CoS Explicit Congestion Notification(CoS明示的輻輳通知)

ECNの仕組み

ECNを使用しない場合、デバイスはネットワークの輻輳に対してTCP/IPパケットをドロップすることで応答します。パケットのドロップは、ネットワークに輻輳が発生していることを知らせます。IPネットワーク上のデバイスは、パケットの伝送速度を下げて輻輳を解消することで、TCPパケットのドロップに対応します。しかし、パケットドロップ方式の輻輳通知・管理には、いくつかのデメリットがあります。たとえば、パケットがドロップされ、再送信する必要がある場合です。また、バースト性トラフィックにより、ネットワークが伝送速度を下げすぎて、帯域幅の利用が非効率になる可能性があります。

ECNは、ネットワークの混雑を知らせるためにパケットをドロップする代わりに、パケットをドロップすることなく、ネットワークの混雑をシグナルするためにパケットをマークします。ECNが機能するためには、2つのECN対応エンドポイント間のパス内のすべてのデバイスがECNを有効にしなければなりません。ECN は、エンドポイント間の TCP 接続の確立中にネゴシエートされます。

ECN 対応デバイスは、キューに適用される WRED パケット ドロップ プロファイル設定に基づいてキューの輻輳状態を判断するため、各 ECN 対応キューにも WRED ドロップ プロファイルが必要です。WRED ドロップ プロファイルのパケット ドロップ確率がゼロ(0)よりも高いレベルまでキューがいっぱいになると、デバイスはパケットに輻輳が発生しているとマークすることがあります。デバイスがパケットに輻輳が発生しているとマークするかどうかは、そのフィルレベルでのキューのドロップ確率と同じ確率です。

ECNは、IPヘッダーの差別化されたサービス(DiffServ)フィールドの最下位ビット2つをマークすることで、輻輳が発生しているかどうかを通知します。DiffServフィールドの最上位の6ビットには、DSCP(差別化されたサービスコードポイント)ビットが含まれます。2つのECNビットの状態は、パケットがECN対応パケットであるかどうか、および輻輳が発生しているかどうかを通知します。

ECN 対応送信者は、パケットを ECN 対応としてマークします。送信側が ECN 対応でない場合は、パケットに ECN 対応不可とマークします。ECN 対応パケットのデバイスのエグレスキューで混雑が発生した場合、デバイスはそのパケットに混雑が発生しているとマークします。パケットがECN対応の受信側(宛先エンドポイント)に到達すると、受信側は、混雑を示すようにマークされたパケットを送信することによって、送信側(送信元エンドポイント)に混雑インジケータをエコーします。

受信側から混雑インジケーターを受信した後、送信元エンドポイントは伝送速度を下げて混雑を緩和します。これは、TCP 輻輳通知と管理の結果と似ていますが、ネットワーク輻輳を知らせるためにパケットをドロップする代わりに、ECN はパケットをマークし、受信側は、送信側に混雑通知をエコーします。パケットはドロップされないため、パケットを再送信する必要はありません。

• DiffServ フィールドの ECN ビット
• エンドツーエンドのECN動作
• ECNとPFCおよびEthernet PAUSEの比較

表 1: ECN ビット コード

ECNビット(コード)	意味
00	Non-ECT—パケットは ECN 対応ではないとマークされます
01	ECT(1)—トランスポートプロトコルのエンドポイントはECN対応です
10	ECT(0)—トランスポートプロトコルのエンドポイントはECN対応です
11	CE:輻輳の発生

コード 01 と 10 は同じ意味を持ちます: トランスポートプロトコルの送信エンドポイントと受信エンドポイントは ECN 対応です。これらのコードに違いはありません。

表2: ECN対応キューのトラフィック動作

ECNビットの着信IPパケットマーキング	出力キューでの ECN 設定	WREDアルゴリズムがパケットをドロップ適格と判断した場合のアクション	ECNビットの発信パケットマーキング
非ECT (00)	関係ない	落とす。	ECNビットがマークされていません
ECT (10 または 01)	ECN無効化	落とす	パケットドロップ。ECN ビットはマークされていません
ECT (10 または 01)	ECN対応	落とさないでください。パケットに輻輳が発生しているとマークします(CE、ビット11)。	混雑を示すために ECT(11)とマークされたパケット
CE (11)	ECN無効化	落とす	パケットドロップ。ECN ビットはマークされていません
CE (11)	ECN対応	落とさないでください。パケットはすでに輻輳が発生しているとマークされています。ECN マーキングを変更せずにパケットを転送します。	混雑を示すために ECT(11)とマークされたパケット

ECNしきい値のWREDドロッププロファイル制御

WRED ドロップ プロファイルを転送クラス(出力キューにマッピング)に適用して、デバイスが ECN 対応パケットをマーキングする方法を制御します。スケジューラ マップは、ドロップ プロファイルをスケジューラおよび転送クラスに関連付け、そのスケジューラ マップをインターフェイスに適用して、それらのインターフェイスに転送クラスのスケジューリング プロパティを実装します。

ドロップ プロファイルは、キューのフィル レベル(キューのフルネスの割合)とドロップ確率(パケットがドロップされる確率の割合)のペアを定義します。キューが指定されたレベルまでいっぱいになると、ドロップ プロファイルに一致するトラフィックは、そのフィル レベルとペアになったドロップ確率を持ちます。ドロップ プロファイルを設定するときは、フィル レベルとドロップ確率のペアを設定して、キューのフルネスのさまざまなレベルでパケットがどのようにドロップするかを制御します。

最初の約定レベルとドロップ確率のペアがドロップ開始点です。キューが最初のフィルレベルに達するまで、パケットはドロップされません。キューが最初のフィル レベルに達すると、フィル レベルを超えたパケットは、フィル レベルとペアになったドロップ確率に等しい確率でドロップされます。

最後の約定レベルとドロップ確率のペアがドロップ エンド ポイントです。キューが最後のフィルレベルに達すると、ECN用に設定されていない限り、すべてのパケットが破棄されます。

手記：

ロスレス キュー( no-loss パケット ドロップ属性で設定された転送クラス)とストリクト ハイ プライオリティ キューは、ドロップ プロファイルを使用しません。ロスレス キューは、PFC を使用してトラフィックのフローを制御します。ストリクト高プライオリティ キューは、設定された最大帯域幅制限まで、必要なすべてのポート帯域幅を受信します。

デバイスによって、ドロップ プロファイルでサポートされる充填レベルとドロップ確率のペアの量は異なります。

手記：

最後の塗りつぶしレベルを 100% に設定しないでください。

ドロッププロファイル設定は、ECNパケットに以下のように影響します。

• ドロップ開始点 - ECN対応パケットは、混雑経験(CE)としてマークされる場合があります。

• ドロップエンドポイント - ECN対応パケットには必ずCEとマークされます。

ドロップ開始ポイントからドロップ終了ポイントまでキューがいっぱいになると、ECNパケットがCEとマークされる確率は、ベストエフォートトラフィックにドロッププロファイルを適用した場合に非ECNパケットがドロップされる確率と同じになります。キューがいっぱいになると、ベストエフォート型トラフィックにドロッププロファイルを適用すると、非ECNパケットがドロップされる確率が高くなるのと同様に、ECNパケットがCEとマークされる確率が高まります。

ドロップエンドポイントでは、すべてのECNパケットはCEとマークされますが、ECNパケットはドロップされません。キューのフィルレベルがドロップエンドポイントを超えると、すべてのECNパケットにCEのマークが付けられます。この時点で、ECN 以外のパケットはすべて破棄されます。ECN パケット (および他のすべてのパケット) は、キューが完全にいっぱいになるとテールドロップされます。

WRED パケット ドロップ プロファイルを設定し、それを出力キューに適用するには(ETS をサポートするデバイスで階層型スケジューリングを使用):

1. set class-of-service drop-profiles profile-name interpolate fill-level drop-start-point fill-level drop-end-point drop-probability 0 drop-probability percentageステートメントを使用してドロッププロファイルを設定します。

2. ステートメント set class-of-service schedulers scheduler-name drop-profile-map loss-priority (low | medium-high | high) protocol any drop-profile profile-nameを使用して、ドロッププロファイルをキュースケジューラにマッピングします。ドロッププロファイルの名前は、ステップ1で設定したWREDプロファイルの名前です。

3. ステップ 2 でドロップ プロファイルに関連付けるスケジューラを、ステートメント set class-of-service scheduler-maps map-name forwarding-class forwarding-class-name scheduler scheduler-nameを使用して出力キューにマップします。転送クラスは、出力キューを識別します。転送クラスはデフォルトで出力キューにマップされ、明示的なユーザー設定によって別のキューに再マップできます。スケジューラ名は、ステップ 2 で設定したスケジューラです。

4. ステートメント set class-of-service traffic-control-profiles tcp-name scheduler-map map-nameを使用して、スケジューラ マップをトラフィック制御プロファイルに関連付けます。スケジューラ マップ名は、ステップ 3 で設定した名前です。

5. ステートメントを使用して、トラフィック制御プロファイルをインターフェイスに関連付け set class-of-service interface interface-name forwarding-class-set forwarding-class-set-name output-traffic-control-profile tcp-name。出力トラフィック制御プロファイル名は、ステップ 4 で設定したトラフィック制御プロファイルの名前です。

   インターフェイスは、トラフィック制御プロファイルのスケジューラマップを使用して、ドロッププロファイル(および有効なECN属性を含むその他の属性)をそのインターフェイスの出力キュー(転送クラス)に適用します。異なるトラフィック制御プロファイルを使用して、異なるスケジューラを異なるインターフェイスにマッピングできるため、異なるインターフェイスの同じキュー番号が異なる方法でトラフィックを処理できます。

WRED パケット ドロップ プロファイルを設定し、ポート スケジューリングをサポートするデバイスの出力キューに適用できます(ETS 階層スケジューリングはサポートされていないか、または使用されていません)。WRED パケット ドロップ プロファイルを設定し、ポート スケジューリングをサポートするデバイスの出力キューに適用するには(ETS 階層スケジューリングがサポートされていないか、使用されていません)。

1. set class-of-service drop-profiles profile-name interpolate fill-level level1 level2 ... level32 drop-probability probability1 probability2 ... probability32ステートメントを使用してドロッププロファイルを設定します。フィル レベル/ドロップ確率ペアは 2 つまで、最大 32 ペアまで指定できます。

2. ステートメント set class-of-service schedulers scheduler-name drop-profile-map loss-priority (low | medium-high | high) drop-profile profile-nameを使用して、ドロッププロファイルをキュースケジューラにマッピングします。ドロッププロファイルの名前は、ステップ1で設定したWREDプロファイルの名前です。

3. ステップ 2 でドロップ プロファイルに関連付けるスケジューラを、ステートメント set class-of-service scheduler-maps map-name forwarding-class forwarding-class-name scheduler scheduler-nameを使用して出力キューにマップします。転送クラスは、出力キューを識別します。転送クラスはデフォルトで出力キューにマップされ、明示的なユーザー設定によって別のキューに再マップできます。スケジューラ名は、ステップ 2 で設定したスケジューラです。

4. ステートメント set class-of-service interfaces interface-name scheduler-map scheduler-map-nameを使用して、スケジューラ マップをインターフェイスに関連付けます。

   インターフェイスは、スケジューラマップを使用して、そのインターフェイス上の転送クラスにマッピングされた出力キューにドロッププロファイル(およびその他の属性)を適用します。異なるインターフェイスで異なるスケジューラ マップを使用できるため、異なるインターフェイスの同じキュー番号が異なる方法でトラフィックを処理できます。

ダイナミックECN

ダイナミックECNは、混雑通知イベントをトリガーするしきい値を自動化する方法を提供することで、ECN機能セットを拡張します。Junos OS Evolvedは、キューの長さやトラフィックパターンなどのリアルタイム状態を監視して、しきい値を調整する必要があるかどうかを評価します。これにより、静的ECNよりも輻輳イベントへの応答が速くなり、輻輳制御効率が向上します。

D-ECNは静的ECNよりも実装が難しく、積極的な監視が必要です。ネットワークの状態と設定を評価して、D-ECN がネットワークに最も適しているかどうかを判断する必要があります。

Feature Explorerで、お使いのデバイスがD-ECNをサポートしているかどうかを確認できます。

サポート、制限、注意事項

キューにマッピングされた WRED アルゴリズムがパケット ドロップを適格と検出しない場合、ECN 設定と ECN ビット マーキングは重要ではありません。パケット転送の動作は、ECN が有効になっていない場合と同じです。

ECNはデフォルトで無効になっています。通常、ECN はベストエフォート型トラフィックを処理するキューでのみ有効にし、ロスレストラフィックやストリクト高優先度トラフィックを処理するキューでは ECN を有効にしません。

ECNは以下をサポートしています。

• IPv4 および IPv6 パケット

• タグなしパケット、単一タグ付きパケット、および二重タグ付きパケット

• IP トンネリングされたパケットの外側の IP ヘッダー(ただし、内部 IP ヘッダーは含まない)

ECNは以下をサポートしていません。

• MPLSカプセル化を使用したIPパケット

• IP トンネリングされたパケットの内部 IP ヘッダー(ただし、ECN は外部 IP ヘッダーで動作します)

• マルチキャスト、ブロードキャスト、および宛先ルックアップ失敗(DLF)トラフィック

• 非 IP トラフィック

手記：

非 ECT トラフィックに WRED ドロップ プロファイルを適用するには、ECN 非対応の別の出力キューに非 ECT トラフィックを割り当てるようにマルチフィールド(MF)分類子を設定し、そのキューに WRED ドロップ プロファイルを適用します。

プラットフォーム固有の動作

Feature Explorerを使用して、ECNのプラットフォームとリリースのサポートを確認します。

次の表を使用して、この機能のプラットフォーム固有の動作を確認します。

プラットホーム	差
PTX10001-36MR、PTX10004、PTX10008、PTX10016	スケジューラのバッファレートと低いパーセントドロッププロファイルを定義することで、低閾値ECN(バッファがいっぱいになり始めたらすぐにECNマーキングを開始する)を実装できます。 バッファー レートは、バッファー サイズ計算の基本レートとして機能します。バッファレートは、VOQの目標レートであり、典型的な輻輳時の意図されたエグレスキューレートです。[edit class-of-service schedulers scheduler-name]階層レベルでbuffer-rateを設定します。 また、ドロッププロファイルに対して、より粒度の高い(10分の1パーセントまで)充填レベルのパーセンテージを小さく定義することもできます。つまり、フィルレベルを 0.7% まで低く設定できます。 手記： PTXルーターは、静的ECNのみをサポートしています。
QFX5000シリーズ	QFX5Kプラットフォームでは、ECN機能はWREDしきい値と緊密に統合されています。WREDのしきい値は静的であるため、ECNもバッファしきい値の静的計算に基づいて機能します。ただし、キューの実際の共有バッファー使用量は動的です。以下は、ECN設定時のECNマーキング閾値計算に使用される式です。 max buffer access eligibility for ECN enabled queue = (( shared pool size * hardware_alpha)/(1 + hardware_alpha)) + egress queue dedicated buffer ECN marking start threshold = WRED start fill level percent * Max buffer access eligibility for ECN enabled queue ECN 100% marking threshold = WRED end fill level percent * Max buffer access eligibility for ECN enabled queue ECN対応パケットの輻輳中、ECN CEマーキングは、 ECN marking start threshold に達した後に開始されます。ECN対応パケットは、 ECN 100% marking threshold に達するまで確率的にECN CEのマークが付けられます。この閾値を過ぎると、キューが max buffer access eligibility for ECN enabled queue に達するまで、すべての ECN 対応パケットに ECN CE のマークが付けられます。このしきい値を超えると、テール ドロップが発生します。 上記の max buffer access eligibility for ECN enabled queueの計算では、1 つのキューが単独で共有バッファー領域をめぐって競合するという最良のシナリオが想定されています。ただし、輻輳したキューの実際の共有バッファ使用量は、任意の時点で共有バッファをめぐって競合するキューの数に応じて動的に減少する可能性があります。以下は、 actual dynamic max buffer usage per queueを計算する式です。 actual max buffer usage for ECN enabled queue = (shared pool size * hw_alpha) / (1 + (hw_alpha * number of competing queues)) + egress queue dedicated buffer + ingress Pg dedicated buffer by the traffic flow actual dynamic max buffer usage per queue計算で使用される2つのパラメータ、number of competing queuesとingress Pg dedicated buffer by the traffic flowは、どちらも本質的に動的であるため、ECN閾値を計算する際に考慮することはできません。これは、ECN 対応キューの実際の最大バッファ使用量が、計算された静的 ECN マーキング閾値を下回る可能性を生じます。 したがって、特定の共有バッファと WRED フィルレベル設定では、ECN 対応損失キューでの ECN マーキングの前でも、共有バッファの枯渇によるパケットテール ドロップが発生する可能性があります。ロスレス キューの場合、上記の制限により、PFC XOFF 閾値は静的な ECN 閾値とは異なり動的であるため、PFC は ECN マーキングの前に入力ポートから開始できます。輻輳したキューのピークバッファ使用量を監視し、それに応じて ECN/WRED しきい値を微調整することで、適切な ECN マーキングしきい値を決定できます。
QFX10000シリーズ	QFX10000スイッチでは、ECNのキューを有効にし、WREDドロッププロファイルをキューに適用すると、WREDドロッププロファイルはECNトラフィックを輻輳が発生しているとマークするためのしきい値のみを設定します(CE、11)。ECN 対応キューでは、WRED ドロップ プロファイルは非 ECT(00)トラフィック(ECN 対応ではないトラフィック)のドロップしきい値を設定しません。代わりに、スイッチは、輻輳の期間中にECN対応キューで非ECTとマークされたトラフィックにテールドロップアルゴリズムを使用します。