二、进程交换/快速交换/CEF区别

1 交换/路由的区别和联系

• 路由

• 名词：信息从源IP到目的IP的一条最优路径
• 动词：信息从本设备的一个接口根据FIB表转发到另一个接口的过程

• 交换

• 动词：根据三层到二层的地址映射，从本设备的出接口将信息转发到下一个设备的进接口的过程
• 名词：从设备的一个接口转发到设备的另一个接口的过程（我们下面介绍的就是这种交换方式）

我们常说的“一次路由多次交换”，其中的路由指“名词”的路由，实际上一个“名词”的路由里面不只包含了多次“交换”，也包含了多次的“动词”的路由；

• 路由器的路由过程通常包括以下几个步骤：
  从下面的步骤也能看出，“路由”这个过程是不需要进行二层的封装的，是路由到对应接口之后才可能会进行二层的封装
  
  

2 三种交换方式

• Process switching

• 所有的包都需要通过CPU来检测转发
• 路由表驱动的交换

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在这种模式下，一条数据流(flow)中的第一个包(packet)将被置入系统缓存(system buffer).其目的地址将会拿到路由表中去查询比对,路由器的处理器(CPU or Processer)同时将进行CRC校验,检查包是否正确.然后数据包的二层MAC地址将会被重写,替换为下一跳接口的MAC地址，这样的过程将会继续,对这条数据流(flow)中的第2个、第3个数据包.…….相同的操作,包括查询路由表、重写MAC地址,CRC校验等。这种方式无疑是延迟最大的,因为它要利用system buffer 以及 processor去处理每个收到的包.但是我们仍然有机会使用这种交换方式,比如在进行基于每个包的负载分担时,或是debug ip packet 时。

• Fast switching

• 快速交换只是按需建立
• 第一个报文不得不进行进程交换
• 第一个报文交换完成后，建立缓存条目，后续报文就可以进行快速交换

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快速交换要优于process switching,它采用了route cache(路由缓存)来存储关于某条数据流(flow)的特定信息,当然会包括诸如目的MAC地址,目的接口等内容.这时我们只需要对一条数据流(flow)中的第一个包做processswitching,并把信息存入cache,所有后续数据包,可以不必再中断system processor去执行查询等操作,直接从cache中提取目的接口,目的MAC地址等,这样大大加速了包转发速度。

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• ①将IGP的表项计算后加入RIB表中
• ②在出现访问10.0.0.0/8网段流量时，开始进行递归查找直到下一跳的IP为直连为止，将对应信息填入switching Cache中
• ③并且通过ARP请求下一跳IP对应MAC存入ARP 表中
• ④将ARP表中获取MAC存入Switching Cache的DestinatMAC处
• ⑤后续设备在封装二层时，根据IP就可以直接在switchingCache中找到相应的IP前缀，然后直接将Layer 2 Header的内容加到二层头部；

• CEF

• Topology driven switching

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思科CEF 是最为高效的一种三层协议。CEF 采用了基于硬件的平台,它不仅仅是将数据都存入system buffer,而是将整个路由表、拓扑表,以及所有的下一跳地址、MAC地址全部进行"预存".只要路由表、拓扑表中存在的条目,无论是否有数据请求发往其目的地址,都会提前预读取,预设置缓存.这样,当有新的数据请求发送时,就不需要 CPU去查询目的接口,目的MAC地址等等信息,而是直接从缓存中读取,从而使转发速度得以大大提高.

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• ①将IGP的表项计算后加入RIB表中
• ②根据IGP表马上进行递归查找算出最终出接口和下一跳IP并且放入FIB表中
• ③根据FIB表中下一跳IP进行ARP请求获取MAC（如果没有下一跳IP，则直接使用目的IP做为请求IP）
• ④将获取的MAC填入Adjacency Table的Destinat MAC中
• ⑤流量转发直接查询FIB表然后再查Adjacency表封装二层

3 三个层面

• 控制层面

• 概念：控制层面为数据层面转发数据提供了各种必要的信息，是各种协议工作的层面。
• 作用：为数据层面提供计算出的相应的素材，同时管理设备也是使用控制层面（管理层面的话高端设备会加）
• 主要占用资源：CPU
• 相关表项：RIB（路由表）、LIB（标签表）、OSPF邻居表、OSPF的LSDB、BGP的数据库…

• 转发层面

• 概念：网络设备中，对数据的各种具体的处理、转发过程都属于数据层面的范畴。
• 作用：控制层面构建了路由表等数据发送的必要信息，数据层面根据这些信息来发送数据。
• 主要占用资源：专用硬件资源（ASIC芯片）
• 相关表项：FIB（CEF转发表）、LFIB（标签转发表）、Adjacency Table、switching Cache、MAC…

• 数据层面

• 概念：数据层面是转发层面的父级
• 作用：除了负责转发层的将数据转发到一个接口，还负责数据的其他处理操作（上下标签，添加IP头部等等）
• 主要占用资源：专用硬件资源（ASIC芯片）
• 相关表项：涉及真实数据的处理操作都可以算是数据平面的操作

• 总结
  联系交换的三种方式和三个层面可以得出以下总结

为什么使用ASIC芯片就可以更快速转发呢？我们看下面

4 CPU\GPU\ASIC\FPGA芯片区别

• 各芯片之间的差别

• CPU 算力较弱，并行处理能力较弱（串行处理能力强），强在灵活性，可以进行多种协议的计算
• GPU 算力较强，并行处理能力较强，本身管理控制能力弱需要借助CPU调度管理，灵活性还行
• ASIC 算力最强，并行处理能力强，根据用户需求定制灵活性差，很贵
• FPGA 算力很强，并行处理能力强，可编程半定制电路灵活性较好，稍贵

• 对于交换的影响

• 像控制层，表项是在CPU中的，可以进行多种网络协议的计算，但是转发速度较慢；
• 像转发层（数据层）的表项是缓存在ASIC芯片（网络设备中叫PHY）中的，由于是定制化专门用于转发的，所以转发速度很快；

4 FIB表

• 在默认启用FIB表的情况下，报文转发查看FIB表而不是RIB表；
• 命令：show ip cef detail

• FIB表会提前计算出路由的最终出接口并存储在表中
  
• FIB表会存储已经成功访问的IP的具体表项方便转发
  
• FIB还能实现MPLS的打上标签和弹出标签的动作（所以MPLS离不开FIB）
  

5 Adjacency Table表

• 封装二层直接查看Adjacency Table来进行封装
• 查看命令：show adjacency detail

• Adjacency Table 包含了二层头部的所有信息

• HDLC链路
  
  

• EthernetII链路
  
  

• 具体参数

• Protocol
  上层协议，用于确定二层所使用的Type（如IP就是0x0800，MPLS就是0x8847，VLAN就是0x8100）
• Interface
  出接口
• Address
  下一跳IP地址（也有可能直接是目的IP地址）
• 长串
  二层封装的完整信息
• ARP
  这里是获取的方式

6 具体封装过程分析（以ICMP包举例）

注意：即使配置的静态路由只有下一跳IP没有配置出接口，最终在FIB表中也会存在出接口，因为下一跳IP必须可达才可以进入路由表，而FIB表就可以根据迭代查找找到最终的出接口；