[发明专利]一种基于FPGA队列实现QoS队列的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于FPGA队列实现QoS队列的方法和设备。

背景技术

在采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程阵列)作为核心完成高速报文转发的网络设备(路由器、防火墙等)中，将以前由CPU(Central Processing Unit，中央处理器)软件实现的报文转发、业务等处理下移到FPGA转发引擎上来实现。FPGA转发引擎能够快速处理报文，但难以支撑复杂业务，且FPGA资源较为有限。CPU将控制信息下发到FPGA，FPGA根据这些控制信息对报文进行转发和业务处理。

如图1所示，为现有技术中FPGA转发引擎数据平面控制平面的示意图。其中，具体的报文处理过程如下：

FPGA转发引擎收到报文(即图1中所示的步骤1)，如果该报文是首包，或者本机报文，或者根据控制平面的信息确定该报文是需要上送CPU的报文，则将该报文上送CPU(即图1中所示的步骤2)，CPU将处理后的报文下发到FPGA转发引擎的数据平面(即图1中所示的步骤3)，数据平面查询控制平面获取控制信息，并将统计信息等写回控制平面(即图1中所示的步骤7和8)，然后，数据平面将处理后的报文进行发送(即图1中所示的步骤4)。后续报文都会按照控制平面的控制信息进行处理。

为了适应复杂的网络环境，丰富的QoS(Quality of service，服务质量)功能是路由器等网络设备必不可少的特性。常用QoS技术包括：流分类、CAR(Committed Access Rate，约定访问速率)、GTS(Generic Traffic Shaping，通用流量整形)、LR(Line Rate，接口总速率限制)、拥塞管理等。

流分类：采用一定的规则识别符合某类特征的报文，它是对网络业务进行区分服务的前提和基础。

CAR：对进入或流出设备的特定流量进行监管。当流量超出设定值时，可以采取限制或惩罚措施，以保护网络资源不受损害。

GTS：一种主动调整流的输出速率的流量控制措施，用来使流量适配下游设备可供给的网络资源，避免不必要的报文丢弃。

LR：可以在一个接口上限制发送报文(包括紧急报文)的总速率。

拥塞管理：就是当拥塞发生时如何制定一个资源的调度策略，以决定报文转发的处理次序，如FIFO(First Input First Output，先入先出)、WFQ(Weighted Fair Queuing，加权公平队列)和CBQ(Class Based Queuing，基于类的队列)等。拥塞管理一般采用队列技术，使用队列算法对流量进行分类，之后用某种优先级别算法将这些流量发送出去。每种队列算法都用以解决特定的网络流量问题，并对带宽资源的分配、延迟、抖动等有着十分重要的影响。队列调度对不同优先级的报文进行分级处理，优先级高的会得到优先发送。

在上述QoS技术中，GTS、LR和拥塞管理(FIFO、WFQ和CBQ等)都可以基于队列实现，但又存在一些差异。

(1)GTS：对超出指定速率的流量进行入队缓存，当令牌桶有足够的令牌时，再均匀的向外发送这些被缓存的报文。其队列的可用带宽是固定的。

(2)LR：对接口上的所有报文进行流量控制。如果在设备的某个接口上配置了LR，所有从该接口发送的报文首先要经过LR的令牌桶进行处理。如果令牌桶中有足够的令牌，则报文可以发送；否则，报文将进入QoS队列进行拥塞管理。

(3)FIFO：按照时间到达的先后决定报文的转发次序，先进的先出，后进的后出，不需要进行流分类和队列调度，FIFO关心的只是队列的长度，队列的长度对延迟和丢包率有影响。

(4)WFQ：在公平队列的基础上增加了优先权，使高优先权的报文获得优先调度的机会多于低优先权的报文。WFQ能够按流的“会话”信息(协议类型、源和目的TCP或UDP端口号、源和目的IP地址、ToS域中的优先级等)自动进行流分类，并且尽可能多地提供队列，以将每个流均匀地放入不同队列中，从而在总体上均衡各个流的延迟。在出队的时候，WFQ按流的优先级来分配每个流应占有出口的带宽。优先级的数值越小，所得的带宽越少。优先级的数值越大，所得的带宽越多。