武磊

【摘要】 本文在無(wú)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(biāo)準(zhǔn)中提出的優(yōu)先級(jí)流控（PFC）機(jī)制，并在MAC層就該流控機(jī)制進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Modelism仿真結(jié)果表明，該流控機(jī)制可以實(shí)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(wú)丟包傳輸?shù)男阅鼙Ｕ稀?/p>

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

一、引言

伴隨著云計(jì)算及云存儲(chǔ)業(yè)務(wù)的需求增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)帶寬增加、無(wú)丟包傳輸?shù)纫蟆Ｔ跀?shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中存在三種網(wǎng)絡(luò)模型，分別為SAN網(wǎng)絡(luò)、LAN網(wǎng)絡(luò)和IPC網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)流量性能提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，SAN網(wǎng)絡(luò)要求數(shù)據(jù)無(wú)丟包傳輸，LAN網(wǎng)絡(luò)提供盡力而為的服務(wù)，IPC網(wǎng)絡(luò)則提出低延遲標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中，LAN網(wǎng)絡(luò)盡力而為的機(jī)制不足以支撐SAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)丟包傳輸，因此對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。本文在IEEE 802.1 Qbb標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jí)的流控（PFC）機(jī)制標(biāo)準(zhǔn)

PFC是由IEEE 802.1 Qbb協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)無(wú)損以太網(wǎng)絡(luò)提出的，它類(lèi)似于802.3 X標(biāo)準(zhǔn)中的PAUSE機(jī)制，通過(guò)反饋機(jī)制對(duì)鏈路中的每個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)進(jìn)行單獨(dú)流量控制，優(yōu)點(diǎn)是全雙工、反應(yīng)快，能快速解決鏈路擁塞問(wèn)題。雙方設(shè)備鏈路上PFC幀交互過(guò)程如圖1所示。

由圖1所示，二層交換網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)鏈路通過(guò)反饋與響應(yīng)機(jī)制完成流量的管理。反饋機(jī)制表現(xiàn)在：如圖1鏈路6接收隊(duì)列所示，當(dāng)本地設(shè)備接收隊(duì)列超過(guò)一定門(mén)限閾值時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生pause請(qǐng)求告知對(duì)方暫停發(fā)幀，當(dāng)接收隊(duì)列低于一定門(mén)限時(shí)，接收端會(huì)產(chǎn)生pause取消請(qǐng)求信號(hào)告知對(duì)方設(shè)備正常發(fā)幀。反饋?lái)憫?yīng)機(jī)制表現(xiàn)在，當(dāng)遠(yuǎn)端設(shè)備因轉(zhuǎn)發(fā)延遲造成緩存溢出時(shí)，本端設(shè)備會(huì)暫停發(fā)幀，直到對(duì)方具備緩存能力后，才會(huì)通知本地設(shè)備繼續(xù)發(fā)幀。通過(guò)這樣一個(gè)反饋與響應(yīng)機(jī)制，完成雙方設(shè)備鏈路的流量管理。PFC幀支持分級(jí)服務(wù)，對(duì)不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行單獨(dú)PAUSE控制，如圖1所示，優(yōu)先級(jí)為6的接收隊(duì)列將滿，則將會(huì)對(duì)優(yōu)先級(jí)鏈路為6的數(shù)據(jù)源實(shí)施暫停請(qǐng)求，而其他服務(wù)隊(duì)列完全不受影響。

三、基于優(yōu)先級(jí)流控（PFC）的設(shè)計(jì)

優(yōu)先級(jí)流控機(jī)制的設(shè)計(jì)包括接收和發(fā)送方向PFC幀的響應(yīng)與處理，設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

由圖2所示，在接收方向上，功能設(shè)計(jì)分為兩部分：一是本端設(shè)備MAC_RX接收端在解析模塊提取 PFC報(bào)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(duì)列緩存情況產(chǎn)生16bit數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)傳遞給MAC_TX模塊，控制對(duì)端設(shè)備數(shù)據(jù)的發(fā)送，請(qǐng)求信號(hào)每?jī)蒪it對(duì)應(yīng)一個(gè)Class服務(wù)，如16h0001代表請(qǐng)求對(duì)端優(yōu)先級(jí)1的鏈路暫停發(fā)幀，如16h0002則請(qǐng)求對(duì)端設(shè)備優(yōu)先級(jí)1的鏈路繼續(xù)發(fā)幀。

在發(fā)送方向上，功能設(shè)計(jì)如下：發(fā)送端根據(jù)接收端提取的定時(shí)信息time（n）和優(yōu)先級(jí)向量更新本地定時(shí)器timer_ cnt，time（n）中的值是定時(shí)單位時(shí)間個(gè)數(shù)，每個(gè)定時(shí)單位時(shí)間相當(dāng)于512bit數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，每傳輸512bit數(shù)據(jù)后 timer_cnt進(jìn)行減一操作，直到timer_cnt為0時(shí)允許本端設(shè)備此優(yōu)先級(jí)鏈路發(fā)幀，否則暫停本優(yōu)先級(jí)鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送。

四、優(yōu)先級(jí)流控（PFC）設(shè)計(jì)的仿真

通過(guò)Modelism仿真平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行功能驗(yàn)證。主要驗(yàn)證內(nèi)容如下：在接收方向上驗(yàn)證接收端是否會(huì)根據(jù)本地接收隊(duì)列的緩存情況向發(fā)送端PFC產(chǎn)生模塊發(fā)送正確的請(qǐng)求信號(hào)。在發(fā)送方向上驗(yàn)證發(fā)送端是否能夠響應(yīng)接收方向上傳遞的暫停時(shí)間因子來(lái)調(diào)度本地設(shè)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(dāng)接收隊(duì)列達(dá)到一定門(mén)限即wrusedw達(dá)到1209e后，fifo_ovfl信號(hào)拉高，接收端PFC請(qǐng)求模塊發(fā)出16h0040請(qǐng)求信號(hào)傳遞給MAC_TX模塊，發(fā)送端根據(jù)此請(qǐng)求信號(hào)構(gòu)建了如圖中所示定時(shí)信息為16hffff的PFC幀，并在鏈路上檢測(cè)到此PFC幀。發(fā)送端響應(yīng)示意圖如圖4所示。

PFC流控是基于優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)的，本仿真針對(duì)于優(yōu)先級(jí)為4的鏈路進(jìn)行暫停控制，根據(jù)接收方向提取的定時(shí)信息timer4將發(fā)送端定時(shí)器fip_timer更新為16h0011，發(fā)送端同時(shí)使能fip_cnt_en控制fip_cnt的增減，當(dāng) fip_cnt增到3d7后fip_timer減1，當(dāng)fip_timer定時(shí)信息不為0時(shí)，優(yōu)先級(jí)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(shí)發(fā)送其他鏈路數(shù)據(jù)幀，直到fip_timer定時(shí)信息為0時(shí)，才會(huì)重新授權(quán)優(yōu)先級(jí)指針fifo_rden為 3h2，允許優(yōu)先級(jí)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(guò)PFC機(jī)制的反饋與響應(yīng)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(wú)損傳輸。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)802.1 Qbb標(biāo)準(zhǔn)在MAC層實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)流控機(jī)制的設(shè)計(jì)，并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了Modelism功能仿真，驗(yàn)證了優(yōu)先級(jí)流控機(jī)制作為一種無(wú)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(yīng)，解決鏈路流量擁擠問(wèn)題，避免數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題發(fā)生。本設(shè)計(jì)可應(yīng)用于無(wú)損以太網(wǎng)MAC層中，同時(shí)為后續(xù)聯(lián)合QCN算法共同解決流量問(wèn)題做了鋪墊。

參 考 文 獻(xiàn)

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