MPLSのQoSの帯域制御とキューイング（policer / shaper / priority）

MPLS網で流量を抑える方法は2つあります。policerは超えた分をその場で捨て、shaperはいったん貯めて送り出す時間を延ばします。捨てるか遅らせるかの違いは、実際にパケットを流すと損失と遅延の差になって出ます。さらに、クラスごとにキューを分ければ、優先するトラフィックだけ遅延を小さく保てます。この記事ではIOS XRでの書き方を解説し、XRv9000のラボで損失と遅延を測ります。

ラベルのEXP（RFC 5462の正式名はTC）と出口PEの3モードはMPLSのQoS（EXPとuniform / pipe / short-pipe）で解説しています。

policerとshaper

項目	policer	shaper
超えた分	捨てる（またはマークを下げる）	キューに貯めて後で送る
効き方	損失として出る	遅延として出る
IOS XRの書き方	`police rate <値>`	`shape average <値>`
使える方向	入力・出力とも	出力のみ

policerはconform（範囲内）とexceed（超過）でカウンタが分かれ、超えた分は既定で捨てられます。shaperは超えた分をキューに入れるため、キューの深さを超えない限り捨てません。

クラスごとにキューを分ける

親でshapeして全体の上限を決め、子でクラスを分けると、限られた帯域の中での優先度を決められます。

コマンド	動作
`priority level 1`	他のクラスより先に送る（優先キュー）
`police rate <値>`（priorityと併用）	優先キューが帯域を占有しないよう上限を付ける
`bandwidth remaining percent <割合>`	優先キューが使った残りの配分

コア側の出力ではパケットにラベルが付いているので、クラス分けはmatch dscpではなくmatch mpls experimental topmostで行います。IPヘッダーはラベルの内側にあるためで、実際にコア側の出力でmatch dscpのクラスを作ったときは一致が0件でした。

検証構成

CE1 - PE1 - P1 - PE2 - CE2の5台で、コアはOSPF + LDP、PE間はiBGP vpnv4です。PE1 / P1 / PE2はXRv9000、CE1 / CE2はXRdを使います。

負荷はCE1からCE2へのpingで、1パケット1400バイト、10ミリ秒間隔です。XRdを挟む区間では1500バイトを超えるパケットが通らないため、この大きさにしています。

検証の全体像

STEP	操作	確かめること
7	入口PEの入力に`police rate 100 kbps`	超過分が捨てられ、損失として出ること
8	コア側の出力に2段構成の`shape average 200 kbps`	捨てずに遅延が伸びること
9	親`shape` ＋子`priority` / `bandwidth remaining`	優先クラスだけ遅延が小さいこと
10	QoSの設定をすべて外す	元に戻ること

policerで捨てる（STEP 7）

PE1の顧客側の入力にpolice rate 100 kbpsを当て、1400バイトを500発流しました。334発が通り、166発が捨てられました。

STEP 7 PE1 show policy-map interface GigabitEthernet0/0/0/0 input（抜粋）
Class class-default
  Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Matched             :                 498/706164               33
    Transmitted         : N/A
    Total Dropped       :                 166/235388               11
  Policing statistics                (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Policed(conform)    :                 332/470776               22
    Policed(exceed)     :                 166/235388               11

Matchedが498でconformが332、exceedが166です。pingの結果も334/500（66パーセント）で一致します（採取の瞬間に2発が通過中でした）。RTTは9/15/71ミリ秒で、通った分の遅延は増えていません。

shaperで遅らせる（STEP 8）

policerを外し、コア側の出力に2段構成のshape average 200 kbpsを当てました（親のclass-defaultで整形し、子はclass-defaultにbandwidth remaining percent 100を置いた形です）。同じ負荷で500発すべてが通り、RTTの平均は56ミリ秒（policerを当てていたSTEP 7では15ミリ秒）です。

STEP 8 PE1 show policy-map interface GigabitEthernet0/0/0/1 output（抜粋）
Class class-default
  Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Matched             :                 468/667368               201
    Transmitted         :                 468/667368               201
    Total Dropped       :                   0/0                    0

  Policy PE1-CORE-SHAPE-CHILD Class class-default
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                 468/667368               201
      Transmitted         :                 468/667368               201
      Total Dropped       :                   0/0                    0
    Queueing statistics
      Queue ID                             : 32
      High watermark                       : N/A
      Inst-queue-len                       : N/A
      Avg-queue-len                        : N/A
      Taildropped(packets/bytes)           : 0/0
      Queue(conform)      :                 468/667368               201

Total Droppedは0で、Taildroppedも0でした。捨てずに送り切っています。policerが損失として現れるのに対し、shaperは遅延として現れます。

クラスごとにキューを分ける（STEP 9）

コア側の出力を、親shape average 300 kbpsと子policyの組に替えました。子はEXP 5をpriority level 1とpolice rate 100 kbps、EXP 4をbandwidth remaining percent 20、残りをclass-defaultにしています（ラボのクラス名はTC5 / TC4で、showの出力にもこの名前で出ます）。CE1からDSCP 46（EXP 5）、DSCP 34（EXP 4）、DSCP 0の3種類を4秒ずらして各1000発流しました。

負荷	DSCP	EXP	クラス	結果	RTT min/avg/max
ToS 184	46（EF）	5	`priority`	668/1000	6/10/87 ミリ秒
ToS 136	34（AF41）	4	`bandwidth remaining 20%`	1000/1000	8/71/144 ミリ秒
ToS 0	0	0	`class-default`	1000/1000	8/71/134 ミリ秒

STEP 9 PE1 show policy-map interface GigabitEthernet0/0/0/1 output（抜粋）
Class class-default
  Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Matched             :                2995/4270870              31
    Transmitted         :                2664/3798864              21
    Total Dropped       :                 331/472006               10

  Policy PE1-CORE-QUEUE-CHILD Class TC5
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                 995/1418870              31
      Transmitted         :                 664/946864               21
      Total Dropped       :                 331/472006               10
    Policing statistics                (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Policed(conform)    :                 664/946864               21
      Policed(exceed)     :                 331/472006               10
      Policed(violate)    :                   0/0                    0
      Policed and dropped :                 331/472006
      Policed and dropped(parent policer)  : N/A
    Queueing statistics
      Queue ID                             : 40
      High watermark                       : N/A
      Inst-queue-len                       : N/A
      Avg-queue-len                        : N/A
      Taildropped(packets/bytes)           : 0/0
      Queue(conform)      :                 664/946864               21
      RED random drops(packets/bytes)      : 0/0


  Policy PE1-CORE-QUEUE-CHILD Class TC4
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                1000/1426000              0
      Transmitted         :                1000/1426000              0
      Total Dropped       :                   0/0                    0
    Queueing statistics
      Queue ID                             : 41
      High watermark                       : N/A
      Inst-queue-len                       : N/A
      Avg-queue-len                        : N/A
      Taildropped(packets/bytes)           : 0/0
      Queue(conform)      :                1000/1426000              0
      RED random drops(packets/bytes)      : 0/0


  Policy PE1-CORE-QUEUE-CHILD Class class-default
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                1000/1426000              0
      Transmitted         :                1000/1426000              0

優先キューに入れたクラスだけ、遅延が設定前と同じ水準に収まります。他の2クラスは親のshaperのキューで待たされ、平均70ミリ秒になりました。優先キューに付けたpolice rate 100 kbpsが超過分333発を捨てているため、EFは667/1000です。上限を付けないと、優先キューが帯域を占有して他のクラスが流れなくなります。

設計上の注意

コア側の出力でmatch dscpのクラスを作っても一致しませんでした（ラベルが付いているため）。EXPで分けるか、入力でqos-groupに写して出力で使います
priorityのクラスには上限（police）を付けます。付けないと他のクラスが送れなくなります
policerは損失、shaperは遅延として出ます。遅延に敏感なトラフィックをshaperの後ろに置くと、損失が無くても品質が落ちます

検証Configおよびshow結果

各STEPで5台から、次の種類をルータごとに分けて取得しています。検証Configはこの..._run.txtです（最終状態は最後のSTEPのもの）。カウンタはクリアしてからpingを流し、その後にshowを取っているので、各STEPの数値はそのSTEPだけの結果です。

ファイル	内容
`..._clear.txt`	そのSTEPの採取前にクリアしたカウンタ（QoS、インタフェース、MPLS転送）
`..._ping.txt`	クリアの後に流した`ping` / `traceroute`
`..._load_tos<値>.txt`	CE1からかけた負荷（1400バイト、10ミリ秒間隔）の結果
`..._pmap-before.txt` / `..._pmap-after.txt`	負荷の直前と直後に取った`show policy-map interface`
`..._show.txt`	`show version` / `show interface` / `show ospf database` / `show policy-map interface` / `show mpls forwarding` など（PE・Pは1台70コマンド）
`..._log.txt`	そのSTEPの範囲だけに絞った`show logging`。クリアの記録も`STEP<N>-CLEAR:`として残っています
`..._run.txt`	そのSTEP時点の`show running-config`
`..._trace.txt`	`show mpls ldp trace peer`（PE1 / P1 / PE2）
`..._commit.cfg`	そのSTEPで実際にcommitされた設定（変更したルータのみ）

..._show.txtのshow policy-map interfaceと..._pmap-after.txtでは数字が違います。 前者はカウンタをクリアした後に流した各STEPのping（数十発）だけが載り、後者は負荷（1000発や500発）が載ります。本文のpolicy-mapの引用は..._pmap-after.txtからです。

STEP 7：入口PEの入力にpolicerを当てる

ルータ	クリア	ping	show出力	syslog	running-config	trace	投入した設定	負荷前のpolicy-map	負荷後のpolicy-map
CE1	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—
PE1	clear	ping	show	log	run	trace	commit	before	after
P1	clear	ping	show	log	run	trace	—	—	—
PE2	clear	ping	show	log	run	trace	commit	—	—
CE2	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—

STEP 8：コア側の出力に2段構成のshaperを当てる

ルータ	クリア	ping	show出力	syslog	running-config	trace	投入した設定	負荷前のpolicy-map	負荷後のpolicy-map
CE1	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—
PE1	clear	ping	show	log	run	trace	commit	before	after
P1	clear	ping	show	log	run	trace	—	—	—
PE2	clear	ping	show	log	run	trace	—	—	—
CE2	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—

STEP 9：親shaperと子policyでクラスを分ける

ルータ	クリア	ping	show出力	syslog	running-config	trace	投入した設定	負荷前のpolicy-map	負荷後のpolicy-map
CE1	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—
PE1	clear	ping	show	log	run	trace	commit	before	after
P1	clear	ping	show	log	run	trace	—	—	—
PE2	clear	ping	show	log	run	trace	—	—	—
CE2	clear	ping	show	log	run	—	—	—	—

STEP 10：QoSの設定をすべて外す（最終状態）

ルータ	クリア	ping	show出力	syslog	running-config	trace	投入した設定
CE1	clear	ping	show	log	run	—	—
PE1	clear	ping	show	log	run	trace	commit
P1	clear	ping	show	log	run	trace	—
PE2	clear	ping	show	log	run	trace	—
CE2	clear	ping	show	log	run	—	—

CE1からかけた負荷（ping ... size 1400 interval 10）の記録です。負荷の直後のpolicy-mapは上の表の「負荷後のpolicy-map」です。

STEP	ToS	結果	ファイル
7	0	334/500、RTT 9/15/71 ms	load
8	0	500/500、RTT 18/56/132 ms	load
9	0	1000/1000、RTT 8/71/134 ms	load
9	136	1000/1000、RTT 8/71/144 ms	load
9	184	668/1000、RTT 6/10/87 ms	load

パケットキャプチャーはSTEPごとに4リンクで取得しています。

STEP	CE1-PE1間	PE1-P1間	P1-PE2間	PE2-CE2間
7	pcap	pcap	pcap	pcap
8	pcap	pcap	pcap	pcap
9	pcap	pcap	pcap	pcap
10	pcap	pcap	pcap	pcap

参考

参考	内容
RFC 3270	MPLS Support of Differentiated Services。EXPとPHBの対応付け
検証環境	XRv9000 26.1.1（PE1 / P1 / PE2）、XRd 26.1.1（CE1 / CE2）、Cisco Modeling Labs