「QoS」- 桶令牌 | Token Bucket

描述

令牌桶：使用令牌桶对流量进行评估，是否满足报文转发的条件。

令牌桶算法(Token Bucket Algorithm)是一种常用的网络流量整形(Traffic Shaping)和速率限制(Rate Limiting)算法，用于控制发送到网络上的数据的数目，并允许突发数据的发送。

原理

  • 存在某个服务，其以特定的速度，来向桶中投放令牌。通过令牌的投放速度，来控制流量的转发速度。
  • 在数据转发前中，需要从桶中获取令牌。仅当获取到令牌，数据才能得以转发。

  • 令牌生成：系统以固定的速率向桶中添加令牌。例如，每秒添加 10 个令牌。
  • 令牌存储：桶有最大容量，当桶满时，新添加的令牌会被丢弃。
  • 请求处理：当请求到达时，需要从桶中获取相应数量的令牌：
    • 如果有足够的令牌，则请求被允许，令牌被消耗
    • 如果令牌不足，则请求被拒绝或排队等待

概念术语

CIR，承诺信息速率，unit: kbps, kbit/s：表示向令牌桶中投放令牌的速率

CBS：承诺突发尺寸，unit: byte：用来定义在部分流量超过 CIR 之前的最大突发流量，即为令牌桶的容量

EBS：峰值突发尺寸，unit: byte：用来定义每次突发所允许的最大的流量尺寸

PIR：峰值信息速率，unit: kbps, kbit/s：表示端口允许的突发流量的最大速率，表示向令牌桶中投放令牌的速率，大于 CIR

PBS：峰值突发尺寸，unit: byte，Peek Burst Size，用来定义每次突发所允许的最大的流量尺寸，即为令牌桶的容量，大于 CBS

单桶单速双色标记法

特新特征

单桶单速双色标记法，不允许突发流量，只有承诺流量

原理简述

为方便用 Tc 和 Te 表示桶中的令牌数量，Tc 和 Te 初始化等于 CBS 和 EBS；

当报文到来后，直接与桶中的令牌数相比较：
1）如果有足够的令牌，就转发（通常用一个令牌关联一个比特的转发权限），
2）如果没有足够的令牌，则丢弃或缓存；

在色盲模式下，对于单速单桶：
1）如果报文长度不超过 C 桶中的令牌数 Tc，则报文被标记为绿色，且 Tc=Tc-B，
2）如果报文长度超过 C 桶中的令牌数 Tc，报文被标记为红色，Tc 值不变；

双桶单速三色标记法

特性特征

双桶单速三色标记法，允许短暂的突发流量

原理简述

当报文到来后，直接与桶中的令牌数相比较：
1）如果有足够的令牌，就转发（通常用一个令牌关联一个比特的转发权限）
2）如果没有足够的令牌则丢弃或缓存；

为方便，用 Tc 和 Te 表示桶中的令牌数量，Tc 和 Te 初始化等于 CBS 和 EBS；

在色盲模式下，对于双桶单速：
1）如果报文长度不超过 C 桶中的令牌数 Tc，则报文被标记为绿色，且 Tc=Tc-B，
2）如果报文长度超过 C 桶中的令牌数 Tc 但不超过 E 桶中的令牌数 Te，则报文被标记为黄色，且 Te=Te-B，
3）如果报文长度超过 E 桶中的令牌数 Te，报文被标记为红色，但 Tc 和 Te 不变；

双桶双速三色标记法

特性特征

双桶双速三色标记法，允许长期的突发流量

针对双速率三色标记算法，其关注的是速率的突发：

  • 首先评估的是数据流的速率是否符合规定的突发要求，其规则是先比较 P 桶，再比较 C 桶；

原理简述

为方便，用 Tc 和 Tp 表示桶中的令牌数量，Tc 和 Tp 初始化等于 CBS 和 PBS；

在色盲模式下，在对到达报文（假设数据包大小为 B）进行评估时，遵循以下规则：

  • 如果报文长度超过 P 桶中的令牌数 Tp，则报文被标记为红色，且 Tc 和 Tp 保持不变；
  • 如果报文长度不超过 P 桶中的令牌数 Tp 但超过 C 桶中的令牌数 Tc，则报文被标记为黄色，且 Tp=Tp-B；
  • 如果报文长度不超过 C 桶中的令牌数 Tc，报文被标记为绿色，且 Tp=Tp-B，Tc=Tc-B；

应用

  • API 速率限制
  • 网络流量控制
  • 系统资源分配
  • 防止 DDoS 攻击

参考

DeepSeek / 介绍令牌桶算法
Huawei / QoS 基本原理.pptx

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