PCIe体系结构导读--第9章 流量控制

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 (2011-03-10 09:26:42)

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流量控制(Flow Control)的概念起源于网络通信。一个复杂的网络系统由各类设备(如交换机，路由器，核心网)，与这些设备之间的连接通路组成。从数据传输的角度上看，整个网络中具有两类资源，一个是数据通路，另一个是数据缓冲。

数据通路是网络上最珍贵的资源，直接决定了数据链路可能的最大带宽；而数据缓冲是另外一个重要的资源。当一个网络上的设备从一点传送到另外一点时，需要通过网络上的若干节点才能最终到达目的地。在这些网络节点中含有缓冲区，暂存在这个节点中没有处理完毕的报文。网络设备使用这些数据缓冲，可以搭建数据传送的传送流水线，从而提高数据传送性能。最初在网络设备中只为一条链路提供了一个缓冲区，如图9‑1 所示。

 

图9 ‑1 基于单数据通路的数据传递

 

当网络设备使用单数据通路进行数据传递时，如果在该通路中正在传递两个数据报文，分别是A和B。其中数据报文B需要经过Node1~5才能到达最终的目的地，而数据报文B在经过Node 3时发现由于Node 3正在向Node 4发送一个数据报文A。

从而数据报文B到达Node 3后，由于Node 4的接收缓存被数据报文A占用，而无法继续传递。此时虽然在整个数据通路中，Node 4和Node 5之间的通路是空闲的，但是报文B还是无法通过Node 3和4，因为在Node 4中只有一个数据缓冲，而这个数据缓冲正在被报文A使用。

使用这种数据传送规则会因为一个节点的数据缓冲被占用，而影响了后继报文的数据传递。为了解决这个问题，在现代网络节点中设置了多个虚通路VC，不同的数据报文可以使用不同的通路进行传递。从而有效解决了单数据通路带来的问题，基于多通路的数据传递如图9‑2 所示。

 

图9 ‑2 基于双数据通路的数据传递

如上图所示，所谓多通路是指在每一个节点内设置两个以上的缓存，上例中设置了两个缓存，报文A经过Node 1~5时使用缓存2进行缓存，然后再进行数据传递，而报文B使用缓存1进行缓存。因此虽然报文A因为某种原因不能继续传递，也只是将报文阻塞在缓存2中，而不影响报文B的数据传递。

所谓VC是指缓存到缓存之间的传递通路。如图9‑2 所示的例子中含有两个VC，分别是VC1和VC2。其中VC1对应节点间缓存 1到缓存 1的数据传递，而VC2对应缓存2到缓存2的数据传递。VC间的数据传递，如Node 1的缓存1/2到Node 2的缓存1/2，都要使用实际的物理链路“链路1”，这也是将VC称为“虚”通路的主要原因。

在一个实际的系统中，虚通路的使用需要遵循一定的规则。如在PCIe总线中，将不同的数据报文根据TC分为8类，并约定这些TC报文可以使用哪些VC进行数据传递。在PCIe总线中使用TC/VC的映射表，决定TC与VC的对应关系。

PCIe总线规定同一类型的TC报文只能与一条VC对应，当然从理论上讲，不同的TC报文可以与不同的VC对应，也可以实现一种自适应的算法根据实际情况实现TC报文和VC的对应关系。只是使用这种方法需要付出额外的硬件代价，效果也不一定明显。

下文以图9‑2 所示的数据传递为例，进一步对此说明相同类型的报文使用不同VC的情况。如果报文A和B属于相同种类的报文，但是报文A使用VC1，而报文B使用VC2。首先报文A传递到Node 4后被阻塞。而报文B使用的VC和报文A使用的VC不同，报文B最终也会到达Node 4。

由于报文A和报文B属于相同类型的报文，Node 4阻塞报文B的概率非常大，因为Node 4已经阻塞了报文A。阻塞报文A的理由在很大概率上也会对报文B适用。此时两个虚通路都被同一种类型的报文阻塞，其他报文将无法通过。因此在实际应用中，相同类型的数据报文多使用同一个VC进行数据传递，而在PCIe总线中，一个TC只能对应一个VC。

目前多通路技术的应用已经普遍应用到网络传输中，虚通路是一种防止节点拥塞的有效方法。但是在网络传送中，还存在一种不可避免的拥塞现象，即某一条链路或者某个节点是整个系统的瓶颈。

我们假设图9‑2 中Node 4将报文转发到Node 5的速度低于Node 3发送报文的速度。在这种情况下，Node 4将成为整个传送路径上的瓶颈，无论Node 4中的缓存1和2有多大，总会被填满，从而造成节点拥塞。

当缓存填满后，如果Node 3继续向Node 4发送报文时，Node 4将丢弃这些报文，之后Node 3将会择时重发这个报文，而Node 4仍然会继续丢弃这个报文，这种重复丢弃的行为将极大降低网络带宽的利用率，而且Node 3也将会成为网络中新的瓶颈，从而引发连锁反应，造成整个网络的拥塞。为了避免这类事件发生，网络中的各个组成部件需要对数据传送进行一定的流量控制，合理地接收和发送报文。

如上文所述，在网络中有两类资源，一个是数据通路，另一个是数据缓冲。而流量控制的作用是合理地管理这两类资源，使这些资源能够被有效利用。

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