孟 霞,康京山,路 敏

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.河北電力建設(shè)第二工程公司,河北石家莊050081)

0 引言

隨著Internet的飛速發(fā)展,IP網(wǎng)絡(luò)迅速增長(zhǎng),已從原來的單一的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為一個(gè)名符其實(shí)的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng),而不同的業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)提出了不同的要求。由于三層以太網(wǎng)交換機(jī)集二層交換技術(shù)和三層路由(或稱三層轉(zhuǎn)發(fā))技術(shù)于一體,不但實(shí)現(xiàn)了路由器的第三層路由功能,而且具有線速轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文能力,實(shí)現(xiàn)了靈活的VLAN劃分、高效的組播控制、流策略的管理及訪問控制等功能,因此受到青睞。

基于BROADCOM公司的BCM5645控制交換芯片,探索了在三層以太網(wǎng)交換機(jī)中解決IP QoS問題的方法。

1 三層交換機(jī)QoS實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1.1 三層控制交換芯片BCM5645

BCM5645是一款具有二、三層交換能力的芯片,其交換引擎與外部CPU模塊通過33 MHz PCI總線連接,通過控制直接存儲(chǔ)器存取實(shí)現(xiàn)二者之間的高速數(shù)據(jù)包交換。交換引擎在片內(nèi)高速數(shù)據(jù)緩沖池中為包緩存提供了內(nèi)部存儲(chǔ)器。BCM5645支持24個(gè)全雙工10/100 Mbps以太網(wǎng)接口,分成3組接口模塊。同時(shí)還支持2個(gè)全雙工千兆以太網(wǎng)接口。支持分類服務(wù)和流量控制,支持快速過濾機(jī)制(Fast Filter Processor,FFP),支持 IEEE 802.1d協(xié)議、IEEE 802.1s協(xié)議(生成樹協(xié)議)、IEEE 802.1p協(xié)議和IEEE 802.1q(VLAN)協(xié)議。

1.2 BCM5645芯片數(shù)據(jù)處理流程

所有數(shù)據(jù)流通過BCM5645芯片都按照如下流程進(jìn)行處理:

入口邏輯→內(nèi)存管理單元→出口邏輯。

其中入口邏輯內(nèi)的處理最關(guān)鍵,它決定了數(shù)據(jù)流將得到怎樣的處理:轉(zhuǎn)發(fā)、丟棄或者復(fù)制等等。內(nèi)存管理單元提供數(shù)據(jù)包的緩存和調(diào)度。出口邏輯將數(shù)據(jù)包從內(nèi)存管理單元中取出并發(fā)送到相應(yīng)接口上。

數(shù)據(jù)包在經(jīng)過入口邏輯時(shí)的處理順序是:以太網(wǎng)幀到達(dá)后,根據(jù)目的MAC地址進(jìn)行2層選路,如果找不到出口則根據(jù)三層目的IP地址進(jìn)行三層選路,然后進(jìn)入FFP處理,對(duì)數(shù)據(jù)流實(shí)施QoS參數(shù)控制,即MAC→L2→L3→FFP→MIRROR→內(nèi)存管理單元。

1.3 FFP的實(shí)現(xiàn)機(jī)理

FFP能夠提供強(qiáng)大的包過濾和分類功能。它由掩碼器和規(guī)則表2個(gè)部分組成。掩碼器用于提取包的某一個(gè)域或多個(gè)域的組合(如:源/目的MAC地址、源/目的 IP地址、源/目的端口號(hào)、協(xié)議類型和TOS等字段)。FFP支持16個(gè)掩碼器,即可定義16個(gè)過濾掩碼,每個(gè)掩碼實(shí)際上確定了要提取包的某一個(gè)域的窗口的位置和窗口的大小。規(guī)則表主要用于判斷進(jìn)入的IP包經(jīng)掩碼器提取后的某一個(gè)域(或幾個(gè)域)值(Filter Value)是否與規(guī)則表匹配以及要進(jìn)行的處理。規(guī)則表包含過濾規(guī)則、入口出口的端口號(hào)、掩碼器號(hào)(即FSEL)、動(dòng)作和輸出端口等。

BCM5645可檢測(cè)數(shù)據(jù)包頭的前80個(gè)字節(jié)的信息,針對(duì)一個(gè)域值或多個(gè)域值的組合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)IP包從2～7層的分類,具體包括:

①根據(jù)源MAC、目的MAC地址進(jìn)行分類;

②根據(jù)入口port進(jìn)行分類;

③根據(jù)5元組進(jìn)行分類:包括源IP地址、目的IP地址、協(xié)議號(hào)、源TCP/UDP端口號(hào)和目的TCP/UDP端口號(hào);

④根據(jù)DSCP(區(qū)分服務(wù)編碼點(diǎn))進(jìn)行分類等。

對(duì)于匹配的數(shù)據(jù)流可以執(zhí)行以下動(dòng)作:

①插入一個(gè)802.1p標(biāo)記;

②鏡像到任意一個(gè)4級(jí)服務(wù)隊(duì)列;

③修改IP服務(wù)類型字段;

④發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的副本給CPU;

⑤丟棄數(shù)據(jù)包;

⑥轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到任意一個(gè)出口;

⑦發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包副本到與之鏡像的端口等。

FFP還可以提供計(jì)量功能,能夠計(jì)量數(shù)據(jù)流的速率是否符合要求,經(jīng)計(jì)量器測(cè)試的業(yè)務(wù)流可分為符合包和不符合包。對(duì)符合包所采取的動(dòng)作包括:標(biāo)記(重標(biāo)記)DSCP(區(qū)分服務(wù)編碼點(diǎn))值、標(biāo)記TOS(服務(wù)類別)優(yōu)先級(jí)域值、改變802.1p域值、將包發(fā)送到鏡像端口、將包重定向到指定端口、包丟棄、整形和轉(zhuǎn)發(fā)等;對(duì)不符合包所采取的動(dòng)作有:發(fā)到CPU、包丟棄、改變DSCP值和包轉(zhuǎn)發(fā)等。

具體來說,當(dāng)某個(gè)包到達(dá)交換機(jī)入口時(shí),所有16個(gè)過濾掩碼器同時(shí)被應(yīng)用,掩碼器號(hào)及過濾值作為尋找128個(gè)條目深度的規(guī)則表的關(guān)鍵字,如圖1所示。即只有當(dāng)FSEL值和Filter Values值都匹配的包才是符合過濾規(guī)則的包。16個(gè)掩碼器的選擇由FSEL決定,FSEL值越大,其所對(duì)應(yīng)的規(guī)則表的過濾規(guī)則的優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)包經(jīng)某個(gè)掩碼器提取后,再根據(jù)此掩碼器所對(duì)應(yīng)的檢索號(hào)FSEL值,查找與此FSEL值相等的過濾規(guī)則,并判斷所提取的包的域值是否與此過濾規(guī)則匹配,一個(gè)掩碼器可能對(duì)應(yīng)多個(gè)過濾規(guī)則。另外,數(shù)據(jù)包被掩碼器的處理是有順序的,即進(jìn)入的數(shù)據(jù)包首先被FSEL值小的掩碼器處理,最后是被FSEL值最大的過濾器處理,這樣可能產(chǎn)生與多個(gè)過濾規(guī)則相匹配,即對(duì)分組進(jìn)行分類時(shí)發(fā)生了沖突。當(dāng)發(fā)生沖突時(shí),執(zhí)行優(yōu)先級(jí)較高的過濾規(guī)則所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

圖1 FFP處理流程

2 開發(fā)實(shí)踐

在工程實(shí)踐中基于BCM5645芯片研發(fā)了三層以太網(wǎng)交換機(jī),并實(shí)現(xiàn)了與 IP QoS相關(guān)的多種功能,包括:業(yè)務(wù)流分類、流量測(cè)量及監(jiān)管、基于優(yōu)先級(jí)的排隊(duì)機(jī)制、多種隊(duì)列調(diào)度方式、防火墻過濾功能、靈活可變的QoS映射策略以及隧道功能等。在這些功能的實(shí)現(xiàn)過程中,都借助了FFP,通過定制各種Filter(過濾器),保證IP QoS。

2.1 FILTER創(chuàng)建的步驟及使用的函數(shù)

創(chuàng)建的基本步驟在實(shí)際中應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)需要自行裁剪,更詳細(xì)的內(nèi)容可以參考本芯片的手冊(cè)。

第1步:指定要過濾的數(shù)據(jù)包的特征值和掩碼。用到的函數(shù)是:

特征值的選取根據(jù)實(shí)際需要,例如:源地址、目的地址、目的端口號(hào)和協(xié)議類型等等。

第2步:指定匹配過濾規(guī)則的數(shù)據(jù)包將采用的轉(zhuǎn)發(fā)行為。用到的函數(shù)是:

第3步:創(chuàng)建計(jì)量器,用于統(tǒng)計(jì)某個(gè)數(shù)據(jù)流的流量。這個(gè)步驟是根據(jù)實(shí)際需要可以進(jìn)行取舍的。使用的函數(shù)是:

第4步:指定計(jì)量器的流量門限。如果不使用計(jì)量器則可以省略該步驟。使用的函數(shù)是:

第6步:將filter加載到硬件處理表中,表示該filter將開始發(fā)揮作用。使用的函數(shù)是:

第5步:指定對(duì)于超出計(jì)量器流量門限的數(shù)據(jù)流要采用哪些轉(zhuǎn)發(fā)行為。如果不使用計(jì)量器則可以省略該步驟。使用的函數(shù)是:

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 驗(yàn)證環(huán)境

使用AX4000測(cè)試儀以及PC機(jī)作為數(shù)據(jù)源。三層以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)置3個(gè)接口,其中2個(gè)作為入口,1個(gè)作為出口。AX4000測(cè)試儀發(fā)送100 Mbps數(shù)據(jù)流,PC機(jī)上使用發(fā)包工具發(fā)送80 Mbps數(shù)據(jù)流,分別從三層以太網(wǎng)交換機(jī)2個(gè)接口進(jìn)入,然后從 1個(gè)接口流出.測(cè)試連線圖如圖2所示。

2.2.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)1

該實(shí)驗(yàn)用于比較優(yōu)先級(jí)調(diào)度對(duì)數(shù)據(jù)流的影響。

①測(cè)試內(nèi)容:同等優(yōu)先級(jí)調(diào)度對(duì)數(shù)據(jù)流的影響。需要?jiǎng)?chuàng)建的過濾器描述如下:過濾器1:將“源地址192.168.1.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為1的數(shù)據(jù)流”放入優(yōu)先級(jí)為1的調(diào)度隊(duì)列;過濾器2:將“源地址192.168.2.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為172的數(shù)據(jù)流”放入優(yōu)先級(jí)為1的調(diào)度隊(duì)列。在該環(huán)境下測(cè)試得到如下結(jié)果:當(dāng)數(shù)據(jù)流1和數(shù)據(jù)流2為同等優(yōu)先級(jí)時(shí),隊(duì)列調(diào)度是輪流處理2種流,對(duì)數(shù)據(jù)流2進(jìn)行監(jiān)測(cè),流量變化如圖3(a)所示(按時(shí)間順序從右向左觀察,以下圖同此)。

圖2 測(cè)試連線圖

②測(cè)試內(nèi)容:不同優(yōu)先級(jí)調(diào)度對(duì)數(shù)據(jù)流的影響。需要?jiǎng)?chuàng)建的過濾器描述如下:過濾器1:將“源地址192.168.1.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為1的數(shù)據(jù)流”放入優(yōu)先級(jí)為2的調(diào)度隊(duì)列;過濾器2:將“源地址192.168.2.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為172的數(shù)據(jù)流”放入優(yōu)先級(jí)為1的調(diào)度隊(duì)列。在該環(huán)境下測(cè)試得到如下結(jié)果:當(dāng)設(shè)置數(shù)據(jù)流1為高優(yōu)先級(jí)時(shí),隊(duì)列調(diào)度優(yōu)先處理該流,數(shù)據(jù)流2的丟包率急劇增大,流量變化如圖3(b)所示。

圖3 數(shù)據(jù)流2的流量變化

2.2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)2

測(cè)試內(nèi)容:數(shù)據(jù)流流量的測(cè)量與監(jiān)管。需要?jiǎng)?chuàng)建的過濾器描述如下:過濾器1:限制“源地址192.168.2.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為172的數(shù)據(jù)流”的流量為100 Mbps,對(duì)于超過流量的數(shù)據(jù)包實(shí)施丟棄;過濾器2:限制“源地址192.168.2.1、目的地址192.168.3.1和協(xié)議類型為172的數(shù)據(jù)流”的流量為50 Mbps,對(duì)于超過流量的數(shù)據(jù)包實(shí)施丟棄;(按照如下順序分別限制數(shù)據(jù)流2的流量:100Mbps→50 Mbps→30 Mbps→20Mbps→10 Mbps→20Mbps→30Mbps→50Mbps→100 Mbps。)

在該環(huán)境下測(cè)試得到如下結(jié)果:數(shù)據(jù)流2的流量變化如圖4所示。從圖4可以明顯地看到數(shù)據(jù)流量得到了有效監(jiān)管。

圖4 數(shù)據(jù)流2的流量計(jì)量

3 結(jié)束語

IP QoS是當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)問題,以bcm5645芯片為例,給出了在三層以太網(wǎng)交換機(jī)中IP QoS的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)2～7層業(yè)務(wù)流的分類和多種調(diào)度處理,實(shí)驗(yàn)表明,根據(jù)所制定的不同策略,可以確保不同服務(wù)等級(jí)的業(yè)務(wù)得到應(yīng)有的服務(wù)質(zhì)量保證。

[1]肖昌吉.基于END模型的三層交換機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2005:14-31.

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