Cisco 12000系列信元打包技术提高带宽利用率

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，因而会降低分组转发速率（PPS）。例如，如果需要传输六个ATM信元，网络核心设备就要交换六个分组，耗费六个分组转发的资源（如带宽）。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，网络核心设备只需要交换一个分组，而且只需要耗费一个分组转发的资源。因此，电信运营商能够利用信元打包技术节约网络核心的分组转发资源。

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）核心上传输一个信元中继ATM信元流。在运营商网络边缘上，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，信元中继的带宽浪费率约为23.52%（16/68）。

在这种情况下，如果采用信元打包技术，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到大约95.12%。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了18.65%（即从76.47%提高到95.12%）。

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。

第xx页中的表格列出了Cisco 12000支持的信元打包功能。

节约带宽

ATM信元被打包到一个MPLS分组中，以提高分组交换网络（PSN）效率。

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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：

MNCP大小介于2到28个ATM信元之间

MCPT超时值介于2到4095微秒（us）之间（可由IOS配置的范围）

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网络中的生命周期

第xx页的图1显示了被打包到MPLS网络中的ATM信元。

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。信元打包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ATM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ATM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。

Javed Asghar 是一位软件工程师，精通用于千兆交换和路由器平台的高级MPLS技术。现就职于思科的路由技术部门。他的电子邮件地址为jasghar@cisco.com。

Syed Natif Nawaz，CCIE编号8825，是思科路由技术部门千兆交换和路由平台领域的软件开发经理。他的电子邮件地址为snawaz@cisco.com。

Muhammad Waris Sagheer是一位软件工程师，精通用于千兆交换和路由器平台的高级MPLS技术。现就职于思科的路由技术部门。他的电子邮件地址为waris@cisco.com。

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。另外还将介绍信元打包的验证过程。

在例1中，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：

Circuit type显示信元打包配置为VC模式。 

Local MNCP显示本地配置的MNCP值为6。 

Peer MNCP显示对等配置的MNCP值为6。 

MCPT(us)显示本地配置的MCPT超时时间。 

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。 

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：

MNCP大小＝2个信元

OC-3线性速率输入流量速率＝3.53208cps

利用方程1，计算得到理论MCPT＝5.662us

情况2：

MNCP大小＝28个信元

OC-3线性速率输入流量速率＝3.53208cps

利用方程1，计算得到理论MCPT＝79.27us

情况3：

MNCP大小＝2个信元

OC-12线性速率输入流量速率＝1412832cps

利用方程1，计算得到理论MCPT＝1.416us

情况4：

MNCP大小＝28个信元

OC-12线性速率输入流量速率＝1412832cps

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应当加入由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待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软件为权衡这些因素提供了灵活的手段。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，提高分组交换网络（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。