CN101645834B - 一种以太网流控方法、装置和网络设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以太网流控方法、装置和网络设备。所述方法包括：周期性地对接收和发送的数据流量进行实时统计；根据统计结果调整最佳吞吐量；根据所述最佳吞吐量对发送端和接收端进行流控。本发明通过对以太端口接收和发送的数据量进行实时监控，并实时调整最佳吞吐量，从而对收发的数据流量进行流控，有效控制了***的总吞吐量，保证了***在尽可能大的吞吐量下稳定工作。

Description

一种以太网流控方法、装置和网络设备

技术领域

本发明涉及一种以太网流控方法、装置和网络设备，属于数据通信技术领域。

背景技术

下面对本发明中涉及的一些概念进行说明：

1、处理器

处理器就是我们所说的中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)，其主要功能是进行算术运算和逻辑运算，内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：8位处理器、16位处理器、32位处理器以及64位处理器等。在现在大部分的交换路由***中都是使用通信处理器来设计实现的。

2、总线

从计算机架构来看，总线是在同一个计算机或者不同计算机的功能部件之间共享的信息的传输线。总线按照每次能同时传输信息的位数可以分为并行总线和串行总线，所谓“并行”，是指多位数据同时通过并行线进行传送，串行总线不同于并行总线之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。与点对点连接不同，总线可以通过同一套传输线连接多个部件。

3、以太网

以太网是目前使用最广泛的局域网技术。由于其简单、成本低、可扩展性强、与IP网能够很好地结合等特点，以太网技术的应用正从企业内部网络向公用电信网领域迈进。以太网接入是指将以太网技术与综合布线相结合，作为公用电信网的接入网，直接向用户提供基于IP的多种业务的传送通道。以太网技术的实质是一种二层的媒质访问控制技术，可以在五类线上传送，也可以与其它接入媒质相结合，形成多种宽带接入技术。

4、以太网的吞吐量

作为现代通信的应用最为广泛的的局域网技术，以太网的技术也经历了长时间的发展和演变，现在100MB(兆字节)快速以太网已经成为终端接口的主力接口类型，而1000MB以太网接口则多是集中在节点出口或者局域网上联口的应用上。以太网吞吐量就是说以太网的收发数据包能力。从理论上来看，以千兆以太网接口为例，1518字节的单向吞吐量是在8.2Kpp s(千个包每秒)左右，也就是980Mbps(兆比特每秒)的理论速度，而64字节的小包由于在线路的上的开销明显增大，所以实际的单向数据传输能力只有1.488Mpps，大约761Mbps的理论速率。那么在实际的应中如果能够做到实际的转发效率接近或者达到理论的转发吞吐量我们就可以认为该交换路由***做到了线性无阻塞。但是在实际的应用中，由于对***转发能力的要求以及成本限制等原因，很大一部分的交换路由***没有办法达到线性无阻塞这一要求，但是只要保证在实际的应用中能够完全满足客户的需要，这些非线性无阻塞的交换路由***依然可以广泛的应用到我们的实际环境需求中去。

5、以太网的收发控制器

在交换路由***中，以太网作为一种高速的数据出口，其收发的具体实现都是由以太网媒体接口控制器(Media Access Control，简称MAC)完成的。以太MAC的主要功能就是将由物理层接收到的以太帧数据进行拆包处理，然后交给上面的数据链路层进行进一步的处理，同时也要将数据链路层向外发送的帧按照以太网帧结构进行封装然后发送到实际的物理线路上面去。以上的两个工作分别由以太网的发送控制器(transmitter)和接收控制器(receiver)完成的。如果在一个交换路由***中只有一个以太网出口，那么这个以太网的收发数据的能力之和可以直接认为是这个交换路由***的最终吞吐量。

6、DMA传输

存储器直接访问(Direct Memory Access，简称DMA)是一种高速的数据传输操作，允许在外部设备和存储器之间直接读写数据，即不通过CPU，也不需要CPU干预。整个数据传输操作是在一个称为“DMA控制器”的控制下进行的。CPU除了在数据传输开始和结束时做一点处理外，在传输过程中CPU可以进行其它的工作。这样，在大部分时间里，CPU和输入输出都在并行操作。因此，使整个计算机***的效率大大提高。

7、缓冲器描述符(Buffer Descriptor，简称BD)

BD是通信接口驱动中很重要的一个概念，除了以太网接口、同步、异步、ATM等众多的通信接口中，收发驱动层面都会使用到BD这个软件结构体。BD为实际的硬件收发控制器提供了需要被收发的数据在内存中的地址，BD可以认为是一个专门为硬件提供的路标。

图1描述了在一个交换***中，作为主要数据流量出口的以太网接口的详细收发流程和机制。其中CPU用于运行上层操作***，响应收发中断，对收发的数据包进行各种交换业务处理；MAC的Tx控制器(即发送控制器)启动DMA过后，DMA就会自动开始轮询交换***内存中建立好的发送BD，当轮询到有需要发送的数据，即Buffer对应的BD的R位置1时，就将对应的Buffer中的数据搬移到Tx控制器端的FIFO中，等待发送；MAC的Rx控制器(即接收控制器)启动DMA过后，DMA就会自动开始轮询交换***内存中建立好的接收BD，当Rx控制器端的FIFO中有接收到的数据时，DMA就会将数据从FIFO中搬移到相应的可用Buffer中，将Buffer对应的BD的E位置1。

在大多数的交换***中，以太网接口都无法承受大流量数据的轰击，特别是大流量的短包，其产生的大量数据收发中断会很快使交换***运行缓慢甚至使整个***挂起。

发明内容

本发明的目的是提供一种以太网流控方法、装置和网络设备，用于为交换路由***的稳定运行提供保护，有效控制***的总吞吐量，保证***在尽可能大的吞吐量下稳定工作。

为实现上述目的，本发明提供了一种以太网流控方法，所述方法包括：

周期性地对接收和发送的数据流量进行实时统计；

根据统计结果调整最佳吞吐量；

根据所述最佳吞吐量对发送端和接收端进行流控。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种以太网流控装置，所述装置包括实时监控流量模块、发送端流控模块和接收端流控模块；

所述实时监控流量模块用于根据统计结果调整最佳吞吐量，并根据所述最佳吞吐量通知发送端流控模块和接收端流控模块对发送端和接收端进行流控；

所述发送端流控模块与实时监控流量模块连接，用于周期性地对发送的数据流量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块，以及根据实时监控流量模块的通知对发送端进行流控；

所述接收端流控模块与实时监控流量模块连接，用于周期性地对接收的数据流量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块，以及根据实时监控流量模块的通知对接收端进行流控。

为了实现上述目的，本发明又提供了一种网络设备，所述网络设备包括上述装置。

本发明通过对以太端口接收和发送的数据量进行实时监控，并实时调整最佳吞吐量，从而对收发的数据流量进行流控，有效控制了***的总吞吐量，保证了***在尽可能大的吞吐量下稳定工作，从而防止在实际吞吐量大于***当前极限吞吐量时，由于频繁的数据收发中断造成***CPU资源的超时占用，特别是对字节长度较小数据包，由于其频繁的接收中断，极易引起CPU的中断死锁并且影响其他任务的运行甚至被挂起，最后造成***资源不足而引起的***缓慢或者崩溃的问题。

附图说明

图1为以太网接口收发流程示意图

图2为本发明一种以太网流控方法实施例一示意图

图3为本发明一种以太网流控方法实施例二示意图

图4为本发明一种以太网流控装置实施例一示意图

图5为使用本发明的一种交换路由***实施例示意图

图6为本发明一种以太网流控装置实施例二示意图

图7为本发明一种以太网流控装置实施例三示意图

图8为本发明一种网络设备实施例示意图

图9为本发明一较优实施例示意图

具体实施方式

本发明的目的是提供一种以太网流控方法、装置和网络设备，用于为交换路由***的稳定运行提供保护，有效控制***的总吞吐量，保证***在尽可能大的吞吐量下稳定工作。

下面结合附图对本发明进行说明，本发明提供了一种以太网流控方法，图2给出了本发明一种以太网流控方法实施例一示意图，所述方法包括：

步骤S1，周期性地对接收和发送的数据流量进行实时统计；

所述步骤S1具体可以为：周期性地统计接收和发送的不同类型字节长度的数据包的数量；

步骤S2，根据统计结果调整最佳吞吐量；

所述步骤S2具体可以为：根据不同类型字节长度的数据包的数量计算得到数据包组成比例，根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量。

步骤S3，根据所述最佳吞吐量对发送端和接收端进行流控。

所述对发送端和接收端进行流控即为对发送控制器和接收控制器进行流控。

所述步骤S3具体可以为：计算当前吞吐量，如果当前吞吐量大于最佳吞吐量，则通知发送端减缓发送，通知接收端暂停接收，否则通知发送端加速发送，通知接收端恢复接收。

所述通知发送端减缓发送具体可以为：通知发送端增加发送间隔时间；所述通知发送端加速发送具体可以为：通知发送端减少发送间隔时间。

本发明通过对以太端口接收和发送的数据量进行实时监控，并实时调整最佳吞吐量，从而对收发的数据流量进行流控，有效控制了***的总吞吐量，保证了***在尽可能大的吞吐量下稳定工作，从而防止在实际吞吐量大于***当前极限吞吐量时，由于频繁的数据收发中断造成***CPU资源的超时占用，特别是对字节长度较小数据包，由于其频繁的接收中断，极易引起CPU的中断死锁并且影响其他任务的运行甚至被挂起，最后造成***资源不足而引起的***缓慢或者崩溃的问题。

图3给出了本发明一种以太网流控方法实施例二示意图，本实施例除了包括方法实施例一的步骤外，步骤S2之前还包括步骤S4：通过测试得到不同类型字节长度的数据包组成比例所对应的最佳吞吐量。

步骤S4可以在步骤S1之前执行，也可以在步骤S1之后执行，或者与步骤S1并行执行。

通过对不同类型字节长度的数据包组成比例情况下进行测试，得到其对应的最佳吞吐量，可以将此测试结果作为最佳吞吐量调整依据，对接收和发送的不同类型字节长度的数据包的数量计算得到数据包组成比例，根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量。

本发明还提供了一种以太网流控装置，图4给出了本发明一种以太网流控装置实施例一示意图，所述装置包括实时监控流量模块M1、发送端流控模块M2和接收端流控模块M3；

所述实时监控流量模块M1用于根据统计结果调整最佳吞吐量，并根据所述最佳吞吐量通知发送端流控模块M2和接收端流控模块M3对发送端和接收端进行流控；

实时监控流量模块可以通过对实时统计的结果进行快速运算，并根据运算出的结果对发送和接收进行相应的流控调整。

所述发送端流控模块M2与实时监控流量模块M1连接，用于周期性地对发送的数据流量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块M1，以及根据实时监控流量模块M1的通知对发送端进行流控；

所述接收端流控模块M3与实时监控流量模块M1连接，用于周期性地对接收的数据流量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块，以及根据实时监控流量模块M1的通知对接收端进行流控。

图5给出了使用本发明的一种交换路由***实施例示意图，该***提供了一个千兆以太网接口作为上联口，所有的业务都需要从这个以太网口送到上一级交换路由***进行处理，由于***的核心处理能力有限，那么为了保证整个***稳定安全的运行，需要对吞吐量进行限制。

本发明中的实时监控流量模块、发送端流控模块和接收端流控模块都可以是纯软件实现，分别嵌套于整个***的不同层面，如图5所示。

由图5可以看出，上述三个模块是位于底层的以太网驱动模块和上层业务处理模块之间，实时监控流量模块会通过对底层驱动的收发包进行分析，决定对发送端流控模块和接收端流控模块发出指令，最后由发送端流控模块和接收端流控模块分别对发送端和接收端进行流控。

图6给出了本发明一种以太网流控装置实施例二示意图，本实施例除了包括装置实施例一的结构特征外，所述实时监控流量模块M1包括流控调整单元M11和流控决策单元M12；

所述流控调整单元M11用于根据统计结果调整最佳吞吐量；

所述周期性地对发送的数据流量进行实时统计具体可以为：周期性地统计发送的不同类型字节长度的数据包的数量。

所述周期性地对接收的数据流量进行实时统计具体可以为：周期性地统计接收的不同类型字节长度的数据包的数量。

根据统计结果调整最佳吞吐量具体可以为：根据不同类型字节长度的数据包的数量计算得到数据包组成比例，根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量。

所述流控决策单元M12与流控调整单元M11连接，用于根据所述最佳吞吐量通知发送端流控模块和接收端流控模块对发送端和接收端进行流控。

所述流控决策单元具体可以用于计算当前吞吐量，如果当前吞吐量大于最佳吞吐量，则向发送端流控模块M2发出减缓发送的指令，向接收端流控模块M3发出暂停接收的指令，向发送端流控模块发出加速发送的指令，向接收端流控模块发出恢复接收的指令。

当流控决策单元向发送端流控模块发出减缓发送的指令时，发送端流控模块可以通知发送端增加发送间隔时间；当流控决策单元向发送端流控模块发出加速发送的指令时，发送端流控模块可以通知发送端减少发送间隔时间。

图7给出了本发明一种以太网流控装置实施例三示意图，本实施例除了包括装置实施例一的结构特征外，所述装置还包括吞吐量测试模块M4，与实时监控流量模块M1连接，用于通过测试得到不同类型字节长度的数据包组成比例所对应的最佳吞吐量。

本实施例除了可以在装置实施例一的基础上进行上述扩展外，还可以在装置实施例二的基础上进行上述扩展。

本发明又提供了一种网络设备，图8给出了本发明一种网络设备实施例示意图，所述设备包括上述装置实施例一至装置实施例三所述的任一装置。

所述网络设备可以为交换机或路由器等网络通信设备。

下面给出本发明的一个较优实施例，以某公司的某款路由器为例对本发明技术方案进行说明。该路由器是一款带千兆以太网接口的网络产品，专门面向行业分支机构和大中型企业，提供的两个千兆以太网口能够提供281Kpps的转发速率。

首先在对这个路由器进行有效的流控之前需要对当前这个路由器在各种不同类型字节长度组合情况下的实际转发效率进行详细的测试。从长期的测试经验来看，当转发大于256字节的数据包时，其转发速率同大包即1518字节数据包的转发速率差别不大。所以在流控时，主要是要对64-256字节的数据包即小包所占总数据流量的比例进行统计，根据统计结果对路由器的吞吐量进行实时调整。通过吞吐量测试得到以下结果：

表1极限吞吐量测试表

64～256字节百分比	20％	50％	80％	100％
					实际极限吞吐量(max_speed)	690Mbps	469Mbps	215Mbps	143Mbps

从表1可以看出，当小包占总数据流量的比重越大，路由器的转发性能就越低，且当实际吞吐量达到实际极限吞度量时，由于大量的数据收发中断的产生，路由器的CPU资源被大量占用，可能导致***运行缓慢或者控制台挂起。针对上述转发性能的规律以及该款路由器表现出来的转发性能，进行最佳总吞吐量的测试，得出以下结果：

表2最佳吞吐量测试表

64～256字节百分比	20％	50％	80％	100％
					最佳吞吐量(limit_speed)	690Mbps	451Mbps	150Mbps	89Mbps

从表2也可以看出，当数据流中小包占的比重越大，为了保证路由器的正常运行，其最佳吞吐量的值对比实际极限吞吐量下降得越快，这也符合通常的路由器转发性能度量规律：小包数量越多，转发效率越低。那么当路由器的实际吞吐量在最佳吞吐量之下，CPU的资源占用合理，可以保证路由器稳定运行。

针对上述测试结果，实时监控流量模块可以根据最佳吞吐量进行自适应调整。通过对收发的数据包进行统计计算，得到小包百分比，即小包占所有数据包的百分比，并根据小包百分比对最佳吞度量limit_speed进行实时调整，做到自适应流控。在具体的实际应用中，针对不同的路由器测试时还可以根据具体的流控要求对表2进行细化，将64～256字节再细分成更多类型字节长度，以取得更好的控制效果。

有了对当前路由器的实际吞吐能力的详细了解和具体量化，实时监控流量模块就可以根据上面的测试结果进行吞吐量的控制，可以根据收发数据的不断变化实时调整流控上限，做到自适应的调整。例如可以以100ms(毫秒)为周期进行运行，在第一个周期，发送端流控模块记录下当前发送端的发送字节数：T1个字节；接收端流控模块记录下当前接收端的接收字节数：R1个字节。在下一个周期时，得到发送端的发送字节数：T2个字节；接收端的接收字节数：R2个字节。通过公式计算出发送端的速率：Tx_speed(Mbps)＝(T2-T1)*8/100ms，接收端的速率：Rx_speed(Mbps)＝(R2-R1)*8/100ms。

实时监控流量模块对当前点的收发数据进行分析，得到不同字节大小的的包数量，现在流行的通信处理器都有非常详细的硬件统计寄存器，只需要直接从寄存器读出该值即可，然后计算出所有端口上64～256字节数据的百分比＝64～256字节的收发包个数/总的收发包个数，然后根据最佳吞吐量测试结果表2，对最佳吞吐量limit_speed进行调整，接着计算当前吞吐量TRx_speed＝Tx_speed+Rx_speed，然后将TRx_speed与最佳吞吐量limit_speed进行比较：

如果TRx_speed小于等于limit_speed，则向发送端流控模块发出加速发送的指令，发送端流控模块接收到该指令后，做出减少发送间隔时间的操作，从而加快发送速率；同时也要向接收端流控模块发出恢复接收操作的指令。如果此时发送端已经处于最快发送状态，则接收加速发送的指令并进行相应操作是不会影响正常发送的，同理如果此时接收端已经处于接收状态，则接收恢复接收的指令并进行相应操作也是不会影响正常的接收的。

如果TRx_speed大于limit_speed，则向发送端流控模块发出减缓发送的指令，发送端流控模块接收到指令后，调整发送间隔时间，加大两次发送之间的时间，从而降低发送速率；同时也要向接收端流控模块发出暂停接收的指令。

由此构成的一个动态自适应的流控***可以有效的保障整个路由器在上联口的吞吐量保证在limit_speed流量以下。

图9给出了本发明一较优实施例示意图，仍以路由器为例，本实施例通过使用周期查询的方式，实时地向发送端和接收端发出流控指令，能够非常有效的控制整个路由器的总吞吐量，既保证路由器以尽可能大的吞度量工作，同时也保证了路由器的稳定运行。

本发明通过对以太端口接收和发送的数据量进行实时监控，并实时调整最佳吞吐量，从而对收发的数据流量进行流控，有效控制了***的总吞吐量，保证了***在尽可能大的吞吐量下稳定工作，从而防止在实际吞吐量大于***当前极限吞吐量时，由于频繁的数据收发中断造成***CPU资源的超时占用，特别是对字节长度较小数据包，由于其频繁的接收中断，极易引起CPU的中断死锁并且影响其他任务的运行甚至被挂起，最后造成***资源不足而引起的***缓慢或者崩溃的问题。

本发明为低成本，小规模的交换路由***提供了一个切实有效的以太网流控解决方案，避免了因为大流量的数据收发处理造成***资源不足，引起交换路由***缓慢或者崩溃的问题，同时本发明也可以做到对吞吐量上限的自适应调整，不会因为限流而带来整个路由器收发数据的能力下降，能够非常有效的保证路由器在大流量数据的压力下，始终运行在其最大的能力之内。特别适合对转发能力要求不高，但是对稳定性要求很高的交换路由***。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种以太网流控方法，其特征在于，所述方法包括：

周期性地对接收和发送的不同类型字节长度的数据包的数量进行实时统计；

根据不同类型字节长度的数据包的数量计算得到数据包组成比例，根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量，所述最佳吞吐量为通过测试得到不同类型字节长度的数据包组成比例所对应的最佳吞吐量；

根据所述最佳吞吐量对发送端和接收端进行流控。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述最佳吞吐量对发送端和接收端进行流控具体为：计算当前吞吐量，如果当前吞吐量大于最佳吞吐量，则通知发送端减缓发送，通知接收端暂停接收，否则通知发送端加速发送，通知接收端恢复接收。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通知发送端减缓发送具体为：通知发送端增加发送间隔时间；所述通知发送端加速发送具体为：通知发送端减少发送间隔时间。

4.一种以太网流控装置，其特征在于，所述装置包括实时监控流量模块、发送端流控模块、接收端流控模块和吞吐量测试模块；

所述实时监控流量模块用于根据不同类型字节长度的数据包的数量计算得到数据包组成比例，根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量，并根据所述最佳吞吐量通知发送端流控模块和接收端流控模块对发送端和接收端进行流控；

所述发送端流控模块与实时监控流量模块连接，用于周期性地对发送的不同类型字节长度的数据包的数量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块，以及根据实时监控流量模块的通知对发送端进行流控；

所述接收端流控模块与实时监控流量模块连接，用于周期性地对接收的不同类型字节长度的数据包的数量进行实时统计，并将统计结果通知实时监控流量模块，以及根据实时监控流量模块的通知对接收端进行流控；

所述吞吐量测试模块与实时监控流量模块连接，用于通过测试得到不同类型字节长度的数据包组成比例所对应的最佳吞吐量。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述实时监控流量模块包括流控调整单元和流控决策单元；

所述流控调整单元用于根据所述数据包组成比例来调整最佳吞吐量；

所述流控决策单元与流控调整单元连接，用于根据所述最佳吞吐量通知发送端流控模块和接收端流控模块对发送端和接收端进行流控。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述流控决策单元具体用于计算当前吞吐量，如果当前吞吐量大于最佳吞吐量，则向发送端流控模块发出减缓发送的指令，向接收端流控模块发出暂停接收的指令，如果当前吞吐量不大于最佳吞吐量，向发送端流控模块发出加速发送的指令，向接收端流控模块发出恢复接收的指令。

7.一种包括权利要求4-6任一所述装置的网络设备。

Images