DiffServ服務模型與DS碼點詳解

1. DiffServ概述

DiffServ(Differentiated Services，差異化服務)是IETF定義的一種QoS(Quality of Service)體系結構，旨在為IP網絡提供可擴展的服務區分能力。與傳統的IntServ(集成服務)模型不同，DiffServ采用簡單、粗粒度的流量分類機制，通過在網絡邊緣進行復雜處理、在網絡核心進行簡單處理的方式，實現了良好的可擴展性。

1.1 DiffServ核心思想

  • 邊緣復雜、核心簡單：將復雜的分類、標記、整形等操作放在網絡邊緣設備，核心設備只需根據分組標記進行簡單轉發
  • 逐跳行為(PHB)：定義標準化的分組轉發處理方式，而非端到端服務保證
  • 服務等級聚合：將具有相同QoS需求的流量聚合為少量服務類別，而非為每個流維護狀態

2. DiffServ體系結構

2.1 基本組件

  1. DS域(Differentiated Services Domain)：

    • 一組連續的網絡節點，遵循相同的服務提供策略和PHB定義
    • 邊界節點負責流量分類、標記和整形
    • 內部節點根據DS字段執行相應的PHB

  2. DS邊界節點：

    • 分類器(Classifier)：根據分組頭字段將流量分類
    • 計量器(Meter)：測量流量是否符合預定義的profile
    • 標記器(Marker)：設置DS字段值
    • 整形器(Shaper)/丟包器(Dropper)：實施流量整形或選擇性丟包

  3. DS內部節點：

    • 根據DS字段值選擇適當的PHB
    • 可能包含有限的排隊和調度機制

2.2 服務提供模型

  1. 服務等級協議(SLA)：

    • 客戶與提供商之間的合約，規定服務等級和流量profile

  2. 流量調節協議(TCA)：

    • 具體實現SLA的操作參數，包括計量、標記、整形等規則

3. DS字段與碼點(DS Codepoint)

3.1 IPv4/IPv6中的DS字段

DiffServ重新定義了IPv4 TOS(服務類型)字段和IPv6 Traffic Class字段的高6位作為DS字段：

 0   1   2   3   4   5   6   7
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|         DS字段        | 未用 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  • 前6位(bit 0-5)：DS碼點(DSCP，Differentiated Services Codepoint)
  • 后2位(bit 6-7)：傳統用于ECN(顯式擁塞通知)，DiffServ中未使用

3.2 DS碼點(DSCP)詳解

DSCP是DiffServ體系中的核心概念，用于指示分組應接受的PHB(逐跳行為)。DSCP值范圍是0-63(6位)，分為以下幾個主要類別：

3.2.1 標準DSCP分類

  1. 默認PHB(Default PHB)：

    • DSCP值：000000 (0)
    • 傳統的盡力而為服務
    • 所有未明確標記的流量默認使用

  2. 加速轉發EF(Expedited Forwarding)：

    • DSCP值：101110 (46)
    • 提供低延遲、低抖動、低丟包率的服務
    • 適用于語音、視頻會議等實時應用

  3. 確保轉發AF(Assured Forwarding)：

    • 4個獨立類別(AF1x-AF4x)，每類3個丟棄優先級
    • 編碼格式：aaadd0 (aaa=類別，dd=丟棄優先級)
    • 例如：AF11=001010(10)，AF43=100110(38)
    類別低丟棄優先級中丟棄優先級高丟棄優先級
    AF1AF11(10)AF12(12)AF13(14)
    AF2AF21(18)AF22(20)AF23(22)
    AF3AF31(26)AF32(28)AF33(30)
    AF4AF41(34)AF42(36)AF43(38)

  4. 類選擇器CS(Class Selector)：

    • 兼容傳統IP優先級(Precedence)的DSCP值
    • 格式：xxx000 (xxx=IP優先級值)
    • CS0(0)到CS7(56)
3.2.2 DSCP值分配策略

  1. 運營商分配：

    • 網絡運營商定義DSCP與PHB的映射關系
    • 同一DSCP在不同網絡可能對應不同服務等級

  2. 標準化DSCP：

    • IETF建議的標準值(如EF、AF等)
    • 促進跨域服務的一致性

  3. 本地使用DSCP：

    • 范圍：xxxxx1(最低位為1)
    • 供實驗或本地使用

3.3 DSCP與PHB的映射

DSCP值的主要作用是指定PHB，常見的PHB包括：

  1. 默認PHB(Default PHB)：

    • 基本盡力而為轉發
    • 必須支持的最低功能

  2. 加速轉發PHB(EF PHB)：

    • 提供近似專線的服務
    • 通常配置為高優先級隊列+嚴格流量整形

  3. 確保轉發PHB(AF PHB)：

    • 在擁塞時提供不同級別的丟包優先級
    • 通常實現為加權隨機早期檢測(WRED)

  4. 類選擇器PHB(CS PHB)：

    • 向后兼容IP優先級機制
    • 提供簡單的優先級排隊

4. DiffServ實現示例

4.1 典型網絡配置

  1. 邊界路由器：

    • 根據源/目的IP、端口、協議等分類流量
    • 計量流量是否符合SLA
    • 標記適當的DSCP值
    • 實施流量整形或丟包

  2. 核心路由器：

    • 根據DSCP值將分組放入不同隊列
    • 實施隊列調度算法(如PQ、WFQ等)
    • 在擁塞時根據丟棄優先級選擇性丟包

4.2 典型DSCP標記策略

流量類型DSCP值PHB類型
語音流量46EF
視頻會議34AF41
關鍵業務數據26AF31
普通業務數據18AF21
盡力而為流量0Default
網絡控制流量48CS6

5. DiffServ的優勢與挑戰

5.1 主要優勢

  1. 良好的可擴展性：

    • 核心路由器無需維護每個流的狀態
    • 適合大規模網絡部署

  2. 靈活性：

    • 支持多種服務等級定義
    • 運營商可自定義PHB實現

  3. 兼容性：

    • 與現有IP基礎設施兼容
    • 逐步部署能力

5.2 面臨挑戰

  1. 端到端QoS保證：

    • 依賴所有中間網絡的支持
    • 跨域協調困難

  2. 復雜的管理配置：

    • 需要精細的流量調節策略
    • SLA監控和強制執行

  3. 安全考慮：

    • 防止DSCP標記濫用
    • 需要邊界信任模型

DiffServ通過DS碼點這一簡潔而強大的機制，實現了IP網絡QoS的實用化部署，成為現代網絡服務質量保障的重要技術基礎。理解DSCP的含義和使用方法，對于網絡架構設計和QoS策略實施至關重要。

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