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100Gbps设计的网络流量管理

导读: 流量管理器设计以前是工作速率为数吉比特每秒的分组交换系统的一个简单进程。数据包缓冲区可以方便地在大容量、高功效和高成本效益的DRAM中实现。而现在则变得复杂多了。

  流量管理器设计以前是工作速率为数吉比特每秒的分组交换系统的一个简单进程。数据包缓冲区可以方便地在大容量、高功效和高成本效益的DRAM中实现。而现在则变得复杂多了。

  一些基本的设计假定不适用于如今的高性能网络系统,在这些系统中,单个处理设备可控制100Gbps的流量。为了更好地理解目前的环境,本文将阐述系统的局限性,并探讨如何设计可满足100Gbps以上设计要求的数据包缓冲区和流量管理逻辑。

  如今宽带网络中的流量管理器

  互联网路由器、接入交换机和移动网关包括用于在网络阻塞时管理流量的深度包缓冲区和逻辑。这些系统一般称为流量管理器(TM),流量管理器在现代宽带网络中发挥着重要的作用。它们主要用于两个目的:执行服务提供商与其客户之间达成的服务级协议,以及维持通过交换或计算资源等网络瓶颈的流量的服务质量(QoS)属性。

  专用设备通常利用快速硅(fast silicon)实现TM和关联的数据包缓冲区。最新的网络处理器(NPU)集成此逻辑,以便在单个设备中实现一致的数据包处理和流量管理,从而降低材料清单(BOM)成本和功耗。

  NPU在最新的运营商网络产品中迅速普及。因此,我们可以预期,流量管理功能在经过成本优化的网络节点(例如光学线路终端、地铁以太网聚合、包光传输系统)中将更加普及,而这种功能以前仅用于高端宽带边缘路由器。

  流量工程目标

  实现如今的宽带网络涉及各种供应商的系统。每个系统都有其特定的功能集用于管理流量和保持QoS属性。聚合交换机中的队列数可能限制为几百,而边缘路由器每个线卡可提供几十万个队列。因此服务提供商在假定硬件可用的前提下,提出了最优的网络配置来满足服务合同和流量目标。

  实际上,互联网协议/多协议标签交换(IP/MPLS)中的一些流量工程模式已得到广泛的认可。但是,没有两家运营商网络采用同一实现方案,这就使得提供商的流量工程目标更加复杂。

  因此,具有丰富功能集的高性能和高级流量管理被视为一个战略性产品优势。服务提供商可以对流量管理进行配置,以满足他们的目标,并且无缝地集成异构网络中的其他系统。现代的流量管理必须实现各种功能来满足这些目标(请参见表)。

  

  线速分类

  集成的芯片设计可在两个不同的子系统中实现流量工程功能:数据包处理子系统和流量管理子系统(图1)。请注意,这两个系统都必须针对100Gbps的速度进行设计。无法支持数据包处理中的线速操作最终会导致整个系统由于丢包而陷入无法控制的状态。

 

  

  图1:两个子系统必须共同工作以获得正确的流量管理目标。

 

  数据包处理子系统负责将用户流量划分为不同的流,并关联正确的服务级属性。这通常称为流量调节,流量调节由位于线卡传入端的入口过程执行。使用仪表来检查流量是否在合同规定的流量内。如果在合同保证的流量范围内,数据包为绿色。如果在可接受的额外速度内,则数据包为黄 色。若确实在合同规定的流量范围之外,则数据包为红色。

  数据包的实际丢包决策在逻辑阶段内或后面的阶段确定。如果对不履行合同的流量制订了严格的策略,数据包处理子系统可以通过丢弃超过规定阈值的包来降低流量。

  即使在未履行合同的情况下,子系统也有可能希望转发数据包以便进行进一步处理。这需要考虑更多的因素,如TM队列状态、过滤器和转发更新。通过允许数据包处理子系统作出丢包决策,可直接根据丢包决策执行用于统计信息和服务水平协议(SLA)报告的计数操作,从而使其在用于说明的目的时具有高准确性。

  分类后,流被入队至流量管理子系统,在该子系统中,数据包在深度片外存储区中缓冲。该系统包含高级调度逻辑,可以进行灵活地配置,以便按服务、用户、组和端口进行管理。

  由于进行调度决策的逻辑必须高级且灵活,因此这个TM组件非常重要。其任务是选择应将数据传送到下一个时钟周期的出局端口的队列数据包。以100Gbps的速率为几万和几十万个队列调整这样的决策过程是一项异常艰巨的任务。

  对于新兴的100GE应用,由于任务被分给不同的调度程序,因此无法提高调度逻辑的性能(图2)。使用多个调度程序会引起数据包错序问题,并且会增加负载共享复杂性。因此,100GE需要单个调度决策树。

 

  

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