MPLSのQoS（TCとuniform / pipe / short-pipe）

MPLSのQoS（TCとuniform / pipe / short-pipe）

MPLSのラベルには3ビットのTC（Traffic Class）フィールドがあり、ラベルを付けたルータが優先度を書き込みます。IPのDSCPとは別の値で、ラベルが付いている区間だけ意味を持ちます。事業者はTCで自網のQoSを決め、顧客のDSCPには触れない、といった使い分けができます。この記事ではTCの位置と既定の動作、入口PEと途中のPルータでの書き換え、そして出口PEの3つの振る舞い（uniform / pipe / short-pipe）を解説し、IOS XR（XRv9000）のラボでキャプチャーを取って確かめます。

ラベルの構造とPHPはMPLSのラベルとラベルスタック、L3VPNのラベル2段構成はMPLSのラベル操作（push / swap / pop）で解説しています。

TC（旧EXP）の3ビット

ラベルは32ビットで、内訳はラベル値20ビット、TC 3ビット、S（Bottom of Stack）1ビット、TTL 8ビットです。TCはRFC 5462で名前が変わったフィールドで、それ以前はEXP（Experimental Use）と呼ばれていました。ビット数も位置も変わっておらず、IOS XRのコマンドは今もmpls experimentalです。

値の意味は規格では決まっていません。0〜7のどれをどのサービスに割り当てるかは事業者が決めます。何も設定しない場合、IPのprecedence（DSCPの上位3ビット）がTCに写ります。DSCP 46（EF）はprecedence 5なのでTC 5、DSCP 24（CS3）はTC 3になります（この記事の検証機であるXRv9000 26.1.1と、CEに使ったXRd 26.1.1で観測した動作です）。

imposition と topmost

IOS XRでTCを書き込むコマンドは2つあり、対象が違います。

L3VPNではラベルが2段（外側がLDP、内側がVPN）になるため、この違いがそのまま結果に出ます。impositionは2段とも同じ値になり、topmostは外側だけが変わります。PHPで外側が外れると、topmostで書いた値は消え、内側の値が見えます。

出口PEの3つのモード

RFC 3270は、MPLSでDiffServを運ぶときのトンネルの振る舞いを3つに分けています。違いは出口PEが何を見てキューを選ぶかと、顧客のDSCPを書き換えるかの2点です。

uniformは網の中の扱いを顧客側にも反映させる形、pipeは網の中だけで完結させる形、short-pipeは出口では顧客の値に従う形です。IOS XRはモードを名前で指定するのではなく、policy-mapの書き方でどれになるかが決まります。今回の検証では、TCをqos-groupに写して出力でset dscpすればuniform、qos-groupでキューを選ぶだけならpipe、出力でmatch dscpを使えばshort-pipeの動きになりました。

検証構成

CE1 - PE1 - P1 - PE2 - CE2の5台です。コアはOSPF + LDP、PE間はiBGP vpnv4でVRF CUST-Aを通し、CEとPEはeBGPでつなぎます。CE1からCE2へのパケットはPE1でラベルが2段付き、P1がPHPで外側を外すので、P1 - PE2間は1段になります。

PE1 / P1 / PE2はXRv9000、CE1 / CE2はXRdです。XRd（Control Plane）ではservice-policyがデータプレーンに入らないため、QoSの検証にはXRv9000を使っています。CE1からはtypeオプションでToSを変えたpingを送り、DSCP 0 / 24 / 46の3種類で結果を比べます。

検証の全体像

既定の動作（STEP 0）

QoSを何も設定していない状態です。CE1からCE2へのtracerouteに、ラベル2段とExp 0が出ています。

RP/0/RP0/CPU0:CE1#traceroute 192.168.2.1 source 192.168.1.1
Wed Sep 16 07:22:52.607 UTC

Type escape sequence to abort.
Tracing the route to 192.168.2.1

 1  10.11.101.11 19 msec  18 msec  53 msec 
 2  10.1.11.1 [MPLS: Labels 24001/24003 Exp 0] 81 msec  44 msec  54 msec 

DSCP 46を付けたpingでは、ラベルのTCが5になります。PE1 - P1間のキャプチャーのNo.445です。

MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24001, Exp: 5, S: 0, TTL: 254
    0000 0101 1101 1100 0001 .... .... .... = MPLS Label: 24001 (0x05dc1)
    .... .... .... .... .... 101. .... .... = MPLS Experimental Bits: 5
    .... .... .... .... .... ...0 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 0
    .... .... .... .... .... .... 1111 1110 = MPLS TTL: 254
MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24003, Exp: 5, S: 1, TTL: 254
    0000 0101 1101 1100 0011 .... .... .... = MPLS Label: 24003 (0x05dc3)
    .... .... .... .... .... 101. .... .... = MPLS Experimental Bits: 5
    .... .... .... .... .... ...1 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 1
    .... .... .... .... .... .... 1111 1110 = MPLS TTL: 254

DSCP 0はTC 0、DSCP 24はTC 3でした。precedenceがそのまま写っています。IPのDSCPはどの区間でも変わりません。

入口PEでTCを決める（STEP 1・2）

PE1の顧客側インタフェースの入力に、TC 5を書き込むpolicy-mapを当てます。

policy-map PE1-CE-IN
 class class-default
  set mpls experimental imposition 5
 ! 
 end-policy-map
! 
interface GigabitEthernet0/0/0/0
 service-policy input PE1-CE-IN
!

DSCP 0のパケットでも、ラベルは2段ともTC 5になりました。DSCPは0のままです。

MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24001, Exp: 5, S: 0, TTL: 254
    0000 0101 1101 1100 0001 .... .... .... = MPLS Label: 24001 (0x05dc1)
    .... .... .... .... .... 101. .... .... = MPLS Experimental Bits: 5
    .... .... .... .... .... ...0 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 0
    .... .... .... .... .... .... 1111 1110 = MPLS TTL: 254
MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24003, Exp: 5, S: 1, TTL: 254

STEP 2では、これに加えてコア側の出力にset mpls experimental topmost 6を当てました。PE1 - P1間は外側が6、内側は5です。

MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24001, Exp: 6, S: 0, TTL: 254
    0000 0101 1101 1100 0001 .... .... .... = MPLS Label: 24001 (0x05dc1)
    .... .... .... .... .... 110. .... .... = MPLS Experimental Bits: 6
    .... .... .... .... .... ...0 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 0
    .... .... .... .... .... .... 1111 1110 = MPLS TTL: 254
MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24003, Exp: 5, S: 1, TTL: 254

P1が外側を外した後のP1 - PE2間はTC 5です。topmostで書いた6は、外側のラベルと一緒に消えます。

MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24003, Exp: 5, S: 1, TTL: 253
    0000 0101 1101 1100 0011 .... .... .... = MPLS Label: 24003 (0x05dc3)
    .... .... .... .... .... 101. .... .... = MPLS Experimental Bits: 5
    .... .... .... .... .... ...1 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 1
    .... .... .... .... .... .... 1111 1101 = MPLS TTL: 253

PルータでTCを付け替える（STEP 3）

途中のPルータでも書き換えられます。P1の入力でmatch mpls experimental topmost 5に一致したパケットをqos-group 5にし、出力でqos-group 5のパケットにset mpls experimental topmost 2を当てました。qos-groupはルータの中だけで使う印で、パケットには出ません。

P1 - PE2間のTCは2になりました。PHPで外側を外した後に残ったVPNラベルに対して、出力のpolicyが効いています。

MultiProtocol Label Switching Header, Label: 24003, Exp: 2, S: 1, TTL: 253
    0000 0101 1101 1100 0011 .... .... .... = MPLS Label: 24003 (0x05dc3)
    .... .... .... .... .... 010. .... .... = MPLS Experimental Bits: 2
    .... .... .... .... .... ...1 .... .... = MPLS Bottom Of Label Stack: 1
    .... .... .... .... .... .... 1111 1101 = MPLS TTL: 253

出口PEの3モード（STEP 4・5・6）

STEP 4から6は、入口PEのimposition 5をそのままに、出口PE2の設定だけを入れ替えます。

uniform：TCをDSCPに反映する（STEP 4）

PE2のコア側入力でmatch mpls experimental topmost 5をqos-group 5に写し、CE側の出力でqos-group 5にset dscp cs5を当てます。PE2 - CE2間に出たパケットは、元のDSCPが0でも24でも46でも、すべてDSCP 40（CS5）になりました。

    Differentiated Services Field: 0xa0 (DSCP: CS5, ECN: Not-ECT)
        1010 00.. = Differentiated Services Codepoint: Class Selector 5 (40)
        .... ..00 = Explicit Congestion Notification: Not ECN-Capable Transport (0)
    Total Length: 100

pipe：TCでキューを選び、DSCPは変えない（STEP 5）

CE側の出力を、親でshape average 300 kbps、子でqos-group 5のクラスにbandwidth remaining percent 80を割り当てる形に替えました。set dscpは書きません。

CE1からDSCP 46（ToS 184）とDSCP 0を各1000発、4秒ずらして同時に流すと、どちらも1000/1000で、RTTの平均はともに70ミリ秒でした。TCで選ばれるキューが同じなので差が出ません。DSCPは46と0のまま届いています。

GigabitEthernet0/0/0/1 output: PE2-CE-PIPE

Class class-default
  Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Matched             :                2000/2836000              301
  Policy PE2-CE-PIPE-CHILD Class QG5
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                2000/2836000              301

2本の負荷2000パケットがすべてQG5のクラスに入り、shaperどおり約301 kbpsで出ています。

short-pipe：顧客のDSCPでキューを選ぶ（STEP 6）

コア側入力のpolicyを外し、CE側の出力をmatch dscp efのクラスにpriority level 1とpolice rate 100 kbpsを当てる形に替えました。クラス分けの基準が、事業者のTCから顧客のDSCPに変わります。

同じ負荷をかけると、DSCP 46は667/1000でRTTの平均が9ミリ秒、DSCP 0は1000/1000で37ミリ秒でした。EFは優先キューに入るので遅延が小さく、100 kbpsを超えた分はpolicerが捨てています。

GigabitEthernet0/0/0/1 output: PE2-CE-SHORTPIPE

Class class-default
  Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
    Matched             :                2000/2836000              0
    Transmitted         :                1669/2366642              0
  Policy PE2-CE-SHORTPIPE-CHILD Class EF
    Classification statistics          (packets/bytes)     (rate - kbps)
      Matched             :                1000/1418000              0
      Transmitted         :                 669/948642               0
      Policed(exceed)     :                 331/469358               0

DSCPは書き換えられていません。PE2 - CE2間に出たパケットは46のままです。

    Differentiated Services Field: 0xb8 (DSCP: EF PHB, ECN: Not-ECT)
        1011 10.. = Differentiated Services Codepoint: Expedited Forwarding (46)
        .... ..00 = Explicit Congestion Notification: Not ECN-Capable Transport (0)
    Total Length: 1400

設計上の注意

• impositionとtopmostを取り違えると、ラベルの段数によって結果が変わります。L3VPNのように2段になる構成では、入口で全部に付けたいのか、外側だけを変えたいのかを決めてからコマンドを選びます
• 出口PEのクラス分けは、コア側と顧客側で使える条件が違います。コア側の入力はまだラベルが付いているのでmatch mpls experimental、顧客側の出力はラベルが外れているのでmatch dscpです。TCを顧客側まで持ち込むには、qos-groupに写して渡します
• show policy-map interfaceのカウンタは、そのインタフェースのpolicyに一致した分だけです。PE2が外したVPNラベルの転送量はshow mpls forwardingには出ない（Unlabelledの行は0のまま）ので、キャプチャーかshow interfaceで確認します

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）。

カウンタをクリアしてから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。

STEP 0：QoSの設定なし

STEP 1：PE1でラベルにTC 5を付ける（imposition）

STEP 2：コア側の出力で外側だけTC 6にする（topmost）

STEP 3：PルータでTCを付け替える（qos-group経由）

STEP 4：出口PEでTCをDSCPに反映する（uniform）

STEP 5：出口PEでTCを使ってキューを選ぶ（pipe）

負荷はstep5_ce1_load_tos184.txt / step5_ce1_load_tos0.txt、負荷後のカウンタはstep5_pe2_pmap-after.txtです。

STEP 6：出口PEで顧客のDSCPでキューを選ぶ（short-pipe、最終状態）

負荷はstep6_ce1_load_tos184.txt / step6_ce1_load_tos0.txtです。負荷後のカウンタは、採取時にPE2への接続が一時的に切れたため、同じ設定を再現して取り直したstep6r_pe2_pmap-after.txtを使っています（負荷の結果はstep6r_ce1_load_tos*.txt）。

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。

参考

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