DiffServ服务模型与DS码点详解

1. DiffServ概述

DiffServ(Differentiated Services，差异化服务)是IETF定义的一种QoS(Quality of Service)体系结构，旨在为IP网络提供可扩展的服务区分能力。与传统的IntServ(集成服务)模型不同，DiffServ采用简单、粗粒度的流量分类机制，通过在网络边缘进行复杂处理、在网络核心进行简单处理的方式，实现了良好的可扩展性。

1.1 DiffServ核心思想

  • 边缘复杂、核心简单：将复杂的分类、标记、整形等操作放在网络边缘设备，核心设备只需根据分组标记进行简单转发
  • 逐跳行为(PHB)：定义标准化的分组转发处理方式，而非端到端服务保证
  • 服务等级聚合：将具有相同QoS需求的流量聚合为少量服务类别，而非为每个流维护状态

2. DiffServ体系结构

2.1 基本组件

  1. DS域(Differentiated Services Domain)：

    • 一组连续的网络节点，遵循相同的服务提供策略和PHB定义
    • 边界节点负责流量分类、标记和整形
    • 内部节点根据DS字段执行相应的PHB

  2. DS边界节点：

    • 分类器(Classifier)：根据分组头字段将流量分类
    • 计量器(Meter)：测量流量是否符合预定义的profile
    • 标记器(Marker)：设置DS字段值
    • 整形器(Shaper)/丢包器(Dropper)：实施流量整形或选择性丢包

  3. DS内部节点：

    • 根据DS字段值选择适当的PHB
    • 可能包含有限的排队和调度机制

2.2 服务提供模型

  1. 服务等级协议(SLA)：

    • 客户与提供商之间的合约，规定服务等级和流量profile

  2. 流量调节协议(TCA)：

    • 具体实现SLA的操作参数，包括计量、标记、整形等规则

3. DS字段与码点(DS Codepoint)

3.1 IPv4/IPv6中的DS字段

DiffServ重新定义了IPv4 TOS(服务类型)字段和IPv6 Traffic Class字段的高6位作为DS字段：

 0   1   2   3   4   5   6   7
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|         DS字段        | 未用 |
+---+---+---+---+---+---+---+---+
  • 前6位(bit 0-5)：DS码点(DSCP，Differentiated Services Codepoint)
  • 后2位(bit 6-7)：传统用于ECN(显式拥塞通知)，DiffServ中未使用

3.2 DS码点(DSCP)详解

DSCP是DiffServ体系中的核心概念，用于指示分组应接受的PHB(逐跳行为)。DSCP值范围是0-63(6位)，分为以下几个主要类别：

3.2.1 标准DSCP分类

  1. 默认PHB(Default PHB)：

    • DSCP值：000000 (0)
    • 传统的尽力而为服务
    • 所有未明确标记的流量默认使用

  2. 加速转发EF(Expedited Forwarding)：

    • DSCP值：101110 (46)
    • 提供低延迟、低抖动、低丢包率的服务
    • 适用于语音、视频会议等实时应用

  3. 确保转发AF(Assured Forwarding)：

    • 4个独立类别(AF1x-AF4x)，每类3个丢弃优先级
    • 编码格式：aaadd0 (aaa=类别，dd=丢弃优先级)
    • 例如：AF11=001010(10)，AF43=100110(38)
    类别低丢弃优先级中丢弃优先级高丢弃优先级
    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. 类选择器CS(Class Selector)：

    • 兼容传统IP优先级(Precedence)的DSCP值
    • 格式：xxx000 (xxx=IP优先级值)
    • CS0(0)到CS7(56)
3.2.2 DSCP值分配策略

  1. 运营商分配：

    • 网络运营商定义DSCP与PHB的映射关系
    • 同一DSCP在不同网络可能对应不同服务等级

  2. 标准化DSCP：

    • IETF建议的标准值(如EF、AF等)
    • 促进跨域服务的一致性

  3. 本地使用DSCP：

    • 范围：xxxxx1(最低位为1)
    • 供实验或本地使用

3.3 DSCP与PHB的映射

DSCP值的主要作用是指定PHB，常见的PHB包括：

  1. 默认PHB(Default PHB)：

    • 基本尽力而为转发
    • 必须支持的最低功能

  2. 加速转发PHB(EF PHB)：

    • 提供近似专线的服务
    • 通常配置为高优先级队列+严格流量整形

  3. 确保转发PHB(AF PHB)：

    • 在拥塞时提供不同级别的丢包优先级
    • 通常实现为加权随机早期检测(WRED)

  4. 类选择器PHB(CS PHB)：

    • 向后兼容IP优先级机制
    • 提供简单的优先级排队

4. DiffServ实现示例

4.1 典型网络配置

  1. 边界路由器：

    • 根据源/目的IP、端口、协议等分类流量
    • 计量流量是否符合SLA
    • 标记适当的DSCP值
    • 实施流量整形或丢包

  2. 核心路由器：

    • 根据DSCP值将分组放入不同队列
    • 实施队列调度算法(如PQ、WFQ等)
    • 在拥塞时根据丢弃优先级选择性丢包

4.2 典型DSCP标记策略

流量类型DSCP值PHB类型
语音流量46EF
视频会议34AF41
关键业务数据26AF31
普通业务数据18AF21
尽力而为流量0Default
网络控制流量48CS6

5. DiffServ的优势与挑战

5.1 主要优势

  1. 良好的可扩展性：

    • 核心路由器无需维护每个流的状态
    • 适合大规模网络部署

  2. 灵活性：

    • 支持多种服务等级定义
    • 运营商可自定义PHB实现

  3. 兼容性：

    • 与现有IP基础设施兼容
    • 逐步部署能力

5.2 面临挑战

  1. 端到端QoS保证：

    • 依赖所有中间网络的支持
    • 跨域协调困难

  2. 复杂的管理配置：

    • 需要精细的流量调节策略
    • SLA监控和强制执行

  3. 安全考虑：

    • 防止DSCP标记滥用
    • 需要边界信任模型

DiffServ通过DS码点这一简洁而强大的机制，实现了IP网络QoS的实用化部署，成为现代网络服务质量保障的重要技术基础。理解DSCP的含义和使用方法，对于网络架构设计和QoS策略实施至关重要。

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