仮想出力キューの理解

このトピックでは、VOQアーキテクチャと、設定可能なサービスクラス(CoS)コンポーネントでどのように動作するかを紹介します。

サポートされているプラットフォームでは、Junos ハードウェア CoS 機能は、入力の仮想出力キューを使用して、各出力キューのトラフィックをバッファリングし、キューに入れます。ほとんどのプラットフォームでは、出力ポート(物理インターフェイス)ごとに最大8個のエグレス出力キューをサポートしています。

ルーターを介してトラフィックを転送する従来の方法は、イングレス トラフィックをイングレス インターフェイス上の入力キューにバッファリングし、ファブリックを介してトラフィックをエグレス インターフェイスの出力キューに転送し、トラフィックをネクスト ホップに送信する前に出力キューで再度トラフィックをバッファリングするというものでした。従来の方法では、異なる出力ポート宛てのトラフィックを同じ入力キュー(バッファ)に格納していました。

輻輳時には、ルーターがエグレスポートでパケットをドロップすることがあるため、ルーターはスイッチファブリックを介してトラフィックをエグレスポートに転送するためにリソースを消費し、そのトラフィックを転送せずにドロップするだけになる可能性があります。また、入力キューには異なるエグレス ポート宛てのトラフィックが格納されるため、あるイグレス ポートの輻輳が別のイグレス ポートのトラフィックに影響する可能性があり、この状態は HOLB(ヘッドオブライン ブロッキング)と呼ばれます。

VOQアーキテクチャは、異なるアプローチをとっています。

• Junosデバイスは、入力キューと出力キュー用に個別の物理バッファーを使用する代わりに、各パケット転送エンジン(PFE)のイングレスパイプライン上の物理バッファーを使用して、すべてのエグレスポートのトラフィックを保存します。エグレス ポート上のすべての出力キューには、ルーター上のすべての PFE 上のすべてのイングレス パイプライン上にバッファー ストレージ領域があります。イングレスパイプラインのストレージ領域と出力キューのマッピングは 1 対 1 であるため、各出力キューは各イングレスパイプラインでバッファ領域を受け取ります。

• 複数の異なる出力キュー宛てのトラフィックを含む1つの入力キュー(1対多マッピング)の代わりに、各出力キューには、その出力キュー専用の各PFE上の入力バッファーで構成される専用のVOQがあります(1対1マッピング)。このアーキテクチャは、2 つのポート間の通信が他のポートに影響を与えることを防止します。

• VOQは、転送できるようになるまで物理出力キューにトラフィックを保存するのではなく、出力ポートにトラフィックを転送するリソースがあるまで、ファブリックを介して入力ポートから出力ポートにトラフィックを送信しません。VOQ は、1 つの出力ポート上の 1 つの出力キュー宛てのトラフィックを受信して保存する入力キュー(バッファ)の集合です。各出力ポートの各出力キューには、その出力キューにトラフィックを送信するすべての入力キューで構成される独自の専用 VOQ があります。

VOQ は、1 つの出力ポート上の 1 つの出力キュー宛てのトラフィックを受信して保存する入力キュー(バッファ)の集合です。各出力ポートの各出力キューには、その出力キューにトラフィックを送信するすべての入力キューで構成される独自の専用 VOQ があります。

• VOQアーキテクチャ
• ラウンドトリップタイムバッファリング
• VOQの利点
• VOQはCoSの設定方法を変更しますか。

VOQはCoSの設定方法を変更しますか。

CoS 機能の設定方法に変更はありません。 図1 は、Junoś CoSコンポーネントとVOQの選択を示し、それらが相互作用するシーケンスを示しています。

図 1:VOQがあるCoSコンポーネントを経由するパケットフロー

VOQ 選択プロセスは、設定に応じて BA(動作集約)分類子またはマルチフィールド分類子のいずれかを使用する ASIC によって実行され、出力ポートの 8 つの可能な VOQ のいずれかを選択します。CoS設定に基づくエグレスポートのイングレスバッファデータ上のVOQ。

CoS 機能は変更されませんが、VOQ には運用上の違いがいくつかあります。

• ランダム早期検出(RED)は、侵入 PFE で発生します。エグレス出力キューイングのみをサポートするデバイスでは、エグレスでREDおよび関連する輻輳ドロップが発生します。イングレスでREDを実行すると、貴重なリソースが節約され、ルーターのパフォーマンスが向上します。

  RED は VOQ を使用した入力で発生しますが、ドロップ プロファイルの設定方法に変更はありません。

• ファブリックのスケジューリングは、リクエストおよびグラント制御メッセージによって制御されます。パケットは、受信する準備ができていることを示す許可メッセージをegress PFEがingress PFEに送信するまで、ingress VOQにバッファリングされます。ファブリックのスケジューリングの詳細については、 PTXシリーズルーターのファブリックスケジューリングと仮想出力キューを参照してください。

このトピックでは、サポートされている Junos デバイスで VOQ プロセスがどのように機能するかについて説明します。

• VOQプロセスのコンポーネントを理解する
• VOQプロセスを理解する

VOQプロセスのコンポーネントを理解する

図 2 は、VOQ プロセスに関与する Junos デバイスのハードウェア コンポーネントを示しています。

図 2:Junos デバイス の VOQ コンポーネント

これらのコンポーネントは、次の機能を実行します。

• Physical Interface Card (PIC)—さまざまなネットワーク メディア タイプへの物理的な接続を提供し、ネットワークからの受信パケットの受信とネットワークへの発信パケットの送信を行います。

• Flexible PIC Concentrator (FPC)—インストールされたPICを他のパケットトランスポートルーターコンポーネントに接続します。

• Packet Forwarding Engine (PFE)—L2 および L3 パケットのスイッチングと、カプセル化とカプセル化解除を提供します。また、PFE は、転送、ルート検索機能も提供し、パケット バッファリングと通知のキューイングを管理します。PFEは、FPCにインストールされたPICから受信パケットを受信し、デバイスプレーンを介してパケットを適切な宛先ポートに転送します。

• Output queues—(図示せず)これらの出力キューは、CoS スケジューラ設定によって制御され、デバイス ファブリックに送信するための出力キュー内のトラフィックの処理方法を確立します。さらに、これらの出力キューは、パケットがイングレスの VOQ からエグレス出力キューに送信されるタイミングを制御します。

VOQプロセスを理解する

出力キューは、CoS スケジューラ設定によって制御され、ファブリックに送信する出力キュー内のトラフィックを処理する方法を確立します。さらに、これらの出力キューは、パケットがイングレスの VOQ からエグレス出力キューに送信されるタイミングを制御します。

VOQアーキテクチャは、すべてのegress出力キューに対して、すべてのingress PFEに 仮想 キューを提供します。これらのキューは、ラインカードに実際にパケットがエンキューイング されている場合にのみ、 キューが物理的にイングレス PFE に存在するため、仮想と呼ばれます。

図 3 は、PFE0、PFE1、PFE2 の 3 つのイングレス PFE を示しています。各イングレスPFEは、単一のエグレスポート0に対して最大8つのVOQ(PFEn.e0.q0〜PFEn.e0.q7)を提供します。エグレスPFE(PFEn)は、ラウンドロビン方式で各イングレスVOQに帯域幅を分配します。

例えば、出力PFE nのVOQ e0.q0には、10 Gbpsの帯域幅が利用できます。PFE 0 は e0.qo まで 10 Gbps の負荷を提供し、PFE1 と PFE2 は e0.q0 まで 1 Gbps の負荷を提供します。その結果、PFE1とPFE2はトラフィックの100%を通過しますが、PFE0はトラフィックの80%しか通過できません。

図 3: 仮想出力キュー

図 4 は、出力出力キューと入力仮想出力キューの相関関係の例を示しています。エグレス側では、PFE-Xには100Gbpsポートがあり、4つの異なる転送クラスで設定されています。その結果、PFE-X の 100 Gbps エグレス出力ポートは、利用可能な 8 つのエグレス出力キューのうち 4 つを使用し(PFE-X のオレンジ色の破線で強調表示された 4 つのキューで示されます)、VOQ アーキテクチャは各イングレス PFE に 4 つの対応する仮想出力キューを提供します(オレンジ色の破線で強調表示された PFE-A および PFE-B の 4 つの仮想キューで示されます)。PFE-AおよびPFE-Bの仮想キューは、送信されるトラフィックがある場合にのみ存在します。

図4:VOQの例

このトピックでは、VOQを使用するJunosデバイスでのファブリックスケジューリングプロセスについて説明します。

VOQは、リクエストおよび許可メッセージを使用して、Junosデバイス上のファブリックスケジューリングを制御します。エグレスパケット転送エンジンは、リクエストおよび許可メッセージを使用して、イングレスVOQからのデータ配信を制御します。仮想キューは、イングレスパケット転送エンジンに許可メッセージを送信して、エグレスパケット転送エンジンがパケットを受信する準備ができていることを確認するまで、イングレスでパケットをバッファリングします。

図 5:ファブリックのスケジューリングとVOQプロセス

図 5 は、VOQ を持つ Junos デバイスで使用されるファブリック スケジューリング プロセスを示しています。パケットがイングレス ポートに到着すると、イングレス パイプラインは、宛先出力キューに関連付けられたイングレス キューにパケットを格納します。ルータは、パケット ルックアップを実行した後にバッファリングを決定します。パケットが最大トラフィックしきい値を超えた転送クラスに属している場合、パケットはバッファリングされず、ドロップされる可能性があります。スケジューリング プロセスは次のように機能します。

1. イングレスパケット転送エンジンは、パケットを受信して仮想キューにバッファリングし、同じエグレスインターフェイスとデータ出力キュー宛ての他のパケットとパケットをグループ化します。

2. イングレスラインカードのパケット転送エンジンは、パケットグループへの参照を含むリクエストを、ファブリックを介してエグレスパケット転送エンジンに送信します。

3. 利用可能なエグレス帯域幅がある場合、エグレスラインカード許可スケジューラは、イングレスラインカードパケット転送エンジンに帯域幅許可を送信することで応答します。.

4. イングレスラインカードのパケット転送エンジンがエグレスラインカードのパケット転送エンジンから許可を受信すると、イングレスパケット転送エンジンはパケットグループをセグメント化し、ファブリック上のすべてのピースをエグレスパケット転送エンジンに送信します。

5. エグレス パケット転送エンジンはピースを受信し、ピースをパケット グループに再構成して、個々のパケットを VOQ に対応するデータ出力キューにキューに入れます。

入力パケットは、出力キューがさらなるトラフィックを受け入れて転送する準備が整うまで、入力ポート入力キューの VOQ に残ります。

ほとんどの条件下では、ファブリックはエグレスCoSポリシーに対して透過的になるのに十分な速度です。したがって、イングレスパイプラインからファブリックを経由してエグレスポートにトラフィックを転送するプロセスは、トラフィックに対して設定されたCoSポリシーに影響を与えません。ファブリックがCoSポリシーに影響するのは、ファブリックに障害が発生した場合またはポートの公平性に問題がある場合のみです。

パケットが同じパケット転送エンジン(ローカルスイッチング)を出入りする場合、パケットはファブリックを通過しません。しかし、ルーターは、ファブリックを通過するパケットと同じリクエストおよび許可メカニズムを使用してエグレス帯域幅を受信するため、ローカルでルーティングされたパケットとファブリックを通過した後にパケット転送エンジンに到着するパケットは、トラフィックが同じ出力キューをめぐって競合している場合に公平に扱われます。

このトピックでは、Junos デバイスの VOQ で使用されるパケット転送エンジン公平性スキームについて説明します。

パケット転送エンジンの公平性とは、すべてのパケット転送エンジンがエグレスの観点から平等に扱われることを意味します。複数のエグレス パケット転送エンジンが同じ VOQ からデータを送信する必要がある場合、パケット転送エンジンはラウンドロビン方式でサービスされます。VOQ の 処理は、 各送信元パケット転送エンジンに存在する負荷に依存しません。

図6は、3つのパケット転送エンジンを使用した簡単な例で、VOQで使用されるパケット転送エンジン公平性スキームを示しています。イングレスPFE-Aには、PFE-CのVOQxを宛先とする10 Gbpsデータの単一ストリームがあります。PFE-Bには、PFE-CのVOQx宛ての100 Gbpsデータの単一ストリームもあります。PFE-C では、VOQx は 100 Gbps インターフェイスによってサービスされ、それがそのインターフェイス上の唯一のアクティブな VOQ です。

図6:VOQプロセスによるパケット転送エンジン公平性

図6では、100Gbpsの出力インターフェイス宛てに合計110Gbpsのソースデータがあります。その結果、10Gbpsのデータをドロップする必要があります。ドロップはどこで発生し、このドロップはPFE-AとPFE-Bのトラフィックにどのように影響しますか?

PFE-A と PFE-B は、エグレス PFE-C によってラウンドロビン方式でサービスされるため、PFE-A からの 10 Gbps のトラフィックはすべてエグレス出力ポートに到達します。ただし、PFE-B では 10 Gbps のデータがドロップされるため、PFE-B から PFE-C に送信されるデータは 90 Gbps のみです。つまり、10 Gbps ストリームのドロップは 0% で、100 Gbps ストリームのドロップは 10% しかありません。

しかし、PFE-AとPFE-Bがそれぞれ100Gbpsのデータを調達していた場合、それぞれ50Gbpsのデータをドロップすることになります。これは、エグレスPFE-Cが、ラウンドロビンアルゴリズムを使用して、イングレス仮想キューのサービスとドレインレートを実際に制御しているためです。ラウンドロビンアルゴリズムでは、複数のソースが存在する場合、より高い帯域幅のソースは常にペナルティを受けます。このアルゴリズムは、2 つのソースの帯域幅を等しくしようとします。ただし、遅いソースの帯域幅を上げることはできないため、高いソースの帯域幅をドロップします。ラウンドロビンアルゴリズムは、ソースのエグレス帯域幅が等しくなるまで、このシーケンスを続けます。

各イングレス パケット転送エンジンは、1 つのエグレス ポートに最大 8 つの VOQ を提供します。エグレス パケット転送エンジンは、各イングレス VOQ に帯域幅を分散します。したがって、VOQは、提示された負荷に関係なく、同等の扱いを受けます。キューのドレイン速度は、キューがドレインされる速度です。エグレスパケット転送エンジンは、各出力キューの帯域幅をイングレスパケット転送エンジン間で均等に分割します。つまり、各イングレスのドレインレートパケット転送エンジン=出力キューのドレインレート/イングレスパケット転送エンジンの数となります。

インターフェイスで VOQ キュー深さモニタリングを有効にするには、まずモニタリング プロファイルを作成し、そのプロファイルをインターフェイスにアタッチします。アグリゲート イーサネット(ae-)インターフェイスに監視プロファイルを付加した場合、ae- インターフェイスに付加された監視プロファイルに shared オプションも適用しない限り、各メンバー インタフェースには専用のハードウェア VOQ モニタがそれぞれ存在します。

モニタリング プロファイルは、各インターフェイスで VOQ(仮想出力キュー)の深さを個別に報告します。ただし、システム上のハードウェア・モニター・プロファイル ID の数が限られている場合、このプロセスでは、大規模システムでサポートされるハードウェア・モニター・プロファイル ID の最大数をすぐに消費する可能性があります。デフォルトでは、インターフェイスに割り当てたモニタリング プロファイルは、インターフェイスのすべてのメンバーに ae- 複製されます。したがって、監視プロファイル ID を保存するには、[set class-of-service interfaces ae-interface monitoring-profile profile-name] 階層レベルに shared オプションを含めます。設定された shared オプションは、すべてのメンバー インターフェイスで共有する監視プロファイル ID を 1 つだけ作成します。また、オプションは、メンバー インターフェイス上の最大のピークを ae- インターフェイスの共通ピークとして報告します。

各監視プロファイルは、1 つ以上のエクスポート フィルターで構成されます。エクスポート フィルターは、物理インターフェイス上の 1 つ以上のキューのピーク キュー長の割合のしきい値を定義します。エクスポート フィルター内のいずれかのキューで定義されたピーク キュー長の割合のしきい値に達すると、Junos はエクスポート フィルター内のすべてのキューの VOQ テレメトリ データをエクスポートします。