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BCM 芯片的QoS系统的设计与实现探究

  引言
  QoS 是Quality of Service 的缩写, 译为中文则为服务质量,它是针对传统的网络中的Best Effort 服务而提出的一种新的网络服务控制技术。在传统的网络通信之中,数据包IP的传输标准是迅速。因此,往往在实时性以及准确性上存在问题。在现代网络越来越发达的条件下,传统的网络通讯服务标准已经不适用了。因此,QoS 系统产生了,并被予以厚望。为了满足新的网络要求,在BCM 芯片设计与实现方面采用QoS 系统进行控制是一个重要的研究课题。
  1 基于BCM 芯片的QoS 系统的设计
  1.1 BCM 芯片
  BCM 芯片在各个路由器、交换机中被广泛的应用,目前的BCM 芯片的型号多样,本文将以BCM5645为例,对BCM 芯片的QoS 系统的设计进行分析。BCM5645 不仅具有二层交换能力还具有三层交换能力。BCM5645 的交换引擎连接外部CPU 的连接线型号一般使用33MHz PCI 型号。这一连接线的服务优势是可以以一种直接存储的方式将交换引擎与外部CPU 的高速数据包进行控制交换。同时,在片内高速数据缓冲池中设有内部存储器进行包缓存, 这一技术的提供者是交换引擎。BCM5645 支持的太网接口型号多样,囊括24 个全双工10/100Mbps, 并将其设为3 组接口模块。但这并不是它的全部,它还支持2 个全双工千兆以太网接口;支持FFP(Fast FilterProcessor),中文译为快速过滤机制;支持分类服务和流量控制。其协议组成为:IEEE 802.1q(VLAN)协议、IEEE 802.1s协议(生成树协议)、IEEE 802.1d 协议、IEEE 802.1p 协议。
  1.2 BCM 芯片数据处理流程
  以BCM5645 芯片为例,BCM 芯片的基本数据处理流程。
  在BCM 芯片数据处理流程之中, 最为关键的处理步骤就是逻辑内的处理。逻辑内的处理决定了数据流的处理方式。主要的数据流处理方式为三种,即复制、转发或丢弃。数据包的调度与缓存则由内存管理单元进行。数据包有内存管理单元到相应的数据接口,这一过程中主要是出口逻辑在起作用。出口逻辑对数据包的处理具有一定的复杂性, 涉及到多层选路以及QoS 参数控制。主要的处理顺序为,当以太帧到达时,依据目的MAC 地址进行二层选路, 在出口无法找到的状态下进行三层选路, 注意依据三层目的IP 进行。接下来通过FFP 处理利用QoS 参数控制数据流。数据流处理的主要流程如下。见表1。
  2 基于BCM 芯片的QoS 系统的实现
  三层以太网交换机是基于工程实践的要求以及BCM 芯片的技术支持所研发的一种新的交换机形式。在QoS 系统的应用下,实现了流量测量及监管、防火墙过滤功能、基于优先级的排队机制、隧道功能、业务流分类、灵活可变的QoS 映射策略、多种队列调度方式等多种功能[6]。FFP 技术是以上所有功能的技术支撑, 而QoS 系统的实现是建立在对多种定制过滤器的基础上的。
  2.1 FILTER 创建
  进行FILTER 创建时,针对基本的框架以及内容应依据实际需要进行,主要可通过裁剪的方式将其基本内容创建成功。涉及到更加详细的内容时, 则需要对特定型号的芯片手册进行详细的了解以及参考。主要可划分为六个步骤:
  ①要对需要过滤的数据包进行掩码与特征值的指定工作。特征值的具体内容包括:目的地址、协议类型、目的端口号、源地址等。对特征值的内容进行选择时,需要结合相关情况以及实际需要。
  ②对指定匹配规则的数据包进行数据处理, 一般采用转发的处理方式。
  ③为了对数据流进行流量统计需要创建一个计量器,在实际操作中,这一步骤的重要性不大,通常可以省略。
  ④接着上一步骤中的数据流量的计量工作进行的, 即对计量流量进行一定程度的限制,如果上一步省略,则这一步也可省略。
  ⑤对超出计量器流量门限的数据流的转发行为进行选择,同样如果不采用第四步,这一步骤可以省略。
  ⑥在硬件处理表中加载filter,filter 将开始发挥作用。每一步骤使用到的函数如下。
  2.2 验证实验
  2.2.1 验证环境
  数据源采用PC 机以及AX4000 测试仪。通常三层以太网交换机的接口设置为3 个,出口1 个,入口两个。两个接口分别接入PC 机与AX4000 测试仪所发送的数据流。同时从一个接口流出。对于数据流的发送规格,两个数据源是不同的。PC 机上使用发包工具发送80Mbps 数据流,AX4000 测试仪发送100Mbps 数据流。
  2.2.2 验证实验
  对数据流的优先级调度进行实验测试, 将目的地址(192.168.3.1)、源地址(192.168.2.1)、协议类型(1)相关指标下的数据流进行调度,第一时间将其放入调度队列中,这是对于第一个过滤器的设置。对于第二个过滤器,数据流的源地址变为192.168.2.1,目的地址也相应的改变为192.168.3.1,协议类型采取172. 将这一类型的数据流放入优先级为1 的调度队列。经过测试可以得出结果当两种数据流的优先级相同时,在队列调度中,对两者的处理顺序是采取的轮流顺序,同时对数据流2 进行流量变化的监测。测试不同优先级对数据流的影响。在这一实验中需要创建两个过滤器。第一个即是依据协议类型为1, 目的地址为192.168.3.1,源地址为192.168.1.1 的数据流进行队列调度。将其放入优先级为2 的调度队列中。在过滤器2 中主要处理源地址为192.168.2.1、协议类型为172、目的地址为192.168.3.1的数据流, 将其放入优先级为1 的调度队列中。在这次实验中,可以得出结果:调度队列会优先处理高优先级的数据流。同时另一个数据流遭受丢包的机率将会大大的增加。对数据流流量的管理与监测工作进行检测。同样设置两个过滤器。第一个过滤器的数据流类型为:
  ①目的地址:192.168.3.1。
  ②源地址:192.168.2.1。
  ③协议类型:172。
  数据流量为100Mbps,如果超出这一流量标准则直接丢弃。第二个过滤器的数据流量类型为:
  ①目的地址:192.168.3.1。
  ②源地址:192.168.2.1。
  ③协议类型:172。
  数据流量为50Mbps,如果超出这一流量标准则直接丢弃。对数据流2 的限制顺序应遵循由大到小依次递减,然后又由小到大依次递增的原则,主要的流量控制点的数值为100、50、30、20、10,单位统一为Mbps。在这一实验中可以得出结论:数据流量的监管具有有效性。
  3 结束语
  QoS 系统打破了传统的网络通信中存在的问题, 依据其自身的服务质量的优势,在目前多形态、复杂化、扩大化的网络发展形势下,发挥了重要的作用,在BCM 芯片的应用中,尤其是本文引以为例的三层以太网交换机的BCM 芯片设计与实现中具有十分重要的作用, 采用优先级的形式对数据流量进行处理,有效的控制了数据流,加大了数据流的监管力度,提高了网络服务的服务质量。