WLAN QOS

1. 理解WLAN QOS

1.1       WLAN QOS简介

802.11的WLAN网络为用户提供了公平竞争无线资源的无线接入服务，但不同的应用需求对于网络的要求是不同的，而原始802.11网络并没有提供区分业务优先级的机制，不能为不同应用提供不同质量的接入服务。当网络发生流量拥塞时，需要优先处理的业务报文（例如语音报文）和普通报文（例如浏览网页的报文）会按相同的概率被丢弃。这和有线网络相对完善的QOS机制无法很好的衔接，已经不能满足实际应用的需要。

WLAN QOS能针对各种不同需求，提供不同的网络服务质量。对实时性及可靠性要求高的数据报文提供更好的服务质量，并进行优先处理；而对于实时性不强的普通数据报文，则提供较低的处理优先级。

1.2       基本概念

WMM（Wi-Fi Multimedia，Wi-Fi多媒体）：WMM是一种无线QoS协议，是802.11e协议的一个子集。用于保证高优先级的报文有优先的发送权利，从而保证语音、视频等应用在无线网络中有更好的质量。

AC（Access Category，接入类）：WMM按照优先级从高到低的顺序分为Voice（语音流）、Video（视频流）、Best-effort（尽力而为流）、Back-ground（背景流）四个优先级队列，用于保证高优先级分类的报文优先抢占无线信道和发送。

EDCA（Enhanced Distributed Channel Access，增强的分布式信道访问）：是WMM定义的一套信道竞争机制，有利于高优先级的报文享有优先发送的权利和更多的带宽。

CAC（Call Admission Control，连接准入控制）：限制能使用高优先级队列（Voice和Video队列）的客户端个数，从而保证已经使用高优先级队列的客户端能够有足够的带宽。

U-APSD（Unscheduled automatic power-save delivery，非调度自动节能发送）：是WMM定义的一种新的节能处理方式，可以进一步提升客户端的节能能力。

SVP（SpectraLink Voice Priority，Spectralink语音优先级）：Spectralink公司定义的WLAN语音优先级机制，保证语音流有更高的传输优先级。

1.3        WMM服务

IEEE 802.11协议规定采用的DCF（Distributed Coordination Function，分布式协调功能）调度模式是基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听/冲突避免）原理，使得所有终端用户获取到信道的机会是均等的。

IEEE 802.11e为基于802.11协议的WLAN体系添加了QoS特性，这个协议的标准化时间很长，在这个过程中，Wi-Fi组织为了保证不同WLAN厂商提供QoS的设备之间可以互通，定义了WMM（Wi-Fi Multimedia，Wi-Fi多媒体）标准。WMM标准使WLAN网络具备了提供QoS服务的能力。

WMM通过将数据报文划分为4个接入分类（AC）队列，高优先级AC占用信道的机会高于低优先级AC，从而能针对每类报文提供不同级别的服务。

图 1.      接入分类

1.3.1     EDCA参数

WMM协议针对每一类AC定义了一套用于信道竞争的EDCA参数，它区分了不同优先级的接入信道的能力，从而保障了信道资源依据数据流优先级分配。EDCA参数含义如下：

n         AIFSN（Arbitration Inter Frame Spacing Number，仲裁帧间隙数），在 802.11协议中，空闲等待时长（DIFS）为固定值，而WMM针对不同AC可以设置不同的空闲等待时长，AIFSN数值越大，用户的空闲等待时间越长。等待时间越短则获取信道的机会更大；

n         ECWmin（Exponent form of CWmin，最小竞争窗口指数形式）和ECWmax（Exponent form of CWmax，最大竞争窗口指数形式)，决定了平均退避时间值，这两个数值越大，用户的平均退避时间越长；

n         TXOP（Transmission Opportunity，传输机会），用户一次竞争成功后，可占用信道的最大时长。数值越大，用户一次能占用信道的时长越大，如果为 0，则每次占用信道后只能发送一个报文。如果一个帧太大导致不能在一个TXOP内发送完毕，则必须分片。

1.3.2     ACK策略

ACK策略有两种：Normal ACK和No ACK。

n         Normal ACK

对每个发送的单播报文，接收者在成功接收后都发送一个ACK回应。

n         No ACK

在通信质量较好，环境干扰较少的情况下，可以设置某一个优先级的流不需要ACK报文回复进行确认，以节省回复的ACK帧占用的信道资源。无线报文交互时可以不使用ACK报文进行确认。No ACK策略能有效提高传输效率，但也有可能造成丢包问题。

& 说明

IEEE 802.11标准规定组播、广播帧不回复ACK。

1.3.3     CAC准入策略

CAC准入功能要求客户端只有在AP允许的情况下，才能以高优先级AC发送报文，否则只能用低优先级AC，保证高优先级AC中的客户端的带宽。高优先级AC包括：Voice和Video数据流；低优先级AC包括：Best-effort和Back-ground数据流。AP的控制策略如下：

n        基于信道利用率的准入策略

计算1秒内的已接入的高优先级AC信道占用时间，和请求的客户端占用的信道时间，如果二者之和小于或等于用户配置的最大信道利用率，则允许该流接入；否则拒绝。

n        基于用户个数的准入策略

当前高优先级AC的客户端数量加上请求的客户端数量，如果小于或等于用户配置的CAC最大用户个数，则允许该流接入；否则拒绝。如果一个客户端同时接入Voice和Video业务流，按一个接入客户端计算。

1.3.4     U-APSD节能模式

U-APSD是802.11e定义的一种QOS节电模式，其是对原有节电模式的一种改进。节电功能使无线终端在传输的过程中可以适当地进入休眠状态，以节约电力的消耗，延长移动终端电池的使用时间。

无线终端进入休眠状态时，由无线接入设备发往客户端的单播报文将按照优先级被缓存到四级队列中。当无线终端从休眠状态恢复时，将从发送缓存队列中获取报文。无线接入设备按照接入时确定的发送报文的数量，发送属于发送队列的报文。

1.3.5     SVP服务

SVP 服务是实现对IP 头中Protocol ID 字段值为119 的SVP 报文做特定优先级映射处理的功能。设备将按照用户设定的映射规则把SVP报文放入指定的 AC队列。由于SVP协议规定SVP 报文不需要进行随机退避，所以当对应AC 队列中只有SVP 报文时，可以将EDCA的两个参数（ECWmin 和ECWmax）设置为0。

1.4       WLAN QOS流量限速

为了使有限的网络资源能够更好地发挥效用，更好地为更多的用户服务，设备需要支持流量限速功能。当数据流量符合承诺速率时，允许数据包通过；数据流量不符合承诺速率时，丢弃数据包。

评估流量的参数如下：

n         平均速率（average-data-rate）

即允许的流的平均速度，也叫承诺信息速率。

n         突发速率（burst-data-rate）

即每次突发所允许的最大的流量，也叫承诺突发尺寸。设置的突发尺寸必须大于最大报文长度。

1.5       优先级映射

为了保证端到端的QOS，锐捷智能无线网络提供了无线QOS到有线QOS以及有线QOS到无线QOS的映射关系，进而实现了全网的端到端QoS。

1.5.1     802.11e优先级

802.11e扩展了802.11的MAC头，新增了Qos Control域，如下图所示：

图 2.      802.11e MAC Header

Qos Control域有2个字节，其中，前3个Bit是TID字段，表示数据形态识别码。TID值0-7用于具有优先权的QOS，表示使用者的优先顺序（UP），值8-15用于参数化的QOS，表示数据流ID（TSID）。

WMM将UP对应相应的AC。其对应关系如下表所示：

图 3.   802.11e优先级同AC映射表

1.5.2     QOS信任模式

无线接入设备提供两种接口优先级信任模式，用户可以通过配置实现是否信任报文的优先级：

n         信任接口报文Dot11优先级：信任802.11报文携带的802.11e优先级，以此优先级进行优先级映射。

n         信任接口报文DSCP优先级：信任IP报文自带的DSCP优先级，以此优先级进行优先级映射。

用户可以根据需要进行配置端口优先级信任模式。

& 说明

无线接口在瘦AP模式下默认是信任报文的802.11e(dot11e)优先级。

1.5.3     优先级映射表

报文在进入设备以后，设备首先需要判断当前接口的报文信任模式，即接收的报文中哪个部分的优先级信息有效，以及当前AP的工作模式；然后根据设定信息选择映射关系表，进行优先级的映射操作。

设备提供了优先级映射表，分别对应相应的优先级映射关系。各种优先级的映射表和缺省值如下所示。

n         dscp-dot11e：DSCP到802.11e映射表

	dscp	802.11e
	0~7	1
	8~15	2
	16~23	0
	24~31	3
	32~39	4
	40~47	5
	48~55	6
	56~63	7

n         dot11e- dscp： 802.11e到DSCP映射表

	802.11e	dscp
	0	0
	1	8
	2	16
	3	24
	4	32
	5	40
	6	48
	7	56

1.6       协议规范

n         IEEE 802.11e-2005：Amendment 8：Medium Access Control (MAC) Quality of Service

n         Enhancements, IEEE Computer Society

n         Wi-Fi：WMM Specification version 1.1

2. 缺省配置

	功能特性	缺省值
	开启WMM/QOS服务	缺省开启
	配置WMM服务	配置EDCA参数，缺省值见下表
		配置CAC准入支持，缺省关闭
		配置CAC准入策略，缺省无配置
		配置U-APSD节能模式，缺省关闭
		配置SVP映射队列，缺省无配置
	配置WLAN QOS限速	缺省无配置
	配置优先级队列	配置队列长度和最大优先级，缺省为0
		配置WLAN缺省优先级，缺省优先级队列为back-effort
	配置优先级映射	配置报文优先级映射，缺省无配置
		配置接口QOS信任模式，无线接口缺省信任802.11e优先级

n         客户端EDCA参数的缺省值：

	AC	AIFSN	CWmin	CWmax	TXOP
	Voice	2	2	3	47
	Video	2	3	4	94
	Best-effort	3	4	10	0
	Back-ground	7	4	10	0

n         AP使用的EDCA参数的缺省值：

	AC	AIFSN	CWmin	CWmax	TXOP
	Voice	1	2	3	47
	Video	1	3	4	94
	Best-effort	3	4	6	0
	Back-ground	7	4	10	0