)傳輸，直到它們被清空。您可能會看到一個路由器或交換機，具有4個優(yōu)先級隊列，輪詢機制設(shè)置可能會被視為10-7-5-1。這是輪詢機制從一個隊列轉(zhuǎn)到下一個隊列時釋放的幀數(shù)。

?了解您的網(wǎng)絡(luò)?

在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建高效的QoS 以實現(xiàn)流量管理和強健的

連接，需要許多詳細步驟。具有隨手可用的一些工具可以節(jié)省時間，避免代價高昂的錯誤，從而有助于縮短這些步驟。

1、創(chuàng)建詳細的分層網(wǎng)絡(luò)圖

這是管理員工具包中最重要、也是最容易被忽視的工具之一。擁有一張詳細的、有充分文件證明的網(wǎng)絡(luò)圖， 不僅會消除對網(wǎng)絡(luò)的任何誤解，而且還會成為你規(guī)劃中的一項資產(chǎn)。您的網(wǎng)絡(luò)圖應(yīng)該包括以下內(nèi)容：

第1 層——物理硬件：盡可能概述（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制設(shè)備、I/O 設(shè)備和工作站）以及用作互連鏈路或聚合中繼的物理端口。此外，如果可能，請列出媒介類型和設(shè)備之間的距離。

第2 層——鏈路控制和分段：列出鏈路速度和雙工設(shè)置、VLAN 成員資格和點對點連接。這將有助于確定可能的擁堵點。

第3 層——IP 尋址：列出所有子網(wǎng)、路由、隧道、VPN或任何將流量定向到另一個子網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容。?

2、制造商文件

使用制造商配置指南和規(guī)格表，來驗證QoS實施的功能集和配置策略。

3、建立網(wǎng)絡(luò)基線

分析實施前后的流量模式和帶寬利用率，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)基線。您可能會多次重新查看設(shè)備配置，以獲得正確的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

?服務(wù)質(zhì)量QoS的實施?

一旦收集了所有這些信息，就需要協(xié)調(diào)QoS的實施。確保給自己足夠的時間來分析流量和測試配置。最佳實踐方法建議從網(wǎng)絡(luò)的外部邊緣開始，朝著分發(fā)和核心交換機的方向努力。

多年來，工業(yè)化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得了長足的進步。先進交換技術(shù)被引入到過去封閉的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，為新一代通信打開了大門。新一代工業(yè)化協(xié)議、千兆交換機端口和無線數(shù)據(jù)傳輸，使工業(yè)行業(yè)能夠以更安全、更高效的方式增加產(chǎn)量。

然而，這些新功能是有代價的。新應(yīng)用和I/O設(shè)備嚴重依賴帶寬進行同步和時間敏感的通信。在現(xiàn)代化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，用于傳輸數(shù)據(jù)流的有保證的帶寬是一種優(yōu)質(zhì)的資源，在處理和分配時必須如此。工程師和管理員用來管理和提供有保證帶寬的工具之一，就是QoS。

QoS 憑借其先進的機制，可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞期間提供所需的帶寬分配。通過配置網(wǎng)絡(luò)交換機，來優(yōu)先處理特定類型的流量，可以保證不間斷服務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。

實施QoS 以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)包交付，不是一項小任務(wù)。這是一個復(fù)雜的過程，需要時間和精力來協(xié)調(diào)和配置。然而，擁有一個高效、完善、有文檔記錄的網(wǎng)絡(luò)，并可根據(jù)您的具體需求進行定制，是值得投資的。?

本文來自于控制工程中文版（CONTROL?ENGINEERING?China）2022年6月刊《技術(shù)文章》欄目：現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量

編輯：黃飛

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