一文解析工业网络QoS的原理、作用

作者 | Henry Martel, Antaira

“  当今的工业网络智能且强大，这与几年前的情况相比，是一个巨大的变化。  ”

近年来，工业通信取得了长足的进步。已经不再是现场总线卡和串行连接器的时代。当今的工业网络，智能且强大。它们可以通过高速无线网桥、高性能千兆工业以太网交换机和万兆光纤链路传输数据。

然而，情况并非总是如此。直到最近，工业网络仍然主要是闭环网络，由集成数字电路、微处理器和逻辑控制器之间的简单通信组成。多年来，这些简化的通信形式一直是工业标准。

随着技术和通信的进步，数字电路变得越来越笨重， 限制性强，维护成本高昂。工业企业需要更快、更强大的通信方式，以实现扩张和增长。这最终导致以太网技术被引入到过去封闭的数字环网中。

这些改进的通信方式，对工程师来说是一个重大的飞跃。这种新的数据传输方式使工程师能够扩展过去封闭的数字网络，并将远程管理和分段等新功能，以及基于PC的硬件和软件融入到他们的网络中。

基于以太网的通信具有变革性，然而它确实带来了一些挑战。在传统的以太网通信中使用的IEEE 802.3标准，不能满足实时工业通信的要求。以太网TCP太慢了。错误检查功能，虽然可以确保数据包的传递，但会导致延迟，无法支持实时通信。

以太网UDP的数据包传输速度，要比TCP快得多。然而，UDP协议的设计不是特别可靠，不能确保实时数据流所需的可靠的数据包传输。这些功能的缺乏，最终导致了工业协议的诞生，这些协议可以在亚毫秒内提供可靠的数据包交付，这是同步工业通信流所必需的。

多年来，交换技术也经历了几次变化。曾经将通信联系在一起的集线器和中继器已经过时。在数据传输过程中缺乏服务质量（QoS）会导致信令问题，应用程序通常会超时。

为了改善数据流，增加了带冲突检测的载波侦听多址接入，但随着具有高级功能集的多层交换机的出现，集线器和中继器被淘汰。最终，工业化网络设备应运而生。这些功能丰富、坚固耐用的网络交换机，专门为工业环境设计，将为工业领域提供所需的先进通信。

不断增加的挑战

交换技术的进步确实为工业网络打开了大门。具有更大集成内存的更强处理器芯片，使制造商能够以更高的速率提高数据吞吐量。我们现在看到的工业网络交换机集成了1 GB 和10 GB 交换机端口，以及高达40 GB 的背板交换。

这种交换能力的增加，导致了严重依赖带宽可用性的智能工业设备的激增。随着工业网络变得复杂，更依赖带宽的设备上线，过度订阅的交换机端口的链路拥塞已成为一个真正的问题。现在，工程师们必须处理工业网络中的企业网络问题。因此，他们正在进入管理员的工具包，并使用QoS 等管理功能来稳定网络。

现代化的工业网络，模糊了曾经分离的企业和工业网络之间的界限。过去，企业和工业网络是两个物理独立的网络，现在则是虚拟分离的，在网络的核心和分发层面上是相互连接。为了进一步增加复杂性，这些网络通常共享虚拟LAN 段，这些段通常带有安全策略、路由策略和带宽策略。

服务质量QoS能为工业通信做些什么？

在典型的网络中，数据流或数据包的传输是基于尽力而为的交付。这意味着在拥塞期间，所有传输的数据都有相同的几率被传输和丢弃。对于非关键数据流或流量，这种数据传输方法没有问题。然而，对于某类数据流，例如控制和同步，对数据包的交付时间有特殊要求。

图1：现代化的工业网络。

QoS为拥塞期间的数据包优先级和带宽控制提供了机制。这些机制应用流量过滤器来维护特定类型数据流（如VoIP 和精确时间协议）的QoS。

要理解QoS， 首先必须熟悉7 层OSI 模型和4 层TCP/IP 协议栈。更重要的是，为了创建高效的QoS 实施，您必须了解网络的第2 层和第3 层功能。

第2 层和第3 层有不同的体系结构，处理数据流的方式也不同。第2 层，以帧的形式处理数据流，而第3 层则处理数据包。第2 层帧使用MAC 地址作为转发帧的源和目的地。第3 层数据包使用IP 地址实现同样的目的。 

图2：第2 层数据包转发

服务质量（QoS）概述

QoS 提供了两种确保数据传输的基本方法，即被称为集成服务（IntServ）的有状态负载控制，和区分服务（DiffServ）的无状态负载控制。集成服务使用信令方法，在数据传输之前验证网络资源是否可用。区分服务使用配置方法标记数据包。在本文中，我们将使用区分服务进行QoS管理。

图3：第3层数据包转发

区分服务体系结构规定，在进入网络时对每个数据包进行分类，并在退出网络之前进行处理。根据传输的流量类型的不同，分类将在第2层或第3层报头内完成。

第2层帧分类，在IEEE 802.1Q帧报头内完成，并使用802.1p服务类别（CoS）规范，来确定流量优先级。通过在802.1Q标记的以太网帧中找到的3位用户优先级中分配0-7之间的值，可以将流量分类为低优先级或高优先级。

第3 层数据包分类，使用区分服务代码点（DSCP）。这些值位于IP 数据包报头的服务类型（TOS）字段内。TOS 是用于流量分类的一组属性。

DSCP 值可以是数字值，也可以是基于标准的名称， 称为每跳行为。DSCP 标记有几大类：尽力而为（BE）、类选择器（CS）、保证转发（AF）和快速转发（EF）。

服务质量背后的机制

在拥塞期间，网络流量经由配置好的QoS 端口进入交换机，然后会被分离和处理。首先使用CoS 或DSCP 值并依据其规格，对传入流量进行分类，然后再进行分离。

分离后的流量，被转发给监管者进行带宽控制。监管者确定需要哪种类型的带宽需求，并在逐包的基础上确定采取什么措施。包括转发、修改或删除在内的操作由标记器执行。数据包根据其在出口接口上的规范放入队列中，并转发到其目标。

 轮询排队 

路由器和交换机上的以太网端口，具有一组队列或缓冲区，数据包在等待传输时就存储在这些队列或缓冲区中。有几种方法可以释放这些队列，但最常见的两种是严格（Strict）排队和轮询（Round robin）排队。

严格排队确保在从低优先级队列释放单个帧之前高优先级队列为空。这对于在实验室测试QoS非常有效，但在大多数实际应用中，效果并不理想。在等待高优先级队列清空时，发送低优先级帧的应用会超时并导致失败。 

▎图4：轮询排队

轮询排队允许低优先级队列与高优先级队列一起传输。这种方法可以防止电子邮件或网页流量等低优先级应用在拥塞期间超时。轮询排队将以高优先级和低优先级队列的顺序传输数据。例如，10-1将在返回发送另外10组帧之前，将10个高优先级帧发送到1个低优先级帧。轮询排队不断在队列之间循环传输，直到它们被清空。您可能会看到一个路由器或交换机，具有4个优先级队列，轮询机制设置可能会被视为10-7-5-1。这是轮询机制从一个队列转到下一个队列时释放的帧数。

 了解您的网络 

在网络中创建高效的QoS 以实现流量管理和强健的

连接，需要许多详细步骤。具有随手可用的一些工具可以节省时间，避免代价高昂的错误，从而有助于缩短这些步骤。

1、创建详细的分层网络图

这是管理员工具包中最重要、也是最容易被忽视的工具之一。拥有一张详细的、有充分文件证明的网络图， 不仅会消除对网络的任何误解，而且还会成为你规划中的一项资产。您的网络图应该包括以下内容：

第1 层——物理硬件：尽可能概述（网络设备、控制设备、I/O 设备和工作站）以及用作互连链路或聚合中继的物理端口。此外，如果可能，请列出媒介类型和设备之间的距离。

第2 层——链路控制和分段：列出链路速度和双工设置、VLAN 成员资格和点对点连接。这将有助于确定可能的拥堵点。

第3 层——IP 寻址：列出所有子网、路由、隧道、VPN或任何将流量定向到另一个子网和网络的内容。 

2、制造商文件

使用制造商配置指南和规格表，来验证QoS实施的功能集和配置策略。

3、建立网络基线

分析实施前后的流量模式和带宽利用率，创建网络基线。您可能会多次重新查看设备配置，以获得正确的网络优化。

 服务质量QoS的实施 

一旦收集了所有这些信息，就需要协调QoS的实施。确保给自己足够的时间来分析流量和测试配置。最佳实践方法建议从网络的外部边缘开始，朝着分发和核心交换机的方向努力。

多年来，工业化网络已经取得了长足的进步。先进交换技术被引入到过去封闭的数字网络，为新一代通信打开了大门。新一代工业化协议、千兆交换机端口和无线数据传输，使工业行业能够以更安全、更高效的方式增加产量。

然而，这些新功能是有代价的。新应用和I/O设备严重依赖带宽进行同步和时间敏感的通信。在现代化的工业网络中，用于传输数据流的有保证的带宽是一种优质的资源，在处理和分配时必须如此。工程师和管理员用来管理和提供有保证带宽的工具之一，就是QoS。

QoS 凭借其先进的机制，可以在网络拥塞期间提供所需的带宽分配。通过配置网络交换机，来优先处理特定类型的流量，可以保证不间断服务的数据传输。

实施QoS 以实现高效的数据包交付，不是一项小任务。这是一个复杂的过程，需要时间和精力来协调和配置。然而，拥有一个高效、完善、有文档记录的网络，并可根据您的具体需求进行定制，是值得投资的。 

本文来自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2022年6月刊《技术文章》栏目：现代工业网络的服务质量

编辑：黄飞