思科 CEF 解读

 

CEF介绍  
 ＣＥＦ（Cisco Express Forwarding,Cisco特快交换）技术是思科公司推出的一种全新的路由交换方案，
 它具有良好的交换性能，增强的交换体系结构和极高的包转发速率。

 　　传统路由器的基本作用是路由计算和包转发，通常基于共享存储器体系结构，
     采用集中式CPU，即单个CPU（或多个CPU，联结成路由器簇）控制共享总线，连接到
     多个接口卡上，接口卡包含简单的队列等结构，与CPU通信，通过共享总线实现数据
     包转发。随着Internet的快速发展和大量新的服务需求的不断出现，对网络的路由和
     交换性能提出了更高的要求，要同时提高包转发速率和系统的性能，必须对传统路由
     器与交换设备的设计体系结构进行改进，并加入一些新的设计方案以完善系统性能。
     采用CEF技术的GSR1200系列千兆交换路由器，在体系结构，路由方式和接口卡性能等
     方面都有质的改变，特别适用于大业务量的ISP网络的核心层，同时也广泛应用于高速
     企业网的主干。本文将对CEF特快交换技术作一介绍和分析。

 
路由器交换算法的简单回顾
1.过程交换
　　最初的Cisco路由器采用集中式CPU包交换，所有的包通过共享总线传到CPU，
    经路由表查找，CRC重算，再通过共享总线把包传到适当的线路卡上。
2.快速交换
　　到达某特定目的地址的IP包通常会引起数据包流，即假设交换过到特定
    目标的包之后，另一个很可能不久也会到达。通过构建最近交换目标的
    高速缓存，可以减少包在全路由表中查找同一目标的次数，这种“一次
    路由，然后交换”的方式称为快速交换，快速交换大大提高了路由器的
    包转发速率，因而成为Cisco路由器平台上缺省的交换机制。但有一点需
    要注意，IP路由表的改变会使得高速缓存无效，在路由状况不断变化的环
    境中，路由高速缓存的优势将受到很大限制。
3.自治交换
　　自治交换的特点是从CPU中卸载了一些交换功能。在效果上，将路由高速缓存
    功能从CPU移到辅助交换处理器上，线路卡上的接收包先在交换处理器中完成本地
    路由高速缓存目标的查找，若查找失败时才中断CPU执行路由表查找。在此，Cisco
    将周期性计算路由的CPU改名为路由处理器，把辅助交换处理器改名为交换处理器。
    Cisco 7000系列的路由器上执行自治交换，可使吞吐量等性能进一步提高。
4.分布式交换
　　随着VIP（Versatile Interface Processor，通用接口处理器）卡引入，路由器的
    交换体系逐渐向对等多处理器结构发展。每个VIP卡都包含RISC处理器，维护最新的由路
    由交换处理器产生的快速交换高速缓存的拷贝，并能独立实现路由交换的功能，高速完成
    两种类型的交换－－－本地VIP的交换和VIP之间的交换。
5.CEF特快交换
　　如前所述，快速交换的高速缓存机制在Internet之类的高速动态路由选择环境
   （经常存在网络拓扑变化，路由改变、路由震荡等）中不能很好地伸缩，路由的改变导致高速
    缓存无效，而重建高速缓存（即执行“过程交换”的过程）在计算上开销很大；同时，随着
    互联网及其业务的迅猛发展，基于WEB的各种应用和交互式业务使得通信次数多而通信时间短
    的实时数据流大量增加，快速交换的高速缓存内容处于不断变化之中，重建高速缓存的负担加
    大，从而导致路由器性能的降低。CEF特快交换技术正是针对上述不足而设计提出的。

CEF  工作部件组成

    EF是一种高级的第三层交换技术，它主要是为高性能、高伸缩性的第三层IP骨干网交换
    设计的。为优化包转发的路由查找机制，CEF定义了两个主要部件：
    转发信息库（Forwarding  Information base）和邻接表（Adjacency Table）。
　　转发信息库（FIB）是路由器决定目标交换的查找表，
    FIB的条目与IP路由表条目之间有一一对应的关系，即FIB是IP路由表中包含的路由信息的
    一个镜像。由于FIB包含了所有必需的路由信息，因此就不用再维护路由高速缓存了。当网
    络拓扑或路由发生变化时，IP路由表被更新，FIB的内容随之发生变化。
　　CEF利用邻接表提供数据包的MAC层重写所需的信息。FIB中的每一项都指向邻接表里的某个
   下一跳中继段。若相邻节点间能通过数据链路层实现相互转发，则这些节点被列入邻接表中。
CEF提供了以下优点：
1  改进的性能，CEF是小于快速切换路由缓存CPU密集型。更多的CPU处理能力，可专用于第3层服
    务，如服务质量（QoS）和加密。
2  可扩展性，CEF在每个线卡提供了充分的交换容量时，分布式CEF（dCEF）模式是积极的。
3  弹性的CEF提供了前所未有的水平在大型动态网络的一致性和稳定性的开关。
4  虽然您可以使用CEF在任何一个网络的一部分，它是专为高性能，高弹性的第3层IP骨干交换。
    在一个典型的高容量的互联网服务供应商的环境，在支持的网络链接到Cisco 7500系列路由器
    或其他接驳设备的核心汇聚设备的思科12012职系架构检讨。CEF在这些平台在网络核心提供所
    需的性能和可扩展性，以应对持续增长和不断增加的网络流量。CEF是一种分布式的交换机制，
    与安装在路由器的接口卡和带宽的线性扩展。
5  CEF采用一个4级每级256条通道结构的转发表来指明转发条目的位置，转发表有next hop等信息，
    涵盖了整个IPv4的地址范围，并有指针指向另一个邻接表。转发条目(MAC地址之类)都存储在一
    个单独的邻接表上。这两个表包括了所有的转发信息，而这些转发信息是根据路由表和ARP来构造
    的。
6  CEF简化了查询的步骤，提高了单位时间的工作效率。而且从整体上来看，路由信息和转发信息是
    分离的，数据包的转发只根据转发信息而不用参照路由信息，可以充分利用专用硬件的功能来达到
    线速转发，而不受路由变化或者其他因素的干扰，保证了转发的高速高效。

CEF示意图