在網(wǎng)絡(luò)通信中，擁塞是一個常見的問題，尤其是在高負(fù)載時期或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不完善的情況下。傳統(tǒng)的擁塞控制方法主要通過丟包來指示網(wǎng)絡(luò)擁塞，當(dāng)路由器的緩沖區(qū)滿時，會丟棄數(shù)據(jù)包，發(fā)送方通過檢測丟失的數(shù)據(jù)包來進(jìn)行擁塞控制。然而，丟包會導(dǎo)致重傳，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)性能。

ECN（Explicit Congestion Notification）是一種改進(jìn)后的擁塞控制方法，它不依賴于丟包來指示擁塞，而是在數(shù)據(jù)包的頭部標(biāo)記擁塞發(fā)生的信號。ECN通過向數(shù)據(jù)包的 IP 頭部添加一個特殊的標(biāo)記位告知發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。

ECN的工作原理

ECN 的工作原理可以分為三個主要階段：標(biāo)記、回傳、響應(yīng)。

標(biāo)記（第一階段）：當(dāng)路由器的緩沖區(qū)開始出現(xiàn)擁塞時，它會檢查傳入的數(shù)據(jù)包。如果緩沖區(qū)超過了某個閾值，路由器會修改數(shù)據(jù)包的 IP 頭部，在其中設(shè)置 ECN 位，表示網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞。

回傳（第二階段）：標(biāo)記了 ECN 位的數(shù)據(jù)包繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，它們不會被丟棄。這使得接收方能夠收到所有數(shù)據(jù)包，無需等待重傳。

響應(yīng)（第三階段）：接收方收到帶有 ECN 標(biāo)記的數(shù)據(jù)包后，會向發(fā)送方發(fā)送一條特殊的通知（CNP），告知發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。發(fā)送方收到通知后，會根據(jù)接收方的指示適當(dāng)調(diào)整發(fā)送速率，以降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的程度。

通過這種方式，ECN 可以更及時地指示網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且避免了丟包帶來的額外開銷，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

ECN在網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)

ECN在IP頭部中需要2個比特位來承載信息，它在IPv4位于IP頭部TOS字段中，示意圖如下：

（Differentiated Services Field (區(qū)分服務(wù)領(lǐng)域):DS Field的兩個部分DSCP和CU組合成一個可擴(kuò)展性相對較強(qiáng)的方法以此來保證IP的服務(wù)質(zhì)量。）

ECN在 IPv4 和 IPv6 頭部中的位置和功能是類似的，但由于兩者頭部結(jié)構(gòu)不同，其具體位置也存在差異。如下表：

支持ECN的標(biāo)識

支持ECN的發(fā)送端（如服務(wù)器）在發(fā)出IP數(shù)據(jù)包時，會將其IP頭部的ECN字段設(shè)置為 ECT(0)或 ECT(1)。這相當(dāng)于向網(wǎng)絡(luò)宣告：“我這個數(shù)據(jù)包是可以被ECN標(biāo)記的，如果遇到擁塞，請標(biāo)記我，不要丟棄我。”

擁塞標(biāo)記

當(dāng)支持ECN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如路由器、交換機(jī)）檢測到其緩沖區(qū)隊列開始出現(xiàn)擁塞（但尚未滿到需要丟包的程度）時，它會檢查正在通過的數(shù)據(jù)包的ECN字段。如果該字段是 ECT(0)或 ECT(1)，設(shè)備就會將其修改成 CE (11)。這個動作是ECN的核心—顯式擁塞通知。

信息回傳

接收端收到帶有 CE 標(biāo)記的數(shù)據(jù)包后，會通過其傳輸層協(xié)議（如 TCP ACK 包中的 ECN-Echo 標(biāo)志位）通知發(fā)送端。發(fā)送端接到通知后，便會像檢測到丟包一樣降低發(fā)送速率，從而緩解擁塞。

ECN在傳輸層的實(shí)現(xiàn)

TCP

ECN在傳輸層的實(shí)現(xiàn)，是其發(fā)揮“端到端”擁塞控制作用的關(guān)鍵一環(huán)。在數(shù)據(jù)傳輸前，發(fā)送方和接收方必須通過三次握手 (Three-Way Handshake) 建立一個穩(wěn)定的連接。TCP協(xié)議負(fù)責(zé)接收來自網(wǎng)絡(luò)層（IP）的擁塞信號，并將其反饋給發(fā)送方，最終觸發(fā)發(fā)送方的速率調(diào)整。

TCP 通過其首部中的兩個標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn) ECN 功能。

這2位有4種可能組合，每種組合被稱為碼點(diǎn)

• ECE (ECN-Echo)：用于接收方向發(fā)送方回顯擁塞通知。當(dāng)接收方收到一個被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)記為擁塞體驗(yàn)（CE）的數(shù)據(jù)包時（接上一節(jié)內(nèi)容），它會在后續(xù)返回的 ACK 包中設(shè)置 ECE=1，以此通知發(fā)送方網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了擁塞。
• CWR (Congestion Window Reduced)：用于發(fā)送方向接收方確認(rèn)已降低發(fā)送速率。當(dāng)發(fā)送方收到一個 ECE=1 的 ACK 包并做出降速響應(yīng)后，它會在下一個數(shù)據(jù)包中設(shè)置 CWR=1，以此告知接收方：“我已收到擁塞通知并已采取行動”。

UDP

UDP也是網(wǎng)絡(luò)中傳輸層的一個核心協(xié)議，那么它和TCP的區(qū)別又是什么呢？

UDP 本身是無連接、無狀態(tài)的協(xié)議，不像 TCP 那樣有復(fù)雜的確認(rèn)和重傳機(jī)制。因此，ECN 在 UDP 中的實(shí)現(xiàn)方式與 TCP 不同，通常需要應(yīng)用程序的更多參與或依賴配套的反饋協(xié)議。

發(fā)送方（應(yīng)用程序）需要通過特定的 API（如 IP_ECNsocket 選項(xiàng)）來檢測路徑是否支持 ECN，并在發(fā)出的 UDP 數(shù)據(jù)包的 IP 頭部設(shè)置 ECT 碼點(diǎn)（ECT(0) 或 ECT(1)），表明該數(shù)據(jù)包支持 ECN。

當(dāng)支持 ECN 的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將 UDP 數(shù)據(jù)包標(biāo)記為 CE 后，接收方需要檢測到這一標(biāo)記。由于 UDP 沒有類似 TCP 的 ACK 機(jī)制，接收方需要生成一個專門的 CNP (Congestion Notification Packet, 擁塞通知報文)，CNP報文內(nèi)部會攜帶引發(fā)擁塞的原始數(shù)據(jù)流的關(guān)鍵信息（源和目標(biāo)IP地址、傳輸層端口號、擁塞程度信息、QP（Queue Pair）信息），并將其發(fā)送回源發(fā)送方。發(fā)送方在收到 CNP 后，需要主動降低數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

ECN在RDMA中的實(shí)現(xiàn)方式

在高性能計算和數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，RoCEv2 也廣泛使用 ECN。其實(shí)現(xiàn)方式與 UDP 類似，因?yàn)?RoCEv2 運(yùn)行在 UDP 之上。

支持 ECN 的交換機(jī)在檢測到擁塞時，會標(biāo)記 RoCEv2 數(shù)據(jù)包的 IP 頭 ECN 字段為 CE。接收端網(wǎng)卡生成專門的 CNP（擁塞通知報文），其中包含導(dǎo)致?lián)砣牧髁吭葱畔?，CNP 被發(fā)送回引發(fā)擁塞的發(fā)送端主機(jī)，發(fā)送端主機(jī)收到 CNP 后，會根據(jù)DCQCN（數(shù)據(jù)中心量化擁塞通知） 等算法調(diào)整相應(yīng)數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率。

智算中心的硬件核心在于為 RoCEv2提供穩(wěn)定、高性能的無損網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。這不僅需要網(wǎng)卡支持，更需要交換機(jī)的深度配合。CX-N系列數(shù)據(jù)中心交換機(jī)通過其超低時延、無損網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、對大容量緩存的優(yōu)化、高級遙測功能以及對自動化運(yùn)維的支持，為DCQCN協(xié)議在AI計算、高性能計算等場景中的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅實(shí)的硬件基礎(chǔ)。