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QCN：量化拥塞通知

拥塞控制
2022-10-05
2682
更新：2022-10-05 14:09:25

# QCN
QCN（Quantized Congestion Notification，量化拥塞通知）是一套应用于二层的端到端拥塞通知机制，通过主动反向通知，降低网络中的丢包率和延时，从而提高网络性能。QCN作为数据中心标准的一部分，主要应用于数据中心场景。在IP路由网络中，当数据包通过网络传输时，原始的以太网报头不会保留，拥塞的交换机无法确定导致其拥塞的源目标目标，所以QCN不能用于IP路由网络中(流的定义完全基于L2地址)。熟悉或者了解DCQCN的可能知道DCQCN是从DCTCP和QCN技术发展起来的，这也奠定了QCN的地位：QCN虽然无法在大规模IP网络中无法部署使用，但是这并不能影响它算法中依然存由很多可取之处，本文就对QCN的概念和工作机制做一个详细的讲解。

## 基本术语
·     RP（Reaction Point）：数据流的源端，支持QCN协议。
·     CP（Congestion Point）：使能了QCN功能的拥塞检测设备。
·     CNM（Congestion Notification Message）：CP端接口上的队列发生拥塞时，CP端产生的反向通知RP端的拥塞通知消息。
·     CCF（Congestion Controlled Flow）：拥塞控制流，RP端为区分不同的流量，发送报文时会将携带不同优先级的报文划入不同的拥塞控制流中，同一个拥塞控制流中报文携带的dot1p优先级相同，进入CP端转发时会入相同的队列。
·     CN-TAG（Congestion Notification Tag）：量化拥塞标签。
·     CNP（Congestion Notification Priority）：拥塞通知优先级，可以根据VLAN标签中的dot1p优先级使能指定dot1p优先级流量的QCN功能，该优先级就称为拥塞通知优先级（CNP）。该优先级对应的值为CNPV（Congestion Notification Priority Value）。
·     CND（Congestion Notification Domain）：拥塞通知域，指RP和使能了指定CNP的QCN功能的CP的集合。
·     CPID（Congestion Point Identifier）：CP在网络中的唯一编号，长度固定为8个字节。
·     QntzFb（Quantized Feedback）：表明拥塞程度的量化的反馈值，长度固定为6个比特。

## 消息格式
RP端发送流量时为区分不同的流，在以太网报文中新添加了一个CN-TAG标记。不同CN-TAG标记，用来标识不同的拥塞控制流（CCF）。
图1 QCN数据报文格式
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051252488662421.png)
如图1所示，CN-TAG包括如下字段：
·     EtherType：2bytes，表示QCN数据报文的以太网类型，取值为0x22E9。
·     RPID：2bytes，由RP自己分配。RP收到CNM报文时可以解析知道是哪条流发生了拥塞，以便对其进行限速。

CN-TAG是由RP添加在报文中，CN-TAG只在拥塞通知域（CND）内存在，在CND内的设备要能够解析带有CN-TAG的报文。当报文离开CND时，CN-TAG需要被剥离。

RP端发送报文时，可以携带也可以不携带CN-TAG。当不携带CN-TAG，说明RP端对于当前优先级仅有一类流，不需要用RPID区分多类流。当不带CN-TAG的报文触发CNM报文，CNM报文中携带CN-TAG，但RPID为0，RP端收到此CNM报文，对总体流量进行限速。

另外，CP端根据采样周期检测到拥塞时，产生拥塞通知消息（CNM）报文通知RP端。CNM报文的目的MAC为当前采样报文的源MAC，源MAC为当前采样报文的目的MAC，保证CNM报文能发送回RP端，并将采样报文中的VLAN tag、CN-TAG填入CNM报文，后面再携带CNM PDU内容，如图2所示。

图2 CNM PDU格式
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051253137392090.png)

CNM报文由如下两部分组成：
·     PDU EtherType：2bytes，表示PDU的以太网类型，取值为0x22E7。
·     CNM PDU：24～88bytes，表示PDU的具体数据内容，如图3所示：

图3 CNM PDU内容
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051253435841786.png)

CNM PDU包括如下字段：
·     Version：4bits，取值固定为0。
·     ReserverV：6bits，保留字段，取值固定为0。
·     Quantized Feedback：6bits，量化后的Fb值，CP根据得到的拥塞状态Fb转换成的量化值。
·     CPID：8bytes，表明发生拥塞的CP端，用于诊断。
·     cnmQoffset：2bytes，采样时刻的瞬间队列大小减去期望队列的大小。
·     cnmQdelta：2bytes，采样时刻的瞬间队列大小减去上次采样时刻的瞬时队列大小。
·     Encapsulated priority：2bytes，触发产生CNM报文的采样报文的优先级。
·     Encapsulated destination MAC address：6bytes，触发产生CNM报文的采样报文的目的MAC地址。
·     Encapsulated MSDU length：2bytes，触发产生CNM报文的采样报文的字段的长度。
·     Encapsulated MSDU：0～64bytes，触发产生CNM报文的采样报文的长度。

## QCN工作原理
如图4所示，通过QCN进行拥塞控制的工作原理如下：
(1) CP定期采样使能了QCN的队列，当队列发生拥塞时，产生CNM拥塞通知消息，通知RP。
(2) 源端RP收到此消息后降低流量发送速率，进行流量限速。同时RP端也周期性地探测带宽，在一定时间没有收到CNM报文时再提高流量发送速率。

图4 QCN基本原理图 
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051254089792041.png)

## QCN算法实现
QCN算法主要分为CP端算法和RP端算法两部分。
### CP端

CP周期性地对队列大小进行采样，根据采样结果计算当前的拥塞状态。拥塞检测算法包括如下参数：
·     Q：表示采样时刻的瞬间队列大小
·     Qeq：表示期望队列大小
·     Qold：为上次采样的队列大小
·     Fb：反映CP端拥塞状态的一个量化的值，在CNM消息中填充来通知RP端拥塞的程度。

图5 CP拥塞检测原理图 
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051409137627098.png)
如图5所示，拥塞检测的基本算法为：
Qoff = Q – Qeq
Qδ = Q – Qold
Fb = – (Qoff + wQδ)
其中，w是一个权重参数，控制Qδ在Fb值中的比重。
CP端根据Fb的值来决定是否产生CNM报文。当Fb ≥ 0时，说明队列没有拥塞；当Fb < 0时，说明队列已经拥塞，产生CNM报文反向通知产生该拥塞数据的数据源RP。同时，需要将|Fb|量化成QntzFb值，填充到CNM报文中。量化算法为：
·     如果Fb < - Qeq × (2 × w + 1))，则QntzFb取最大值63；
·     否则，QntzFb = - Fb × 63 / (Qeq × (2 × w + 1))。

### RP端
RP端的基本算法是：
·     收到CNM消息后，根据消息中Fb来调节发送速率，|Fb|越大发送速率降得越低；
·     当速率降下来之后再逐步提升限速的目标上限，将发送速率恢复到原来的值。

具体过程如下：

**速率降低过程公式**：

CR = CR*(1-alpha*|Fb|)
其中alpha是一个常量，其取值需要保证alpha\*|Fb|的最大值为1/2 ，因此收到CNM之后速率最多降低到原来速率的一半。

**速率增大过程包括快速恢复阶段和主动增加阶段**：

图6 QCN快速恢复和主动增加过程
![](https://ngdcn.com/zb_users/upload/2022/10/202210051256163623853.png)

**快速恢复阶段**：
CR = 1/2*(CR+TR)

**主动增加阶段**：
TR = TR + Rai，这里Rai是一个常量。
CR=1/2∗(CR+TR)

## 参考材料：
Alizadeh, Mohammad , et al. "Data center transport mechanisms: Congestion control theory and IEEE standardization." Conference on Communication, Control, & Computing IEEE, 2008.

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