QoSとは ― 優先制御・帯域制御とDiffServ

QoS（Quality of Service）は、回線が混んだときに、どの通信を先に送り、どの通信にどれだけの帯域を使わせるかを決める仕組みです。手法は大きく2つあり、送り出す順番を変える優先制御と、通す量を上限に収める帯域制御です。

QoSは、回線を速くする技術ではありません。限られた回線の中で、遅れに弱い通信を守るために、ほかの通信を待たせたり絞ったりします。たとえば、大きなファイルの転送と同じ回線でも、Web会議の音声が途切れないようにできます。

ルータは、すぐに送り出せないパケットを待ち行列にためます。この待ち行列をキューと呼びます。回線が混むとキューが長くなり、パケットが届くまでの時間が延びます。

キューがいっぱいになると、ルータは新しく来たパケットを捨てます。ファイル転送のようにTCPを使う通信なら、捨てられた分は再送されます。一方、音声通話の声は、再送を待っていては会話に間に合いません。

通信の品質は、次の4つの指標で表します。QoSの目的は、守りたい通信のこれらの値が、混雑しても悪化しないようにすることです。

インターネットは基本的に、どの通信も同じように扱います。届けるために最善は尽くしますが、品質は保証しません。この扱いをベストエフォートと呼びます。

QoSを効かせるルータやスイッチは、パケットを次の順に扱います。優先制御と帯域制御は、このうち後ろの2段階で働きます。前の2段階は、そのための目印を用意する準備です。

優先制御は、優先度の高いキューにパケットがあれば、そちらを先に送り出す手法です。音声のパケットは、ファイル転送のパケットの後ろに並ばずに済みます。次の図で、優先制御のあり・なしを切り替えて、送り出す順番を比べられます。

音声1の待ち時間は、6ミリ秒から0ミリ秒に減ります。その分、ファイルとWebのパケットは後ろに回ります。すべてが出終わる時刻は12ミリ秒のままで、回線の速さは変わっていません。

優先度の高い通信が回線を使い切ると、優先度の低いキューには順番が回ってきません。そのため、優先キューに入れる通信は、音声のように量の少ないものに絞ります。優先度の低いキューにも一定の割合で順番を回す方式もあり、帯域を比率で分け合うときに使います。

帯域制御は、ある通信が使う帯域を、決めた上限に収める手法です。たとえば、ファイル転送には回線の半分までしか使わせないようにします。上限を超えた分の扱いによって、2つに分かれます。

シェーピングは、超えた分をキューにためて、後で少しずつ送ります。キューがあふれない限り送る量は減らないので、遅れてもよい通信に向いています。ただし、キューにためる分だけ遅延が増えます。

ポリシングは、超えた分をその場で捨てます。キューにためないので遅延は増えませんが、捨てられた分はTCPなら再送になります。捨てる代わりに、優先度を下げる値を書き込んで通す使い方もあります。

シェーピングは遅らせ、ポリシングは捨てると覚えましょう。通信事業者の網の入口では、契約した速度を超えた分をポリシングで捨てることがあります。その場合は、利用者側のルータでシェーピングをかけ、送る速度をあらかじめ合わせておきます。

複数のルータを通る経路で優先度をそろえるには、パケット自体に優先度を書いておく必要があります。この書き方を定めた仕組みがDiffServで、仕様はRFC 2474とRFC 2475にあります。

IPヘッダには、扱いの種類を表す8ビットの欄があります。DiffServは、この欄の先頭6ビットをDSフィールドとして使います。ここに入れる値をDSCPと呼び、ルータはこの値でパケットの扱いを選びます。

8ビットの欄の残りの2ビットは、混雑を知らせるECNが使います。ECNはRFC 3168で定められています。DSCPは6ビットなので、0〜63の64通りの値を表せます。

DiffServでは、網の入口でパケットを分類してDSCPを付け、網の内部のルータはDSCPの値だけを見て扱いを決めます。ルータ1台ごとの転送の扱い方をPHBと呼びます。

よく使われるDSCPの値は次のとおりです。用途との組み合わせは、RFC 4594が目安として示しているものです。

EFは、遅延とゆらぎと損失を小さく保つための扱いで、RFC 3246が定めています。AFは4つのクラスに分かれ、それぞれに捨てられやすさが3段階あります。混雑したときは、同じクラスの中で、捨てられやすさの値が大きいパケットから捨てられます。

DSフィールドは、もとはIPv4のToSという欄でした。その先頭3ビットで優先度を表す使い方を、IP Precedenceと呼びます。DSCPのうち下3ビットが0の値は、IP Precedenceとの互換性を保つように定められています。

IntServとの違い：予約するか、印を付けるか

DiffServより前には、通信ごとに帯域を予約する考え方がありました。これをIntServと呼び、予約の手順にはRSVPというプロトコルを使います。経路上のルータは、予約した通信を1つずつ記憶しておく必要があります。

通信の数が多い網では、1つずつ記憶するとルータの負担が大きくなります。DiffServはパケットをいくつかのグループにまとめて扱うので、通信ごとの状態を記憶せずに済みます。そのため、大規模な網のQoSにはDiffServが使われます。

管理者の違う網をまたぐと、付けたDSCPがそのまま扱われるとは限りません。DSCPの意味はそれぞれの網の管理者が決めるので、網の境界で値を書き換えることもあります。

DSCPはIPヘッダの中にあります。第2層のスイッチや無線LANのアクセスポイントは、フレームにも優先度を入れて扱います。

有線LANでは、VLANの802.1Qタグに、優先度を表す3ビットがあります。この3ビットをPCPと呼びます。CoSと呼ぶこともあります。タグの付いたフレームを運ぶスイッチは、この値でキューを選べます。

無線LANでは、送信の待ち時間を種類ごとに変えて、音声を優先して送れるようにします。種類は音声・映像・標準・低優先の4つで、IEEE 802.11eで定められました。Wi-Fi機器では、この仕組みをWMMと呼びます。無線LANのCSMA/CAの待ち時間を、種類ごとに短くしたり長くしたりする仕組みです。

RFC 8325は、DSCPとWi-Fiの種類の対応を定めています。たとえばEFの音声は、Wi-Fiでは音声の種類で送ります。

既存のIPネットワークの上に、カプセル化で別の論理的なネットワークを重ねる作り方があります。重ねた側をオーバーレイネットワーク、土台の側をアンダーレイと呼びます。データセンターで使うVXLANは代表例で、第2層のネットワークを第3層のネットワークの上に重ねます。オーバーレイの設定は、SDNのコントローラからまとめて配ることがあります。拠点間のWANでこの作り方をとる技術が、SD-WANです。

VPNのトンネリングと同じく、元のパケットには外側のヘッダが付きます。アンダーレイのルータは、外側のIPヘッダだけを見て転送します。内側のパケットにDSCPが付いていても、そのままでは途中のルータに読まれません。

そこで、トンネルの入口で内側のDSCPを外側のIPヘッダにもコピーします。こうすれば、アンダーレイのルータでも優先制御を効かせられます。この扱い方は、トンネルとDiffServの関係を整理したRFC 2983に書かれています。

オーバーレイの用語は、データセンターの仮想ネットワークの枠組みを示すRFC 7365にあります。VXLANの仕様はRFC 7348です。