DiffServとは？ネットワークトラフィックの差別化サービスとQoSの実装方法

DiffServ(Differentiated Services)は、ネットワークトラフィックを分類し、優先順位を設定することでQoS(Quality of Service)を実現する方式です。

パケットにDSCP(Differentiated Services Code Point)という識別子を付与し、ルーターやスイッチがこの値に基づいてトラフィックを処理します。

これにより、音声や動画などのリアルタイムアプリケーションには高優先度の帯域を割り当て、データ転送などの遅延に寛容なトラフィックは低優先度で処理することが可能となり、全体のサービス品質を向上させます。

実装にはネットワーク機器の設定やポリシーの定義が必要です。

目次から探す

DiffServの基本

DiffServ(Differentiated Services)は、インターネットやその他のIPネットワークにおけるトラフィックの優先順位付けと品質保証(QoS)を実現するためのアーキテクチャです。

従来のベースラインサービスとは異なり、DiffServはネットワーク全体でトラフィックを効率的に管理し、多様なサービス品質を提供することを目的としています。

DiffServの目的と利点

DiffServの主な目的は、異なる種類のトラフィックに対して異なる優先度やサービス品質を提供することで、ネットワーク資源を最適に利用し、ユーザー体験を向上させることです。

具体的な利点は以下の通りです。

スケーラビリティ: DiffServはネットワーク全体にわたるスケーラブルなトラフィック管理を可能にし、大規模なネットワークでも効率的に機能します。
柔軟性: 管理者はトラフィックの種類や重要度に応じて、柔軟にサービスクラスを定義し、適用することができます。
効率的な資源利用: ネットワーク資源を効果的に配分することで、帯域幅の無駄遣いを防ぎ、全体のパフォーマンスを向上させます。
相互運用性: 異なるベンダーや機器間でも標準化された方式でトラフィックの分類と処理が行われるため、相互運用性が確保されます。

DiffServの基本構成要素

DiffServアーキテクチャは主に以下の要素で構成されています。

トラフィック分類(Traffic Classification):

ネットワーク内を流れるパケットを特定のクラスに分類します。この分類は、パケットのヘッダー情報(例えば、IPヘッダーのフィールド)に基づいて行われます。

DSCP(Differentiated Services Code Point):

IPヘッダーの「Type of Service(ToS)」フィールドを拡張したもので、トラフィッククラスを識別するために使用されます。DSCPは6ビットの値を持ち、64種類のサービスクラスを定義可能です。

Per-Hop Behavior(PHB):

各トラフィッククラスに対して、ネットワーク内の各ルーターやスイッチがどのようにパケットを処理するかを定義します。一般的なPHBには、優先キューイングや帯域幅の割り当てなどがあります。

サービスクラスの定義:

DiffServは、予め定義されたサービスクラスを利用して、異なるトラフィックに対するQoSを提供します。代表的なサービスクラスには、Expedited Forwarding(EF)やAssured Forwarding(AF)などがあります。

DiffServの動作概要

DiffServはネットワーク全体において一貫したトラフィック管理を実現するために、エンドツーエンドで設定されたポリシーに基づいて動作します。

具体的な動作手順は以下の通りです。

パケットの分類:

送信元から送られてくるパケットは、事前に定義されたルールに基づいてサービスクラスに分類されます。

DSCPの設定:

各パケットに対応するDSCP値が設定され、これによりネットワーク内の各デバイスがトラフィックの優先順位を認識します。

ネットワーク機器による処理:

各ルーターやスイッチは、受信したパケットのDSCP値に基づいてPHBを適用し、優先的な処理や帯域幅の管理を行います。

トラフィックの転送:

定義されたポリシーに従って、パケットが最適なルートを通じて目的地に転送されます。

DiffServと従来のQoS手法との比較

従来のQoS手法であるIntegrated Services(IntServ)は、エンドツーエンドでのリソース予約を必要とし、ネットワーク規模が拡大するにつれて管理が複雑化するという課題がありました。

一方、DiffServはトラフィックをサービスクラスに分類し、各ホップでの扱いを標準化することで、スケーラビリティと柔軟性を向上させています。

このため、大規模なインターネット環境においても効果的にQoSを提供することが可能です。

DiffServの基本を理解することは、ネットワークの品質保証やトラフィック管理を効果的に行うための基盤となります。

次のセクションでは、DiffServにおけるトラフィック分類とDSCPの役割について詳しく解説します。

トラフィック分類とDSCPの役割

DiffServにおけるトラフィック分類とDSCP(Differentiated Services Code Point)は、ネットワーク内のパケットを適切に処理し、品質保証(QoS)を実現するための重要な要素です。

このセクションでは、トラフィック分類の方法とDSCPの役割について詳しく解説します。

トラフィック分類の方法

トラフィック分類は、ネットワークを流れるパケットを特定のサービスクラスに割り当てるプロセスです。

これにより、異なる種類のトラフィックに対して異なる優先度や処理方法を適用することが可能になります。

主な分類基準は以下の通りです。

IPアドレス:
- 送信元および宛先のIPアドレスに基づいてトラフィックを分類します。特定のサブネットやホストからのトラフィックを優先的に扱うことが可能です。
プロトコル:
- TCP、UDP、ICMPなどのプロトコルタイプに基づいて分類します。例えば、音声通話にはUDPが使われることが多いため、UDPトラフィックを優先的に処理する設定が可能です。
ポート番号:
- アプリケーションごとに割り当てられたポート番号を利用して分類します。例えば、HTTPトラフィック(ポート80)とHTTPSトラフィック(ポート443)を区別することができます。
アプリケーションの種類:
- ビデオストリーミング、音声通話、ファイル転送など、アプリケーションの種類に応じてトラフィックを分類します。これにより、リアルタイム性の高いアプリケーションに対して優先度を高く設定することが可能です。

DSCPの概要と機能

DSCPは、IPヘッダー内の「ToS(Type of Service)」フィールドを拡張したもので、6ビットの値を持ちます。

これにより、64種類の異なるサービスクラスを定義することが可能です。

DSCPは、各パケットが属するサービスクラスを識別し、ネットワーク機器が適切な処理を行うために使用されます。

主なDSCPクラス

Default (000000):
- 特別な扱いがされない通常のトラフィックに使用されます。QoSの設定が適用されないため、ベースラインのサービスが提供されます。
Expedited Forwarding (EF, 101110):
- 音声通話やビデオ会議など、低遅延・高優先度が要求されるトラフィックに使用されます。これにより、リアルタイムアプリケーションの品質が確保されます。
Assured Forwarding (AF):
- 複数のサブクラスに分かれ、異なるレベルの転送保証を提供します。例えば、AF41は高優先度、AF31は中優先度、AF21は低優先度のトラフィックに対応します。

DSCPの設定方法

DSCP値はネットワーク機器(ルーターやスイッチ)で設定され、トラフィック分類の結果に基づいて各パケットに適用されます。

具体的な設定手順は以下の通りです。

トラフィックの識別:

ACL(アクセスコントロールリスト)やフィルターを使用して、特定の条件に該当するトラフィックを識別します。

DSCP値の割り当て:

識別されたトラフィックに対して、適切なDSCP値を設定します。例えば、音声トラフィックに対してEF(46)を割り当てます。

ポリシーの適用:

DSCP値に基づいて、トラフィックの優先度や帯域幅を管理するポリシーを適用します。これにより、ネットワーク全体で一貫したQoSが実現されます。

設定例

以下は、CiscoルーターでのDSCP設定の例です。

class-map match-all VOICE
 match ip dscp ef
policy-map QoS_POLICY
 class VOICE
  priority 1000
 class class-default
  fair-queue
interface GigabitEthernet0/1
 service-policy output QoS_POLICY

この設定では、DSCP値がEF(46)の音声トラフィックに対して優先的に帯域幅を確保し、他のトラフィックにはフェアキューイングを適用しています。

DSCPとネットワークパフォーマンス

適切なDSCP設定は、ネットワークパフォーマンスの向上に直結します。

優先度の高いトラフィックが確実に優先されることで、遅延やパケットロスが減少し、ユーザー体験が向上します。

また、ネットワーク資源の効率的な利用が可能となり、全体的な帯域幅の有効活用が促進されます。

DSCPクラス	DSCP値	説明
Default	0	通常のトラフィック
Expedited Forwarding	46	音声・ビデオなど高優先度トラフィック
Assured Forwarding	10-46	複数のサブクラスによる転送保証

このように、DSCPを適切に活用することで、ネットワーク全体の効率と信頼性を高めることができます。

QoS実装におけるDiffServの手法

DiffServ(Differentiated Services)は、ネットワークトラフィックに対して品質保証(QoS)を提供するための効果的な手法です。

本セクションでは、DiffServを用いたQoS実装における主要な手法について詳しく解説します。

具体的には、トラフィックの分類とマッチング、ポリシーマッピング、トラフィックコンディショニング、スケジューリングアルゴリズム、およびキュー管理の各手法について説明します。

トラフィックの分類とマッチング

QoS実装の第一歩として、ネットワークを流れるトラフィックを適切に分類することが不可欠です。

DiffServでは、トラフィックの分類は主に以下の要素に基づいて行われます。

IPアドレス: 送信元および宛先のIPアドレスに基づいた分類。
プロトコル: TCP、UDP、ICMPなどのプロトコルタイプによる分類。
ポート番号: アプリケーションごとに割り当てられたポート番号による分類。
アプリケーションの種類: ビデオストリーミング、音声通話、ファイル転送などのアプリケーションタイプによる分類。

トラフィックの分類が完了すると、各トラフィッククラスに対して適切なポリシーを適用するためにDSCP(Differentiated Services Code Point)が設定されます。

このマッチングプロセスにより、ネットワーク機器は各パケットの優先度を認識し、適切な処理を行うことが可能になります。

ポリシーマッピング

ポリシーマッピングは、分類されたトラフィッククラスに対して具体的なQoSポリシーを適用するプロセスです。

DiffServでは、以下のようなポリシーマッピングが一般的に使用されます。

サービスクラスの定義: 例えば、Expedited Forwarding(EF)、Assured Forwarding(AF)、Default Classなど、異なるサービスクラスを定義します。
帯域幅の割り当て: 各サービスクラスに対して必要な帯域幅を確保します。高優先度のクラスにはより多くの帯域幅を割り当てることで、遅延やパケットロスを最小限に抑えることができます。
優先度の設定: トラフィッククラスごとに異なる優先度を設定し、ネットワーク機器が優先度に応じた処理を行うようにします。

トラフィックコンディショニング

トラフィックコンディショニングは、ネットワークに流れるトラフィックの特性を調整し、QoSポリシーに適合させるための手法です。

主なコンディショニング手法には以下があります。

ポーリング(Policing):
- トラフィックが設定された帯域幅やレートを超過した場合に、過剰なパケットを破棄またはマーク変更します。これにより、ネットワークのリソースが適切に管理されます。
整形(Shaping):
- トラフィックの送出レートを制御し、バーストを平滑化します。これにより、一時的なトラフィックの急増によるネットワークの混雑を防ぎます。
リミッティング(Limiting):
- トラフィックの最大許容レートを設定し、それを超えるトラフィックを制限します。これにより、特定のサービスクラスが過剰なリソースを消費しないようにします。

スケジューリングアルゴリズム

スケジューリングアルゴリズムは、ネットワーク機器がパケットを転送する順序を決定する方法です。

DiffServでは、以下のようなスケジューリングアルゴリズムが広く採用されています。

優先度キューイング(Priority Queuing):
- 高優先度のキューから先にパケットを転送する方式です。リアルタイムアプリケーションに対して低遅延を保証しますが、低優先度のトラフィックが後回しになりやすいという欠点があります。
重み付き公平キューイング(Weighted Fair Queuing, WFQ):
- 各トラフィッククラスに対して異なる重みを設定し、公平に帯域幅を分配します。全体的なネットワークパフォーマンスを向上させることができます。
ラウンドロビンキューイング(Round Robin Queuing):
- 各キューから順番にパケットを取り出して転送する方式です。シンプルで実装が容易ですが、優先度の高いトラフィックの優先度を厳密に制御することは難しいです。

キュー管理

キュー管理は、ネットワーク機器内でパケットを一時的に保持するためのメカニズムです。

DiffServにおけるキュー管理では、以下の方法が使用されます。

FIFO(First-In, First-Out)キュー:
- 先に到着したパケットを先に処理する単純なキュー方式です。優先度の制御ができないため、QoSの実現には不向きです。
優先度キュー:
- 複数のキューを用意し、高優先度のキューから順に処理します。リアルタイムトラフィックに適しています。
重み付きフェアキュー(Weighted Fair Queuing, WFQ):
- 各トラフィッククラスに対して異なる重みを設定し、公平かつ効率的にキューを管理します。多様なトラフィックに対して柔軟に対応可能です。
ランダム早期検出(Random Early Detection, RED):
- 混雑状況に応じてパケットをランダムに破棄し、ネットワークの輻輳を緩和します。キューの遅延やパケットロスを軽減する効果があります。

帯域幅の確保

QoS実装において、各トラフィッククラスに必要な帯域幅を確保することは重要です。

DiffServでは、以下の方法で帯域幅の確保が行われます。

予約帯域幅(Reserved Bandwidth):
- 高優先度のトラフィックに対して確保された固定の帯域幅を設けます。これにより、重要なトラフィックが確実に処理されます。
動的帯域幅割り当て(Dynamic Bandwidth Allocation):
- ネットワークの負荷状況に応じて帯域幅を動的に調整します。これにより、ネットワーク全体の効率を最大化します。
帯域幅シェアリング:
- 複数のトラフィッククラス間で帯域幅を共有し、需要に応じて柔軟に配分します。これにより、ネットワークリソースの有効活用が図れます。

DiffServの実装例

以下に、Ciscoルーターを使用したDiffServの実装例を示します。

具体的な設定手順は企業やネットワーク環境によって異なりますが、基本的な流れは共通しています。

クラスマップの定義:

トラフィッククラスを識別するためのクラスマップを設定します。

ポリシーマップの作成:

各クラスに対するQoSポリシーを定義します。

インターフェースへの適用:

定義したポリシーマップを特定のインターフェースに適用します。

具体的な設定例やコマンドについては次のセクションで詳述します。

QoS実装のベストプラクティス

DiffServを用いたQoS実装を成功させるためには、以下のベストプラクティスを遵守することが重要です。

トラフィックの正確な分類:
- トラフィックの種類や重要度を正確に把握し、適切に分類することがQoSの効果を最大化します。
ポリシーの一貫性:
- ネットワーク全体で一貫したQoSポリシーを適用し、エンドツーエンドでの品質保証を実現します。
定期的なモニタリングと調整:
- ネットワークの使用状況を定期的にモニタリングし、QoSポリシーや帯域幅の設定を必要に応じて調整します。
ドキュメントの整備:
- QoSポリシーの設定や変更履歴を詳細にドキュメント化し、管理の効率化とトラブルシューティングの迅速化を図ります。

これらの手法とベストプラクティスを組み合わせることで、DiffServを効果的に活用し、ネットワークの品質保証を実現することが可能です。

DiffServ導入のメリットと課題

DiffServ(Differentiated Services)の導入は、ネットワークの品質保証(QoS)を向上させるための効果的な手段ですが、その導入には多くのメリットがある一方で、いくつかの課題も存在します。

本セクションでは、DiffServを導入する際の主な利点と直面する可能性のある課題について詳しく解説します。

DiffServ導入のメリット

DiffServをネットワークに導入することで得られる主なメリットは以下の通りです。

スケーラビリティの向上

DiffServは、ネットワーク全体で一貫したトラフィック管理を可能にするため、大規模なネットワーク環境でも効果的に機能します。

個々のエンドユーザーやトラフィックフローごとに品質を保証するのではなく、トラフィッククラス単位で管理するため、管理が容易であり、ネットワーク規模の拡大にも柔軟に対応できます。

柔軟なトラフィック管理

DiffServは、さまざまなトラフィッククラスに対して異なるQoSポリシーを適用することが可能です。

これにより、音声やビデオなどのリアルタイムアプリケーションには高優先度を、一般的なデータトラフィックには標準的な優先度を設定するなど、用途に応じた柔軟な管理が実現します。

効率的な帯域幅利用

トラフィックの優先度に基づいて帯域幅を動的に割り当てることで、ネットワーク資源を最適に利用できます。

これにより、重要なトラフィックが確実に通過しつつ、全体の帯域幅の無駄遣いを防ぐことができます。

相互運用性の確保

DiffServは標準化されたプロトコルに基づいているため、異なるベンダーの機器や多様なネットワーク環境間でも相互運用性が確保されます。

これにより、既存のネットワークインフラと容易に統合することが可能です。

管理の簡素化

DiffServは、ネットワーク全体で統一されたポリシーを適用するため、個別のトラフィックフローごとに設定を行う必要がなく、管理が簡素化されます。

また、ポリシーの変更や更新も一元的に行えるため、運用効率が向上します。

DiffServ導入の課題

一方で、DiffServの導入には以下のような課題も存在します。

複雑な設定と管理

DiffServの効果的な運用には、トラフィックの正確な分類と適切なDSCP値の設定が不可欠です。

これには高度なネットワーク管理スキルが要求され、設定ミスがQoSの低下やネットワーク混雑を引き起こす可能性があります。

トラフィックの正確な分類の難しさ

ネットワーク内のトラフィックを正確に分類し、適切なサービスクラスに割り当てることは容易ではありません。

特に、アプリケーションが動的に変化する環境では、分類の精度を維持することが困難になる場合があります。

既存ネットワークとの互換性

既存のネットワークインフラがDiffServに対応していない場合、全体的なQoSの向上を図るためにはネットワーク機器の更新や再設定が必要となり、追加のコストと時間がかかります。

トラフィックエンジニアリングとの競合

DiffServはトラフィックエンジニアリング(TE)と併用することが一般的ですが、これらを統合的に管理するには高度な知識と専用のツールが必要です。

適切に統合されない場合、QoSポリシーが期待通りに機能しない可能性があります。

セキュリティ上の懸念

DSCP値を悪意のあるユーザーが不正に設定することで、本来の優先度を超えるトラフィックを大量に送信し、ネットワークのリソースを占有する攻撃(QoSグリーディング)を行うリスクがあります。

これに対処するためのセキュリティ対策が必要です。

導入に向けた考慮事項

DiffServを導入する際には、以下の点を考慮することが重要です。

詳細なネットワーク分析: 導入前にネットワークトラフィックのパターンを詳細に分析し、適切なトラフィッククラスとDSCPポリシーを設計します。
段階的な導入: 一度に全ネットワークに適用するのではなく、パイロット環境や特定のセグメントから段階的に導入し、問題点を洗い出しながら拡大していく方法が推奨されます。
監視と管理ツールの導入: 導入後も継続的にネットワークの状態を監視し、QoSポリシーの効果を評価するための管理ツールを導入することが重要です。
セキュリティ対策の強化: DSCP値の偽装を防ぐための認証やフィルタリング機能を導入し、ネットワークのセキュリティを確保します。

DiffServの導入は、ネットワークの品質保証を向上させるための有力な手段ですが、その成功には適切な設計と管理が求められます。

メリットを最大限に活かしつつ、課題に対処するための戦略を持つことで、効果的にDiffServを活用し、ネットワークパフォーマンスの最適化を図ることが可能です。

まとめ

DiffServの基本からトラフィック分類、QoSの実装手法、導入時のメリットと課題までを解説しました。

これにより、ネットワークにおけるトラフィック管理の重要性と実際の運用方法が明確になりました。

今後のネットワーク設計にDiffServを積極的に活用してみてください。