一种基于无损以太网的流量控制机制

武磊

【摘要】 本文在无损以太网关键技术研究的基础上，阐述了IEEE802.1 Qbb标准中提出的优先级流控（PFC）机制，并在MAC层就该流控机制进行了设计与实现。通过Modelism仿真结果表明，该流控机制可以实现链路流量的控制，为数据中心二层以太网链路提供了高可靠性、无丢包传输的性能保障。

【关键词】 无损以太网 优先级流控 数据中心 MAC

一、引言

伴随着云计算及云存储业务的需求增长，数据中心网络技术得到了快速发展，为用户提供了一种高效、可靠的数据传输解决方案，实现了数据中心网络带宽增加、无丢包传输等要求。在数据中心网络中存在三种网络模型，分别为SAN网络、LAN网络和IPC网络，不同的网络模型对流量性能提出了不同的标准，SAN网络要求数据无丢包传输，LAN网络提供尽力而为的服务，IPC网络则提出低延迟标准。在数据中心网络中，LAN网络尽力而为的机制不足以支撑SAN网络无丢包传输，因此对数据中心以太网技术提出了更高的链路流量控制标准。本文在IEEE 802.1 Qbb标准基础上，设计了一种适合数据中心以太网的链路流量控制解决方案。

二、基于优先级的流控（PFC）机制标准

PFC是由IEEE 802.1 Qbb协议标准针对无损以太网络提出的，它类似于802.3 X标准中的PAUSE机制，通过反馈机制对链路中的每个优先级业务进行单独流量控制，优点是全双工、反应快，能快速解决链路拥塞问题。双方设备链路上PFC帧交互过程如图1所示。

由图1所示，二层交换网络以太網链路通过反馈与响应机制完成流量的管理。反馈机制表现在：如图1链路6接收队列所示，当本地设备接收队列超过一定门限阈值时，则会产生pause请求告知对方暂停发帧，当接收队列低于一定门限时，接收端会产生pause取消请求信号告知对方设备正常发帧。反馈响应机制表现在，当远端设备因转发延迟造成缓存溢出时，本端设备会暂停发帧，直到对方具备缓存能力后，才会通知本地设备继续发帧。通过这样一个反馈与响应机制，完成双方设备链路的流量管理。PFC帧支持分级服务，对不同优先级的数据帧进行单独PAUSE控制，如图1所示，优先级为6的接收队列将满，则将会对优先级链路为6的数据源实施暂停请求，而其他服务队列完全不受影响。

三、基于优先级流控（PFC）的设计

优先级流控机制的设计包括接收和发送方向PFC帧的响应与处理，设计框图如图2所示。

由图2所示，在接收方向上，功能设计分为两部分：一是本端设备MAC_RX接收端在解析模块提取 PFC报文格式中Class-Enable Vector和Time（n）传递给MAC_TX发送模块；二是根据本端接收队列缓存情况产生16bit数据请求信号传递给MAC_TX模块，控制对端设备数据的发送，请求信号每两bit对应一个Class服务，如16h0001代表请求对端优先级1的链路暂停发帧，如16h0002则请求对端设备优先级1的链路继续发帧。

在发送方向上，功能设计如下：发送端根据接收端提取的定时信息time（n）和优先级向量更新本地定时器timer_ cnt，time（n）中的值是定时单位时间个数，每个定时单位时间相当于512bit数据传输时间，每传输512bit数据后 timer_cnt进行减一操作，直到timer_cnt为0时允许本端设备此优先级链路发帧，否则暂停本优先级链路数据发送。

四、优先级流控（PFC）设计的仿真

通过Modelism仿真平台对设计进行功能验证。主要验证内容如下：在接收方向上验证接收端是否会根据本地接收队列的缓存情况向发送端PFC产生模块发送正确的请求信号。在发送方向上验证发送端是否能够响应接收方向上传递的暂停时间因子来调度本地设备帧的发送。接收方向仿真结果如图3所示。

由图3所示，当接收队列达到一定门限即wrusedw达到1209e后，fifo_ovfl信号拉高，接收端PFC请求模块发出16h0040请求信号传递给MAC_TX模块，发送端根据此请求信号构建了如图中所示定时信息为16hffff的PFC帧，并在链路上检测到此PFC帧。发送端响应示意图如图4所示。

PFC流控是基于优先级设计的，本仿真针对于优先级为4的链路进行暂停控制，根据接收方向提取的定时信息timer4将发送端定时器fip_timer更新为16h0011，发送端同时使能fip_cnt_en控制fip_cnt的增减，当 fip_cnt增到3d7后fip_timer减1，当fip_timer定时信息不为0时，优先级链路4的数据帧被暂停发送，调度指针变为3h4，此时发送其他链路数据帧，直到fip_timer定时信息为0时，才会重新授权优先级指针fifo_rden为 3h2，允许优先级链路4上的数据发送。

根据modelism仿真结果证明，MAC层的MAC_RX和MAC_TX能够通过PFC机制的反馈与响应完成链路流量的调节，避免了链路的拥挤，保证了链路数据的无损传输。

五、结束语

本文根据802.1 Qbb标准在MAC层实现了优先级流控机制的设计，并对该设计进行了Modelism功能仿真，验证了优先级流控机制作为一种无损以太网流控技术，能够根据链路拥塞情况做出快速反应，解决链路流量拥挤问题，避免数据丢包问题发生。本设计可应用于无损以太网MAC层中，同时为后续联合QCN算法共同解决流量问题做了铺垫。

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