QoS优先级映射

QoS优先级映射

  (2018-06-04 14:45:45)

不同的报文使用不同的QoS优先级，例如VLAN报文使用802.1p，IP报文使用DSCP，MPLS报文使用EXP。为了保证不同报文的服务质量，在报文进设备时，需要将报文携带的QoS优先级统一映射到设备内部的服务等级Service Class（也叫做调度优先级PHB）和丢弃优先级（也叫颜色Color），在设备内部，根据报文的服务等级进行拥塞管理，根据报文的颜色进行拥塞避免；在报文出设备时，需要将内部的服务等级和颜色映射为QoS优先级，以便后续网络设备能够根据QoS优先级提供相应的服务质量。QoS优先级映射

将QoS优先级映射到服务等级和颜色是在报文上行方向进行，而服务等级和颜色映射为QoS优先级则是在下行方向进行。

图1 QoS优先级映射
 

Service Class

Service Class是指报文在设备内部的服务等级，支持8种取值，优先级从高到低依次为CS7、CS6、EF、AF4、AF3、AF2、AF1、BE。Service Class决定了报文在设备内部所属的队列类型。

服务等级的高低取决于具体的队列调度算法配置：

• 如果8种类型的队列都配置为PQ调度，则CS7>CS6>EF>AF4>AF3>AF2>AF1>BE；
• 如果BE配置为PQ调度（一般不会这么配置），其余7种类型的队列配置为WFQ调度，则BE的优先级比其余7个都高；
• 如果8种类型的队列都配置成WFQ调度，则相互之间无优先级高低之分。

 说明：

关于队列调度，请参见本文后面的介绍。

Color

Color是指报文在设备内部的丢弃优先级，用于实现同一个队列内部，当队列发生拥塞时报文丢弃顺序。Color支持3种取值，IEEE定义的优先级从低到高依次为Green、Yellow、Red。

丢弃优先级的高低实际取决于对应参数的配置，例如：配置Green最大只能使用50%缓存，Red最大可以使用100%缓存，则Green的丢弃优先级比Red高。

端口信任

在“流分类与流动作”中介绍流分类时提到：“当报文在DiffServ域边界被分类之后，网络的中间节点可以根据分类结果对不同类别的流量给予差别服务。下游节点可以选择使用上游节点的分类结果，也可以按照自己的分类标准对数据流重新进行分类”。那么，如果选择使用上游节点的分类结果，则表示该节点信任上游节点的分类结果，即信任（trust）从连接上游节点的端口接收的报文所携带的QoS标记。因此，设备在实现QoS优先级映射时，可以选择信任端口的上行报文携带的优先级标记（包括DSCP、IP Precedence、802.1p、MPLS Exp），这种模式称为端口信任模式。

NE40E缺省情况下不信任接口，即不关心报文携带的优先级信息，统统将报文的服务等级标记为BE，报文颜色标记为Green。

DS域与优先级映射表

在NE40E上，设备根据优先级映射表实现QoS优先级映射。而在DiffServ模型中，不同DS域允许有不同的PHB映射关系，以实现不同的服务提供策略，因此设备需要允许管理员定义DS域并针对不同的DS域设定不同的优先级关系。

NE40E允许管理员自定义DS域，同时系统预定义了如下域：

• Default域：描述了缺省情况下IP报文、VLAN报文、MPLS报文的外部优先级和服务等级、颜色之间的映射关系。
• 5p3d域：描述了VLAN报文802.1p优先级和设备内部服务等级、颜色之间的映射关系，应用于仅支持5种服务等级（Service Class）和3种丢弃优先级的802.1ad局域网。 说明：

  IEEE定义了8种调度优先级的PHB（CS7、CS6、EF、AF4~AF1、BE），对于AF4~AF1又定义了3种丢弃优先级的PHB。因此，PHB数量是4 + 4*3 = 16种。

  而DSCP有64个取值，可以涵盖这16种PHB。但VLAN优先级的802.1p只有8个取值，无法涵盖这16种PHB。通常是将VLAN的8个值与8个调度优先级对应。但IEEE 802.1ad协议定义的STAG格式与CTAG不同，STAG支持DEI（Drop Eligible Indicator）但CTAG不支持DEI。为此IEEE 802.1ad同时提供了对CTAG和STAG都适用的一种利用3Bit的PCP（Priority Code Point）来进行Priority和丢弃优先级（Drop Eligibility）的设定，即要求一个802.1p值能同时表达调度优先级+丢弃优先级的含义，因此诞生了8p0d、7p1d、6p2d和5p3d的概念。其中的“p”是指服务等级（Service Class），“d”是指丢弃优先级。5p3d含义是支持5种服务等级（Service Class）和3种丢弃优先级。

这两个域默认存在，不允许删除。允许用户对Default域中的映射关系进行修改，5p3d域的映射关系不允许修改。

Default域的默认优先级映射表

在NE40E上，默认的外部优先级和内部优先级之间的映射关系如下。

表1 DSCP到服务等级的缺省映射表

DSCP	Service	Color	DSCP	Service	Color
0~7	BE	Green	28	AF3	Yellow
8	AF1		29	BE	Green
9	BE		30	AF3	Red
10	AF1		31	BE	Green
11	BE		32	AF4
12	AF1	Yellow	33	BE
13	BE	Green	34	AF4
14	AF1	Red	35	BE
15	BE	Green	36	AF4	Yellow
16	AF2		37	BE	Green
17	BE		38	AF4	Red
18	AF2		39	BE	Green
19	BE		40	EF
20	AF2	Yellow	41~45	BE
21	BE	Green	46	EF
22	AF2	Red	47	BE
23	BE	Green	48	CS6
24	AF3		49~55	BE
25	BE		56	CS7
26	AF3		57~63	BE
27	BE

表2 服务等级到DSCP的缺省映射表

Service	Color	DSCP
BE	Green	0
AF1	Green	10
AF1	Yellow	12
AF1	Red	14
AF2	Green	18
AF2	Yellow	20
AF2	Red	22
AF3	Green	26
AF3	Yellow	28
AF3	Red	30
AF4	Green	34
AF4	Yellow	36
AF4	Red	38
EF	Green	46
CS6	Green	48
CS7	Green	56

表3 IP Precedence/MPLS EXP/802.1p到服务等级的缺省映射表

IP Precedence/MPLS EXP/802.1p	Service	Color
0	BE	Green
1	AF1	Green
2	AF2	Green
3	AF3	Green
4	AF4	Green
5	EF	Green
6	CS6	Green
7	CS7	Green

表4 服务等级到IP Precedence/MPLS EXP/802.1p的缺省映射表

Service	Color	IP Precedence/MPLS EXP/802.1p
BE	Green、Yellow、Red	0
AF1	Green、Yellow、Red	1
AF2	Green、Yellow、Red	2
AF3	Green、Yellow、Red	3
AF4	Green、Yellow、Red	4
EF	Green、Yellow、Red	5
CS6	Green、Yellow、Red	6
CS7	Green、Yellow、Red	7

5p3d域的默认优先级映射表

IEEE 802.1ad中对PCP的定义如下图。

图2 PCP encoding/decoding
 

图2中，数字x（0<=x<=7）表示802.1p Priority为x，drop_eligible为false，即不可设定丢弃优先级；数字+字母形式的xDE表示802.1p Priority为x，drop_eligible为true，即可设定丢弃优先级。

NE40E的5p3d域默认优先级映射表遵从IEEE 802.1ad协议的定义，其与IEEE 802.1ad协议的对应关系如下：

表5 NE40E5p3d域与IEEE 802.1ad协议的对应关系

802.1p到Color的映射		从Color到802.1p的映射
IEEE 802.1ad的drop_eligible	NE40E报文颜色	NE40E报文颜色	IEEE 802.1ad的drop_eligible
false	Green	Green	false
true	Yellow	Yellow、Red	true

NE40E的5p3d域优先级映射关系如下。

表6 802.1p到服务等级的映射表

802.1p	Service	Color
0	BE	Yellow
1	BE	Green
2	AF2	Yellow
3	AF2	Green
4	AF4	Yellow
5	AF4	Green
6	CS6	Green
7	CS7	Green

 说明：

从802.1p到内部服务等级的正向映射时（表6），入接口可能处于非5p3d域而出接口处于5p3d域，非5p3d域可能有8种优先级，因此映射前的802.1p有8种可能的取值，映射入5p3d域只能有五种优先级，因此映射到的内部Service只有BE、AF2、AF4、CS6和CS7五种；

从内部服务等级到802.1p的反向映射时（表7），入接口可能是根据DSCP/Exp/IP preference或者是非5p3d域的802.1p做的正向映射，因此可能出现8种服务等级。而出接口可能处于非5p3d域，因此映射后的802.1p可能有8种取值。

表7 服务等级到802.1p的映射表

Service	Color	802.1p
BE	Green	1
BE	Yellow	0
BE	Red	0
AF1	Green	1
AF1	Yellow	0
AF1	Red	0
AF2	Green	3
AF2	Yellow	2
AF2	Red	2
AF3	Green	3
AF3	Yellow	2
AF3	Red	2
AF4	Green	5
AF4	Yellow	4
AF4	Red	4
EF	Green	5
EF	Yellow	4
EF	Red	4
CS6	Green、Yellow、Red	6
CS7	Green、Yellow、Red	7

IETF RFC的建议

IETF的相关标准根据业务属性和对服务质量的要求，将业务分为12类（表8），并给出了这12类业务到DSCP的映射建议（表9）。

表8 业务分类建议（摘自RFC4594 - Figure 2）

业务分类	业务特征	QoS指标
		时延容忍度	抖动容忍度	丢包率容忍度
Network Control	网络控制平面的业务流，如路由协议、VRRP、RSVP-TE	Low	Low	Yes
Telephony	VoIP电话业务（G.711、G.729等语音流）	Very Low	Very Low	Very Low
Signaling	IP语音和视频业务的信令流。如SIP, SIP-T, H.323, H.248	Low	Low	Yes
Multimedia Conferencing	桌面多媒体会议（仅包括语音和视频，其数据归到Low-Latency Data类）	Low - Medium	Very Low	Low
Real-Time Interactive	视频会议（仅包括语音和视频，其数据归到Low-Latency Data类）、高清视频、交互式游戏(使用RTP/UDP)	Low	Very Low	Low
Multimedia Streaming	VoD视频点播	Low - Medium	Medium	Yes
Broadcast Video	广播电视、实时视频监控业务	Very Low	Medium	Low
Low-Latency Data	交互式的重要数据业务，要求响应时间短，如VCX IP消息业务、ERP、CRM、DB。	Low	Low - Medium	Yes
OAM	网络运维、维护和管理业务，例如SNMP、Syslog、SSH	Low	Medium	Yes
High-Throughput Data	非交互性的背景业务，其用户不着急等待业务响应，如E-mail、FTP。	Low	Medium - High	Yes
Standard	默认的Internet业务（Best-Effort业务）。如果业务没有标记优先级，可将其归为此类。	Not Specified
Low-Priority Data	非实时的弹性的业务，如娱乐视频流量。当网络拥塞，这类业务首先被丢弃。	High	High	Yes

表9 业务类型到DSCP的映射(摘自RFC4594 - Figure 3)

业务类型	DSCP Name	DSCP Value	Application Examples
Network Control	CS6	110000(48)	Network routing
Telephony	EF	101110(46)	IP Telephony bearer
Signaling	CS5	101000(40)	IP Telephony signaling
Multimedia Conferencing	AF41 AF42 AF43	100010(34) 100100(36) 100110(38)	H.323/V2 video conferencing (adaptive)
Real-Time Interactive	CS4	100000(32)	Video conferencing and Interactive gaming
Multimedia Streaming	AF31 AF32 AF33	011010(26) 011100(28) 011110(30)	Streaming video and audio on demand
Broadcast Video	CS3	011000(24)	Broadcast TV & live events
Low-Latency Data	AF21 AF22 AF23	010010(18) 010100(20) 010110(22)	Client/server transactions Web-based ordering
OAM	CS2	010000(16)	OAM & P
High-Throughput Data	AF11 AF12 AF13	001010(10) 001100(12) 001110(14)	Store and forward applications
Standard	CS0	000000(0)	Undifferentiated applications
Low-Priority Data	CS1	001000(8)	Any flow that has no BW assurance

3GPP的流分类建议

3GPP TS23.203协议将无线业务分成9类，并定义了对应的QCI（QoS class identifier）。每个QCI指示每类业务的资源类型、优先级、时延、丢包率等质量要求。QCI标准化了业务的QoS要求。EPS按照QCI来控制QoS。QCI在EPS中各个网元中传递，避免了协商和传递大量具体的QoS参数。QCI只作用于无线网元，对承载层面不可见。

3GPP的建议

表10 3GPP的流分类建议(摘自3GPP TS23.203 - Table 6.1.7)

QCI	资源类型	优先级	数据包时延	数据包错误率&丢失率	典型业务
1	GBR	2	100 ms	10-2	会话语音
2		4	150 ms	10-3	会话视频（实时体)
3		3	50 ms	10-3	实时游戏
4		5	300 ms	10-6	非会话视频 (缓冲流)
5	Non-GBR	1	100 ms	10-6	IMS信令
6		6	300 ms	10-6	视频（缓冲流）、基于TCP的应用（例如，WWW、电子邮件、聊天、FTP、p2p文件共享、逐行扫描视频等)
7		7	100 ms	10-3	语音、视频（实时流)、交互式游戏
8		8	300 ms	10-6	视频 (缓冲流)、基于TCP的应用(例如WWW上网、电子邮件、聊天、FTP、p2p文件共享、逐行扫描视频等)
9		9

3GPP没有给出QCI与DSCP之间的映射关系。华为的建议请参见表11。

表11 LTE业务优先级映射建议

业务类型	QCI	资源类型	典型业务	DSCP	802.1p/MPLS EXP	PHB
User Plane	1	GBR	会话语音	0x2E(46)	5	EF
	2		会话视频	0x1A(26)	3	AF31
	3		实时游戏	0x22(34)	4	AF41
	4		非会话视频	0x1A(26)	3	AF31
	5	non-GBR	IMS信令	0x30(48)	5	EF
	6		视频（缓冲流）、基于TCP的应用（例如，WWW、电子邮件、聊天、FTP、p2p文件共享、逐行扫描视频等)	0x12(18)	2	AF21
	7		语音、视频（实时流)、交互式游戏	0x12(18)	2	AF21
	8		视频（缓冲流）、基于TCP的应用（例如，WWW、电子邮件、聊天、FTP、p2p文件共享、逐行扫描视频等)	0x0A(10)	1	AF11
	9			0x00(00)	0	BE
Control Plane	-		SCTP	0x2E(46)	5	EF
OM	-		MML（Man-Machine Language，人机交互语言）	0x2E(46)	5	EF
	-		FTP	0x0E(14)	1	AF11
IP Clock	-			0x2E(46)	5	EF

GSMA的流分类建议

GSMA将流量分为四类：会话类、流媒体、交互类和背景类。GSMA推荐将这4种类型映射为IETF推荐的6类DSCP值，见表12和表13。

表12 流量类型与DSCP值的映射(摘自GSMA IR34 - table6)

流量类型	QoS信息
	THP(Traffic Handing Priority)	PHB	DSCP
会话类	N/A	EF	101110 (46)
流媒体	N/A	AF41	100010 (34)
交互类	1	AF31	011010 (26)
	2	AF21	010010 (18)
	3	AF11	001010 (10)
背景类	N/A	BE	000000 (0)

表13 业务应用与DSCP值的映射(摘自GSMA IR34 - table7)

业务应用	Diffserv PHB	流量类型
视频共享	EF	会话类
VoIP	EF	会话类
即按即说（Push-to-Talk）	AF4	流媒体
视频流	AF4	流媒体
无法识别的GTP流量	AF3	交互类
DNS	AF3	交互类
在线游戏	AF3	交互类
网页浏览（Browsing）	AF2	交互类
即时消息（Instant Message）	AF1	交互类
远程连接	AF1	交互类
Email, MMS	BE	背景类

IEEE 802.1的流分类建议

IEEE 802.1标准（包括802.1D、802.1Q和802.1ad）利用VLAN Tag的PCP字段(3Bit)定义了以下8种流量类型。

表14 IEEE 802.1的分类建议

流量类型	优先级	协议举例	业务特征
Network Control	7	BGP, PIM, SNMP	网络维护与管理报文的可靠传输，要求低丢包率
Internet Work Control	6	STP, OSPF, RIP	大型网络中区分于普通流量的网络协议控制报文
Voice	5	SIP, MGCP	适用于语音业务，一般要求时延小于10 ms
Video	4	RTP	适用于视频业务，一般要求时延小于 100 ms
Critical Applications	3	NFS, SMB, RPC	适用于要求确保最小带宽的业务
Excellent Effort	2	SQL	用于一般的信息组织向最重要的客户发送信息
Best Effort	0(default)	HTTP, IM, X11	缺省业务类型，只要求"尽力而为"的服务质量
Background	1	FTP, SMTP	适用于不影响用户或关键应用的批量传输业务

MEF的流分类建议

MEF23.1标准根据以太二层传输的业务特征和QoS需求，将业务分为高（H）、中（M）、低（L）3类优先级，使用COS Label标记，并使用DEI (drop eligibility identifier)标记丢弃优先级，请参见表15。

MEF23.1同时也给出了COS Label和DSCP之间的映射关系建议，请参见表16和表17。

表15 业务优先级划分（摘自MEF 23.1 - Table 36）

业务类型	COS Label
VoIP	H
VoIP & videoconf signaling	M
Videoconf data	M
IPTV data	M
IPTV control	M
Streaming media	L
Interactive gaming	H/M
SANs synch replication	M
SANs asynch replication	M
Network attached storage	L
Text & graphics terminals	L
T.38 fax over IP	M
Database hot standby	M
Database WAN replication	M
Database client/server	L
Financial/Trading	H
CCTV	H
Telepresence	H
Circuit Emulation	H
Mobile BH H	H
Mobile BH M	M
Mobile BH L	L

表16 COS ID类型仅为EVC或OVC EP时的Color ID值（摘自MEF23.1的Table 3）

CoS标签	CoS ID类型	Color标识
		C-Tag PCP		PHB (DSCP)
		Color Green	Color Yellow	Color Green	Color Yellow
H	EVC or OVC EP	5, 3 or 1	N/S in Phase 2	EF or AF (10, 26 or 46)	N/S in Phase 2
M	EVC or OVC EP	5, 3 or 1	2 or 0	EF or AF (10, 26 or 46)	AF (0, 12, 14, 28 or 30)
L	EVC or OVC EP	5, 3 or 1	2 or 0	EF or AF (10, 26 or 46)	AF (0, 12, 14, 28 or 30)

表17 CoS标识和Color标识 （摘自MEF23.1的Table 4）

CoS标签	CoS和Color标识
	C-Tag PCP		PHB (DSCP)		S-Tag PCP（不支持DEI）		S-Tag PCP
	Color Green	Color Yellow	Color Green	Color Yellow	Color Green	Color Yellow	支持DEI
H	5	N/S in phase 2	EF(46)	N/S in phase 2	5	N/S in phase 2	5
M	3	2	AF31(26)	AF32(28)	3	2	3
				AF33(30)
L	1	0	AF11(10)	AF12(12)	1	0	1
				AF13(14)
				DF(0)

ITU-T的建议

ITU-T的Y.1541根据IPTD（传输时延）、IPDV（时延变化）、IPLR(丢包率)、IPER（错误率）四个参数，将业务分为Class0~5，共6类（见表18），同时给出了IP QoS分类指导（见表19和图3）。

表18 IP网络QoS类型定义及网络性能指标（摘自ITU-T Y.1541 - Table 1）

网络性能参数	网络性能目标值	QoS类别
		Class 0	Class 1	Class 2	Class 3	Class 4	Class 5 Unspecified
IPTD	平均IPTD的上限值	100 ms	400 ms	100 ms	400 ms	1 s	不要求
IPDV	IPTD×(1-10-3)-IPTD的最小值	50 ms	50 ms	不要求	不要求	不要求	不要求
IPLR	IPLR的上限值	1 × 10–3	1 × 10–3	1 × 10–3	1 × 10–3	1 × 10–3	不要求
IPER	IPER的上限值	1 × 10–4					不要求

表19 IP QoS分类指导（摘自ITU-T Y.1541 - Table 2）

QoS分类	应用	网络节点机制	技术
0	实时性、抖动敏感、高交互性的业务（如VoIP、VTC）	独立队列，高服务优先级、traffic grooming	约束
1	实时性、抖动敏感、交互性的业务（ 如VoIP、VTC）		对其路由和距离有一定的约束
2	事务（办理）数据、高交互性的业务（如信令）	独立队列、低丢包率	约束其路由和距离
3	事务（办理）数据、交互性的业务		对其路由和距离有一定的约束
4	仅要求低丢包率的业务（如 (简短的事务（办理、批量数据、视频流）	长队列、低丢包率	任意路由/路径
5	IP网络缺省的传统应用	独立队列（服务优先级最低）	任意路由/路径

图3 用较少QoS类型对多业务的分类原则 (摘自ITU-T Y.1541 - Figure 2)

MPLS DiffSev

由于MPLS网络使用Exp标示业务优先级，Exp最多只能标示8种优先级。如果业务类型超过8种，则需要将多个类型聚合到同一个PHB中。

标准协议将业务重新分为四种，并给出了对应的DSCP和Exp推荐值，见表20。

表20 "Treatment Aggregate and MPLS EXP Field Usage"（摘自RFC5127 -Figure 2和Figure 3）

业务类型	PHB	DSCP	四大类型	QoS指标			Exp
		二进制(十进制)		时延容忍度	抖动容忍度	丢包率容忍度	二进制(十进制)
Network Control	CS6	110000(48)	Network Control	Low	Low	Yes	110(6)
Telephony	EF	101110(46)	Real-Time	Very Low	Very Low	Very Low	100(4)
	CS5	101000(40)
	AF41	100010(34)
Signaling	AF42	100100(36)
Multimedia Conferencing	AF43	100110(38)
Real-Time Interactive	CS4	100000(32)
Broadcast Video	CS3	011000(24)
Multimedia Streaming	CS2	010000(16)	Assured Elastic	Low	Low – Medium	Yes	010(2)
	AF31	011010(26)
	AF21	010010(18)
Low-Latency Data	AF11	001010(10)
OAM	AF32	011100(28)					011(3)
	AF22	010100(20)
	AF12	001100(12)
	AF33	011110(30)
	AF23	010110(22)
High-Throughput Data	AF13	010110(14)
Standard	Default（CS0）	000000(0)	Elastic	Not Specified			000(0)
Low-Priority Data	CS1	001000(8)					001(1)