流控机制的解析

流控是以太网的一项基本功能，可以防止在端口拥塞的情况下出现丢帧。在深入分析之前，先看一个简单的应用场景:

端口A和B接收报文，端口C向外转发报文。如果端口A和B的收包速率之和大于端口C的带宽，那么部分报文就会缓存在设备内部的报文buffer中。当buffer的占用率达到一定程度时，端口A和B就会向外发送PAUSE帧，通知对端暂停发送一段时间。PAUSE帧只能阻止对端发送普通的数据帧，不能阻止发送MAC控制帧。

以上的描述有个先决条件，那就是端口A和B工作在全双工模式下，并且使能了流控功能。另一方面，我们也一厢情愿地认为对端可以识别PAUSE帧，并可以做出适当的响应。换句话说，对端的端口也要开启流控功能。

需要注意的是，有的以太网设备只能对PAUSE帧做出响应，但是并不能发送PAUSE帧。

流控的基本原理不难理解，比较容易忽视的一点是――端口收到PAUSE帧之后，停止发送报文多长时间？其实，PAUSE帧中携带了时间参数。收到PAUSE帧的设备通过简单的解析，就可以确定停止发送的时长。对端设备出现拥塞的通常情况下，本端端口通常会连续收到多个PAUSE帧。只要对端设备的拥塞状态没有解除，相关的端口就会一直发送PAUSE。

PAUSE帧的结构

PAUSE帧的帧长为64字节，结构非常简单。如下所示：

6字节	目的MAC
6字节	源MAC
2字节	Length/Type
2字节	MAC Control Opcode
	MAC Control Parameters
	保留域
4字节	FCS

PAUSE帧的目的MAC地址是保留的MAC地址0180-C200-0001，源MAC则是发送PAUSE帧的设备的MAC地址。

Length/Type域是十六进制数8808。

MAC Control Opcode域的值是0x0001。其实，PAUSE帧是MAC控制帧的一种，其他类型的MAC控制帧使用不同的opcode值，此处不做详细说明。后面会谈到和PAUSE类似的PFC帧，PFC帧中该域的取值是0x0101。

MAC Control Parameters域需要根据MAC Control Opcode的类型来解析。对于PAUSE帧而言，该域是个2字节的无符号数，取值范围是0~65535。该域的时间单位是pause_quanta，每个pause_quanta相当于512比特时间。

流控的自协商

现实中，大多数厂商的以太网交换机都有流控开关命令。部分厂商的设备可以在自协商功能中对流控进行协商，这种行为有IEEE标准作为依据。

在自协商的信息中，有两个流控的比特位，即PAUSE和ASM_DIR，分别表示Symmetric PAUSE和Asymmetric PAUSE。Symmetric PAUSE表示既可以发送又可以接收PAUSE帧，而Asymmetric PAUSE表示只能发送或只能接收PAUSE帧。

IEEE 802.3标准的28B.3中，描述了这两个比特位的解析方式。简单来讲，如果双方发送的协商信息中PAUSE位都是1，那么双方都能发送和接收PAUSE帧。如果有一方的PAUSE位是0，那么就需要根据ASM_DIR位的值结合PAUSE位的值来具体分析。

半双工模式如何实现流控？

在本文开头儿的地方说过，端口A和B要工作在全双工模式下，这是有原因的。如果端口工作在半双工模式下，那么PAUSE帧很可能和对端发送过来的报文产生冲突，对端收不到完好的PAUSE帧，也就无法实现PAUSE的功能。

对于半双工模式的问题，业界常见的解决方式是“back pressure”或者“jamming”机制。对于这两种机制，笔者都没有找到相应的标准，或许本来指的就是同一种机制。半双工模式下，端口向外发送一些信号来占用链路，对端也就没有机会发送报文。这样，可以间接达到和流控类似的效果。

基于优先级的流控（PFC）

以太网的数据转发是尽力而为的，并不能保证传输过程中不丢包。像FTP这样的上层协议，通过自身的确认机制来保证数据的完整性，一旦发现报文丢失，可以要求对端重传。正因为如此，以太网的这种尽力而为的转发方式，长期以来也没有遇到过太大的问题。

IEEE 802.3x流控虽然可以预防丢包，但是有一个不容忽视的问题。PAUSE帧会导致一条链路上的所有报文停止发送，在服务质量要求较高的网络中，这显然是不能接受的。由于这个原因，业界一度出现过对流控的反对声音。IEEE 802.1Qbb标准解决了这个问题。

IEEE 802.1Qbb的核心思想是，针对同一链路上不同优先级的流量，单独发送PASUSE帧。当某一优先级的业务发生拥塞时，只让该类报文暂停发送，而其他类型的业务不受影响。IEEE 802.1Qbb可以针对特定优先级的流量实现流控功能，因此也被称为PFC（Priority-based Flow Control）。

FCoE技术将Fiber Channel的数据帧封装在以太网帧中进行传输，FCoE的一个基本要求就是不能丢包。PFC成功地满足了FCoE的需求，同时也不会对其他业务造成影响。

2013.12.26 晚

本文出自 “网络工房” 博客，转载请与作者联系！