CN104641602B - 输出实时网络流量延迟以及缓冲区占用 - Google Patents

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Abstract

本文所提出的技术促进对在网络设备中缓冲区的占用的监控。分组在网络设备上被接收。描述由通过所述网络设备中的缓冲区的分组流引起的所述缓冲区的占用的信息被捕获。包括该信息的分析分组被产生。来自网络设备的该分析分组用于恢复被包括在其中的信息，用来分析、重演缓冲区占用等。

Description

输出实时网络流量延迟以及缓冲区占用
相关申请
本申请要求于2012年9月18日提交的、题目为“输出实时网络流量延迟以及缓冲区占用”的美国临时申请序列号61/702,320的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开一般涉及在网络设备中缓冲区的占用的分析。
背景技术
在计算机网络中，数据以分组通常穿过一个或多个网络设备(例如，交换机、路由器、防火墙等)的分组的形式从源被传输至目的地。在传输过程中，会在结果中出现某些错误，例如，冗余数据被添加到原始数据、丢弃分组等。大规模可扩展数据中心和云计算系统在网络装置上施加了更多的流量负载，使得过度供应的网络已经不再可能。监控网络设备中的缓冲区对获得网络管理、分析、以及执行的认识是很有用的。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种用于改善缓冲区占用的方法，包括：在网络设备处接收分组；捕获描述由通过网络设备中的缓冲区的分组流引起的缓冲区的占用的信息；产生包括信息的分析分组，包括产生入队分析分组和出队分析分组，入队分析分组包括描述与正在被入队至网络设备中的缓冲区的分组相关联的性能的信息，以及出队分析分组包括描述与正在从网络设备中的缓冲区出队的分组相关联的性能的信息，并且将入队分析分组和出队分析分组的目的地的地址插入到入队分析分组和出队分析分组中；以及将入队分析分组和出队分析分组从网络设备发送至目的地。
根据又一实施例，提供了一种用于改善缓冲区占用的装置，包括：缓冲区，缓冲区被配置为缓冲在网络设备处接收、并将由网络设备处理用于在网络中路由的分组；以及处理器单元，处理器单元被耦合到缓冲区并且被配置为：捕获描述由通过网络设备中的缓冲区的分组流引起的缓冲区的占用的信息；产生包括信息的分析分组，其中当处理器单元产生分析分组时，处理器单元：产生入队分析分组和出队分析分组，入队分析分组包括描述与正在被入队至网络设备中的缓冲区的分组相关联的性能的信息，以及出队分析分组包括描述与正在从网络设备中的缓冲区出队的分组相关联的性能的信息，并且将入队分析分组和出队分析分组的目的地的地址插入到入队分析分组和出队分析分组中；以及使得入队分析分组和出队分析分组将被从网络设备发送至目的地。
附图说明
图1是示出了基于网络设备中的缓冲区的占用被配置为产生缓冲区分析分组的网络设备的图解。
图2是示出了缓冲区分析逻辑的一个示例实现的框图。
图3是通常示出缓冲区分析分组的格式的图解。
图4是描述在网络设备中产生并且输出缓冲区分析分组的操作的流程图。
图5是描述在从缓冲分析分组接收并且恢复信息的设备中的操作的流程图。
图6是示出了来自缓冲区分析分组的缓冲区占用的回放示例的图解。
具体实施方式
概述
本文所提出的技术促进对在网络设备中缓冲区占用的监控。分组在网络设备上被接收。描述在网络设备中由分组流动通过缓冲区引起的缓冲区的占用的信息被捕获。包括该信息的分析分组被产生。来自网络设备的该分析分组用于恢复被包括在其中的信息，用来分析、重演(reply)缓冲区占用等。
示例实施例
由于网络中断(例如，微爆发(microburst))会在任何时间发生，在缓冲占用中的完全网络可视性以及通过输出和后处理重演占用的能力是很重要的。而且，重演缓冲区占用的能力允许有效的网络问题诊断，以提供正确的行动。诸如端口镜像(即，交换端口分析器(SPAN))之类的现有的解决方法并不提供缓冲区占用的可视性。正因如此，本文提出了用于监控并且重演缓冲区占用的技术。
现在参考图1，示出了网络环境5的图解，其中基于网络设备10的缓冲区的占用被配置为产生缓冲区分析分组的网络设备10被提供。网络设备10包括多个端口12(1)-12(N)，其中任何一个可以在任何时间用作入站端口或出站端口。网络设备包括缓冲区14、缓冲区分析逻辑16、中央处理单元(CPU)18和存储器19。应该理解的是网络设备10具有其他的组件，比如交换结构或专用集成电路(ASIC)，并且缓冲区14可以属于交换结构。在网络设备10中通常会有很多的缓冲区，但是为简单起见在图1中仅示出一个缓冲区。应该理解的是本文所提出的技术针对在网络设备中多个缓冲区中的每一个缓冲区是有用的。缓冲区分析逻辑14可以在硬件中通过数字逻辑门(并且被嵌入在交换结构中)来实现，或通过存储在存储器19中的软件来实现，并且该软件由CPU 18执行。
分组20通过端口12(1)-12(N)中的任意一个端口到达网络设备10。图1示出了分组到达端口12(1)、12(2)、和12(3)的示例。网络设备10通过端口12(5)-12(N)被耦合到网络40(例如，局域网或广域网(因特网))，最终与一个或多个网络设备50(1)-50(M)中的任意一个网络设备进行通信。
通常，在网络设备10中，缓冲区分析逻辑16捕获描述由分组流动通过缓冲区引起缓冲区14的占用的信息，并且产生包括该信息的缓冲分析分组30。通过以下结合图2的描述会变得显而易见，有两种类型的缓冲区分析分组：入队缓冲区分析分组和出队缓冲区分析分组。缓冲区分析分组30随后以允许重演缓冲区的占用的几种方式中的任意一种方式，在可编程的时间表(或基于分组大小)从网络设备10输出。
第一，网络设备10可将针对缓冲分析分组的目的地的地址(例如，连接到网络40的任意设备(比如，具有CPU 62和存储器64的采集器设备60)的地址)插入缓冲区分析分组30。网络设备10通过网络40向目的地采集器设备60发送分析分组30，该分析分组可以在任意位置，在网络设备10的本地位置或远离网络设备10。
第二，网络设备10可将分析分组30输出至专用端口，例如，将采集器设备70连接到网络设备10的端口12(4)。专用分析端口12(4)可以参与端口通道或固定端口将扩展带宽分配给单个或多个监控端口。由于采集器设备70被直接连接到端口12(4)，所以它通常位于本地网络设备10。采集器设备70包括CPU 72和存储器74。
第三，在网络设备10中，分析分组30可以被输出至板载CPU 18和存储器19，使得CPU 18和存储器19也可被用作采集器设备。在任意这些情况中，CPU 18、62、和72可以基于存储在它们分别关联的存储器19、64和74中的软件指令重演并分析缓冲区14的占用。此外，针对关联的CPU18、62、和72分析分组被分别地存储在存储器19、64和74中。
网络设备10可以是任意目前已知的或在以后开发的网络设备，包括交换机、路由器、网关、主机设备上的软件栈、虚拟网络接口卡(VNIC)、虚拟交换机、物理网络接口卡(包括那些支持虚拟化的接口卡)。
存储器19、64和74可包括只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储介质设备，光存储介质的设备，闪存设备，电、光、或其他物理/有形存储器存储设备。因此，在通常情况下，存储器19、64和74可包括一个或多个编码有软件的有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，该软件包括计算机可执行指令并且当该软件(由相关CPU)执行时可操作以执行本文描述的操作。
现在参考对缓冲区分析逻辑16更为详细描述的图2。图2示出了缓冲分析逻辑16，包括入队(enqueue)分析分组产生器80和出队(dequeue)分析分组产生器82。另外，准入控制块84、离开控制块86、分组汇编器88、以及多路复用器90。准入控制块84和离开控制块86通常会在网络设备中找到，并且是用于做出处理决定(比如，丢弃、调度速率、速率限制、监管、整形等)的硬件或(软件)块。
入队分析分组产生器80被配置为产生描述/总结被入队到缓冲区14的分组的分析分组，总结称为由参考标号32示出的入队分析分组。类似地，出队分析分组产生器82被配置为产生描述/总结从缓冲区14被出站的分组的分析分组，总结称为由参考标号34示出的出队分析分组。分组汇编器88针对来自网络设备的输出汇编准备从缓冲区14离开的分组20。
针对入队至缓冲区14的分组，入队分析分组产生器80捕获信息，该信息描述了一个或多个分组到达网络设备的入站端口的身份、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、4层的源地址和目的地地址、服务类别、以及到达入站端口的时间戳。类似地，针对从缓冲区14出队的分组，出队分析分组产生器82捕获信息，该信息描述了一个或多个分组离开网络设备的出站端口的身份、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、以及离开出站端口的时间戳。
由入队分析分组产生器80产生的入队缓冲区分析分组32、由出队分析分组产生器82产生的出队缓冲区分析分组34、以及由分组汇编器88输出的分组20全部被提供至多路复用器90的相应的输入。在任意给定时间，多路复用器90有选择地输出分组20、入队缓冲区分析分组32或出队缓冲区分析分组34。优先给定输出分组20，以便保持通过网络设备10的适当的网络流量。基于时间(根据时间表)或入队至缓冲区或从缓冲区出队的分组的大小触发分析分组的输出。
现在参考图3。图3示出了入队缓冲区分析分组32或出队缓冲区分析分组34的示例格式。如上所述，入队缓冲区分析分组32总结了正在被入队至缓冲区的分组，出队缓冲区分析分组34总结了正在从缓冲区出队的分组。随着时间累积通过缓冲区的分组时，这些分析分组允许回放缓冲区的占用特征以及通过缓冲区的分组的流量流动。如图3所述，入队缓冲区分析分组32和出队缓冲区分析分组34包括以太网头部字段100、普通头部字段110、一个或多个记录字段120(1)-120(N)、以及循环冗余检测(CRC)字段130。
以太网头部字段110是用来压缩分析分组的目的地地址的字段，例如将分析分组指引至目的地，即，包括网络设备本身CPU的本地或远程采集器设备(如图1所示)。为此目的，以太网头部字段110包括诸如介质访问控制(MAC)目的地地址/源地址(DA/SA)、可选的IEEE 802.1Q虚拟局域网(VLAN)路由信息、包括IP SA和IP DA的可选的因特网协议(IP)头部之类的信息。此外，以太网头部字段110包括用来将缓冲分析分组路由至其要求的目的地的信息。
普通头部字段110包括从已经被入队至缓冲区或从缓冲器被出队(视情况而定)的分组的头部捕获的信息。因此，普通头部字段总结了在网络设备中被入队至缓冲区和从缓冲器被出队的分组的头部。例如，普通头部字段包括普通头部版本的信息(以允许向后/向前兼容性)、表示入队或出队分组的时间尺度的时间尺度信息、分组到达和/或离开缓冲器以允许重演的时间戳、允许采集器来确定在当前分析分组和最新接收分析分组之间已经有多少被丢失的记录编号(如果有记录的话)、以及一个或多个诸如服务类别、服务类型之类的用户定义字段等。
记录字段120包括用户配置的缓冲区分析逻辑以捕获的入队或出队分组的数据。数据的示例可以被包括在包括如下的记录字段中：
格式版本，以表示用于向后/向前兼容性的记录字段的格式版本。
L2头部字段(MAC SA/DA)或被压缩的版本(即，最后24位)和优先级
L3头部(IP SA/DA)或被压缩的版本(即，最后16位)和优先级和协议类型
L4头部(TCP/UDP SA/DA)
用户定义字段，包括一个或多个：
输入/输出端口
丢弃——分组是否被丢弃的指示。
队列id——与分组关联的队列(单播或多播)的标识符。
队列长度——分组关联的队列的长度。
分组长度——分组大小的总长。
时间戳(绝对或相对于来自诸如精确时间协议(PTP)或网络时
间协议(NTP)之类的协议的通用头部)
可编程字节——任意用户可配置的分组的有效负载的一个或多个
字节
内部特定字段，比如，从具有关键字(比如，{入站/出站端口，
虚拟局域网})的表格映射的逻辑接口
最后记录——用来指示这是分析分组的最后记录字段
因此，总而言之，针对分析分组的记录字段120包括关于入队分组或出队分组的信息以描述缓冲区占用特征，比如，总缓冲区占用、基于分组优先级的缓冲区占用、单播队列长度、多播队列长度；分组的性能，比如丢弃、端口镜像、负载平衡、桥接或路由、以及分组的长度；和分组错误性能，比如循环冗余检测(CRC)、以及各种诸如Runt、Giant、和Jabber之类的错误协议。更具体地，针对被入队至缓冲区的分组，信息被包括在记录字段中，描述了一个或多个分组到达网络设备的入站端口的身份、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、4层的源地址和目的地地址、服务类别、以及到达入站端口的时间戳。类似地，针对从缓冲区出队的分组，信息被包括在记录字段中，描述了一个或多个分组离开网络设备的出站端口的身份、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、以及离开出站端口的时间戳。被捕获至用户定义字段的数据的其他示例包括分组被速率限制、整形、监管的指示，以及包括有效负载的分组的任意可编程字节。
使用基于时间的方法(例如，在预定时间产生并传输分析分组)确定、基于选取数量的分组确定、或通过其他技术确定分析分组(以太网头部字段、普通头部字段以及记录)的大小可以是最大传输单元、交换特定分析MTU。
现在参考图4。图4提供了描述在网络设备中执行产生并输出分析分组的高级操作的流程图。在200，网络设备接收分组。在210，网络设备捕获描述由通过网络设备的缓冲区的分组流引起的占用的信息。在220，针对每个被入队至缓冲区和/或从缓冲区出队的分组产生分析分组。在230，目的地地址被插入分析分组。在240，网络设备以正常过程处理分组，并且向分组的目的地(本地或远程网络目的地)或网络设备的本地CPU输出分析分组。基于入队分组或出队分组的时间和大小中的至少一项触发以执行捕获、产生、和输出。
图5示出了描述在分析分组的目的地上执行的操作的高级流程图。在300，采集器设备随着时间接收分析分组。在310，采集器设备解析分析分组以检索在各个记录以及通用头部中的信息，并且使用该信息来重演缓冲区占用，执行流量延迟以及执行其他分析。
图6示出了服从于某些过滤标准的缓冲区占用是如何重演的示例。在图6中，“*”表示已经被存储在缓冲区内的数据，没有“*”表示从缓冲区中去除或缺失的数据。
通过产生和输出总结在网络设备中入队至缓冲区和从缓冲区出队的分组的特性，使用网络管理员和应用程序开发人员感兴趣的信息的特定部分，可以实现缓冲区的重演。如果完整的入队或出队分组被捕获，则记录这些分类中的每一个会需要大量的带宽。
总而言之，本文所提出的是采用由取样周期确定的决定使能基于时间完全重演缓冲区占用的技术。这些技术提供了由网络设备接收的流量的可视性。所提供的信息可以被网络管理员使用以获得对其特定网络流量的了解，比如，每个分组的延迟、缓冲区占用、以及可能的阻塞源。该信息可以致使网络资源更好的分配和供应、减少阻塞、以及更高的总体通量。根据本文所提出的技术，通过从每个分组解析并汇集相关的特征，与网络监控相关联的带宽要求被大大地降低。正因如此，这些技术有助于降低用于分析输出的数据量。
以上所述旨在仅以示例性的方式描述。

Claims (13)

1.一种用于改善缓冲区占用的方法，包括：
在网络设备处接收分组；
捕获描述由通过所述网络设备中的缓冲区的分组流引起的所述缓冲区的占用的信息；
产生包括所述信息的分析分组，包括
产生入队分析分组和出队分析分组，所述入队分析分组包括描述与正在被入队至所述网络设备中的所述缓冲区的分组相关联的性能的信息，以及所述出队分析分组包括描述与正在从所述网络设备中的所述缓冲区出队的分组相关联的性能的信息，并且
将所述入队分析分组和所述出队分析分组的目的地的地址插入到所述入队分析分组和所述出队分析分组中；以及
将所述入队分析分组和所述出队分析分组从所述网络设备发送至所述目的地。
2.如权利要求1所述的方法，其中，发送包括将所述入队分析分组和所述出队分析分组输出至采集器设备所连接到的、所述网络设备的专用端口。
3.如权利要求1所述的方法，其中，捕获包括针对入队至所述缓冲区的分组捕获描述了下述项中的一个或多个的信息：所述分组所到达的所述网络设备的入站端口的标识、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、4层的源地址和目的地地址、服务类别、以及到达所述入站端口的时间戳。
4.如权利要求1所述的方法，其中，捕获包括针对从所述缓冲区出队的分组捕获描述了下述项中的一个或多个的信息：所述分组用于离开所述网络设备的出站端口的标识、2层的源地址和目的地地址、3层源地址和目的地地址、以及离开所述出站端口的时间戳。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述入队分析分组和所述出队分析分组包括头部，所述头部包括用于指引所述入队分析分组和所述出队分析分组至目的地的信息，所述入队分析分组包括总结了入队至所述缓冲区的分组的记录，以及所述出队分析分组包括总结了从所述缓冲区出队的分组的记录。
6.如权利要求1所述的方法，其中，捕获包括捕获描述所述缓冲区的缓冲区占用特征的信息，所述缓冲区占用特征包括下列各项中至少一项：总缓冲区占用、基于分组优先级的缓冲区占用、单播队列长度、以及多播队列长度。
7.如权利要求1所述的方法，其中，捕获包括捕获描述由所述网络设备处理的分组的分组处理性能的信息，所述分组处理性能包括下列各项中至少一项：丢包、端口镜像、负载平衡、桥接或路由、以及分组的长度。
8.如权利要求1所述的方法，其中，捕获包括捕获描述与用户定义参数相对应的分组的分组处理性能的信息，针对下列项中的一个或多个：速率限制、整形、策略、以及包括有效负载的所述分组的任意可编程字节。
9.如权利要求1所述的方法，其中，捕获、产生、以及输出是基于分组的大小和时间中的至少一项被触发而执行的。
10.一种用于改善缓冲区占用的装置，包括：
缓冲区，所述缓冲区被配置为缓冲在网络设备处接收、并将由所述网络设备处理用于在网络中路由的分组；以及
处理器单元，所述处理器单元被耦合到所述缓冲区并且被配置为：
捕获描述由通过所述网络设备中的缓冲区的分组流引起的所述缓冲区的占用的信息；
产生包括所述信息的分析分组，其中当所述处理器单元产生所述分析分组时，所述处理器单元：
产生入队分析分组和出队分析分组，所述入队分析分组包括描述与正在被入队至所述网络设备中的所述缓冲区的分组相关联的性能的信息，以及所述出队分析分组包括描述与正在从所述网络设备中的所述缓冲区出队的分组相关联的性能的信息，并且
将所述入队分析分组和所述出队分析分组的目的地的地址插入到所述入队分析分组和所述出队分析分组中；以及
使得所述入队分析分组和所述出队分析分组将被从所述网络设备发送至所述目的地。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述处理单元被配置为产生所述入队分析分组和所述出队分析分组，每个入队分析分组和出队分析分组包括以太网头部，所述以太网头部字段包括用来将所述入队分析分组和所述出队分组分别指引至目的地的信息，所述入队分析分组包括一个或多个记录字段，该一个或多个记录字段包括总结了包含在入队至所述缓冲区的分组中的数据的信息，并且所述出队分析分组包括一个或多个记录字段，该一个或多个记录字段包括总结了从所述缓冲区出队的分组中的数据的信息。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述处理器单元被配置为捕获描述所述缓冲区的缓冲区占用特征的信息，所述缓冲区占用特征包括下列各项中至少一项：总缓冲区占用、基于分组优先级的缓冲区占用、单播队列长度、以及多播队列长度。
13.如权利要求10所述的装置，其中，所述处理器单元被配置为捕获描述与用户定义参数相对应的分组的分组处理性能的信息，针对下列项中的一个或多个：速率限制、整形、策略以及包括有效负载的所述分组的任意可编程字节。
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