区分服务之分类和标记

DiffServ四要素

对于QoS区分服务模型（DiffServ），我们可以从以下四个要素展开理解：

1. 流分类和标记（classification & marking）

• 基于QoS优先级流分类
• QoS优先级映射
• 基于报文五元组流分类
• MQC

2. 限速之流量监管和整形（shaping & policing）
3. 拥塞避免（congestion avoidance）
4. 拥塞管理之队列（Congestion management）

报文标记QoS优先级的字段

报文中用于标记QoS优先级的字段有五类：

1. 802.1q帧的Cos字段

• 对于VLAN帧（2层），可以根据VLAN帧头中的CoS（code of service）字段（802.1p优先级）进行流分类。
• VLAN帧头中的PRI字段（即802.1p优先级）标识了服务质量需求，VLAN帧中的PRI字段位置如下图所示。
  
  在VLAN帧头中包含3比特长的PRI字段。PRI字段表示8个传输优先级，按照优先级从高到低顺序取值为7~0。
  

2. MPLS的EXP字段

• 对于MPLS报文（2.5层），则一般是根据MPLS报文中的EXP域进行流分类。
• EXP域有3位，表示8个传输优先级，按照优先级从高到低顺序取值为7~0，通常作为MPLS报文的CoS域，与IP网络的ToS或DSCP域等效。
  

3. IP Precedence优先级

• 对于IPv4数据包（三层），可以IPv4头部中TOS（type of service）字段进行流分类，如下图所示：
  

IPv4头部中TOS字段中前三位，可以表示8个传输优先级，按照优先级从高到低顺序取值为7~0。

4. DSCP（Differential Services Code Point） 区分服务代码点

• 对于IPv4报文（三层），基于IPv4包首部中的ToS域的前6位（即DSCP域）来标记报文；
• 使用DSCP域可将报文最多分成64类，如下图所示：
  
• 比特0～2表示Precedence字段。
• D比特表示延迟要求（Delay，0代表正常延迟，1代表低延迟）。
• T比特表示吞吐量（Throughput，0代表正常吞吐量，1代表高吞吐量）。
• R比特表示可靠性（Reliability，0代表正常可靠性，1代表高可靠性）。
• C比特表示传输开销（Monetary Cost，0代表正常传输开销，1代表低传输开销）。
• 比特6和7保留。

5. IPv6的TC字段

• 在IPv6报文头部中（三层），有两个字段与QoS有关，分别为流量类别TC（Traffic Class）和流标签FL（Flow Label）字段。
• 流量类别字段有8位，和IPv4的服务类型(ToS)字段功能相同，用于对报文的业务类别进行标识；
• 流标签字段有20位，用于标识属于同一业务流的包。
• 流标签和源、目的地址一起惟一标识了一个业务流。同一个流中的所有包具有相同的流标签，以便对有同样QoS要求的流进行快速、相同的处理。
  

区分服务的PHB（Per-Hop Behavior）逐跳行为

• 在每一个DS节点（区分服务域中的节点）上对分组的处理称为每跳行为PHB（Per-Hop Behavior）。
• PHB描述了DS节点对具有相同DSCP的分组采用的外部可见的转发行为。
• 协议定义了四种标准的PHB：

（1）类选择码CS（Class Selector），

• DSCP六个比特位格式是XXX000
• XXX最大值为8，一共有八种变化
• CS定义的DSCP=IP Precedence×8，比如CS6=6×8=48，CS7=7×8=56。
• CS代表的服务等级与在网络中使用的IP Precedence意义相同。

（2）加速转发EF（Expedited Forwarding），

• DSCP六个比特位格式是101110，十进制值为46

（3）确保转发AF（Assured Forwarding），

• DSCP六个比特位格式是XXXYY0
• XXX最大值是8，但是目前只用到4，也就是001~100（四种变化）
• YY最大值是3，从01~11（三种变化）
• XXX和YY组合在一起，一共12中格式（AF11-AF13，AF21-AF23，AF31-AF33，AF41-AF43）
• YY同时表示三种不同的丢弃概率，值越大，丢弃概率越高（01低、10中、11高）

（4）尽力而为BE（Best-Effort）。

• DSCP六个比特位值为全0（000000）

流分类方法

流分类是对进入DiffServ域的数据帧或者数据包进行分类，以便在网络中得到相应的合适处理。

基于报文中QoS优先级字段进行分类

可以根据报文所携带的QoS优先级位（COS、EXP、IP precedence、DSCP、TC），识别出不同优先级特征的流量，实现外部优先级和内部优先级之间的映射。

1. QoS优先级映射

• 在报文进入设备时，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；
• 在报文离开设备时，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。
• 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。
  

2. 服务等级（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。
• 而服务等级的高低取决于具体的队列调度算法配置：
  （1）如果8种类型的队列都配置为PQ（优先级队列）调度，则CS7>CS6>EF>AF4>AF3>AF2>AF1>BE；
  （2）如果BE配置为PQ调度，其余7种类型的队列配置为WFQ（加权公平队列）调度，则BE的优先级比其余7个都高；
  （3）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。

3. 丢弃优先级（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（优先级越高，丢弃可能性越大）。
• 丢弃优先级的高低具体取决于对应参数的配置，例如：配置Green最大只能使用70%缓存，Red最大可以使用100%缓存，则Green的丢弃优先级比Red高。

4. 端口信任模式（port trust mode）

• 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。
• 如果下游接口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。
• 当设备在实现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。

5. 优先级映射表

• 报文进入设备时，设备根据优先级映射表实现QoS优先级映射。
• 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。
• 设备除了允许管理员自定义DS域，同时系统预定义了如下两个域：
  （1）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。
  （2）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。

基于报文中五元组字段进行分类

问题背景

• 实际网络中，报文中标记QoS优先级字段可能不会被用户标记，基于报文中标记QoS优先级对流进行分类，难以实现
• 简单基于报文的QoS优先级字段无法对应用层的流量进行分类（比如web流量、Telnet流量，都是应用层的流量，只是端口号不同）

解决方法

可以基于报文中的五元组（源IP地址、源端口号、协议号码、目的IP地址、目的端口号）对流进行分类。

1. 二层（链路层）流分类，以下匹配项可以任意组合：

• VLAN外层Tag的802.1p优先级（QinQ）
• VLAN内层Tag的802.1p优先级
• 源MAC地址
• 目的MAC地址
• 二层封装的协议字段

2. MPLS流分类，以下匹配项可以任意组合：

• EXP优先级字段
• Label标签字段
• TTL跳数字段

3. IPv4流分类，以下匹配项可以任意组合：

• DSCP优先级字段
• IP优先级
• 源IPv4地址
• 目的IPv4地址
• IPv4报文的分片
• TCP/UDP源端口
• TCP/UDP目的端口
• 协议号
• TCP同步标志

4. IPv6流分类，以下匹配项可以任意组合：

• IPv6报文的DSCP优先级
• 协议号
• 源IPv6地址
• 目的IPv6地址
• TCP/UDP源端口
• TCP/UDP目的端口

5. ACL复杂流分类，以下匹配项可以任意组合：

• DSCP优先级
• IPv4/IPv6优先级
• 源IPv4/IPv6地址
• 目的IPv4/IPv6地址
• IPv4报文的分片
• TCP/UDP源端口
• TCP/UDP目的端口
• 协议号
• TCP同步标志

MQC（模块化QoS命令行）

• 基于报文的五元组对流进行分类之后，一般将这些分类的流与可实施的流动作关联，形成流策略，并且将策略应用在接口上，这种模式被称为模块化QoS命令行配置（MQC）。
• MQC可以分为三步：

1. 定义流量类型，对流进行分类，用if-match语句设定流分类的匹配规则。
2. 为不同类别流量制定策略（流分类+流动作）。
3. 将策略应用在接口下。