TWI543568B - 用於分封交換網路的系統及其方法、在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的方法 - Google Patents

用於分封交換網路的系統及其方法、在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的方法 Download PDF

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TWI543568B
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Description

用於分封交換網路的系統及其方法、在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的方法
本公開總體上涉及分封交換網路(packet-switching network)，更具體地，涉及用於減少分封交換網路中的淨空(headroom)的系統和方法。
在分封交換網路中，交換機具有有利於無損失操作的緩衝器。然而，當來自資訊源的傳入資料封包率(packet rates)很高且資料在緩衝器內聚集時，資料包可能由於超出緩衝器的大小而丟失。由於丟包已成為分封交換網路的問題，所以一直存在試圖改善丟包問題的持續不斷的研究。
本發明提供了在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的一種方法，包括：為緩衝器設定上限值(XOFF_MAX)，所述上限值(XOFF_MAX)表示總是觸發流量控制消息(XOFF)的發送的緩衝器使用量；為緩衝器設定下限值(XOFF_MIN)，所述下限值(XOFF_MIN)表示從不觸發流量控制消息(XOFF)的發送的緩衝器使用量；在資料包到達時確定隨機值(XRAND)，所述隨機值處於上限值(XOFF_MAX)與下限值(XOFF_MIN)之間；監測所述緩衝器的使用量以確定所述緩衝器使用量是否超出隨機值(XRAND)；以及當所述緩衝器使用量超出隨機值(XRAND)時，發送流量控制消息(XOFF)。
本發明提供了一種系統，包括：緩衝器；以及用於所述緩衝器的隨機臨界值，所述隨機臨界值用於觸發流量控制消息向信號源的發送。
上述系統中，所述流量控制消息是XOFF。
上述系統還包括：第二緩衝器；以及用於所述第二緩衝器的第二隨機臨界值，所述第二隨機臨界值用於觸發第二流量控制消息到所述信號源。
上述系統還包括用於觸發流量控制消息向信號源的發送的裝置。
上述系統還包括上限。
上述系統還包括隨機偏移值，所述隨機臨界值透過從所述上限減去所述隨機偏移值來設定。
上述系統還包括用於從所述上限減去所述隨機偏移值的裝置。
上述系統還包括下限，所述隨機臨界值被設定在所述下限與所述上限之間。
上述系統還包括用於設定所述隨機臨界值的裝置。
上述系統還包括共用淨空，所述共用淨空包括所述緩衝器。
本發明提供了一種方法，包括：為緩衝器確定隨機臨界值；監測所述緩衝器的使用量；確定所監測的緩衝器使用量是否超出所述隨機臨界值；以及當所監測的緩衝器使用量超出所述隨機臨界值時，發送流量控制消息。
上述方法中，所述流量控制消息是XOFF。
上述方法還包括：為第二緩衝器確定第二隨機臨界值；監測所述第二緩衝器的使用量；確定監測的所述第二緩衝器的使用量是否超出所述第二隨機臨界值；以及當監測的所述第二緩衝器的緩衝器使用量超出所述第二隨機臨界值時，發送第二流量控制消息。
上述方法還包括：重置流量控制；以及為所述緩衝器確定不同隨機臨界值。
上述方法中，確定所述隨機臨界值的步驟包括：設定上限。
上述方法中，確定所述隨機臨界值的步驟還包括：設定下限；以及在所述上限與所述下限之間設定所述隨機臨界值。
上述方法中，確定所述隨機臨界值的步驟還包括：確定隨機偏移值；以及透過從所述上限減去所述隨機偏移值來設定所述隨機臨界值。
110‧‧‧緩衝器
120‧‧‧訊框或資料
130‧‧‧上限臨界值
140‧‧‧下限臨界值
150‧‧‧隨機偏移值/XOFF_RAND_OFFSET
230‧‧‧XOFF_MAX
240‧‧‧XOFF_MIN
250‧‧‧位於XOFF_MIN與XOFF_MAX之間的臨界值
505‧‧‧網路
510a~510n、530a~530n、550a~550n‧‧‧伺服器
515、535、555‧‧‧伺服器機櫃(server rack)
520、540、560‧‧‧TOR交換機
570、580‧‧‧聚合器
310~370、410~470‧‧‧步驟
圖1是具有隨機流量控制臨界值的緩衝器的一種實施方式的示意圖。
圖2是具有不同的隨機流量控制臨界值的緩衝器的另一實施方式的示意圖。
圖3是顯示用於發送流量控制信號的方法的一種實施方式的流程圖。
圖4是顯示用於發送流量控制信號的方法的另一實施方式的流程圖。
圖5是顯示可使用圖1和圖2的緩衝器的分封交換架構的一種實施方式的示意圖。
在分封交換網路中，交換機具有有利於無損失操作的緩衝器。然而，當來自資訊源的傳入資料封包率很高且資料在緩衝器內聚集時，資料包可能由於超出緩衝器的大小而丟失。為改善這一問題，當具體佇列或入站埠(ingress port)以及優先順序的資料緩衝器使用量超出特定臨界值(被稱為XOFF臨界值)時，乙太網交換機發送鏈路級別的流量控制消息。該流量控制消息被發送至資訊源以指示資訊源停止發送資料包。由於資訊源接收該流量控制消息時的延遲，即使在發送該XOFF消息之後，交換機可能仍 從資訊源接收訊框。考慮到該延遲，通常保留和提供交換機緩衝器的一部分來允許可能在設置流量控制之後到達的資料包。該保留的緩衝器被稱為無損淨空，或簡稱為淨空。
關於該延遲的主要原因之一以及提供淨空的主要驅動力(driver)之一是用於發出XOFF信號的交換機的等待時間。一旦檢測到交換機中的擁擠(congestion)，即會產生XOFF消息。然而，若埠已被發送資料包佔用，則無法發送該XOFF消息，直到完成當前出站資料包的發送。在最壞情況下，交換機在發送該XOFF消息之前將等待一個完整的最大傳輸單元(MTU)大小的資料包離開埠。換句話說，若在流量控制消息產生之前，該埠恰巧開始傳輸一個巨型資料包(jumbo packet)，則延遲將等於該埠完成該巨型資料包傳輸所佔用的時間。因此，即使平均等待時間約是巨型資料包傳輸時間的一半，最壞情況的結果也是整個巨型資料包的等待時間。
當這種最壞情況發生時的一個實例是在交換機的基準測試期間。在這些基準測試下，所有入站埠均向單個出站埠(egress port)發送流量，從而導致所有入站埠上同時擁擠。同時，一個入站埠向所有出站埠發送多播巨型訊框。因此，在這些基準測試期間，可能所有埠上用於流量控制消息的等待時間將幾乎等於以及非常接近於最壞情況。對於這些情況，流量控制觸發事件不能被認為是獨立事件。
為使交換機是無損失的，通常基於這些和其他類型的最壞假設來提供淨空。然而，最壞情況經常基於可能性非常小的事件序列的發生。因此，基於這些最壞情況事件來提供淨空會產生對於正常操作沒必要很大的淨空。
目前的技術和方法基於每個入站埠和埠組的專用淨空。然而，隨著交換機大小(即，埠數量、埠速度、無損優先順序數量)增加，該方法需要基於針對每個入站埠和埠組的最壞情況假設的 更大淨空，從而導致大淨空保留和低交換機緩衝器利用率。相應地，流量控制設置通常基於固定臨界值，該固定臨界值使得不同埠和速率之間的流量控制設置同步。用於控制淨空大小的另一方法依賴於當交換機儲存緩衝器變滿時在每個埠上設置流量控制。該方法極具破壞性，且可能導致吞吐量下降和埠的流量控制不平衡。
本發明的各種實施方式提供了在最小化丟包(dropped packets)的同時減少淨空大小的機制。通常，這透過使用在所有埠之間共用的淨空空間並提供發送XOFF消息的隨機延遲來實現。具體地，在一種實施方式中，插入用於觸發埠上的流量控制的偽隨機臨界值。該隨機流量控制偏移使埠上流量控制的觸發變得充分不相關。因此，可基於用於從交換機發送XOFF消息的平均等待時間而不是最壞情況假設來設置淨空大小。
為減小所需淨空大小和基於交換機中的平均等待時間而不是最壞情況來設置淨空大小，本發明的一種實施方式在所有埠和無損優先順序之間提供了一個共用淨空空間。該共用淨空比專用淨空(用於入站埠、優先順序)高效和有優勢是基於一個前提：在流量控制被觸發後針對每個埠發送流量控制消息的延遲是取決於直到完成從該埠發送資料包的等待時間的隨機變數。若對不同埠和優先順序設置流量控制的時間不相關(或具有低相關性)，則對於不同埠和優先順序所需的淨空大小可認為是不相關的。
如上所述，現對附圖中所示的實施方式進行詳細描述。儘管結合這些附圖描述了一些實施方式，但這並不意味著將本公開限定於該實施方式或本文所公開的實施方式。相反，其旨在涵蓋所有替換、修改和等同。
圖1是具有隨機流量控制臨界值的緩衝器的一種實施方式的示意圖。具體地，圖1的實施方式顯示了緩衝器110、上限臨界值130(標記為確定性臨界值(XOFF_DETERMINISTIC))，隨機偏 移值150(XOFF_RAND_OFFSET)以及下限臨界值140，該下限臨界值140由從XOFF_DETERMINISTIC 130減去XOFF_RAND_OFFSET 150來獲得。XOFF_DETERMINISTIC 130以與在當前交換機中計算傳統XOFF臨界值相同的方式來獲得。隨機的XOFF_RAND_OFFSET 150利用偽亂數字產生器來獲得，且其範圍從零到一個最大傳輸單元(MTU)。最初，隨機分量針對每個入站埠和優先順序來計算並上傳。此後，新產生的亂數字在每次入站埠優先順序重置流量控制時被上傳。因此，在該特定實施方式中，流量控制總是基於新選擇的亂數字而設定。在圖1的實施方式中，隨著其他訊框(frame)或資料120進入緩衝器110，緩衝器使用量增加。而且，當緩衝器使用量超出下限臨界值140時，交換機產生XOFF消息並向資料源發送該XOFF消息。以此方式，在不同埠上的流量控制設置事件不同步。此外，由於在一次性使用之後，對於每個入站埠和埠組隨機選擇偏移值，所以埠之間沒有固定偏移值。
圖2是具有不同隨機流量控制臨界值的緩衝器的另一實施方式的示意圖。圖2的實施方式基於具有兩個XOFF臨界值：XOFF_MIN 240和XOFF_MAX 230。流量控制信號利用以下規則基於入站埠和優先順序的緩衝器使用量來設定。首先，若緩衝器使用量低於XOFF_MIN 240，則不設定流量控制。換句話說，當緩衝器110中的資料120低於XOFF_MIN時，從不發送流量控制消息。其次，若緩衝器使用量高於XOFF_MAX 230，則以概率1來設定流量控制。換句話說，當緩衝器110中的資料120超過XOFF_MAX 230時，總是發送流量控制消息。最後，若緩衝器使用量位於XOFF_MIN 240與XOFF_MAX 230之間的臨界值250時，則以一定概率(對於一些實施方式可能是固定概率，而對於其他實施方式可能是可變概率)來設定流量控制。因此，可以看出，對於每個緩衝器110，觸發流量控制消息發送的概率範圍從0 到1。
相比之下，圖2的實施方式中，當緩衝器使用量在XOFF_MIN 240與XOFF_MAX 230之間時，對於每個單元的到達，交換機產生偽亂數字。然而，在圖1的實施方式中，對於每個單元的到達，交換機從XOFF_DETERMINISTIC 130減去XOFF_RAND_OFFSET 150。
本發明的各種實施方式也可被視作方法，參照圖3和圖4顯示了用於該方法的兩種實施方式。如圖3所示，該方法的一種實施方式始於交換機設定310上限(XOFF_MAX)，且也設定320下限(XOFF_MIN)。隨後，交換機確定330位於XOFF_MIN與XOFF_MAX之間的隨機臨界值(XRAND)。一旦該臨界值被確定330，則交換機監測340緩衝器使用並確定350緩衝器使用量是否超出XRAND。只要緩衝器使用量不超出XRAND，則當資料包流入和流出緩衝器時，交換機繼續監測340緩衝器使用量。然而，若緩衝器使用量超出XRAND，則交換機發送360流量控制信號(XOFF)並等待，直到流量控制被重置370。一旦流量控制被重置，則交換機又確定330隨機臨界值並監測340緩衝器使用量。
圖4是顯示用於發送流量控制信號的方法的另一實施方式的流程圖。如圖4所示，該實施方式透過設定410上限(XOFF_DETERMINISTIC)而開始，並確定420隨機偏移值(XOFF_RAND_OFFSET)。此後，緩衝器臨界值設定430為從XOFF_DETERMINISTIC減去XOFF_RAND_OFFSET的一個值。在資料包流入和流出緩衝器時，交換機監測440緩衝器使用量，並確定450緩衝器使用量是否超出430處設定的臨界值。若緩衝器使用量未超出430處設定的臨界值，則交換機繼續監測440緩衝器使用量。當緩衝器使用量超出430處設定的臨界值時，交換機發送460流量控制信號。此後，交換機等待，直到流量控制被重置470，此時交換機又確定420新的隨機偏移值，並基於該隨機 偏移值來設定430新臨界值。
圖5是顯示分封交換架構的一種實施方式的示意圖，該架構可使用圖1和圖2的緩衝器或者使用圖3和圖4的方法。如圖5所示，分封交換架構包括許多可操作地耦接至網路505(例如，網際網路)的元件。在一些實施方式中，該架構包括多個伺服器機櫃(server rack)515、535、555，其中每個具有一組伺服器510a至510n(統稱為510)、530a至530n(統稱為530)、550a至550n(統稱為550)。每個伺服器機櫃515、535、555可操作地耦接至其相應的架頂式(TOR)交換機520、540、560，這允許伺服器510、530、550透過他們相應的TOR交換機520、540、560來發送和接收資料包。TOR交換機520、540、560輪流可操作地耦接至聚合器(aggregator)570、580，這允許TOR交換機520、540、560透過聚合器570、580來存取網路505。每個交換機包括一個或多個諸如圖1或圖2中所示的緩衝器。
在每個TOR交換機520、540、560具有到兩個聚合器570、580的接入的情況下，來自一個伺服器550a的資料包能夠透過多個不同的曲折路徑到達另一伺服器550n。例如，資料包可從原始伺服器550a透過它的TOR交換機560，隨後透過一個聚合器570傳送至另一TOR交換機560，最終到達終點伺服器550n。可替代地，該資料包可從原始伺服器550a，透過它的TOR交換機560，隨後透過另一聚合器580傳送至另一TOR交換機560，以到達終點伺服器550n。假定透過交換機的資料流程量可能很龐大，則透過使用如圖1或圖2所示的緩衝器可實現的淨空減小可以是非常有效的。
從圖1至圖4的實施方式可以看出，本發明的各種實施方式提供共用淨空以減小無損交換機所需的記憶體。另外，所公開的實施方式具有以基於用於發送流量控制消息的平均等待時間而不是基於最壞情況的方式提供淨空的優勢。同時，對於一些實施方 式，當存在短期擁擠時，若共用淨空變滿而降低了設定流量控制的頻率，則流量控制能夠遞增設定。此外，所推薦的機制簡單且適於硬體實施。此外，交換機中應被設定的新屬性的數量有限且易於向用戶和消費者提供指導。
隨機臨界值可以硬體、軟體、韌體或其組合來實施。在優選實施方式中，利用以下本領域習知技術中的任一種或組合以硬體實施該隨機臨界值：具有用於對資料信號實施邏輯功能的邏輯門的離散邏輯電路、具有適當組合的邏輯門的專用積體電路(ASIC)、可程式閘陣列(PGA)、現場可程式閘陣列(FPGA)等。在可替代實施方式中，隨機臨界值以儲存在記憶體中並被合適的指令執行系統執行的軟體或韌體來實施。
任何過程描述或流程圖中的框(方塊)均應被理解為表示代碼的模組、段或部分，其包括一條或多條用於實施特定邏輯功能或過程中的步驟的可執行指令，且替代性實施包括在本公開的優選實施方式的範圍內，其中，功能可以不同於所示或所討論的順序(包括基本上同時或相反順序)來執行，這取決於所涉及的功能，正如該發明所屬領域中具有通常知識者將理解的那樣。
儘管已顯示和描述了示例性實施方式，但對於該發明所屬領域中具有通常知識者而言，顯然可對所描述的本公開進行許多改變、修改或替代。例如，對於不同設定流量控制的實體(例如，佇列、入站埠等)，在交換機中可能存在不同實施方式的多個並行實施。此外，應理解，在交換機中可使用多個共用淨空。例如，一個共用淨空可用於低優先順序流量，而另一共用淨空可用於高優先順序流量。因此，所有這些改變、修改和替代應被視為在本公開的範圍內。
110‧‧‧緩衝器
120‧‧‧訊框或資料
130‧‧‧上限臨界值
140‧‧‧下限臨界值
150‧‧‧隨機偏移值/XOFF_RAND_OFFSET

Claims (9)

  1. 一種在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的方法，包括：為緩衝器設定上限臨界值，所述緩衝器共享在所述交換機中的複數個入站埠之間的淨空，所述上限臨界值表示總是觸發流量控制消息的發送的緩衝器使用量；為所述緩衝器設定下限臨界值，所述下限臨界值表示從不觸發所述流量控制消息的發送的緩衝器使用量；在所述資料包到達時得到隨機偏移值以確定所述交換機中每個入站埠及優先順序的隨機臨界值，所述上限臨界值減去所述隨機偏移值得到處於所述上限臨界值與所述下限臨界值之間的所述隨機臨界值；監測所述緩衝器的使用量以確定特定入站埠之所述緩衝器使用量是否超出所述隨機臨界值；以及當所述緩衝器使用量超出所述特定入站埠的所述隨機臨界值時，發送流量控制消息至發送所述資料包到所述特定入站埠的信息源。
  2. 一種用於分封交換網路的系統，包括：交換機，包含複數個入站埠及緩衝器，所述緩衝器包括所述複數個入站埠及電路之間共用的淨空；所述電路被配置成：為緩衝器設定上限臨界值，所述緩衝器共享在所述交換機中的複數個入站埠之間的淨空，所述上限臨界值表示總是觸發流量控制消息的發送的緩衝器使用量；為所述緩衝器設定下限臨界值，所述下限臨界值表示從不觸發所述流量控制消息的發送的緩衝器使用量；在資料包到達時得到隨機偏移值以確定所述交換機中每個入站埠及優先順序的隨機臨界值，所述上限臨界值 減去所述隨機偏移值得到處於所述上限臨界值與所述下限臨界值之間的所述隨機臨界值；監測所述緩衝器的使用量以確定特定入站埠之所述緩衝器使用量是否超出所述隨機臨界值；以及當所述緩衝器使用量超出所述特定入站埠的所述隨機臨界值時，發送流量控制消息至發送所述資料包到所述特定入站埠的信息源。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述用於分封交換網路的系統，還包括：第二緩衝器；以及用於所述第二緩衝器的第二隨機臨界值，所述第二隨機臨界值用於觸發傳輸第二流量控制消息到所述信號源。
  4. 根據申請專利範圍第2項所述用於分封交換網路的系統，還包括用於觸發流量控制消息向信號源的發送的裝置。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述用於分封交換網路的系統，還包括臨界上限。
  6. 一種用於分封交換網路的方法，包括：為緩衝器確定隨機臨界值，所述緩衝器包括多個埠組之間共用的淨空，所述緩衝器具有上限臨界值及下限臨界值，其中所述隨機臨界值為所述上限臨界值減去所述緩衝器之隨機偏移值，所述隨機臨界值處於所述上限臨界值與所述下限臨界值之間；監測所述緩衝器的使用量；確定所監測的緩衝器使用量是否超出所述隨機臨界值；以及當所監測的緩衝器使用量超出所述隨機臨界值時，發送流量控制消息到信號源，所述流量控制消息指示所述信號源停止傳送資料包。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述用於分封交換網路的方法，還包括：為第二緩衝器確定第二隨機臨界值；監測所述第二緩衝器的使用量；確定監測的所述第二緩衝器的使用量是否超出所述第二隨機臨界值；以及當監測的所述第二緩衝器的緩衝器使用量超出所述第二隨機臨界值時，發送第二流量控制消息。
  8. 根據申請專利範圍第6項所述用於分封交換網路的方法，還包括：重置流量控制；以及為所述緩衝器確定不同隨機臨界值。
  9. 根據申請專利範圍第6項所述用於分封交換網路的方法，確定所述隨機臨界值的步驟包括：設定臨界上限。
TW101147572A 2012-03-23 2012-12-14 用於分封交換網路的系統及其方法、在分封交換網路中用於接收資料包的交換機中的方法 TWI543568B (zh)

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