孟祥迪

（中興通訊股份有限公司，深圳 518057）

1 引言

本文在介紹以太網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹?、?bào)文封裝格式基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講述了L2/L3VPN復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鏈路速率與PPS之間的換算，并對(duì)丟包原因進(jìn)行了詳細(xì)地分析，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員及測(cè)試人員準(zhǔn)確定位故障和技術(shù)分析，提供了詳細(xì)的計(jì)算理論依據(jù)[1-2]。

2 數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)鏈路上傳輸?shù)幕驹?/h2>

以太網(wǎng)采用隨機(jī)訪問控制協(xié)議中的CSMIACD（帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多址訪問）作為多路訪問控制協(xié)議。如果載波偵聽過程中發(fā)現(xiàn)介質(zhì)空閑，則必須等待IFG（Iinter Frame Imme）時(shí)間讓物理信道恢復(fù)平穩(wěn)，同時(shí)也讓接收者對(duì)接收的幀做必要的處理。下面簡(jiǎn)單介紹以太網(wǎng)幀間隙與幀的前導(dǎo)字符。

2.1 以太網(wǎng)幀間隙

以太網(wǎng)設(shè)備必須允許在被連續(xù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)中間有一個(gè)最小空閑周期，被稱作幀間空隙（IFG：Interframe Gap；IPG：Interpacket Gap）。它在兩個(gè)幀中間提供一個(gè)短暫的恢復(fù)時(shí)間，設(shè)備有時(shí)間做好接收下一幀的準(zhǔn)備。

最小的幀間空隙為96比特時(shí)間。對(duì)于10Mb/s以太網(wǎng)意味著9.6微秒；對(duì)于100Mbs以太網(wǎng)意味著96 毫微秒；對(duì)于1Gb/s以太網(wǎng)意味著960毫微秒。

2.2 以太網(wǎng)幀的前導(dǎo)字符

每種格式的以太網(wǎng)幀的開始處都有64比特（8 字節(jié)）的前導(dǎo)字符。其中，前兩個(gè)字節(jié)稱為前同步碼（Preamble），內(nèi)容是16進(jìn)制數(shù)0xA，最后1字節(jié)為起始標(biāo)志符0xAB，標(biāo)識(shí)以太網(wǎng)幀的開始。前導(dǎo)字符的作用是使接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備。在物理鏈路上看到的內(nèi)容如表1所示。

表1 以太網(wǎng)幀格式

從表1可以看出，目的MAC開始算起到CRC校驗(yàn)結(jié)束為一標(biāo)準(zhǔn)幀。圖1中的幀間隙（12Byte）和幀前導(dǎo)字符（8Byte）不屬于幀的一部分。所以對(duì)于每一個(gè)幀來說，前面的20個(gè)Byte都屬于必須的額外開銷。

2.3 MPLS報(bào)文格式

本文重點(diǎn)介紹MPLS VPN復(fù)雜環(huán)境下的報(bào)文格式。

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)MPLS報(bào)文格式[2-3]

MPLS技術(shù)起源于IPv4，最初是為了提高轉(zhuǎn)發(fā)速率而提出。MPLS技術(shù)集二層的快速交換和三層的路由轉(zhuǎn)發(fā)于一體?，F(xiàn)在許多業(yè)務(wù)應(yīng)用，如VPLS、VPWS、L3 VPN以及MPLS TE等都借助于MPLS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。MPLS的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)給這些業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了便利。在幀模式的鏈路上，MPLS報(bào)文屬于2.5層，它位于以太網(wǎng)幀的協(xié)議類型與IP報(bào)文頭之間。表2為標(biāo)準(zhǔn)MPLS標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)MPLS標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)MPLS包頭有32Bit s，共4個(gè)Byte，其中有：20個(gè)bit用作標(biāo)簽（Label）；3個(gè)bit的EXP，協(xié)議中沒有明確，通常用作COS；1個(gè)bit的S用于標(biāo)識(shí)是否是棧底，表明MPLS的標(biāo)簽可以嵌套；8個(gè)bit 的TTL，與IP報(bào)文的TTL值類似，該值從IP報(bào)文的TTL域拷貝過來，每進(jìn)行一次標(biāo)簽交換，外層label 的TTL值就減“1”。

因此，在每一個(gè)MPLS報(bào)文可以有多個(gè)label，靠近二層頭的label為棧頂label?？拷麵P報(bào)文頭的為棧底的label。LSR設(shè)備在執(zhí)行標(biāo)簽交換時(shí)總是基于棧頂?shù)膌abel。同時(shí)需要考慮在MPLS VPN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當(dāng)存在標(biāo)簽嵌套的情況時(shí)，鏈路速率與PPS之間的換算關(guān)系時(shí)一定要注意：每一個(gè)標(biāo)簽都包含完整的32bit的MPLS報(bào)文頭，而不只是20個(gè)bit的label。

（1）不帶802.1Q的MPLS報(bào)文格式

圖1 不帶802.1Q的MPLS報(bào)文格式

當(dāng)報(bào)文中帶有MPLS標(biāo)簽頭時(shí)，在Type字段中可以看到0x8847（單播）或者0x8848（組播）。

（2）帶有802.1Q的MPLS報(bào)文格式

圖2 帶有802.1Q的MPLS報(bào)文格式

當(dāng)報(bào)文中帶有MPLS標(biāo)簽頭時(shí)，在Type字段中仍可以看到0x8847（單播）或者0x8848（組播）。

（3）帶兩層MPLS標(biāo)簽的報(bào)文格式

理論上，MPLS技術(shù)的標(biāo)記?？梢詿o限嵌套，從而提供無限的業(yè)務(wù)支持能力，為將來其在VPN 網(wǎng)絡(luò)中無限承載業(yè)務(wù)提供可能。但由于受設(shè)備物理接口的MTU的限制，MPLS技術(shù)也無法實(shí)現(xiàn)無限嵌套。目前在VPN網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的是實(shí)現(xiàn)兩層MPLS標(biāo)簽的嵌套，MPLS兩層嵌套報(bào)文結(jié)構(gòu)。

圖3 帶兩層MPLS標(biāo)簽的報(bào)文格式

如圖3所示，靠近二層頭中的Type字段為棧頂?shù)膌abel，靠近IP報(bào)文的為棧底label，LSR設(shè)備在執(zhí)行標(biāo)簽是，總是基于棧頂?shù)膌abel進(jìn)行交換。每一個(gè)標(biāo)簽都包含了完整的32bit的MPLS報(bào)文頭，而不是僅僅為20個(gè)bit的label。

3 鏈路速率與PPS之間的換算分析

在進(jìn)行鏈路速率與實(shí)際PPS換算分析過程中，需要考慮以下幾種情況：一是分析鏈路速率與PPS 關(guān)系時(shí)，需要考慮幀間隙和前導(dǎo)符等20個(gè)Byte的額外開銷；二是測(cè)試過程中，不同測(cè)試儀發(fā)送流量的時(shí)候，有的幀長(zhǎng)度包含CRC校驗(yàn)字段，有的不包含CRC校驗(yàn)字段。這在分析計(jì)算流量時(shí)，需要區(qū)別的對(duì)待；三是在L2/L3 VPN環(huán)境下，無論是LDP形成的LSP，還是通過TE形成LSP，在沒有修改相應(yīng)的MPLS非零標(biāo)簽時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流量添加標(biāo)簽值是一致的；四是通常所說的10M、100M、1000M、10GE概念，都是指物理介質(zhì)每秒可以傳送多少bit的數(shù)據(jù)，而在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常使用“每秒傳遞多少數(shù)據(jù)幀，PPS”來表示報(bào)文的速率。

在IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，普通以太網(wǎng)報(bào)文鏈路速率和PS之間的換算方式如表3所示：

表3 普通以太網(wǎng)報(bào)文鏈路速率和PS之間的換算方式

假設(shè)端口的速率為Abits；幀的長(zhǎng)度為L(zhǎng) Byte；PPS的值為N，則它們之間的換算為：N=A/（L×8+12（幀間隙）×8+8（前導(dǎo)符）×8）

下面重點(diǎn)介紹L2/L3 VPN環(huán)境下，端口鏈路速率為1000M，如何進(jìn)行以太網(wǎng)鏈路速率和PPS之間的換算。

3.1 L2 VPN環(huán)境下報(bào)文之間換算方式

L2 VPN主要分為VPLS和VPWS兩種業(yè)務(wù)模式。

3.1.1 VPLS業(yè)務(wù)環(huán)境時(shí)，RAW模式和TAG模式下的鏈路速率與PPS的換算

（1）RAW模式下

表4 RAW模式下鏈路速率與PPS的換算

線速發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64字節(jié)（帶有Vlan tag），當(dāng)在交換機(jī)上開啟VPLS業(yè)務(wù)并設(shè)置為RAW 模式時(shí)，RAW模式會(huì)剝離掉用戶Vlan報(bào)文頭。因此，PE設(shè)備在數(shù)據(jù)幀上添加22個(gè)字節(jié)。在VPLS業(yè)務(wù)下的RAW模式的報(bào)文之間的換算方式：

（2）TAG模式下

表5 TAG模式下鏈路速率與PPS的換算

限速發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為64字節(jié)（帶有Vlan tag），當(dāng)在交換機(jī)上開啟VPLS業(yè)務(wù)并設(shè)置為TAG 模式時(shí)，TAG模式未剝離掉用戶的Vlan。因此，PE 設(shè)備在數(shù)據(jù)幀上添加26個(gè)字節(jié)。在VPLS業(yè)務(wù)下的TAG模式的報(bào)文之間的換算方式：

3.1.2 VPWS業(yè)務(wù)環(huán)境時(shí)，鏈路速率與PPS的換算

VPWS業(yè)務(wù)環(huán)境時(shí)，當(dāng)在交換機(jī)上開啟VPWS 業(yè)務(wù)時(shí)，直接將用戶的報(bào)文透?jìng)鞒鋈?。因此，PE設(shè)備會(huì)為數(shù)據(jù)幀上添加26個(gè)字節(jié)。在VPWS業(yè)務(wù)模式下報(bào)文之間的換算方式如下：

3.2 L3 VPN環(huán)境下報(bào)文之間換算方式

表6 L3 VPN環(huán)境下報(bào)文之間換算方式

線速發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度為64字節(jié)（帶有vlan tag的幀）。當(dāng)交換機(jī)開啟的L3 VPN業(yè)務(wù)時(shí)，PE設(shè)備會(huì)為數(shù)據(jù)幀添加兩個(gè)MPLS標(biāo)簽，即（4+4）=8個(gè)字節(jié)。所以當(dāng)流量從交換機(jī)的PE設(shè)備出去后，報(bào)文的的PPS的值N為：

4 丟包原因分析

當(dāng)線速發(fā)送流量經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備后，如果有“流量丟失”，則可能是由于報(bào)文格式的不同造成，屬于正常的現(xiàn)象。下面針對(duì)幾種情況分析可能引起的丟包原因。

（1）當(dāng)流量流經(jīng)交換機(jī)設(shè)備時(shí)，交換機(jī)上開啟了VPLS業(yè)務(wù)，由于VPLS業(yè)務(wù)是將CE的數(shù)據(jù)包在VPLS隧道中透?jìng)?，所以CE傳送的報(bào)文在PE上會(huì)當(dāng)作PE數(shù)據(jù)報(bào)文的內(nèi)容進(jìn)行傳遞。因此，CE報(bào)文的MAC地址是不會(huì)拆分。不管外層標(biāo)簽使用普通的MPLS提供的LSP還是使用TE所提供LSP，PE設(shè)備會(huì)重新封裝PE設(shè)備之間的MAC，同時(shí)添加2層MPLS標(biāo)簽。一個(gè)用來標(biāo)識(shí)VPLS的內(nèi)層標(biāo)簽；一個(gè)是用來提供隧道轉(zhuǎn)發(fā)的外層標(biāo)簽。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在P設(shè)備的情況，兩個(gè)PE之間采用背靠背方式組網(wǎng)，在PE設(shè)備上就彈出了標(biāo)簽。這種情況下在PE設(shè)備上就只是添加了內(nèi)層的MPLS標(biāo)簽，即添加4個(gè)字節(jié)。因此，在這種情況下就造成報(bào)文長(zhǎng)度增加從而引起進(jìn)出流量不一致，形成所謂的“流量丟失”。

（2）當(dāng)VPLS使用RAW模式而且網(wǎng)絡(luò)中部署有P設(shè)備時(shí)，由于RAW模式剝掉CE設(shè)備上傳過來的vlan tag，這種情況下報(bào)文被添加的字節(jié)數(shù)等于“4（VPLS的內(nèi)層標(biāo)簽）+4（VPLS的外層標(biāo)簽）+6（PE與PFE之間的目的MAC）+6（PE與PE之間的源MAC）+2（協(xié)議類型）=22（字節(jié)）”。當(dāng)VPLS使用TAG模式而且網(wǎng)絡(luò)中部署有P設(shè)備時(shí)，由于TAG 模式不需要?jiǎng)兊鬋E設(shè)備上傳過來的vlan tag。因此，在這種情況下，數(shù)據(jù)報(bào)文被添加的字節(jié)數(shù)等于“（4（yps的內(nèi)層標(biāo)簽）+4（ypls的外層標(biāo)簽）+6（PE 與PE之間的目的mae+6（PE與PE之間的源mac）+2（協(xié)議類型）+4（vlantag）=26（字節(jié)）”。因此，在這種情況下，輸出流量較輸入流量增加了報(bào)文長(zhǎng)度，導(dǎo)致流量“假丟失”，屬于正常轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)象。

（3）當(dāng)全網(wǎng)部署了VPWS業(yè)務(wù)，流量流經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí)，由于VPLS業(yè)務(wù)將CE的數(shù)據(jù)包通過VPWS 隧道透?jìng)鳎珻E的報(bào)文在PE設(shè)備上作為PE數(shù)據(jù)報(bào)文的內(nèi)容進(jìn)行傳遞。因此，CE報(bào)文的MAC沒有被拆分，僅在PE設(shè)備上重新封裝PE設(shè)備間的MAC，同時(shí)添加2層MPLS標(biāo)簽，一個(gè)用來標(biāo)識(shí)VPWS的內(nèi)層標(biāo)簽簽，另一個(gè)用來提供隧道轉(zhuǎn)發(fā)的外層標(biāo)簽，不需考慮外層使用普通的MPLS提供LSP，還是使用TE所提供的LSP。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中存在PE設(shè)備的情況，兩個(gè)PE之間采用背靠背方式組網(wǎng)，在PE設(shè)備上就彈出了標(biāo)簽。這種情況下在PE設(shè)備上就只是添加了內(nèi)層的MPLS 標(biāo)簽（4字節(jié)）。當(dāng)VPWS網(wǎng)絡(luò)中部署有P設(shè)備時(shí)，由于VPWS直接將CE報(bào)文透?jìng)鞯模襊E設(shè)備直接將用戶報(bào)文作為數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行封裝，重新添加上MPLS的內(nèi)外層標(biāo)簽和PE到P設(shè)備的MAC以及vlan 標(biāo)簽值。所以這種情況下報(bào)文被添加了（4（ypls的內(nèi)層標(biāo)簽）+4（VPLS的外層標(biāo)簽）+6（PE與PE之間的目的mac）+6（PE與PE之間的源MAC）+2（協(xié)議類型）+4（vlan tag）=26個(gè)字節(jié)。輸出流量較輸入流量增加了報(bào)文長(zhǎng)度，導(dǎo)致流量“假丟失”，屬于正常轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)象。（4）在L3VPN環(huán)境下，整體網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署相對(duì)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)中存在大量P設(shè)備。當(dāng)用戶的流量從CE送到PE后，PE設(shè)備會(huì)為其添加2層MPLS標(biāo)簽。內(nèi)層MPLS標(biāo)簽用來標(biāo)識(shí)VRF實(shí)例；外層的MPLS 標(biāo)簽用來轉(zhuǎn)發(fā)流量。無論外層的LSP是使用LDP形成的還是通過TE形成的隧道，這種情況下報(bào)文被被添加了（4+4）=8個(gè)字節(jié)的MPLS標(biāo)簽值。在純L3 VPN環(huán)境下，同樣會(huì)出現(xiàn)輸出流量不是線速的情況，屬于正常報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。

5 結(jié)束語

本文對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鏈路速率和PPS之間的換算方法進(jìn)行了詳細(xì)的講解，分析了不同應(yīng)用場(chǎng)景下，因數(shù)據(jù)報(bào)文添加了不同的外層標(biāo)簽而導(dǎo)致“丟包”的原因，并解釋了這種丟包如何影響輸出流量的。為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員和相關(guān)測(cè)試人員計(jì)算網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及全網(wǎng)吞吐量提供了理論依據(jù)，避免了在各大測(cè)試場(chǎng)合由于計(jì)算方式的不合理而造成對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能的誤解?！?/p>