Cisco高端路由器的信元打包技术

　　信元打包（又被称为信元串联）是一种能够将多个信元中继异步传输模式（ATM）信元封装到同一个IP/MPLS分组中的机制。它让电信运营商能够克服信元中继传输所固有的带宽效率低下问题。

　　信元中继带宽效率低下

　　信元中继之所以会导致分组交换网络（PSN）的带宽效率低下，主要是由于下列原因。

　　信元中继需要交换所有信元中继分组，因而会降低每秒分组数（PPS）。例如，如果需要传输六个ATM信元，核心就要交换六个分组，耗费六个PPS带宽。但是，如果利用信元打包技术，将六个ATM信元打包到同一个分组之中，核心只需要交换一个分组，而且只需要耗费一个PPS带宽。因此，电信运营商能够利用信元打包技术节约核心的PPS带宽。

　　信元中继还会导致带宽利用率的降低。例如，假定有一个电信运营商希望在包含packet-over-SONET（POS）接口的多协议标签交换（MPLS）核心上传输一个信用中继ATM信元流。在输入供应商边缘上，52字节的ATM信元（不包括一个字节的报头校验[HEC]）附带有4字节的控制字、4字节的虚拟电路标签、4字节的隧道标签和4字节的思科高级数据链路控制（HDLC）第二层报头。每个52字节的ATM信元的总开销为16字节。因此，POS光纤上的最终分组大小为68字节（即52字节的 ATM信元＋16字节的开销）。在这种情况下，信用中继的带宽浪费率约为23.52%（52/68）。

　　在这种情况下，如果采用信用打包技术，并且假定您将六个信元封装到同一个MPLS分组之中，那么总的开销仍然为16字节，但是有效载荷为312字节，从而将带宽效率提高了大约4.87%.因此，电信运营商能够利用信用打包技术将带宽利用率提高到18.65（即23.52%-4.87%）。

　　Cisco 12000、7500和7200系列路由器支持信元打包技术，但是本文主要介绍它在配有4端口IP服务引擎（ISE） ATM-over-SONET OC-12/STM-4和4端口ISE ATM-over-SONET OC-3/STM-1线路卡上的实施。

　　节约带宽

　　ATM信元被打包到一个MPLS网络中，以提高PSN效率。

　　一个经过信元打包的分组的有效期

　　隧道标签　VC标签　控制字　打包的6×52字节ATM信元

　　经过打包的ATM信元位于输出核心接口

　　输入ATM接口　　　　　MPLS/IP核心　　　　　　　　　　　　　　输出ATM接口

　　客户地点　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　客户地点

　　信元打包参数

　　信元打包主要包含两个参数：最小信元打包个数（MNCP）的大小（也被称为信元打包大小）和最大信元打包计时器（MCPT）的超时值。

　　在建立信元打包连接时，您必须配置MNCP大小和MCPT超时值。这些信息会被记录到输入和输出硬件的信元打包现场可编程门阵列（FPGA）之中。

　　这些参数的范围如下：

　　1. MNCP大小介于2到28个ATM信元之间

　　2. MCPT超时值介于2到4095微秒（us）之间（可由IOS配置的范围）

　　3. MCPT硬件编程范围为50us到25ms（MCPT超时的步进精度为50us）

　　MNCP 的最大值为28个ATM信元，因为以太网的MTU为1500字节。如果一个MPLS分组打包的ATM信元数超过28个，那么它将会在以太网接口上被丢弃。尽管Cisco IOS命令行界面（CLI）允许您将MCPT值设置为2-4095us之间的一个值，硬件可编程范围实际上是50us到25ms，步进单位为50us.

　　在标签传播和绑定期间，PE1和PE2会通过设置LDP接口参数字段，交换MNCP 值。当PE1收到PE2的MNCP时，它会被存储在PE1的预定义VC/VP/端口数据库之中，反之亦然。任何一个供应商边缘上的MNCP的任何改动都会导致标签被撤销和虚拟电路在两端重新建立，而且旧的值将会被新的值所取代。

　　如果PE1不支持信元打包（即MNCP等于1），PE2应当在每个MPLS分组中只发送一个信元，但是能够接收打包信元――如果PE2启动了信元打包。

　　MCPT在本地具有重要的作用，它的范围通常取决于ATM连接速度OC-3或者OC-12.如果MCPT计时器超时，打包的信元将会立即通过一个MPLS分组发出――即使打包尚未完成；即分组中的信元个数并没有达到MNCP.

　　一个信元打包分组在MPLS网络中的寿命

　　在输入供应商边缘，ATM信元到达ATM端口，由分段和重组（SAR）芯片进行处理。SAR芯片会将每个ATM信元区分为AAL0、AAL5或者OAM信元。对于有效的AAL0信元，SAR芯片会从ATM信元报头中去除一个字节的HEC，将剩余的52字节ATM信元发送到信元打包FPGA.芯片打包 FPGA则会根据MNCP和MCPT配置参数打包信元。

　　输入ATM信元会在MCPT超时之前，排队构成一个信元包，直到达到预定的信元包大小为止。这时，FPGA会生成控制字，将T标志编码为0，指明AAL0 ATM信元类型，为每个信元包分组生成一个序列号。剩余的字段都被设置为0.

　　FPGA会将控制字（CW）附加到信元打包分组，将该分组转发到硬件转发ASIC.（在伪线设置中CW是可选的。如果两个PE商定支持CW，它就会被使用；否则它就不会被插入。）

　　Cisco 12000系列路由器对信元打包的支持

　　硬件转发ASIC会添加VC和隧道标签，将分组转发到面向核心的MPLS连接。面向核心的MPLS连接会为MPLS分组添加第二层报头，再将MPLS分组放到光纤上。

　　在MPLS核心，分组包含一个AMT信元包＋CW＋VC标签＋IGP标签＋第二层报头。隧道标签将在倒数第二跳被去除。发送到输出供应商边缘的分组包含一个AMT信元包＋CW＋VC标签＋第二层报头。

　　在输出供应商边缘，面向核心的MPLS连接能够将分组从光纤中取出，去除第二层报头，再将分组转发到面向边缘的线路卡。面向边缘的线路卡上的硬件转发ASIC会去除VC标签，将剩余的分组转发到输出信元打包FPGA.

　　输出信元打包FPGA会去除控制字，利用其FIFO缓存将ATM信元打包分组分解为52字节的ATM信元。这些52字节的ATM信元随后会被转发到SAR芯片。

　　输出SAR芯片会从FPGA收到52字节的ATM芯片，向ATM信元报头添加1字节的HEC，构成一个53字节的ATM信元。这些ATM信元随后将通过线路发送到输出ATM永久虚拟电路。

　　信元打包的配置和验证

　　下面是信元打包配置的三个例子：VC模式、VP模式和端口模式。另外还将显示信元打包的验证。

　　在例1中（参见本文图片），PE1和PE2都配置为信元打包VC模式，MNCP为六个信元，MCPT为100us，而流量具有双向的OC-3线性速率。

　　例1：信元打包VC模式配置

　　PE1#sh running-config interface ATM 5/0
Building configuration...
Current configuration : 286 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200
pvc 0/32 12transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2
encapsulation aal0
xconnect 203.203.203.203 1 encapsulation mpls
!
end
PE2#sh running-config interface ATM 2/2
Building configuration...
　　Current configuration : 307 bytes
!
interface ATM2/2
atm mcpt-timers 50 100 200
pvc 0/32 12transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2
encapsulation aal0
xconnect 201.201.201,201 1 encapsulation mpls
end

　　信元打包VP模式配置示例

　　在例2中，PE1设置为信元打包VP模式，而PE2配置与之对称。MNCP为六个信元，MCPT为100us.

　　例2

PEIfish running-config interface ATM 5/0
Building configuration...
Current configuration : 263 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200 三个独立计时器，单位为毫秒
atm pvp 1 12transport
cell-packing 6 mcpt-timer 2 MNCP 6和MCPT 100毫秒
xconnect 203.203.203.203 1
encapsulation mpls
end

　　信元打包端口模式配置示例

　　在例3中，PE1设置为信元打包端口模式，而PE2配置与之对称。MNCP为六个信元，MCPT为100us.

　　例3

PEl#sh running-config interface ATM 510
Building configuration...
Current configuration : 238 bytes
!
interface ATM5/0
atm mcpt-timers 50 100 200
cell-packing 6 mcpt-timer 2
xconnect 203.203.203.203 1 encapsulation mpls
end

　　例子中的信元打包的验证：

PEl#sh atm cell-packing
average average
circuit local nbr of cells peer
nbr of cells MCPT
type MNCP rcvd in one pkt MNCP
sent in one pkt 46)
ATM5/0 vc 0/32 6 6
6 6 100
PE2#sh atm cell-packing
average average
circuit local nbr of cells peer
nbr of cells MCPT
type MNCP rcvd in one pkt MNCP
sent in one pkt (Ps)
ATM2/2 vc 0/32 6 6
6 6 100

　　show atm cell-packing命令的输出结构总结：

　　1. Circuit type显示信元打包配置为VC模式。

　　2. Local MNCP显示本地配置的MNCP值为6.

　　3. Peer MNCP显示对等配置的MNCP值为6.

　　4. MCPT（us）显示本地配置的MCPT超时时间。

　　5. Average number of cells received in one packet 显示从对等体接收的一个信元包中包含6个信元。

　　6. Average number of cells received in one packet 显示向对等体发送的一个信元包中包含6个信元。

　　部署信元打包时的注意事项

　　在计划采用信元打包技术时，您必须根据网络流量模式和服务水平协议（SLA）确定MCPT和MNCP值。通过选择最优的MCPT和MNCP值，能够控制在信元打包过程中导致的其他延时和抖动。

　　在理想条件下，下面分别是MNCP值为2和28个信元时的理论MCPT超时时间。这个例子假定输入流量在Engine 3 ATM OC-3或者OC-12接口上保持线性速率。您可以利用方程1设计您的信元打包网络。

　　方程1：

　　理论MCPT（us）＝MNCP大小（信元数）/输入流量速率（信元数/秒）

　　情况1：

　　1. MNCP大小＝2个信元

　　2. OC-3线性速率输入流量速率＝3.53208cps

　　3. 利用方程1，计算得到理论MCPT＝5.662us

　　情况2：

　　1. MNCP大小＝28个信元

　　2. OC-3线性速率输入流量速率＝3.53208cps

　　3. 利用方程1，计算得到理论MCPT＝79.27us

　　情况3：

　　1. MNCP大小＝2个信元

　　2. OC-12线性速率输入流量速率＝1412832cps

　　3. 利用方程1，计算得到理论MCPT＝1.416us

　　情况4：

　　1. MNCP大小＝28个信元

　　2. OC-12线性速率输入流量速率＝1412832cps

　　3. 利用方程1，计算得到理论MCPT＝19.82us

　　上面计算得到的MCPT值都是理论值，但是在您的网络设计计算中，您需要考虑50us－25ms的硬件可编程范围（以50us为步进单位）。在设置信元打包时，MCPT应当加入因为ATM交换、网络传播延时、排队、预定延时，以及拥塞点延时或者抖动等因素导致的信元传输延时（CTD）。

　　上面的计算表明，信元打包能够提高带宽利用率。但是，在打包更多的信元时，每个被打包的信元必须等到所有用于打包的信元都被接收完毕，或者MCPT超时（无论哪种情况先发生）。这会引入额外的CTD（延时）和信元延时波动（CDV，即抖动）。

　　通过让用户设置一个MNCP和MCPT范围，Cisco IOS软件为控制这些权衡提供了灵活的手段。这个范围有助于为满足严格的SLA要求优化CTD和CDV.

　　对于像CBR和VBR-RT这样的实时流量ATM服务（需要UNI协商CTD、CLR和CDV），利用最小打包（两到五个信元）优化来自信元打包的CTD和CDV，满足SLA的要求。

　　对于非实时的流量ATM服务（不需要UNI QoS协商），例如VBR-NRT和UBR，您能够在SLA允许的范围内打包更多的信元（10个或者更多）。

　　总而言之，信元打包能够通过串联ATM信元，提高PSN效率。它能够为优化打包过程中导致的CTD和CDV提供灵活的手段，例如MNCP和MCPT.