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邊沿?接取交換機和路由器設計中高級流量管理技術概述

上網時間: 2002年08月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:traffic management  流量管理  congestion avoidance  擁塞避免  preset path 

邊沿和接取設備在不斷提升業務品質(QoS)等級的同時,還需要對龐大的數據和流量類型進行處理。為滿足QoS要求,網路設計人員必須在其邊沿?接取交換機和路由器設計中實施高級流量管理,以更好地管理資源並解決流量擁塞問題。本文概述了流量管理及其實現的一些核心問題,探討了流量管理管線的發展,並研究了流量管理可實現的功能。

擁塞控制是流量管理的一項基本功能,控制擁塞的最佳途徑是使網路工作於最大負載容量之下。由於這種策略並不現實,通常以晶片形式出現的嵌入式流量管理功能必須對資源進行管理,並決策何時丟棄數據包,丟棄哪個數據包,並使這些作業對整個網路的影響最小。

資源管理是一項複雜的工作,因為該問題具有多維特性,即從接取網路邊緣到接取網路核心的管理完全不同。因此流量管理成為了一種端對端要求,即出現在一條路徑上的所有節點必須滿足頻寬和延時要求。頻寬由最小的管道確定,該管道通常更接近用戶,而不是核心網路。隨著傳輸流從發送器傳送至接收器,在到達網路核心之前,將被各種協議和傳送介質(乙太網路、數位用戶線路、無線線路、ATM或幀中繼)承載。有效的流量管理必須能在執行交互功能並在整個範圍內映射QoS參數的同時,對上述所有介質進行處理。

除了提供頻寬?延時保障,流量管理功能還必須能在從網路邊緣到網路核心的範圍內,以不同的間隔尺寸識別數據流、路徑和通道。隨著網路的發展,越來越多的數據流匯集到核心網路的邊緣部份。這些數據流可以匯集為數目較少的由核心SONET或波分多路再使用架構傳送的巨集流,並當這些巨集流離開核心網路、傳送到各自目的地時,再恢復為最初的數據流。

最後,為了與採用高速交換機(由在網路邊緣執行查詢和分類功能的邊緣路由器組成)的傳統網路架構的外附設備相一致,未來需要開發出能進行智慧邊緣處理的快速核心模型。目前除ATM以外,還實現了像多協議標記交換(MPLS)和差分業務(DiffServ)這樣的技術。標記邊緣路由器將在網路邊緣執行MPLS和DiffServ分類功能,而標記交換路由器則在MPLS和DiffServ域中藉由預定義的標記交換路徑執行高速交換功能。

實現的關鍵環節

有效的流量管理包含三個關鍵要素:擁塞避免;為端對端傳送的數據流預設路徑;對流量調整進行公平排序以確保傳送的延時有界。如果不能實現上述三大功能,那麼即便能在數據網路中實現QoS,也是異常困難的。圖1:多協議流量管理引擎按級分解。

擁塞避免非常重要,因為網路的功率(定義為數據流量與延時之比)藉由一定的流量負載後將顯著下降。由於難以從擁塞中恢復過來,因此最好從一開始就避免這種情形。在TCP層上,存在許多擁塞控制反饋機制。早期隨機檢測(RED)擁塞控制算法藉由允許路由器丟棄數據包以避免擁塞,它發揮了重要的作用。

有效的流量管理還要求設計人員藉由網路建立預置路徑。如果沒有這些預置路徑,數據包將在兩個端點之間選擇另一條路由,而且除非所有的路由均能滿足特定的延時界限,否則結果將無法得到保障。

一旦預置路徑建立成功,則需要公平排序。現已証明,具有最大分段尺寸和平均有界速率的信號流的FQ可為有界延時提供保障。FQ為一個數據流保障了最小頻寬,其餘的頻寬則平均分配給其他數據流。因此,FQ是一個能為每個用戶保障承約速率的高效機制,其峰值速率根據可利用的額外頻寬而得到滿足。顯然,如果信號源藉由調整,使其限制在平均傳送速率且不進行無限制分段,那麼FQ將在受控信號流的傳輸中實現公平和有界延時。

管線架構

流量管理要求適用於由多個連續環節(每個環節完成一個關鍵步驟)組成的管線架構。流量管理管線既可分別為數據包、信元構造,也可為兩者同時構造。管線執行分類、規則制訂、標記?丟棄、排序?調整功能。

在流量管理範圍內,分類的結果可以是數據流、虛擬通道、傳送等價類(forwarding equivalence class)或符合QoS要求的輸出埠。規則制訂或測定可用來監控數據流平均頻寬使用率、標注超標數據流或丟棄那些來自頻寬超過允許份額的數據流的數據包。來自超標數據流的數據包將進行標注,以降級使用或丟棄。最後,排序?調整完成優先級排序或公平排序,以藉由調整限制輸出數據流的速率。

多協議流量管理管線可用來處理信元和數據包,但是多協議管線還包括按流排序,支援網路互連、分段與重組(SAR)以及?定位元速率(CBR)調度。儘管如此,該管線還具有在按流(per-flow)或按連接基礎上,緩衝任意流量數據流的功能。這樣不僅能對數據流進行複雜的處理,也不會阻塞管線。該管線的其他優點包括按流規則制訂、調整、統計和交互工作,以及應用於高速交換架構介面的按流背壓和結構信元(fabric-cell)SAR。

採用多協議方法,設計人員還能實現按類或按埠流量管理,但只有很少量的傳輸流類型可在特定的總體特性或輸出目標埠基礎上,藉由匯集數據流進行管理。該策略可工作於乙太網路環境下,但這種環境下只需要數百個傳輸流,因此不適用於可升級的廣域網路。

圖1顯示了多協議流量管理管線。管線結合了所有數據包和信元流量管理必需的環節,並添加了交互工作(包括SAR)和按流?按VC排序。管線還包含帶有CBR機制的FQ引擎,該引擎藉由建立一個速率受限的管道以適應多個由FQ或簡單優先級設定優先級的數據流,對數據流進行分層調整。

對於高速應用(OC-48c及更高速系統),臨時緩衝穿過路由器的數據包所需的暫態儲存量實在太大,而無法適用於ASIC或ASSP。在OC-192c線速上,每秒用於全頻寬傳輸的數據量將到達1.25Gb。儲存容量的實現是藉由採用帶有多個鏈接列表的動態分配排序結構,對上百萬個小管道,或上千個較大的管道進行按流排序。採用這種方法,數據流的間隔尺寸可根據網路邊緣或核心的需要進行調整。

出於對功耗和線路板空間的考慮,許多數據包儲存方法採用DRAM。但同步DRAM、雙速SDRAM和Rambus DRAM將在記憶體預充電過程中耗費大量的頻寬開銷,並在讀存取中承受相當大的管線延遲。在為平滑的流量管理處理器設計的具有成本效益的解決方案中,除了封裝引腳和功率限制,記憶體頻寬和延遲也將成為實際工程有待解決的難題。

功能實現

數據包傳送和信元傳送的本質區別在於,數據包的傳送單元的長度是可變的,而信元的傳送單元的長度是固定的。這個差異也使兩者的流量管理機制產生明顯的差異。

對於規則制訂和標注,數據包採用雙令牌桶(dual-token-buckets)機制,而信元則採用雙漏桶(leaky-bucket)技術。對於丟棄和擁塞控制,數據包採用相對複雜的RED機制及其更為複雜的變形,包括權值RED(WRED)和帶有I/O的RED(RIO);而信元則採用基於早期和局部數據包丟棄的簡單丟棄策略。

ATM應用中經常採用按流?按連接排序結構來保持多個虛擬路徑?虛擬通道(共計224個)的狀態以及為SAR按VC緩衝信元。類似的結構可用於按流狀態和數據包統計。但數據流的間隔尺寸可以有很大的不同,這取決於設備配置的位置以及提供的QoS功能。

輸出排序中通常採用帶有簡單優先級的FIFO隊列。這些方案會帶來一些負面影響(包括線路頭部阻塞、低優先級傳輸流資源匱乏以及更為嚴格的傳輸流類型劃分),由此導致頻寬的利用不夠充分。較好的輸出排序結構(如循環排序(RR)和公平排序)則使共享頻寬的利用更為公平,也更高效,但RR和FQ的實現也更為複雜。FQ通常近似簡化為較簡單的方案(如逆差RR),因為調度長度可變的數據包相當複雜。

最後,輸出傳輸流的調度和調整可基於限制了速率和分段大小的漏桶機制,或藉由消除數據包和信元的傳輸加以實現。?定位元率調度可採用兩種常用的方法實現:具有最早截止時間的最先調度(EDF)方法和基於日程表的調度方法。EDF方法所需硬體的複雜度很高,但幾乎不需要預處理;而基於日程表的方法的實現相當簡單,但需要進行大範圍的預處理。

作者


Tam-Anh Chu


首席技術長


Acorn Networks公司


Email: acornetw@aol.com





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