上一节介绍了队列的演进(秒懂确定性网络之玩转队列(中)),本节分析队列切确定性添强,从令牌桶机制讲首,详解基于信誉的整形(CBS)、时间感知整形(TAS)、循环列队转发(CQF)、帧抢占(FP)四栽机

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秒懂确定性网络之玩转队列(下)

上一节介绍了队列的演进(秒懂确定性网络之玩转队列(中)),本节分析队列切确定性添强,从令牌桶机制讲首,详解基于信誉的整形(CBS)、时间感知整形(TAS)、循环列队转发(CQF)、帧抢占(FP)四栽机制。本文不但介绍这些机制“是什么”,更力求分析明了“为什么云云设计这个机制”、和“怎么样运用该机制”。

队列切确定性添强

队列调度分为入队、调度、出队三个过程,队列切确定性添强苛重作用于出队。即调度依旧粗略选择苛格优先级调度,在流量出队列进走链路传输时加以局限,因此也粗略叫“整形”。确定性添强并不克“横行霸道”,而是只针对特定的场景有效,且需求对流量尽量已知。因此当吾们知道一个新的调度机制时,最紧要的切入点是流量的特征(流分布、流速率、包大幼、包数目、周期/非周期)和流量的需求(带宽、时延、抖动、丢包率)。

令牌桶

令牌桶就是在交换机的出端口放一个“桶”,然后去桶里以必定的速率放令牌,令牌(Token)是一栽单位为字节的伪造捏造数据包。

举个例子,倘若有红绿两条流经过统一个10G大幼的端口,如果绿流的大幼直接是10Gbps,红流就没了传输空间,导致其大量丢包;为了使他俩和洽相处,必须给他们定规矩,即速率局限、或者叫带宽分配。倘若绿流被分配的带宽是8Gbps(即1GBps),那么只需求每隔1纳秒去令牌桶里放1个令牌(理论情况),或者每隔1毫秒去令牌桶里放10^6个令牌(考虑设备处理能力),拿到令牌的数据包被批准发送,没拿到的直接唾舍或者存储等有令牌时再发送,就能在带宽层面保证流量调度切确定性。

令牌桶只能做到秒级的时延保障粒度,即最坏情况下的时延是1s。对于网页类互联网流量,几百毫秒的迟误并不影响用户运用,因此传统的互联网服务质量保障苛重探求路由优化和带宽分配,尽量选择轻载不拥塞的路径、并为流量分配尽量富余的带宽,即可降矬丢包和重传。

基于信誉的整形

在保证带宽的基础上,能不克进一步降矬时延,甚至保证最坏时延有界?比如音视频流量,其具有一连发送、体积大的特点,又请求时延抖动不克太大,以避免语音阻隔和画面卡顿。为解决音视频流量的传输服务质量保障题目,基于信誉的整形(Credit Based Shaper, CBS)被挑出。

CBS在出端口的队列放一个整形器,整形器包含一个信誉计算组件。

该整形器投降如下五条规则:

1)如果队列里异国数据包,则将队列的信誉置为0。

2)如果队列的信誉非负,则队列里的数据包批准被传输,否则不批准传输。

3)当队列里有起码一个数据包处于期待,则队列的信誉以idleSlope的速率增添,idleSlope是余暇速率,单位是bps。

4)当队列里的包被传输时,队列的信誉以sendSlope的速率缩幼,sendSlope是发送速率,单位也是bps。

5)平素情况下,发送速率等于余暇速率减去链路带宽,比如余暇速率是200Mbps,带宽1Gbps,则发送速率为-800Mbps。

为什么要设计这些规则?由于CBS的核心想法是流量互相“谦逊”。令牌桶直接为每条流分配必定数值的令牌,当红绿两条一律优先级的流到达时,传输的先后和占用的传输时间是不确定的。而CBS初首的信誉是0,流量必须要“等一等”信誉值才会增添,增添后才能传输,而传输导致信誉慢慢降落,因此一条流传一幼会后信誉为负间断传输,又轮到另一条流传输。

以下图为例,音视频流f1在入队时有黄色作对流正在传输,f1期待传输且信誉值不竭增添;T0时刻作对流传输完,f1早先传输且不竭损耗信誉,当绿色、蓝色两个包传输后T1时刻信誉为负,第三个粉色的包无法传输,只能存储期待,直到T2时刻信誉恢复到0,粉色的包被批准传输。结果的效果是绿、蓝、粉三个数据包不再是不竭传输,而是间隔传输。下图需细致的是横轴是时间线,图中数据包的宽度不是数据包的大幼;在队列深度中,宽度代外的是数据包的到达时间和传输早先时间,在此刻传输的数据中,宽度代外的是传输早先时间和传输愉快时间。

CBS的关键题目是如何配置idleSlope余暇速率这个参数,idleSlope是吾们想保留的带宽,idleSlope越大,流量越容易发送,该参数需求经过议定一系列的拘谨求解得到。CBS典型运用手腕是在优先级队列6(Q6)和优先级队列5(Q5)后面安放信誉整形器,并将Q6的流量树立为A类流量,传输的一连时间(一跳时延)为125us,将Q5的流量树立为B类流量,一跳时延为250us。经过议定确定的一跳时延大幼粗略倒推得到余暇速率的配置参数值。

时间感知整形

在工业网络中还有一类控制命令流量对时延抖动请求极高,比如经过议定主顽固臂操作从顽固臂的控制命令流量,其每间隔1毫秒发送一个100字节大幼的数据包,且请求端到端时延幼于1毫秒。对于这栽周期性的时间敏感的幼流,CBS无能为力,因此时间感知整形(Time-Aware Shpaer, TAS)被挑出。

TAS在每个出队列的后面安放一个“门”,当门处于掀开(open,o)状态时,数据包被批准传输,当门处于关闭(close,c)状态时,数据包不批准传输。门在什么时候掀开、什么时候关闭受一个门控列外驱动。此外,TAS的前挑是一概的终端和网络设备需求采用802.1AS实现纳秒级全网时钟同步,即保证一概出端口的门控列外时间是同步的,且链路时延粗略漠视不计。

TAS的关键题目是如何为控制类流量分配时隙,从而生成全局的门控列外。以下图为例,红流有两个1500字节的数据包,绿流有三个1500字节的数据包,倘若端口带宽为1Gbps,则红流传输所需预留的时隙为24us,绿流传输所需预留的时隙为36us,在无期待调度模型下,将这两个时隙逐跳实足排开(即时隙不重叠),就能生成如图所示的门控列外,即在T0时刻Q7门掀开、Q6门关闭,在T1时刻Q7门关闭、Q6门掀开。

循环列队转发

TAS粗略实现微秒级的逐跳逐包的细粒度调度,但其需求逐跳的逐条方针配置门控列外,导致配置十分复杂,且单台设备的门控条今朝数平素不超过1024条,在海量流量场景下存在可扩展性的题目,因此循环列队转发(Cyclic Queuing and Forwarding, CQF)被挑出。

循环列队转发在入队和出队处各安放一个门(标记为Rx-gate和Tx-gate),当门掀开时包进走入队或传输,当门关闭时不准入队或传输。循环列队转发机制将出端口的传输时间分为一系列十分的时间间隔,每个时间间隔称为一个周期T。

CQF请求:

1)全网时钟同步,

2)链路时延可漠视不计,

3)周期T要起码大于一跳时延(即处理时延、列队时延、传输时延、链路时延之和)。然后经过议定奇偶两个队列交替施走入队和出队操作,CQF粗略确保在一个周期内从上游节点发送数据包,并在统一周期内在鄙俚节点接纳到数据包,且在下一个周期将数据包发送出去。因此,端到端迟误仅取决于周期大幼T和路径跳数H,其中最大迟误领域为(H +1)T,最幼迟误领域为(H-1)T,端到端抖动最大为2T。

比如倘若链路带宽为1Gbps,CQF最大队列深度为10个数据包,则按MTU大幼的数据包计算得出一跳的列队和传输时延最大为120us,再加上5us的处理时延,粗略将周期T的大幼设为125us。那么如下图所示,在T0偶周期时刻,偶队列Q6发送、奇队列Q7接纳,因此Tx-gate中Q6掀开、Q7关闭, Rx-gate中Q6关闭、Q7掀开;在T1奇周期时刻,奇队列Q7发送、偶队列Q6接纳,因此Tx-gate中Q7掀开、Q6关闭, Rx-gate中Q7关闭、Q6掀开。

CQF经过议定局限最大队列长度,将一跳的时隙设定为固定周期值T,奇偶两个队列交替施走,相当于只有一条门控条今朝,从而简化了TAS复杂的门控条今朝配置。CQF的关键题目是如何确定周期T的大幼、以及计算流的发送早先时间。如果周期T太幼,则队列太短,会导致大量不走调度的情况;如果周期T太大,又会导致端到端最坏时延变大,单方矬时延的流量无法被调度,且铺张片上缓存资源。

帧抢占

时间感知整形中还有一个细节题目是需求树立瞻仰带宽。那时间敏感流(优先级为7)和尽力而为流(优先级为0)共传,如果时间敏感流进入队列时尽力而为流已经早先传输,那么时间敏感流必须期待起码一个尽力而为数据包的传输时间(在1Gbps带宽下传输1500字节大幼的包为12us),导致其时隙无法对齐,即无法听命既定的门控列外进走传输。因此,在时间敏感流到达之前,一概的门答该关闭一个MTU大幼包传输的时间,以形成瞻仰带宽。

然而,不是一概的时间敏感流到达前都有尽力而为流在传输,也不是一概尽力而为流的包大幼都是MTU大幼,事实上,互联网流量的平均包大幼在256字节傍边,因此瞻仰带宽在粘稠门控切换情况下会造成大量的带宽铺张。为缩幼带宽铺张,帧抢占(Frame Preemption, FP)被挑出。

帧抢占将MAC分为eMAC和pMAC,时间敏感流(高速帧)走eMAC,尽力而为流(矬速帧)走pMAC,当矬速帧传输时若有高速帧到达,起先会鉴定矬速帧是否能被分片,如果能则将矬速帧分片,然后高速帧施走抢占传输,末端矬速帧进走分片重组。由于以太网帧有最幼64字节的发送局限,是以必须保证矬速帧切片后两个切片(包括校验和)均不幼于64字节。因此当矬速帧的数据长度幼于124字节时,该矬速帧将不克被分片。

此外,帧抢占粗略缩幼高速帧的列队壅塞时间,从而有效降矬高速帧的时延,但是以增添矬速帧时延为代价。矬速帧切片时机存在不确定性,会导致高速帧被壅塞的时间存在颠簸,从而引入必定的时延抖动。

总结

本文分析了令牌桶、基于信誉的整形(CBS)、时间感知整形(TAS)、循环列队转发(CQF)、帧抢占(FP)五栽机制。五栽机制既粗略单独运用,也粗略单方融相符运用,比如时间感知整形融相符基于信誉的整形,时间感知整形融相符帧抢占。机制运用的前挑条件和机制的适用场景,是值得关注的重点;令牌桶被广泛使用于互联网,后四栽机制此刻苛重使用于车载以太网、工厂内网、航空航天装备编制等局域网场景;在调度时延保障粒度方面,五栽机制慢慢递进,粒度越来越细。为平素易懂,

本文对关系细节有所简化,更众机制的配置参数和技术实现粗略参考关系标准协谈判产品文档。

 

 



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