武磊

【摘要】 本文在無損以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，闡述了IEEE802.1 Qbb標準中提出的優(yōu)先級流控（PFC）機制，并在MAC層就該流控機制進行了設計與實現(xiàn)。通過Modelism仿真結(jié)果表明，該流控機制可以實現(xiàn)鏈路流量的控制，為數(shù)據(jù)中心二層以太網(wǎng)鏈路提供了高可靠性、無丟包傳輸?shù)男阅鼙Ｕ稀?/p>

【關(guān)鍵詞】 無損以太網(wǎng) 優(yōu)先級流控 數(shù)據(jù)中心 MAC

一、引言

伴隨著云計算及云存儲業(yè)務的需求增長，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡技術(shù)得到了快速發(fā)展，為用戶提供了一種高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸解決方案，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡帶寬增加、無丟包傳輸?shù)纫?。在?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中存在三種網(wǎng)絡模型，分別為SAN網(wǎng)絡、LAN網(wǎng)絡和IPC網(wǎng)絡，不同的網(wǎng)絡模型對流量性能提出了不同的標準，SAN網(wǎng)絡要求數(shù)據(jù)無丟包傳輸，LAN網(wǎng)絡提供盡力而為的服務，IPC網(wǎng)絡則提出低延遲標準。在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中，LAN網(wǎng)絡盡力而為的機制不足以支撐SAN網(wǎng)絡無丟包傳輸，因此對數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)技術(shù)提出了更高的鏈路流量控制標準。本文在IEEE 802.1 Qbb標準基礎(chǔ)上，設計了一種適合數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)的鏈路流量控制解決方案。

二、基于優(yōu)先級的流控（PFC）機制標準

PFC是由IEEE 802.1 Qbb協(xié)議標準針對無損以太網(wǎng)絡提出的，它類似于802.3 X標準中的PAUSE機制，通過反饋機制對鏈路中的每個優(yōu)先級業(yè)務進行單獨流量控制，優(yōu)點是全雙工、反應快，能快速解決鏈路擁塞問題。雙方設備鏈路上PFC幀交互過程如圖1所示。

由圖1所示，二層交換網(wǎng)絡以太網(wǎng)鏈路通過反饋與響應機制完成流量的管理。反饋機制表現(xiàn)在：如圖1鏈路6接收隊列所示，當本地設備接收隊列超過一定門限閾值時，則會產(chǎn)生pause請求告知對方暫停發(fā)幀，當接收隊列低于一定門限時，接收端會產(chǎn)生pause取消請求信號告知對方設備正常發(fā)幀。反饋響應機制表現(xiàn)在，當遠端設備因轉(zhuǎn)發(fā)延遲造成緩存溢出時，本端設備會暫停發(fā)幀，直到對方具備緩存能力后，才會通知本地設備繼續(xù)發(fā)幀。通過這樣一個反饋與響應機制，完成雙方設備鏈路的流量管理。PFC幀支持分級服務，對不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀進行單獨PAUSE控制，如圖1所示，優(yōu)先級為6的接收隊列將滿，則將會對優(yōu)先級鏈路為6的數(shù)據(jù)源實施暫停請求，而其他服務隊列完全不受影響。

三、基于優(yōu)先級流控（PFC）的設計

優(yōu)先級流控機制的設計包括接收和發(fā)送方向PFC幀的響應與處理，設計框圖如圖2所示。

由圖2所示，在接收方向上，功能設計分為兩部分：一是本端設備MAC_RX接收端在解析模塊提取 PFC報文格式中Class-Enable Vector和Time（n）傳遞給MAC_TX發(fā)送模塊；二是根據(jù)本端接收隊列緩存情況產(chǎn)生16bit數(shù)據(jù)請求信號傳遞給MAC_TX模塊，控制對端設備數(shù)據(jù)的發(fā)送，請求信號每兩bit對應一個Class服務，如16h0001代表請求對端優(yōu)先級1的鏈路暫停發(fā)幀，如16h0002則請求對端設備優(yōu)先級1的鏈路繼續(xù)發(fā)幀。

在發(fā)送方向上，功能設計如下：發(fā)送端根據(jù)接收端提取的定時信息time（n）和優(yōu)先級向量更新本地定時器timer_ cnt，time（n）中的值是定時單位時間個數(shù)，每個定時單位時間相當于512bit數(shù)據(jù)傳輸時間，每傳輸512bit數(shù)據(jù)后 timer_cnt進行減一操作，直到timer_cnt為0時允許本端設備此優(yōu)先級鏈路發(fā)幀，否則暫停本優(yōu)先級鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送。

四、優(yōu)先級流控（PFC）設計的仿真

通過Modelism仿真平臺對設計進行功能驗證。主要驗證內(nèi)容如下：在接收方向上驗證接收端是否會根據(jù)本地接收隊列的緩存情況向發(fā)送端PFC產(chǎn)生模塊發(fā)送正確的請求信號。在發(fā)送方向上驗證發(fā)送端是否能夠響應接收方向上傳遞的暫停時間因子來調(diào)度本地設備幀的發(fā)送。接收方向仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3所示，當接收隊列達到一定門限即wrusedw達到1209e后，fifo_ovfl信號拉高，接收端PFC請求模塊發(fā)出16h0040請求信號傳遞給MAC_TX模塊，發(fā)送端根據(jù)此請求信號構(gòu)建了如圖中所示定時信息為16hffff的PFC幀，并在鏈路上檢測到此PFC幀。發(fā)送端響應示意圖如圖4所示。

PFC流控是基于優(yōu)先級設計的，本仿真針對于優(yōu)先級為4的鏈路進行暫?？刂?，根據(jù)接收方向提取的定時信息timer4將發(fā)送端定時器fip_timer更新為16h0011，發(fā)送端同時使能fip_cnt_en控制fip_cnt的增減，當 fip_cnt增到3d7后fip_timer減1，當fip_timer定時信息不為0時，優(yōu)先級鏈路4的數(shù)據(jù)幀被暫停發(fā)送，調(diào)度指針變?yōu)?h4，此時發(fā)送其他鏈路數(shù)據(jù)幀，直到fip_timer定時信息為0時，才會重新授權(quán)優(yōu)先級指針fifo_rden為 3h2，允許優(yōu)先級鏈路4上的數(shù)據(jù)發(fā)送。

根據(jù)modelism仿真結(jié)果證明，MAC層的MAC_RX和MAC_TX能夠通過PFC機制的反饋與響應完成鏈路流量的調(diào)節(jié)，避免了鏈路的擁擠，保證了鏈路數(shù)據(jù)的無損傳輸。

五、結(jié)束語

本文根據(jù)802.1 Qbb標準在MAC層實現(xiàn)了優(yōu)先級流控機制的設計，并對該設計進行了Modelism功能仿真，驗證了優(yōu)先級流控機制作為一種無損以太網(wǎng)流控技術(shù)，能夠根據(jù)鏈路擁塞情況做出快速反應，解決鏈路流量擁擠問題，避免數(shù)據(jù)丟包問題發(fā)生。本設計可應用于無損以太網(wǎng)MAC層中，同時為后續(xù)聯(lián)合QCN算法共同解決流量問題做了鋪墊。

參 考 文 獻

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