IPv4 数据报中的 DS、ECN 字段

在讲 DS 字段和 ECN 字段之前，我们先来看一下原始的 服务类型 字段[RFC0791]。

服务类型字段提供了所需服务质量的抽象参数的显示。当通过特定网络传输数据报时，这些参数将用于指示实际服务参数的选择。一些网络提供服务优先级，这在某种程度上将高优先级流量视为比其他流量更重要的流量。主要是在低延迟、高可靠性和高吞吐量之间进行三方权衡。

优先级(Precedence) 子字段占 ​​3​​​ 位，用于表示哪些分组具有更高优先级(较大的值意味着更高的优先级)。优先级取值范围为 ​​000​​​ 到 ​​111​​ ，表示优先级从低到高。

下表为原始的 IPv4 服务类型优先级子字段值及对应的名称。

优先级子字段值

优先级名称

000

常规(Routine)

001

优先(Priority)

010

立即(Immediate)

011

瞬间(Flash)

100

瞬间覆盖(Flash Override)

101

严重(CRITIC/ECP)

110

网间控制(Internetwork Control)

111

网络控制(Network Control)

D 、 T 和 R 子字段各占 ​​1​​ 位，分别用于表示 延时 、 吞吐量 和 可靠性 。如果这些字段值为 ​​1​​ ，分别对应于低延时、高吞吐量和高可靠性。

子字段

值为 0 时

值为 1 时

D

正常延迟

低延迟

T

正常吞吐量

高吞吐量

R

正常可靠性

高可靠性

最后 ​​2​​ 位 保留 使用，默认值为 ​​00​​ 。

后来，在 IPv4 首部的第三字段，由原来的 ​​8​​​ 位的服务类型字段划分为 ​​6​​ 位的 区分服务(Differentiated Services, DS) 字段，和 ​​2​​ 位的 显式拥塞通知(ECN) 字段[RFC2474, RFC3168, RFC3260]。

区分服务是一个框架和一组标准，用于支持 Internet 上不同类型的服务。IP 数据报以某种方式(通过预定义模式设置某些位)被标记，使它们的转发不同于其他数据报。这样做可能导致网络中排队延时的增加或减少，以及出现其他特殊效果。DS 字段中的数字称为 区分服务代码点(DSCP) 。Codepoint(“代码点”)指的是预定义的具有特定含义的位。在通常情况下，如果数据报拥有一个分配的 DSCP ，它在通过网络基础设施交付过程中会保持不变。但是，某些策略可能导致一个数据报中的 DSCP 在交付过程中改变。

当通过一台具有内部排队流量的路由器时，首部中的 ​​2​​​ 位 ​​ECN​​ 位用于为数据报标记拥塞标识符。一台持续拥塞的具有 ECN 感知能力的路由器在转发分组时会设置这两位。这种功能的设计思路是，当一个被标记的分组被目的节点接收时，有些协议会发现分组被标记并将这种情况通知发送方，发送方随后会降低发送速度，这样可在路由器因过载而被迫丢弃流量之前缓解拥塞。这种机制是避免或处理网络拥塞的方法之一。

DS 字段的优先级定义在 [RFC2474] 中。​​6​​​ 位的 ​​DS​​​ 字段用于保存 ​​DSCP​​ ，特定的 DSCP 值通知路由器对接收的数据报进行转发或特殊处理。不同类型的转发处理表示为 每跳行为(PHB) ，因此 DSCP 值可有效通知路由器哪种 PHB 被应用于数据报。​​DSCP​​​ 的默认值通常为 ​​0​​ 。

DSCP 值被分成 ​​3​​ 个池：标准的、实验/本地用途的(EXP/LU) 和最终打算标准化的 实验/本地用途的(*) 。

池(Pool)

代码点前缀(Codepoint space)

策略(Assignment Policy)

1

xxxxx0

标准的(Standards Action)

2

xxxx11

EXP/LU

3

xxxx01

EXP/LU(*)

以 ​​0​​​ 作为结尾的 DSCP 用于 ​​标准用途​​​ ，以 ​​1​​​ 作为结尾的 DSCP 用于 ​​实验​​​ 或 ​​本地用途​​​ 。以 ​​01​​​ 作为结尾的 DSCP 最初打算用于实验或本地用途，但最终会走向 ​​标准化​​ 。

DS 字段的前 ​​3​​ 位为 类型 部分，此部分基于原始的服务类型的优先级子字段。

之后的 ​​2​​ 位为 丢弃概率 ，如果路由器被迫丢弃流量，允许路由器确定首先丢弃哪些流量。​​3​​​ 位的类别选择器提供了 ​​8​​​ 个定义的代码点(称为类别选择代码点)，它们对应于一个指定最小功能集的 ​​PHB​​​ ，提供与早期的 IP 优先级相似的功能。它们称为类别选择兼容的 PHB ，目的是支持部分兼容的最初定义的 IP 优先级子字段[RFC0791]。​​xxx000​​ 形式的代码点总被映射为这种 PHB ，但是其他值也可映射到相同 PHB 。

类别选择器的 DSCP 值，以及[RFC0791]定义的 IP 优先级字段的相应术语。保证转发(AF)组对固定数量的独立 AF 类别的 IP 分组提供转发，它有效地概括了优先级的概念。某个类别的流量与其他类别的流量分别转发。在一个流量类别中，数据报被分配一个丢弃优先级。在一个类别中，较高丢弃优先级的数据报优先于那些较低丢弃优先级的数据报处理(即以较高优先级转发)。结合流量类别和丢弃优先级，名称 AFij 对应于保证转发类别 i 的丢弃优先级 j 。例如，一个标记为 AF32 的数据报的流量类别为 3 ，丢弃优先级为 2 。

DS 字段值设计为兼容服务类型和 IPv6 流量类别字段中指定的旧优先级子字段。AF和EF提供比简单的“尽力而为”更好的服务。其中，(i,j)表示中，i、j分别表示流量类别和丢弃优先级。

名称

值

参考文献

描述

CS0

000000

[RFC2474]

类别选择(尽力而为/常规)

CSl

001000

[RFC2474]

类别选择(优先)

CS2

010000

[RFC2474]

类别选择(立即)

CS3

011000

[RFC2474]

类别选择(瞬间)

CS4

100000

[RFC2474]

类别选择(瞬间覆盖)

CS5

101000

[RFC2474]

类别选择(CRITIC/ECP)

CS6

110000

[RFC2474]

类别选择(网间控制)

CS7

111000

[RFC2474]

类别选择(控制)

AF11

001010

[RFC2597]

保证转发(1,1)

AF12

001100

[RFC2597]

保证转发(1,2)

AF13

001110

[RFC2597]

保证转发(1,3)

AF21

010010

[RFC2597]

保证转发(2,1)

AF22

010100

[RFC2597]

保证转发(2,2)

AF23

010110

[RFC2597]

保证转发(2,3)

AF31

011010

[RFC2597]

保证转发(3,1)

AF32

011100

[RFC2597]

保证转发(3,2)

AF33

011110

[RFC2597]

保证转发(3,3)

AF41

100010

[RFC2597]

保证转发(4,1)

AF42

100100

[RFC2597]

保证转发(4,2)

AF43

100110

[RFC2597]

保证转发(4,3)

EF PHB

101110

[RFC3246]

加速转发

VOICE-ADMIT

101100

[RFC5865]

容量许可的流量

加速转发(EF) 提供了非拥塞的网络服务，也就是说，EF流量应享受较低的延时、抖动和丢包率。直观地说，EF流量要求路由器的输出速率至少比输入速率大。因此，在一台路由器的队列中，EF流量仅排在其他EF流量之后。

参考文献：

[1] Fall, K. R., and Stevens, W. R. TCP/IP详解 卷1：协议. Translated by 吴英, 张玉 and 许昱玮, 2nd ed., 机械工业出版社, 2016.

[2] J. Postel, "Internet Protocol" RFC 0791, September 1981.

[3] K. Nichols, S. Blake, F. Baker, D. Black, "Definition of the Differentiated Services Field (DS Field) in the IPv4 and IPv6 Headers" RFC 2474, December 1998.

[4] K. Ramakrishnan, S. Floyd, D. Black, "The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP" RFC 3168, September 2001.

[5] D. Grossman, "New Terminology and Clarifications for Diffserv" RFC 3260, April 2002.