10G以太网帧发送速率控制机制分析

1、10G 以太网帧发送速率控制机制分析张治兵刘刚 周开波工业和信息化部通信计量中心助理工程师工业和信息化部通信计量中心高级工程师 工业和信息化部通信计量中心高级工程师 工业和信息化部通信计量中心高级工程师卿瑾1 10G 以太网帧发送速率控制机制概述10G 以太网（10G Ethernet，简称 10GE）接口在 IEEEStd 802.3aeTM- 2002（后文简称 802.3ae）标准中规范，规 范的主要内容是定义了 10GE 接口的物理层特性及架 构。传统的 10/100/1000M 以太网接口都是单通道结 构，而 10GE 接口是四通道（4 Lane）结构，这种特殊结构 使得 10GE

2、接口与传统的 10/100/1000M 以太网接口在 帧发送速率控制机制上有所区别。图 1 是 802.3ae 中定 义 的 10GE 帧的起始控制字 节 （Start）、 前 导 码（“10101010”）和帧起始定界符（“10101011”）在四通道 结构中的位置。图 1 10GE 接口起始控制字节、前导码和帧起始定界符在四通道结构中的位置在帧起始定界符之后是以太网帧，四通道结构实现 了以太网帧的高速率传输，同时也带来了一个问题 帧对齐 （Frame Alignment），即每一帧的起始控制字节 “Start”对齐到 Lane 0。使用图 1 的四通道结构传输帧长 不为 4 的整数倍（例如

3、 65 字节）的帧时，如果不采用其 他的措施，下一帧的“Start”字节必然不会对齐到 Lane 0MSTT July 201130Lane0Lane1Lane2Lane3Start10101010101010101010101010101010101010101010101010101011摘要：IEEE Std 802.3ae-2002 中提出了两种不同 的 10G 以太网帧发送速率控制机制：插入空闲比 特、维持 DIC（Deficit Idle Count）。本文通过建立 实验模型，测试两种控制机制下 10GE 接口的帧 发送速率，通过分析测试结果，总结出两种机制的 区别及其影响 10G

4、E 接口帧速率的规律。 关键词：10G 以太网，帧发送速率，DICAbstract：In IEEE Std 802.3ae-2002, two mecha nisms are proposed to control the frame transmis sion speed of 10G Ethernet: insert additional idle characters and maintain a Deficit Idle Count (DIC).In this theme, a model was built to test the frame transmit speed of 10

5、GE interface under the two control mechanisms respectively. By testing and analysis, the difference of two mechanisms and theireffects to 10GE frame transmission speed are concluded.Key words: 10G Ethernet, frame transmission speed, Deficit Idle CountM ODERN SCIENCE & TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATION

6、S现代电信科技上。为了解决这个问题，802.3ae 标准中定义了如下两种帧发送控制机制 （两种控制机制的定义和描述 均来自作者对 802.3ae 标准中相关内容的翻译）。机制 1：插入空闲比特在这种机制下 10GE 接口的速率可能会受到增 加的空闲比特影响而降低。机制 2：维持 Deficit Idle Coun（t DIC）DIC 指的是 10GE 接口在发包过程中累计插入 或删除的空闲字节数，若插入空闲字节则 DIC 减 少，若删除空闲字节则 DIC 增加。通过维持 DIC 的 值在 0 至 3 之间来决定插入或删除相应的空闲字 节。在这种机制下 10GE 接口发送速率不会受到影 响。表

7、1两种不同控制机制下 10GE 接口帧发送速率测试结果2 10GE 接口速率测试实验为了测试 10GE 接口的帧发送速率，我们建立了如图 2 所示的测试环境。其中网络性能测试仪表 的 P1 接口是 10GE 接口，单位是帧 / 秒（Frame per Second，简称 FPS）。3 测试结果分析下 面 结 合 802.3ae 标 准 对 两种控制机制下 10 GE 帧发送速率的测试结果进行分析。以太网帧发送速率遵循公式（1）。图 2测试环境分别配置网络性能测试仪 10GE 接口发送帧的控制机制为插入空闲比特和维持 DIC，协议分析仪 依次测试帧长为 64- 72 字节、1 508- 1 51

8、8 字节时10GE 接口的线速发送速率，结果见表 1。通过表 1 可以看到在机制 2 下 10GE 接口的帧 速率与理论帧速率非常接近，只是由于网络性能测 试仪自身精度的原因，导致与理论速率有一点偏差。802.3ae 中规定 10GE 的传输速率偏移率应不高 于100 ppm，计算可知实验中机制 2 下的帧速率是 落在标准规定的正常范围内。机制 1 下的 10GE 接 口发送速率则与理论速率差别较大，其变化规律是 是每四个连续字节维持在一个值，然后跳变到另一 个值；并且当测试帧长为 4 的整数倍时测试速率与 理论速率非常接近。10 000 000 000（1）FPS =(8 + FrameSi

9、ze + IFG) 8其中 FrameSize 为帧长；IFG 为帧间隙。当 IFG 等于 12 时，以太网接口的帧速率达到理 论的最大值，第 2 节表 1 中的理论帧速率就是取 IFG=12 字节时计算得出的。以帧长为 65 字节的 10GE 帧为例进行分析，机 制 1 和机制 2 下前 2 个 10GE 帧的帧结构示如图 3 所示。从图 3(a)可以看出，机制 1 处理每一个 10 GE 帧时，IFG 总会在默认的 12 字节 IFG 之前加 3 个字 节的空闲 IFG，以确保引导码中的“Start”字节与 Lane0 对齐。由此我们得知帧长为 65 字节时，机制 12 0 1 1 年 7

10、 月第 7 期 现代电信科技31tFPi vJ4n 测试帧长（字节）理论帧发送速率（FPS）机制 1 下帧发送 速率（FPS）机制 2 下帧发送 速率（FPS）641 4 880 9521 4 881 01 41 4 881 01 4651 4 705 8821 4 204 6071 4 705 951661 4 534 8841 4 204 6071 4 534 952671 4 367 81 61 4 204 6071 4 367 883681 4 204 5451 4 204 6071 4 204 61 1691 4 044 9441 3 587 01 71 4 045 008701 3

11、 888 8891 3 587 01 71 3 888 953711 3 736 2641 3 587 01 71 3 736 326721 3 586 9571 3 587 01 71 3 587 01 71 50881 8 06381 8 06981 8 0691 50981 7 52881 5 93381 75341 51 081 6 99381 5 93381 6 9991 51 181 6 46081 5 93381 6 4661 51 281 5 92781 5 93381 5 9331 51 381 5 39581 3 80881 5 4011 51 481 4 86381 3

12、80881 4 8691 51 581 4 33281 3 80881 4 3381 51 681 3 80281 3 80881 3 8081 51 781 3 27381 1 69481 3 2791 51 881 2 74481 1 69481 2 750C TTL Te s t泰尔测试处理 10GE 帧的 IFG 为 15字节，而不是理论上的 12 字节，导致了机制 1 下帧长 为 65 字节时，发送速率小 于理论帧速率。再看图 3 (b) 中机制 2 处理 10GE 帧的过程。 机 制 2 对第一帧的处理与机 制 1 一样，在默认的 IFG 之 前增加了 3 个字节的 IFG， 以保

13、证“Start”字节与 Lane0 对齐。但是，机制 2 从第二 帧起处理方式与机制 1 有 所不同。处理完第一帧后， DIC 设为 3，为了降低 DIC，第二帧中减少了 4 个字节的 IFG，IFG 降为 11 字 节，同时 DIC 降为 2。同样，在第三帧和第四帧中 IFG 也降为 11 字节，到第四帧时 DIC 就降为 0 了。 前四帧中 IFG 分别为：15 字节、11 字节、11 字节、11 字节，其平均值为 12 字节，保证了机制 2 处理 10GE 帧与理论的帧发送速率基本一致。通过进一步分析，两种机制下帧长与每四帧的IFG 变化规律总结如表 2 所示。表 2 直观的显示了两种机

14、制处理 10GE 帧的区 别。机制 1 处理相同帧长的 10GE 帧时，IFG 的取值 是 12、13、14、15 字节中的一个，是固定不变的，这就 导致了帧长不是 4 的整数倍时，使用机制 1 发送10GE 帧时达不到理论的最大帧速率；而机制 2 处理 相同帧长的 10GE 帧时，IFG 的取值是有变化的，但 是每四帧的 IFG 平均值是 12 字节。这样保证了在使 用机制 2 发送 10GE 帧时，无论帧长是否为 4 的整 数倍，都可以使 IFG 平均为 12 字节，从而确保10GE 接口可以达到理论的最大帧速率。图 3 机制 1 和机制 2 处理帧的区别表 2 两种机制下每四帧的 IFG

15、 变化规律表结果及其产生原因进行了分析。两种控制机制下10GE 接口发送帧的帧间隙（IFG）及速率的变化规 律为：当帧长不变时，采用“插入空闲比特”机制处理10GE 帧，IFG 是恒定不变的，同时 10GE 接口的帧 发送速率是随着帧长变化 4 字节跳变一次，在帧长 不为 4 的整数倍时，帧发送速率小于理论速率；采用 “维持 DIC”机制发送 10GE 帧时，IFG 是不断变化 的，维持 DIC 不断接近 0，确保 IFG 平均为 12 字节， 帧发送速率与理论速率基本一致。根据分析得到的结论：在测试具备 10GE 接口 设备的吞吐量性能时，如果测试帧长不是 4 的整数 倍（例如帧长为 1 518 字节），但需要验证被测设备 的吞吐量能否达到线速，那么测试仪表和被测设备 的 10GE 接口对以太网帧的控制机制须设置为“维4 总结和启示本文根据 802.3ae 规范的两种帧发送控制机制，对 10GE 帧发送速率