一種基于無損以太網的流量控制機制

武磊

【摘要】 本文在無損以太網關鍵技術研究的基礎上，闡述了IEEE802.1 Qbb標準中提出的優先級流控（PFC）機制，并在MAC層就該流控機制進行了設計與實現。通過Modelism仿真結果表明，該流控機制可以實現鏈路流量的控制，為數據中心二層以太網鏈路提供了高可靠性、無丟包傳輸的性能保障。

【關鍵詞】 無損以太網 優先級流控 數據中心 MAC

一、引言

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

二、基于優先級的流控（PFC）機制標準

PFC是由IEEE 802.1 Qbb協議標準針對無損以太網絡提出的，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先級業務進行單獨流量控制，優點是全雙工、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，二層交換網絡以太網鏈路通過反饋與響應機制完成流量的管理。反饋機制表現在：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，則會產生pause請求告知對方暫停發幀，當接收隊列低于一定門限時，接收端會產生pause取消請求信號告知對方設備正常發幀。反饋響應機制表現在，當遠端設備因轉發延遲造成緩存溢出時，本端設備會暫停發幀，直到對方具備緩存能力后，才會通知本地設備繼續發幀。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，對不同優先級的數據幀進行單獨PAUSE控制，如圖1所示，優先級為6的接收隊列將滿，則將會對優先級鏈路為6的數據源實施暫停請求，而其他服務隊列完全不受影響。

三、基于優先級流控（PFC）的設計

優先級流控機制的設計包括接收和發送方向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發送模塊；二是根據本端接收隊列緩存情況產生16bit數據請求信號傳遞給MAC_TX模塊，控制對端設備數據的發送，請求信號每兩bit對應一個Class服務，如16h0001代表請求對端優先級1的鏈路暫停發幀，如16h0002則請求對端設備優先級1的鏈路繼續發幀。

在發送方向上，功能設計如下：發送端根據接收端提取的定時信息time（n）和優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，每個定時單位時間相當于512bit數據傳輸時間，每傳輸512bit數據后 timer_cnt進行減一操作，直到timer_cnt為0時允許本端設備此優先級鏈路發幀，否則暫停本優先級鏈路數據發送。

四、優先級流控（PFC）設計的仿真

通過Modelism仿真平臺對設計進行功能驗證。主要驗證內容如下：在接收方向上驗證接收端是否會根據本地接收隊列的緩存情況向發送端PFC產生模塊發送正確的請求信號。在發送方向上驗證發送端是否能夠響應接收方向上傳遞的暫停時間因子來調度本地設備幀的發送。接收方向仿真結果如圖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請求模塊發出16h0040請求信號傳遞給MAC_TX模塊，發送端根據此請求信號構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。發送端響應示意圖如圖4所示。

PFC流控是基于優先級設計的，本仿真針對于優先級為4的鏈路進行暫停控制，根據接收方向提取的定時信息timer4將發送端定時器fip_timer更新為16h0011，發送端同時使能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，優先級鏈路4的數據幀被暫停發送，調度指針變為3h4，此時發送其他鏈路數據幀，直到fip_timer定時信息為0時，才會重新授權優先級指針fifo_rden為 3h2，允許優先級鏈路4上的數據發送。

根據modelism仿真結果證明，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節，避免了鏈路的擁擠，保證了鏈路數據的無損傳輸。

五、結束語

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

參 考 文 獻

[1] 俞迅.基于802.3以太網MAC協議的研究與實現[D]. 上海：同濟大學，2007， 13-59

[2] 周志強.基于軟件的量化擁塞協議涉及與實現[D]. 北京：清華大學， 2011， 5-60

[3] IEEE 802 LAN/MAN Standard Committee.IEEE Std 802.1QbbTM-2011.Media Access Control （MAC） Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks- Amendment 17： Priority-based Flow Control[S]. 3 Park Avenue New York， NY 10016-5997 USA： IEEE， 30 September 2011

[4] 羅鑒，宋曉麗.無損以太網關鍵技術研究[J].中興通信技術，2012， 18（4）： 27-31

[5] 曹政，李磊，陳明宇.萬兆以太網MAC層控制器設計與實現[J]. 小型微型計算機系統，2007， 6（28）： 974-978