区分服务之分类和标记

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本文深入探讨了QoS区分服务模型（DiffServ）的四大核心要素：流分类和标记、限速之流量监管和整形、拥塞避免及拥塞管理之队列。详细介绍了报文标记QoS优先级的字段，包括802.1q帧的Cos字段、MPLS的EXP字段、IPPrecedence优先级、DSCP区分服务代码点以及IPv6的TC字段。此外，还讨论了基于报文五元组流分类方法、PHB逐跳行为以及流分类方法。

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：

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

限速之流量监管和整形（shaping & policing）
拥塞避免（congestion avoidance）
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：

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。

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。

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。
在这里插入图片描述

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。