CIR,CBS,EBS,PIR,PBS令牌桶

CIR,CBS,EBS,PIR,PBS傻傻分不清楚？看这里！----揭秘令牌桶

概述

春暖花开的时候，你们都开着汽车外出旅游欣赏美丽的风景，却被堵在高速公路上，你是否为此感到痛苦？但若是有一种机制能够评估高速公路上的车流量、控制车流状况，确保进入高速公路的汽车都能在路上安全畅行，你是否是会以为很开心？

与此类似，网络发生拥塞的时候，也是一件很是痛苦的事情，如图1和图2所示。

图1 网络拥塞场景1

  

图2 网络拥塞场景2

若是不限制用户发送的业务流量大小，大量不断突发的业务数据会使网络更加拥挤，严重时会出现网络拥塞，形成业务出现异常，同时也浪费网络资源，如图3和图4所示。

图3 网络拥塞形成资源浪费

图4 网络拥塞引发业务异常

那么，你是否很期待有一种机制能够在网络上经过监督进入网络的流量速率，以达到限制流量、提升网络资源使用效率的目的，从而保证有限的网络资源提供更好的网络服务？

流量评估

为了达到上述目的，咱们须要对进入网络的流量进行监督，实现CAR（Committed Access Rate）。

CAR：将进入网络的用户流量的速率限制在约定的范围以内，从而避免引发网络拥塞。

要实现CAR，就须要对流量进行评估，而后根据评估的结果对流量采起相应的动做：

l  若是流量没有超速，设备会为报文奖励绿牌（将报文染色为绿色）。报文可畅通无阻，即被转发。

l  若是流量稍微超速，设备会发出黄牌警告（将报文染色为×××）。一般报文会被降级，即修改报文的内部优先级，而后进行尽力而为的转发。

l  若是流量超速太多，设备会发出红牌将报文罚下（将报文染色为红色）。报文被禁止通行，即丢弃。

然而，报文不像汽车那样能够经过测速仪之类的仪器进行测速。那么，如何对报文的速率进行评估呢？——答案在这里：令牌桶。

令牌桶能够看做是一个存放令牌的容器，预先设定必定的容量。系统按给定的速度向桶中放置令牌，当桶中令牌满时，多余的令牌溢出。令牌桶是一种流量测量方法。

不得不说的令牌桶

接着上面高速公路的例子，假设进入高速公路的车辆须要在入口处领取到通行卡才能进入高速公路。为了节约人力成本，入口处放置自动出卡机。按照国家高速公路交通安全法的规定，在高速公路上行驶的车辆，车速超过100km/h时，应与同车道前车保持100米以上距离。为了保持最小安全行车距离100米，按车速100km/h计算，须要间隔至少3.6秒才能放行一辆车，所以出卡机每隔3.6秒出一张通行卡。在自动出卡机下放置一个盒子，自动出卡机按照3.6秒的间隔向盒子中投放通行卡。每辆进入高速公路的车辆，从盒子中领取通行卡以后才能够进入高速公路。

令牌桶算法与此相似。简单来讲，令牌桶能够看做是一个存放必定数量令牌的容器。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，桶中令牌再也不增长。在使用令牌桶对流量规格进行评估时，是以令牌桶中的令牌数量是否足够知足报文的转发为依据的。每一个须要被转发的报文，都要从令牌桶中领取必定数量的令牌（具体数量视报文大小而定），才能够被正常转发。若是桶中存在足够的令牌能够用来转发报文，称流量遵照或符合约定值，不然称为不符合或超标。

按照系统向令牌桶投放令牌的速率和令牌桶的数量划分，令牌桶算法有三种模式：

l  单速单桶

l  单速双桶

l  双速双桶

下面咱们以色盲模式为例详细介绍这三种模式。

单速单桶

假设有一套自动出卡系统，包括一台自动出卡机和一个盒子C。自动出卡机以固定的速率（3.6秒出一张通行卡）向盒子中投放通行卡。这个固定的速率，就至关因而单速单桶模式中的CIR参数。

CIR（Committed Information Rate）：承诺信息速率，表示向C桶（单桶模式中只有一个令牌桶，称为C桶）中投放令牌的速率，即C桶容许传输或转发报文的平均速率。

若是平均每3.6秒来了不止1辆车，通行卡很快就领完了。这时自动出卡机上的红灯亮起，新到的车辆禁止进入高速公路。这就起到了限定做用，将放行车辆的速率限制在放卡速率范围内。

若是平均每3.6秒来了不到1辆车，盒子里就会有一些积累起来的通行卡。这些累积起来的通行卡能够应付车队（好比车友俱乐部的车队）要进入高速公路这样的状况。咱们规定每辆车都要领取通行卡，都由领队的车领取。

假设某时刻来了一个车队共8辆车，但盒子里只有6张通行卡，领队车拿起通行卡一数，发现不够，那么这个车队不容许进入高速，通行卡放回盒子中。

盒子中的通行卡不停累积，总有盒子装满的时候。这个盒子的容积，就至关于单速单桶模式中的CBS参数。

CBS（Committed Burst Size）：承诺突发尺寸，表示C桶的容量，即C桶瞬间可以经过的承诺突发流量。至关于盛放通行卡的盒子里最多能够放多少张通行卡，也就是说，该自动出卡系统容许经过的车队中最多能够有多少辆车。

在单速单桶模式中，系统按照CIR速率向C桶中投放令牌。

l  若是可用令牌的总数量（Tc）小于CBS，则令牌数继续增长。

l  若是令牌桶已满，则令牌数再也不增长。

对于到达的报文（报文大小为B），

l  若是B ≤ Tc，报文被标记为绿色，且Tc减小B。

l  若是B > Tc，报文被标记为红色，Tc不减小。

假设设备端口的CIR设置为1Mbit/s，CBS为2000bytes，初始状态时C桶满。

说明：为方便计算，此处1Mbit/s按1*10⁶bit/s计算。

l  假设第1个到达的报文是1500bytes时，检查C桶发现令牌数大于数据包的长度，因此数据包被标为绿色，C桶减小令牌1500bytes，还剩500bytes。

l  假设1ms以后到达第2个报文1500bytes。在此间隔内，C桶新增令牌 = CIR * 1ms = 1000bit = 125bytes，加上C桶原来剩余的令牌500bytes，此时C桶共有625bytes。令牌数量不够，报文标记为红色。

l  假设又过1ms后到达第3个报文1000bytes。在此间隔内，C桶新增令牌125bytes，加上C桶原来剩余的令牌625bytes，此时C桶共有750bytes。令牌数量不够，所以报文被标记为红色。

l  假设又过20ms后到达第4个报文1500bytes。在此间隔内，C桶新增令牌 = CIR * 20ms = 20000bit = 2500bytes，加上C桶原来剩余的令牌750bytes，C桶此时令牌数为3250bytes。而CBS = 2000bytes，所以溢出1250bytes令牌被丢弃。此时C桶令牌数大于报文长度，报文标记为绿色，C桶减小令牌1500bytes，剩500bytes。

报文处理过程汇总见下表。

包序号	时刻 （ms）	包长 （bytes）	与上次添加令牌的间隔	本轮增长令牌	令牌增长后C桶令牌	报文处理后C桶剩余令牌	报文标记结果
					2000	2000	-
1	0	1500	0	0	2000	500	绿色
2	1	1500	1	125	625	625	红色
3	2	1000	1	125	750	750	红色
4	22	1500	20	2500	2000	500	绿色

 

单速双桶

在单速单桶模式中说到，若是平均每3.6秒来了不到1辆车，盒子里就会有一些积累起来的通行卡。若是一直没有车辆过来，盒子中的通行卡不停地累积。盒子的容量是有限的，当盒子中装满通行卡以后，不断投放的通行卡就溢出盒子，会形成浪费。

为了不这种浪费，咱们改进了这个自动出卡系统，在原来的基础上增长一个盒子E（改进后的系统对应单速双桶模式，盒子E对应单速双桶中的E桶）。自动出卡机首先向C盒中投放通行卡。当C盒满了，自动出卡机就向E盒中投放通行卡。

为了保证通行卡有序领取，咱们规定先领取C盒中的通行卡。若是C盒中的通行卡不够用，就把卡放回C盒，再从E盒中从新领取通行卡。C盒和E盒中的通行卡不能同时取用。

按照通行卡的取用，能够分为三种状况：

l  若是C盒中的通行卡够用，绿灯亮，车辆领取C盒中的通行卡后通行。

l  若是C盒中的通行卡不够用但E盒中的通行卡够用，黄灯亮，从C盒中领取的通行卡领取的通行卡要归还，车辆领取E盒中的通讯卡后通行。

l  若是E盒中的通行卡也不够用，红灯亮，车辆禁止通行，从E盒中领取的通行卡领取通行卡要归还。

和单速单桶模式同样，对于车队，有几辆车，就领取几张通行卡。固然，E盒的容量也是有限的。E盒的容量就至关于单速双桶模式中的EBS。

EBS（Excess Burst Size）：超额突发尺寸，表示E桶的容量，即E桶瞬间可以经过的超出突发流量。

假设某时刻来了一个车队有8辆车，但C盒里只有5张通行卡，而E盒中有9张通行卡，那么黄灯亮起，这辆长车从E盒中领取8张通行卡。

在单速双桶模式中，系统按照CIR速率向桶中投放令牌。

l  若是C桶中可用令牌的总数量（Tc）小于CBS，则C桶中令牌数增长。

l  若是Tc等于CBS且E桶中的可用令牌总数量（Te）小于EBS，则C桶中令牌数不增长，E桶中令牌数增长。

l  若是C桶和E桶中的令牌都已满，则两个桶中的令牌数都再也不增长。

对于到达的报文（报文大小为B），

l  若是B ≤ Tc，报文被标记为绿色，且Tc减小B。

l  若是Tc < B ≤ Te，报文被标记为×××，且Te减小B，Tc不减小。

l  若是B > Te，报文被标记为红色，且Tc和Te都不减小。

假设设备端口的CIR设置为1Mbit/s，CBS为2000bytes，EBS为2000bytes，初始状态时C桶和E桶满。

说明：为方便计算，此处1Mbit/s按1*10⁶bit/s计算。

l  假设第1个到达的报文是1500bytes时，检查C桶发现令牌数大于数据包的长度，因此数据包被标为绿色，C桶减小令牌1500bytes，还剩500bytes，E桶令牌数量保持不变。

l  假设1ms以后到达第2个报文1500bytes。在此间隔内，C桶新增令牌 = CIR * 1ms = 1000bit = 125bytes，加上C桶原来剩余的令牌500bytes，此时C桶共有625bytes，检查发现C桶内令牌数量不够。检查E桶发现有足够令牌，所以报文标记为×××，E桶减小令牌1500bytes，剩余500bytes，C桶剩余625byte保持不变。

l  假设又过1ms后到达第3个报文1000bytes。在此间隔内，C桶新增令牌125bytes，加上C桶原来剩余的令牌625bytes，此时C桶共有750bytes，检查发现C桶内令牌数量不够。检查E桶发现令牌数量也不够，所以报文被标记为红色，C桶、E桶令牌数不变。

l  假设又过20ms后到达第4个报文1500bytes。在此间隔内，C桶新增令牌 = CIR * 20ms = 20000bit = 2500bytes，加上C桶原来剩余的令牌750bytes，C桶此时令牌数为3250bytes。而CBS = 2000bytes，所以溢出的1250bytes添加到E桶，此时E桶有1750bytes。因为C桶中令牌数大于报文长度，报文标记为绿色，C桶减小令牌1500bytes，剩余500bytes，E桶不变。

报文处理过程汇总见下表。

包序号	时刻 (ms)	包长 (bytes)	与上次添加令牌的间隔	本轮增长令牌	令牌增长后各桶令牌		报文处理后各桶剩余令牌		报文标记结果
					C桶	E桶	C桶	E桶
					2000	2000	2000	2000	-
1	0	1500	0	0	2000	2000	500	2000	绿色
2	1	1500	1	125	625	2000	625	500	×××
3	2	1000	1	125	750	500	750	500	红色
4	22	1500	20	2500	2000	1750	500	1750	绿色

 

双速双桶

前面说到的自动出卡机，都只有一个口能够输出通行卡。而这里说到的高级自动出卡机，有两个口能够出卡，一个口输出的是通行卡，一个口输出的是服务卡。固然，这里也有两个盒子用于盛放卡，分别是盒C盒和P盒。自动出卡机上的两个口分别以各自固定的速率向两个盒子中投放卡。（这个高级自动出卡机系统对应双速双桶模式，C盒和P盒对应双速双桶模式中的C桶和P桶。）

领取卡的规则和前面单速的状况有所不一样。咱们规定：

l  先领取服务卡。若是服务卡不够，把卡放回P盒，红灯亮，车辆禁止通行。

l  若是服务卡足够但通行卡不够，黄灯亮，服务卡能够取走，通行卡放回C盒。

l  若是服务卡和通行卡都足够，绿灯亮，车辆能够通行，服务卡和通行卡都取走。

自动出卡机向P盒投放服务卡的速率和P盒的容量，就分别至关于双速双桶模式中的PIR和PBS。

PIR（Peak information rate）：峰值信息速率，表示向P桶中投放令牌的速率，即P桶容许传输或转发报文的峰值速率。PIR的值应大于CIR（存在服务卡足够而通行卡不够的状况）。

PBS（Peak Burst Size）：峰值突发尺寸，表示P桶的容量，即P桶瞬间可以经过的峰值突发流量。

按照国家高速公路交通安全法的规定，在高速公路上行驶的车辆，最高时速为120km/h。前面领取的通行卡，保证车辆的时速为100km/h。而服务卡的做用，则是容许车辆时速能够达到120km/h。自动出卡机向P盒投放服务卡的速率就是容许的最高车速，至关于PIR。

在双速双桶模式中，系统按照PIR速率向P桶中投放令牌，按照CIR速率向C桶中投放令牌。

l  若是P桶中可用令牌的总数量（Tp）小于PBS，则P桶中令牌数增长。

l  若是C桶中可用令牌的总数量（Tc）小于CBS，则C桶中令牌数增长。

对于到达的报文（报文大小为B），

l  若是Tp < B，报文被标记为红色，且Tc和Tp都不减小。

l  若是Tc < B ≤ Tp，报文被标记为×××，且Tp减小B，Tc不减小。

l  若是B ≤ Tc，报文被标记为绿色，且Tp和Tc都减小B。

假设设备端口的CIR设置为1Mbit/s，PIR设置为2Mbit/s，CBS为2000 bytes，PBS为3000 bytes，初始状态时C桶和P桶满。

说明：为方便计算，此处1Mbit/s按1*10⁶bit/s计算。

l  第1个到达的报文假设是1500bytes时，检查发现报文长度不超过P桶也不超过C桶，因此数据包被标为绿色，C桶和P桶都减小令牌1500bytes，C桶还剩500bytes，P桶还剩1500bytes。

l  假设1ms后到达第2个报文1800bytes。在此间隔内，P桶新增令牌 = PIR * 1ms = 2000bit = 250bytes，加上P桶原来剩余的令牌1500bytes，此时P桶共有1750bytes，小于报文长度。C桶新增令牌 = CIR * 1ms = 1000bit = 125bytes，加上C桶原来剩余的令牌500bytes，此时C桶共有625bytes。报文标记为红色，P桶、C桶令牌数不变。

l  假设又过1ms后到达第3个报文1000bytes。在此间隔内，P桶新增令牌250byte，加上P桶原来剩余的令牌1750byte，此时P桶共有令牌2000bytes，大于报文长度。再检查C桶，C桶新增令牌250bytes，加上C桶原来剩余的令牌625byte，此时C桶共有750bytes，仍然小于报文长度。所以报文被标记为×××，P桶减小令牌1000bytes，剩余1000bytes，C桶令牌不变。

l  假设又过20ms以后到达报文1500bytes。在此间隔内，P桶新增令牌 = PIR * 20ms = 40000bit = 5000bytes，超过P桶容量PBS，所以P桶令牌数 = PBS =3000bytes，溢出的令牌丢弃。这样P桶有2000bytes，大于报文长度。此时C桶增长令牌 = CIR * 20ms = 20000bit = 2500bytes，超过C桶容量CBS，所以C桶令牌数 = CBS =2000byte，溢出的令牌丢弃。C桶此时令牌数2000 bytes，大于报文长度。报文被标记为绿色，P桶减小令牌1500bytes，剩余1500bytes；C桶减小令牌1500bytes，剩余500bytes。

报文处理过程汇总见下表。

包序号	时刻 (ms)	包长 (bytes)	与上次添加令牌的间隔	本轮增长令牌		令牌增长后各桶令牌		报文处理后各桶剩余令牌		报文标记结果
				C桶	P桶	C桶	P桶	C桶	P桶
						2000	3000	2000	3000	-
1	0	1500	0	0	0	2000	3000	500	1500	绿色
2	1	1800	1	125	250	625	1750	625	1750	红色
3	2	1000	1	125	250	750	2000	750	1000	×××
4	22	1500	20	2500	5000	2000	3000	500	1500	绿色

  

三种令牌桶模式的区别和应用场景

由前文描述能够看出，三种令牌桶模式之间既有区别也有演进关系，具体见下表。

	单速单桶	单速双桶	双速双桶
关键参数	CIR和CBS	CIR、CBS和EBS	CIR、CBS、PIR和PBS
令牌投放	以CIR速率向C桶投放令牌。C桶满时令牌溢出。	C桶满时令牌投放到E桶。C桶和E桶都不满时，只向C桶投放令牌。	以CIR速率向C桶投放令牌，以PIR速率向P桶中投放令牌。两个桶相对独立。桶中令牌满时令牌溢出。
是否容许流量突发	不容许流量突发。报文的处理以C桶中是否有足够令牌为依据。	容许报文尺寸的突发。先使用C桶中的令牌，C桶中令牌数量不够时，使用E桶中的令牌。	容许报文速率的突发。C桶和P桶中的令牌足够时，两个桶中的令牌都使用。C桶中令牌不够时，只使用P桶中的令牌。
报文颜色标记结果	绿色或红色	绿色、×××或红色	绿色、×××或红色
演进关系	单速双桶模式中，若是EBS等于0，其效果和单速单桶是同样的。 双速双桶模式中，若是PIR等于CIR，其效果和单速单桶是同样的

基于上述三种令牌桶模式之间的区别，其功能和使用场景也有所不一样，具体见下表。

令牌桶模式	功能	选用场景
单速单桶	限制带宽	优先级较低的业务（如企业外网HTTP流量），对于超过额度的流量直接丢弃保证其余业务，不考虑突发。
单速双桶	限制带宽，还能够允许一部分流量突发，而且能够区分突发业务和正常业务	较为重要的业务，允许有突发的业务（如企业邮件数据），对于突发流量有宽容。
双速双桶	限制带宽，能够进行流量带宽划分，能够区别带宽小于CIR仍是在CIR ~PIR之间	重要业务，能够更好的监控流量的突发程度，对流量分析起到指导做用。

参数设置有讲究

在令牌桶算法中，CIR的值越大，即令牌产生的速率越大，报文能够获取的令牌就越多，流向网络的流量也就越大。所以，CIR的值是控制流入网络中流量多少的关键。CBS也是一个重要参数。CBS的值越大，C桶中能够积累令牌的数目也越多，容许经过的报文尺寸就越大。

因为设备进行的是逐包转发，CBS的值不该该小于当前网络上容许传输的报文的最大长度。

例如，在单速单桶模式下，假设要把流量限定在10Mbit/s，而CBS值过小（如设置成1000byte）。若是某个时间段内流量的报文，每一个报文大小都大于1000byte，那么这些报文全都被丢弃。这段时间内，没有报文被转发，报文的转发速率为0，致使网络资源被浪费，业务也出现异常。

那是否是CBS的值越大就越好呢？显然不是。CBS值太大，会失去限速的意义。例如，假设要把流量限定在10Mbit/s，CBS设置成7200Mbyte。某个时刻，令牌桶中的令牌已满，若是接下来1小时内流量的报文，其报文长度不一，但共计7200Mbyte，这些报文都能得到令牌并被转发，那么这段时间内的报文速率为16Mbit/s（7200M * 8 / 3600）而不是10Mbit/s，即没有实现限速。

同理，对于双速双桶模式，PIR和PBS的值也应设置在合理范围内。

说明：目前华为以太网交换机只支持单速单桶和双速双桶模式。

简单来讲，带宽参数的设置取决于实际业务的限速须要。原则上，令牌桶容量须要大于等于网络中可能出现的最大的报的长度和业务流量的正常突发量。对于华为的以太网交换机，咱们有总结的经验性公式：

l  带宽 ≤ 100Mbit/s时，令牌桶容量（Bytes） = 带宽（kbit/s） * 1000（s）/8

l  带宽 > 100Mbit/s时，令牌桶容量（Bytes） = 100000（kbit/s） * 1000 （s）/8

另外，华为的以太网交换机，不一样系列的单板支持的CAR粒度不一样。在进行流量监管和限速时，

l  若是配置的CIR、PIR是最小粒度的整数倍，则按照配置的速率进行监管和限速。

l  若是配置的CIR、PIR不是最小粒度的整数倍，则按照最小粒度的整数倍进行流量监管和限速。

例如，设备上的监管和限速粒度为64kbit/s，若是CIR值 ≤ 64kbit/s，按照64kbit/s处理；若是128kbit/s < CIR值 ≤ 192kbit/s，按照192kbit/s处理。

令牌桶原理应用之接口限速

令牌桶原理能够应用到设备的入方向和出方向。根据令牌桶原理在不一样方向的应用，能够实现不一样的功能，见下图。

流量监管、流量×××、接口限速与令牌桶算法之间的关系，见下表。

应用方向	单速单桶	双速双桶
设备入方向	基于接口，实现接口限速	基于流，实现流量监管
设备出方向	基于接口，实现接口限速	基于队列，实现流量×××

流量监管是一种经过对流量规格进行监督，以限制流量及网络资源使用的流控策略。若是这种流控策略应用到设备接口的入方向，也能够实现入方向的接口限速。与基于接口实现的入方向的接口限速相比，这种方式引入了MQC（Modular QoS Command-Line Interface），所以应用更加灵活。

一般咱们所说的限速是广义上的接口限速，包括基于接口和基于MQC实现的入方向的接口限速。