千兆路由交換機(jī)技術(shù)對(duì)第三層數(shù)據(jù)包的處理，筆者堅(jiān)持每天寫一寫筆記。把自己的心得體會(huì)記錄下來(lái)，把更多的時(shí)間投入到自己的事業(yè)中來(lái)。千兆路由交換機(jī)技術(shù)，路由交換機(jī)的定義 傳統(tǒng)意義上，只處理第二層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備被稱之為交換機(jī)，交換機(jī)只根據(jù)數(shù)據(jù)包中的目的和源MAC地址進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)發(fā)，而不涉及第三層的數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容。

如進(jìn)行以太網(wǎng)，F(xiàn)DDI，令牌杯交換的局域網(wǎng)千兆路由交換機(jī)技術(shù)。第三層的數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)由路由器來(lái)完成，對(duì)于IP協(xié)議來(lái)說(shuō)，路由器檢查第三層數(shù)據(jù)包的目的和源IP地址，然后作出相應(yīng)的處理或轉(zhuǎn)發(fā)。在90年代中期以前，由于硬件芯片技術(shù)的限制，路由器和交換機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

路由器的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很象一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，有一個(gè)主CPU，如486或MIPS，有內(nèi)存，在CPU上運(yùn)行軟件來(lái)進(jìn)行包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由的計(jì)算及更新。所以路由器的性能比較差，往往成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

為了解決基于軟件的路由器在性能上的缺陷，在新的ASIC芯片技術(shù)的推動(dòng)下，交換機(jī)中用來(lái)處理第二層數(shù)據(jù)包的芯片功能增強(qiáng)到能夠進(jìn)行第三層數(shù)據(jù)包的處理，這種具有路由功能的千兆路由交換機(jī)技術(shù)被稱為路由交換機(jī)。

路由交換機(jī)的背板及其實(shí)現(xiàn)方式 背板是交換機(jī)的中央交換部件，用于千兆路由交換機(jī)技術(shù)的各個(gè)端口之間傳送數(shù)據(jù)。背板的結(jié)構(gòu)和容量決定了一個(gè)路由交換機(jī)的性能。現(xiàn)在的路由交換機(jī)背板主要有三種結(jié)構(gòu)：交叉矩陣（Cross Bar）；共享內(nèi)存；并行訪問(wèn)共享內(nèi)存。

下面分別詳細(xì)論述。 2.2.1交叉矩陣（Cross Bar） 這種結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性好，并且在其基本形式中可以提供較低的每端口成本。然而，它有幾個(gè)關(guān)鍵的局限性。 交叉矩陣結(jié)構(gòu)的3個(gè)主要的局限和其對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響如表1所述。表1

千兆以太網(wǎng)和千兆路由交換機(jī)技術(shù)

靜態(tài)內(nèi)存他和隊(duì)頭阻塞的問(wèn)題的共同影響使其難以在逐端口的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)發(fā)基于優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)。所以交叉矩陣結(jié)構(gòu)提供可靠的QoS支持的能力有限，這與整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)提高QoS能力的要求不符。 2.2.2共享內(nèi)存 傳統(tǒng)的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)是基于總線的。

這種結(jié)構(gòu)克服了交叉矩陣背板的局限性，并且它們?cè)诒嘲迦萘啃∮?0GbPS的交換機(jī)中十分普遍。在一個(gè)共享內(nèi)存總線結(jié)構(gòu)中，所有的端口通過(guò)一個(gè)共享總統(tǒng)訪問(wèn)中央內(nèi)存。采用仲裁機(jī)制來(lái)控制端口訪問(wèn)共享端口。這消除了交叉矩陣千兆路由交換機(jī)技術(shù)具有的基于端口的靜態(tài)內(nèi)存分配和隊(duì)頭阻塞的問(wèn)題并以一種高效的方式使用系統(tǒng)內(nèi)存。

共享內(nèi)存的問(wèn)題是，構(gòu)造一個(gè)快的足以提供無(wú)阻塞的速度超過(guò)20Gbps性能的仲裁機(jī)構(gòu)現(xiàn)在很難作到。例如：現(xiàn)在的芯片，技術(shù)的數(shù)據(jù)總線一般是64位，總統(tǒng)的時(shí)鐘頻率（并非芯片的內(nèi)部時(shí)鐘頻率）為 100MHz，這樣的系統(tǒng)背板性能可達(dá)到64×100MHz＝6.4GbPs，按雙向計(jì)算，系統(tǒng)背板性能為12.8GbPS。

因此，受限于現(xiàn)在的內(nèi)存促裁機(jī)制芯片，共享內(nèi)存體系的擴(kuò)展性比較差。 2.2.3并行訪問(wèn)共享內(nèi)存 并行訪問(wèn)共享內(nèi)存是一種共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：所有端口共享一個(gè)中央內(nèi)存空間。

然而，不象傳統(tǒng)的基于總統(tǒng)的共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，并行訪問(wèn)共享內(nèi)存為每個(gè)模塊上的每個(gè)端口提供一個(gè)專用的可同時(shí)寫入中央內(nèi)存機(jī)構(gòu)和從中讀出的機(jī)制，這種機(jī)制無(wú)需要總線仲裁設(shè)備。#p#

并行訪問(wèn)共享內(nèi)存能夠保證在所有端口上同時(shí)實(shí)現(xiàn)完全的線速性能。并行共享內(nèi)存解決了基于總線的共享內(nèi)存的擴(kuò)展性問(wèn)題，它的每一個(gè)模塊到中央內(nèi)存的存取速度都可以達(dá)到10GbPS以上，而整個(gè)中央內(nèi)存可以容許超過(guò)30路的同時(shí)訪問(wèn)，這樣一個(gè)系統(tǒng)的背板容量可以擴(kuò)展到300GbPs以上。

同時(shí)并行訪問(wèn)共享內(nèi)存也沒(méi)有引人交叉矩陣背板帶來(lái)的隊(duì)頭阻塞等問(wèn)題。 2.3千兆路由交換機(jī)技術(shù)的第三層包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制（胸中式與分布式） 每個(gè)廠商的路由交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同，在路由功能的實(shí)現(xiàn)上，主要有集中式和分布式兩種機(jī)制。下面進(jìn)行詳細(xì)論述。

集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā) 集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)是指在交換機(jī)中有一個(gè)專門的硬件模塊（路由模塊）來(lái)對(duì)全交換機(jī)的第三層包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。交換機(jī)的每個(gè)接口模塊如千兆路由交換機(jī)技術(shù)同交換模塊，都不具備第三層的處理功能，需要把第三層的數(shù)據(jù)包從背飯送往路由模塊來(lái)查詢路由并轉(zhuǎn)發(fā)。

嚴(yán)格的講，這種結(jié)構(gòu)的交換機(jī)更準(zhǔn)確的名稱是第三層交換機(jī)，而不是千兆路由交換機(jī)技術(shù)。 集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)是早期的技術(shù)，它的缺點(diǎn)在于整個(gè)交換機(jī)的路由性能受限于其路由模塊的能力。

另外，當(dāng)一個(gè)IP包要進(jìn)行路由時(shí)，它經(jīng)常要從一個(gè)以太網(wǎng)接口模塊通過(guò)背板總線送往路由模塊，在路由模塊處理后，又經(jīng)背板總統(tǒng)送往同一以太網(wǎng)接口模塊，這樣一種數(shù)據(jù)包傳送方式浪費(fèi)了背板總規(guī)處理能力。

并且路由模塊的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)交換機(jī)內(nèi)的路由功能的失效。 實(shí)際中很多廠商交換機(jī)中的路由模塊就是一個(gè)以插卡形式集成在交換機(jī)內(nèi)的軟件路由器。因此在各廠商的產(chǎn)品中，采用集中式包轉(zhuǎn)發(fā)的千兆路由交換機(jī)技術(shù)的路由能力一般可達(dá)到15Mpps。

分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā) 隨著ASIC芯片技術(shù)的發(fā)展，具有路由功能的模塊被集成到一塊芯片上，于是廠商將路由芯片設(shè)計(jì)到了路由交換機(jī)中的每一個(gè)接口模塊上，這種技術(shù)就被稱為分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)。它不需要一個(gè)專門的模塊來(lái)為整個(gè)機(jī)箱服務(wù)做包的轉(zhuǎn)發(fā)，第三層的包轉(zhuǎn)發(fā)可以由每個(gè)接口模塊上的路由芯片獨(dú)立完成。

分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)突破了集中式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)的性能瓶頸，但它的路由控制機(jī)制比集中式要復(fù)雜，它需要在每一個(gè)端口保留路由表信息以進(jìn)行快速的包轉(zhuǎn)發(fā)。盡管在技術(shù)上更復(fù)雜，由于在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出集中式，分布式第三層包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為了現(xiàn)在路由交換機(jī)的主流技術(shù)。

線速的包轉(zhuǎn)發(fā) 現(xiàn)在廠商往往直稱自己的千兆路由交換機(jī)技術(shù)的每個(gè)端口都是線速的，那么怎么判定一個(gè)路由交換機(jī)中所有的端口是否線速呢？線速的衡量標(biāo)準(zhǔn)是以64byte的數(shù)據(jù)包（第二層或第三層包）作為計(jì)算基準(zhǔn)，常用的基準(zhǔn)如下： *對(duì)于千兆路由交換機(jī)技術(shù)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps。

對(duì)于快速以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為148.8kpps。 *對(duì)于OC－12的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。 *對(duì)于OC－48的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為468MppS。

對(duì)于千兆路由交換機(jī)技術(shù)來(lái)說(shuō)，計(jì)算方法如下： （64＋8＋12）byte×1，488，095pps.×8bit=1，000，000，000bps 說(shuō)明：當(dāng)以太網(wǎng)幀為64byte時(shí)，需考慮8byte。的幀頭和12byte的幀間隙的固定開銷。故一個(gè)線速的千兆路由交換機(jī)技術(shù)端口在轉(zhuǎn)發(fā)64byte包時(shí)的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps?？焖僖蕴W(wǎng)的統(tǒng)速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆路由交換機(jī)技術(shù)的十分之一，為148.8kpps。

對(duì)于POS端口來(lái)說(shuō)，計(jì)算方法如下： 一個(gè)OC－12的SDH中容器的有效速率約為599MbPs，將其除以64×8bit的包長(zhǎng)度，就可以得出一個(gè)線速的OC－12POS端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。OC－48的容器的有效速率為OC－12一的四倍，所以O(shè)C－48 POS端口的線速包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17×4＝4.68Mpps。