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【华为】NPCC：基于网络的主动拥塞控制

拥塞控制
2022-11-03
2015
更新：2022-11-03 11:38:08

NPCC（Network-based Proactive Congestion Control）是一种以网络设备为核心的主动拥塞控制技术，支持在网络设备上智能识别拥塞状态，主动发送CNP拥塞通知报文，准确控制服务器发送RoCEv2报文的速率，既可以确保拥塞时的及时降速，又可以避免拥塞已经缓解时的过度降速。

## 为什么需要NPCC？

目前RoCEv2（RDMA over Converged Ethernet version 2）网络应用最广泛的拥塞控制机制，是在网络设备上发现拥塞后，由网络设备向接收端服务器发送携带拥塞标记的报文，接收端服务器随后向发送端服务器发送CNP拥塞通知报文（Congestion Notification Packets，简称CNP报文），以通知发送端服务器降低发送报文的速率，从而缓解拥塞。

<center>图：传统的拥塞控制机制</center>

智能无损网络中的AI ECN技术采用的就是上述拥塞控制机制，它仅要求网络设备在报文中打上拥塞标记，其他协议功能在服务器上实现。但当接收端服务器与发送端服务器距离较远时，该机制存在以下问题：

<span>◼ </span>响应慢：发生拥塞的是网络设备，然而对拥塞进行反馈的是接收端，当网络规模较大时，过长的拥塞反馈路径可能让发送端不能及时降速，甚至提前升速导致拥塞加剧；

<span>◼ </span>响应不准确：网络拥塞状态只能通过报文中的拥塞标记获得，接收端生成的CNP报文个数不能准确缓解拥塞。且在拥塞缓解过程中，转发设备仍然会持续进行拥塞标记，很容易造成吞吐过低。

NPCC功能支持在网络设备上智能识别拥塞状态，由网络设备主动向发送端服务器发送CNP报文，使发送端服务器及时降低发送报文的速率。不仅解决了拥塞反馈路径过长的问题，而且可以准确控制发送的CNP报文个数。既可以确保拥塞时的及时降速，又可以避免拥塞已经缓解时的过度降速。但由于启用NPCC功能的网络设备需要自行维护RoCEv2流表、计算CNP报文数目、构造和发送CNP报文，这个过程需要花费的时间相对较长，因此，在两端服务器距离较远的场景中使用NPCC更有收益。

<center>图：NPCC的拥塞控制机制</center>

## NPCC是如何工作的？

<center>图：NPCC工作原理</center>

NPCC的工作原理如上图所示。

1、 维护RoCEv2流表，获取路径信息。

开启NPCC功能的网络设备会根据报文的源IP地址、目的IP地址、Dest QP字段和端口索引信息建立和维护RoCEv2流表，以获知RoCEv2流的地址信息和转发路径。

2、 检测队列拥塞状态，计算CNP报文数目。

网络设备对端口中开启了NPCC功能的队列的队列长度（即缓存占用量）进行检测，根据队列的拥塞状态智能计算主动发送的CNP报文数目：

<span>   </span><span>✸ </span>队列长度上涨：队列浅时，发送少量CNP报文，防止拥塞状态误判断；队列深时，发送较多的CNP报文，快速缓解队列拥塞，降低转发时延。

<span>   </span><span>✸ </span>队列长度下降：队列浅时，不发送CNP报文，防止过度降速造成吞吐下降；队列深时，发送少量的CNP报文，在尽量保证吞吐和时延性能的情况下缓解队列拥塞。

<span>   </span><span>✸ </span>队列长度突发小抖动：认为出现了微突发场景，此时不发送CNP报文，防止出现过度降速。

3、 构造CNP报文并转发。

网络设备根据计算出的CNP报文数目和RoCEv2流表中的地址信息构造CNP报文，并向发送端服务器主动发送CNP报文，服务器收到后降低RoCEv2报文的发送速率。

## NPCC的应用

如下图所示，在数据中心互联的长距场景中，DeviceA和DeviceB作为数据中心互联的出口设备，当DeviceA的出端口发生拥塞时，DeviceA会向DC2的接收端服务器发送携带拥塞标记的报文，DC2的接收端服务器随后向DC1的发送端服务器发送CNP报文，DC1的发送端服务器接收到CNP报文后降低发送报文的速率。由于两个数据中心距离很远，消耗时间较长，因此无法达到及时降速的效果。

在DeviceA上开启NPCC功能后，当DeviceA的出端口发生拥塞时，由DeviceA直接向DC1的发送端服务器发送CNP报文，可以达到及时降速，缓解拥塞的效果。

<center>图：数据中心互联长距场景</center>

参考资源：华为NPCC配置指南（CloudEngine数据中心交换机）

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