MPLSのQoS（EXPとuniform / pipe / short-pipe）
MPLSのラベルには3ビットのEXP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EXP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EXP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。
EXPの3ビット
ラベルはパケットに4バイト（32ビット）のラベルスタックエントリとして付き、その内訳はLabel（ラベル値）20ビット、EXP 3ビット、S（Bottom of Stack）1ビット、TTL 8ビットです。
このフィールドはRFC 3032でEXP（Experimental Use、実験用）として定められ、RFC 5462でTC（Traffic Class）に改名されました。ビット数も位置も変わっていません。IOS XRの設定（set mpls experimental）もshowの列（Exp）も、Wiresharkの表示（MPLS Experimental Bits）も今はEXPなので、この記事ではEXPと呼びます。
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EXPに写ります。DSCP 46（EF）はprecedence 5なのでEXP 5、DSCP 24（CS3）はEXP 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EXPを書き込むコマンドは2つあり、対象が違います。
| コマンド | 対象 | 使う場所 |
|---|---|---|
set mpls experimental imposition <0-7> | これから付けるラベル全部 | 入口PEの、顧客側インタフェースの入力 |
set mpls experimental topmost <0-7> | いちばん外側のラベル1枚 | ラベルが付いた後。コア側インタフェースの出力や、Pルータの入力 |
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。
| モード | RFCの節 | 出口PEが見るもの | 顧客のDSCP |
|---|---|---|---|
| uniform | 2.6.3節（MAY） | ラベルのEXP | EXPに合わせて書き換える |
| pipe | 2.6.2節（MUST） | ラベルのEXP | 変えない |
| short-pipe | 2.6.2.1節（MAY） | 顧客のDSCP | 変えない |
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、EXP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
| STEP | 操作 | 確かめること |
|---|---|---|
| 0 | QoSの設定なし | 既定でIP precedenceがEXPに写ること |
| 1 | PE1でラベルにEXP 5を付ける（imposition） | DSCPに関係なく2段ともEXP 5になること |
| 2 | コア側の出力で外側だけEXP 6にする（topmost） | 外側だけ変わり、PHPの後は内側の値が見えること |
| 3 | PルータでEXPを付け替える（qos-group経由） | P1 - PE2間のEXPが2になること |
| 4 | 出口PEでEXPをDSCPに反映する（uniform） | PE2 - CE2間のDSCPが書き換わること |
| 5 | 出口PEでEXPを使ってキューを選ぶ（pipe） | DSCPが変わらず、EXPでキューが決まること |
| 6 | 出口PEで顧客のDSCPでキューを選ぶ（short-pipe） | DSCPが変わらず、顧客の値でキューが決まること |
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 timeout 1 probe 2 maxttl 5
Sun Oct 4 10:36:53.929 UTC
Type escape sequence to abort.
Tracing the route to 192.168.2.1
1 10.11.101.11 71 msec 15 msec
2 10.1.11.1 [MPLS: Labels 24001/24003 Exp 0] 88 msec 30 msec
3 10.1.22.22 [MPLS: Label 24003 Exp 0] 70 msec 30 msec
4 10.22.102.102 23 msec *DSCP 46を付けたpingでは、ラベルのEXPが5になります。PE1 - P1間のキャプチャーのNo.172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: 254DSCP 0はEXP 0、DSCP 24はEXP 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EXPを決める（STEP 1・2）
PE1の顧客側インタフェースの入力に、EXP 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EXP 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: 254STEP 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: 254P1が外側を外した後のP1 - PE2間はEXP 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: 253PルータでEXP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EXP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：EXP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: 100pipe：EXP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。EXP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 : 1999/2834582 301
Transmitted : 1999/2834582 301
Total Dropped : 0/0 0
Policy PE2-CE-PIPE-CHILD Class QG5
Classification statistics (packets/bytes) (rate - kbps)
Matched : 1999/2834582 301
Transmitted : 1999/2834582 301
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) : 1999/2834582 301
RED random drops(packets/bytes) : 0/0
Policy PE2-CE-PIPE-CHILD Class class-default
Classification statistics (packets/bytes) (rate - kbps)
Matched : 0/0 02本の負荷（各1000発）がQG5のクラスに入り、shaperどおり約301 kbpsで出ています（採取の瞬間に1発が通過中で1999です）。子policyのclass-defaultは0のままで、EXPで選んだクラスだけを通っていることが分かります。
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EXP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 30
Transmitted : 1667/2363806 21
Total Dropped : 333/472194 9
Policy PE2-CE-SHORTPIPE-CHILD Class EF
Classification statistics (packets/bytes) (rate - kbps)
Matched : 1000/1418000 30
Transmitted : 667/945806 21
Total Dropped : 333/472194 9
Policing statistics (packets/bytes) (rate - kbps)
Policed(conform) : 667/945806 21
Policed(exceed) : 333/472194 9DSCP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, 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。EXP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）。
| 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 |
..._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） |
..._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。負荷をかけたSTEPのみ |
..._pmap-before.txt / ..._pmap-after.txt | 負荷の直前と直後に取ったshow policy-map interface |
..._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。本文で引用しているのは、負荷の値が必要な箇所では..._pmap-after.txtです。
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
| ルータ | クリア | ping | show出力 | syslog | running-config | trace |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CE1 | clear | ping | show | log | run | — |
| PE1 | clear | ping | show | log | run | trace |
| P1 | clear | ping | show | log | run | trace |
| PE2 | clear | ping | show | log | run | trace |
| CE2 | clear | ping | show | log | run | — |
STEP 1：PE1でラベルにEXP 5を付ける（imposition）
| 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 | — | — |
STEP 2：コア側の出力で外側だけEXP 6にする（topmost）
| 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 | — | — |
STEP 3：PルータでEXPを付け替える（qos-group経由）
| 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 | commit |
| PE2 | clear | ping | show | log | run | trace | — |
| CE2 | clear | ping | show | log | run | — | — |
STEP 4：出口PEでEXPをDSCPに反映する（uniform）
| 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 | — |
| P1 | clear | ping | show | log | run | trace | commit |
| PE2 | clear | ping | show | log | run | trace | commit |
| CE2 | clear | ping | show | log | run | — | — |
STEP 5：出口PEでEXPを使ってキューを選ぶ（pipe）
| 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 | — | — | — |
| P1 | clear | ping | show | log | run | trace | — | — | — |
| PE2 | clear | ping | show | log | run | trace | commit | before | after |
| CE2 | clear | ping | show | log | run | — | — | — | — |
STEP 6：出口PEで顧客のDSCPでキューを選ぶ（short-pipe、最終状態）（最終状態）
| 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 | — | — | — |
| P1 | clear | ping | show | log | run | trace | — | — | — |
| PE2 | clear | ping | show | log | run | trace | commit | before | after |
| 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 |
|---|---|---|---|
| 5 | 0 | 1000/1000、RTT 11/70/125 ms | load |
| 5 | 184 | 1000/1000、RTT 14/70/125 ms | load |
| 6 | 0 | 1000/1000、RTT 7/37/95 ms | load |
| 6 | 184 | 667/1000、RTT 6/9/69 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 |
|---|---|---|---|---|
| 0 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 1 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 2 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 3 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 4 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 5 | pcap | pcap | pcap | pcap |
| 6 | pcap | pcap | pcap | pcap |
参考
| 参考 | 内容 |
|---|---|
| RFC 3270 | MPLS Support of Differentiated Services。pipe（2.6.2節）、short-pipe（2.6.2.1節）、uniform（2.6.3節） |
| RFC 5462 | EXPフィールドをTrafficClass（TC）に改名。ビット数と位置は変更なし |
| 検証環境 | XRv9000 26.1.1（PE1 / P1 / PE2）、XRd 26.1.1（CE1 / CE2）、Cisco Modeling Labs |
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