CEF技術(shù)

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，F(xiàn)IB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，F(xiàn)IB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型：Host adjacency和Point to Point。Host adjacency類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類型的顯示是“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型，如Null adjacency、Glean adjacency等，此外不再贅述。

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。

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）是在第一個(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)路由器的第一個(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。

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。

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。

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。

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執(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。

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)最新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，高速完成兩種類型的交換－－－本地VIP的交換和VIP之間的交換。

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。

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。

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。

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。這種類型的負(fù)載平衡對(duì)某些類型的數(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。

CEF是專門為高性能、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能夠提供前所未有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)記賬等功能。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。