CCIE資料學(xué)習(xí)：CEF技術(shù)淺析
傳統(tǒng)路由器的基本作用是路由計(jì)算和包轉(zhuǎn)發(fā)，通?；诠蚕泶鎯?chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，采和集中式CPU，即單個(gè)ＣＰＵ（或多個(gè)ＣＰＵ，聯(lián)結(jié)成路由器簇）控制共享總線，連接到多個(gè)接口卡上，接口卡包含簡(jiǎn)單的隊(duì)列等結(jié)構(gòu)，與ＣＰＵ通信，通過(guò)共享總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。隨著Internet的快速發(fā)展和大量新的服務(wù)需求的不斷出現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由和交換性能提出了更高的要求，要同時(shí)提高包轉(zhuǎn)發(fā)速率和系統(tǒng)的性能，必須對(duì)傳統(tǒng)路由器與交換設(shè)備的設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)， 并加入一些新的設(shè)計(jì)方案以完善系統(tǒng)性能。ＣＥＦ（Cisco Express Forwarding,Cisco特快交換）技術(shù)是思科公司推出的一種全新的路由交換方案，它具有良好的交換性能，增強(qiáng)的交換體系結(jié)構(gòu)和極高的包轉(zhuǎn)發(fā)速率。采用ＣＥＦ技術(shù)的ＧＳＲ1200系列千兆交換路由器，在體系結(jié)構(gòu)，路由方式和接口卡性能等方面都有質(zhì)的改變，特別適用于大業(yè)務(wù)量的ＩＳＰ網(wǎng)絡(luò)的核心層，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于高速企業(yè)網(wǎng)的主干。本文將對(duì)ＣＥＦ特快交換技術(shù)作一介紹和分析。
CCIE資料CEF技術(shù)淺析之一、路由器交換算法的簡(jiǎn)單回顧
1.過(guò)程交換
最初的Cisco路由器采用集中式ＣＰＵ包交換，所有的包通過(guò)共享總線傳到ＣＰＵ，經(jīng)路由表查找，ＣＲＣ重算，再通過(guò)共享總線把包傳到適當(dāng)?shù)木€路卡上。
2.快速交換
到達(dá)某特定目的地址的ＩＰ包通常會(huì)引起數(shù)據(jù)包流，即假設(shè)交換過(guò)到特定目標(biāo)的包之后，另一個(gè)很可能不久也會(huì)到達(dá)。通過(guò)構(gòu)建最近交換目標(biāo)的高速緩存，可以減少包在全路由表中查找同一目標(biāo)的次數(shù)，這種“一次路由，然后交換”的方式稱(chēng)為快速交換，快速交換大大提高了路由器的包轉(zhuǎn)發(fā)速率，因而成為Cisco路由器平臺(tái)上缺省的交換機(jī)制。但有一點(diǎn)需要注意，ＩＰ路由表的改變必須高速緩存無(wú)效，在路由狀況不斷變化的環(huán)境中，路由高速緩存的優(yōu)勢(shì)將受到很大限制。
3.自治交換
自治交換的特點(diǎn)是從ＣＰＵ中卸載了一些交換功能。在效果上，將路由高速緩存功能從ＣＰＵ移到輔助交換處理器上，線路卡上的接收包先在交換處理器中完成本地路由高速緩存目標(biāo)的查找，若查找失敗時(shí)才中斷ＣＰＵ?qǐng)?zhí)行路由表查找。在此，Cisco將周期性計(jì)算路由的ＣＰＵ改名為路由處理器，把輔助交換處理器改名為交換處理器。Cisco 7000系列的路由器上執(zhí)行自治交換，可使吞吐量等性能進(jìn)一步提高。
4.分布式交換
隨著ＶＩＰ（Versatile Interface Processor，通用接口處理器）卡引入，路由器的交換體系逐漸向?qū)Φ榷嗵幚砥鹘Y(jié)構(gòu)發(fā)展。每個(gè)ＶＩＰ卡都包含ＲＩＳＣ處理器，維護(hù)***的由路由交換處理器產(chǎn)生的快速交換高速緩存的拷貝，并能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)路由交換的功能，高速完成兩種類(lèi)型的交換－－－本地ＶＩＰ的交換和ＶＩＰ之間的交換。
5.ＣＥＦ特快交換
如前所述，快速交換的高速緩存機(jī)制在Internet之類(lèi)的高速動(dòng)態(tài)路由選擇環(huán)境（經(jīng)常存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，路由改變、路由震蕩等）中不能很好地伸縮，路由的改變導(dǎo)致高速緩存無(wú)效，而重建高速緩存（即執(zhí)行“過(guò)程交換”的過(guò)程）在計(jì)算上開(kāi)銷(xiāo)很大；同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)及其業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，基于ＷＥＢ的各種應(yīng)用和交互式業(yè)務(wù)使得通信次數(shù)多而通信時(shí)間短的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流大量增加，快速交換的高速緩存內(nèi)容處于不斷變化之中，重建高速緩存的負(fù)擔(dān)加大，從而導(dǎo)致路由器性能的降低。ＣＥＦ特快交換技術(shù)正是針對(duì)上述不足而設(shè)計(jì)提出的。
CCIE資料CEF技術(shù)淺析之二、ＣＥＦ特快交換基本原理CCNA
1.ＣＥＦ部件
ＣＥＦ是一種高級(jí)的第三層交換技術(shù)，它主要是為高性能、高伸縮性的第三層ＩＰ骨干網(wǎng)交換設(shè)計(jì)的。為優(yōu)化包轉(zhuǎn)發(fā)的路由查找機(jī)制，ＣＥＦ定義了兩個(gè)主要部件：轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)（Forwarding Information base）和鄰接表（Adjacency Table）。
轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(kù)（ＦＩＢ）是路由器決定目標(biāo)交換的查找表，ＦＩＢ的條目與ＩＰ路由表?xiàng)l目之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即ＦＩＢ是ＩＰ路由表中包含的路由信息的一個(gè)鏡像。由于ＦＩＢ包含了所有必需的路由信息，因此就不用再維護(hù)路由高速緩存了。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蚵酚砂l(fā)生變化時(shí)，ＩＰ路由表被更新，ＦＩＢ的內(nèi)容隨之發(fā)生變化。
ＣＥＦ利用鄰接表提供數(shù)據(jù)包的ＭＡＣ層重寫(xiě)所需的信息。ＦＩＢ中的每一項(xiàng)都指向鄰接表里的某個(gè)下一跳中繼段。若相鄰節(jié)點(diǎn)間能通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)發(fā)，則這些節(jié)點(diǎn)被列入鄰接表中。
系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)鄰接關(guān)系，就將其寫(xiě)到鄰接表中，鄰接序列隨時(shí)都在生成，每次生成一個(gè)鄰接條目，就會(huì)為那個(gè)鄰接節(jié)點(diǎn)預(yù)先計(jì)算一個(gè)鏈路層頭標(biāo)信息，并把這個(gè)鏈路層頭標(biāo)信息存儲(chǔ)在鄰接表中，當(dāng)決定路由時(shí)，它就指向下一網(wǎng)絡(luò)段及相應(yīng)的鄰接條目。隨后在對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行ＣＥＦ交換時(shí)，用它來(lái)進(jìn)行封裝。欲查看鄰接表的有關(guān)信息，可以使用Cisco IOS的命令：show adjacency/show adjacency detail。當(dāng)我們查看鄰接表信息時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有以下兩種主要鄰接類(lèi)型：Host adjacency和Point to Point。Host adjacency類(lèi)型通常的顯示是一個(gè)ＩＰ地址，它表示鄰接的下一跳ＩＰ地址；Point to Point類(lèi)型N顯示是“point 2point”，表示這是一條點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電路。此外還有其他一些特殊類(lèi)型，如Null adjacency、Glean adjacency等，此外不再贅述。
2.CEF操作模式
ＣＥＦ有兩種模式：集中式和分布式。集中式允許一個(gè)路由處理模塊運(yùn)行特快交換，即ＦＩＢ和鄰接表駐留在路由處理模塊中，當(dāng)線路卡不可用或不具備分散ＣＥＦ交換的功能時(shí)，就可使用集中ＣＥＦ交換模式。
分布式（一般記作ｄＣＥＦ）允許路由器的多個(gè)線路卡（ＶＩＰ）分別運(yùn)行特快交換功能，前提是線路是ＶＩＰ線路卡或ＧＳＲ線路卡。中央路由處理器完成系統(tǒng)管理/路由選擇和轉(zhuǎn)發(fā)表計(jì)算等功能，并把ＣＥＦ表分布到單個(gè)線路卡；每個(gè)線路卡維護(hù)著一個(gè)ＦＩＢ和鄰接表的相同的拷貝。線路卡在端口適配器之間執(zhí)行快速轉(zhuǎn)發(fā)，這樣，交換操作就無(wú)需路由交換模塊的參與了。ＤＣＥＦ采用一種“內(nèi)部過(guò)程通信”機(jī)制來(lái)保證路由處理器和接口卡之間ＦＩＢ和鄰接表的同步。
Cisco 12000系列路由器只運(yùn)行dCEF模式，由線路卡執(zhí)行交換功能。在其它路由器中，可以在同一個(gè)路由器中混合使用各種類(lèi)型的接口卡，如果一個(gè)不支持ＣＥＦ的接口卡收到數(shù)據(jù)包后，將把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到路由處理器來(lái)進(jìn)行處理，或把該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段處理。
ＣＥＦ在路由器上是全局激活的，但可在每個(gè)接口（或ＶＩＰ的底板）上啟用/禁用ＣＥＦ；ＣＥＦ和快速交換模式也可同時(shí)運(yùn)行，但不推薦這樣使用，因?yàn)闀?huì)占用大量的系統(tǒng)維護(hù)資源。
CCIE資料CEF技術(shù)淺析之三、ＣＥＦ與快速交換的比較
與快速交換相似，ＣＥＦ也使用自己建立的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（而不是路由表）來(lái)執(zhí)行交換操作?？焖俳粨Q通過(guò)生成并查找路由高速緩存交換數(shù)據(jù)包，該路由高速緩存交換數(shù)據(jù)包，該路收高速緩存的條目（包括目的ＩＰ地址，輸出接口，ＭＡＣ地址頭信息等）是在***個(gè)數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)，對(duì)整個(gè)路由表執(zhí)行最長(zhǎng)匹配查找算法獲得下一跳ＩＰ地址，然后查找ＡＲＰ緩存獲得第二層的ＭＡＣ地址信息，并寫(xiě)入路由高速緩存，之后的數(shù)據(jù)包則根據(jù)已經(jīng)生成的高速緩存的條目直接重寫(xiě)ＭＡＣ頭信息完成交換操作。
ＣＥＦ通過(guò)ＦＩＢ和鄰接表對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行交換，但ＦＩＢ和鄰接表是在數(shù)據(jù)包到來(lái)以前，由ＣＰＵ根據(jù)路由表生成并定時(shí)更新的，因此到達(dá)路由器的***個(gè)數(shù)據(jù)包也無(wú)須執(zhí)行查找路由表的過(guò)程，直接由ＦＩＢ和鄰接表獲得新的ＭＡＣ頭信和盧，就可進(jìn)行交換了，對(duì)于擁有大容量路由表的路由器來(lái)說(shuō)，這種預(yù)先建立交換查找條目的方式能夠有效地提高交換性能。
CCIE資料CEF技術(shù)淺析之四、基于ＣＥＦ的負(fù)載平衡的實(shí)現(xiàn)
當(dāng)?shù)竭_(dá)某一目的ＩＰ地址存在多條路徑時(shí)，每條路徑都有一個(gè)反映其代價(jià)的metric值，路由協(xié)議通過(guò)計(jì)算獲得到達(dá)目的地址的具有最短metric值的路徑，數(shù)據(jù)包通過(guò)該路徑到達(dá)目的地址。負(fù)載平衡的目的則是要把流量分配到多條路徑中，這樣可優(yōu)化資源的使用。ＣＥＦ特快交換支持兩種類(lèi)型的負(fù)載平衡－－－按目的地配置的負(fù)載平衡和按數(shù)據(jù)包配置的負(fù)載平衡。
1.按目的地配置負(fù)載平衡
基本原理是：對(duì)于給定的一對(duì)源/目的ＩＰ地下，即使有多個(gè)路徑可用，也可保證數(shù)據(jù)包采用同一路徑；通往不同源/目的ＩＰ地址的數(shù)據(jù)流則傾向于采用不同的路徑。通過(guò)采用按目的地負(fù)載平衡的方法，可以保證對(duì)某個(gè)源/目的ＩＰ地址對(duì)的數(shù)據(jù)包以一定的次序到達(dá)。當(dāng)啟用ＣＥＦ時(shí)，按目的地配置的負(fù)載平衡被默認(rèn)啟用。
2.按數(shù)據(jù)包配置負(fù)載平衡
基本原理是：采用輪轉(zhuǎn)法確定各個(gè)數(shù)據(jù)包按哪條路徑到達(dá)目的地。這種負(fù)載平衡方法可使路由器在路徑上連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，即保證路徑的使用狀況比較好，但針對(duì)一個(gè)源/目的ＩＰ地址對(duì)的數(shù)據(jù)包可能會(huì)采用不同的路徑，從而導(dǎo)致目的端對(duì)數(shù)據(jù)包的重新排序。這種類(lèi)型的負(fù)載平衡對(duì)某些類(lèi)型的數(shù)據(jù)流傳送不是很合適（如ＶｏＩＰ數(shù)據(jù)流）。當(dāng)然，若在某一源/目的ＩＰ地址對(duì)之間有大量的數(shù)據(jù)流，通過(guò)并行鏈路傳送，如果按目的地負(fù)載平衡方式，將會(huì)使某條鏈路負(fù)擔(dān)過(guò)重，而其他鏈路上的數(shù)據(jù)流很少，此時(shí)采用按數(shù)據(jù)包的負(fù)載平衡是合理的。
CCIE資料CEF技術(shù)淺析之五、小結(jié)
ＣＥＦ是專(zhuān)門(mén)為高性能、高伸縮性的ＩＰ骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一種高速交換方式。從上述介紹我們不難看出，在大規(guī)模的動(dòng)態(tài)ＩＰ網(wǎng)絡(luò)中，ＣＥＦ能夠提供***的交換的一致性和穩(wěn)定性。它能夠有效彌補(bǔ)快速交換的高速緩存條目頻繁失效的缺陷，采用ｄＣＥＦ分布式交換可使每個(gè)線路卡進(jìn)行完全的交換，提供更優(yōu)越的性能；ＣＥＦ比快速交換的路由高速緩存占用內(nèi)存要少，并能提供負(fù)載平衡，網(wǎng)絡(luò)記帳等功能。借助ＣＥＦ特快交換技術(shù)和其它一些革命性的創(chuàng)新技術(shù)，Cisco的ＧＳＲ路由器在全球取得了巨大的成功，在中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著極其重要的作用。
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