CEF技术浅析
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，采和集中式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，<SCRIPT language=javascript src="/CMS/JS/newsad.js"></SCRIPT> 并加入一些新的设计方案以完善系统性能。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。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。
一、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路由表的改变必须高速缓存无效，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。
二、ＣＥＦ特快交换基本原理
1.ＣＥＦ部件
ＣＥＦ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。
系统一旦发现邻接关系，就将其写到邻接表中，邻接序列随时都在生成，每次生成一个邻接条目，就会为那个邻接节点预先计算一个链路层头标信息，并把这个 链路层头标信息存储在邻接表中，当决定路由时，它就指向下一网络段及相应的邻接条目。随后在对数据包进行ＣＥＦ交换时，用它来进行封装。欲查看邻接表的有 关信息，可以使用Cisco IOS的命令：show adjacency/show adjacency detail。当我们查看邻接表信息时，会发现有以下两种主要邻接类型：Host adjacency和Point to Point。Host adjacency类型通常的显示是一个ＩＰ地址，它表示邻接的下一跳ＩＰ地址；Point to Point类型N显示是“point 2point”，表示这是一条点对点电路。此外还有其他一些特殊类型，如Null adjacency、Glean adjacency等，此外不再赘述。
2.CEF操作模式
ＣＥＦ有两种模式：集中式和分布式。集中式允许一个路由处理模块运行特快交换，即ＦＩＢ和邻接表驻留在路由处理模块中，当线路卡不可用或不具备分散 ＣＥＦ交换的功能时，就可使用集中ＣＥＦ交换模式。
分布式（一般记作ｄＣＥＦ）允许路由器的多个线路卡（ＶＩＰ）分别运行特快交换功能，前提是线路是ＶＩＰ线路卡或ＧＳＲ线路卡。中央路由处理器完成系 统管理/路由选择和转发表计算等功能，并把ＣＥＦ表分布到单个线路卡；每个线路卡维护着一个ＦＩＢ和邻接表的相同的拷贝。线路卡在端口适配器之间执行快速 转发，这样，交换操作就无需路由交换模块的参与了。ＤＣＥＦ采用一种“内部过程通信”机制来保证路由处理器和接口卡之间ＦＩＢ和邻接表的同步。
Cisco 12000系列路由器只运行dCEF模式，由线路卡执行交换功能。在其它路由器中，可以在同一个路由器中混合使用各种类型的接口卡，如果 一个不支持ＣＥＦ的接口卡收到数据包后，将把数据包转发到路由处理器来进行处理，或把该数据包转发到下一个网络段处理。
ＣＥＦ在路由器上是全局激活的，但可在每个接口（或ＶＩＰ的底板）上启用/禁用ＣＥＦ；ＣＥＦ和快速交换模式也可同时运行，但不推荐这样使用，因为会 占用大量的系统维护资源。
三、ＣＥＦ与快速交换的比较
与快速交换相似，ＣＥＦ也使用自己建立的数据结构（而不是路由表）来执行交换操作。快速交换通过生成并查找路由高速缓存交换数据包，该路由高速缓存交 换数据包，该路收高速缓存的条目（包括目的ＩＰ地址，输出接口，ＭＡＣ地址头信息等）是在第一个数据包到来时，对整个路由表执行最长匹配查找算法获得下一 跳ＩＰ地址，然后查找ＡＲＰ缓存获得第二层的ＭＡＣ地址信息，并写入路由高速缓存，之后的数据包则根据已经生成的高速缓存的条目直接重写ＭＡＣ头信息完成 交换操作。
ＣＥＦ通过ＦＩＢ和邻接表对数据包进行交换，但ＦＩＢ和邻接表是在数据包到来以前，由ＣＰＵ根据路由表生成并定时更新的，因此到达路由器的第一个数据 包也无须执行查找路由表的过程，直接由ＦＩＢ和邻接表获得新的ＭＡＣ头信和卢，就可进行交换了，对于拥有大容量路由表的路由器来说，这种预先建立交换查找 条目的方式能够有效地提高交换性能。
四、基于ＣＥＦ的负载平衡的实现
当到达某一目的ＩＰ地址存在多条路径时，每条路径都有一个反映其代价的metric值，路由协议通过计算获得到达目的地址的具有最短metric值的 路径，数据包通过该路径到达目的地址。负载平衡的目的则是要把流量分配到多条路径中，这样可优化资源的使用。ＣＥＦ特快交换支持两种类型的负载平衡－－－ 按目的地配置的负载平衡和按数据包配置的负载平衡。
1.按目的地配置负载平衡
基本原理是：对于给定的一对源/目的ＩＰ地下，即使有多个路径可用，也可保证数据包采用同一路径；通往不同源/目的ＩＰ地址的数据流则倾向于采用不同 的路径。通过采用按目的地负载平衡的方法，可以保证对某个源/目的ＩＰ地址对的数据包以一定的次序到达。当启用ＣＥＦ时，按目的地配置的负载平衡被默认启 用。
2.按数据包配置负载平衡
基本原理是：采用轮转法确定各个数据包按哪条路径到达目的地。这种负载平衡方法可使路由器在路径上连续发送数据包，即保证路径的使用状况比较好，但针 对一个源/目的ＩＰ地址对的数据包可能会采用不同的路径，从而导致目的端对数据包的重新排序。这种类型的负载平衡对某些类型的数据流传送不是很合适（如 ＶｏＩＰ数据流）。当然，若在某一源/目的ＩＰ地址对之间有大量的数据流，通过并行链路传送，如果按目的地负载平衡方式，将会使某条链路负担过重，而其他 链路上的数据流很少，此时采用按数据包的负载平衡是合理的。
五、小结
ＣＥＦ是专门为高性能、高伸缩性的ＩＰ骨干网络设计的一种高速交换方式。从上述介绍我们不难看出，在大规模的动态ＩＰ网络中，ＣＥＦ能够提供前所未有 的交换的一致性和稳定性。它能够有效弥补快速交换的高速缓存条目频繁失效的缺陷，采用ｄＣＥＦ分布式交换可使每个线路卡进行完全的交换，提供更优越的性 能；ＣＥＦ比快速交换的路由高速缓存占用内存要少，并能提供负载平衡，网络记帐等功能。借助ＣＥＦ特快交换技术和其它一些革命性的创新技术，Cisco的 ＧＳＲ路由器在全球取得了巨大的成功，在中国互联网基础设施建设中发挥着极其重要的作用。
一、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路由表的改变必须高速缓存无效，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。
二、ＣＥＦ特快交换基本原理
1.ＣＥＦ部件
ＣＥＦ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。
系统一旦发现邻接关系，就将其写到邻接表中，邻接序列随时都在生成，每次生成一个邻接条目，就会为那个邻接节点预先计算一个链路层头标信息，并把这个 链路层头标信息存储在邻接表中，当决定路由时，它就指向下一网络段及相应的邻接条目。随后在对数据包进行ＣＥＦ交换时，用它来进行封装。欲查看邻接表的有 关信息，可以使用Cisco IOS的命令：show adjacency/show adjacency detail。当我们查看邻接表信息时，会发现有以下两种主要邻接类型：Host adjacency和Point to Point。Host adjacency类型通常的显示是一个ＩＰ地址，它表示邻接的下一跳ＩＰ地址；Point to Point类型N显示是“point 2point”，表示这是一条点对点电路。此外还有其他一些特殊类型，如Null adjacency、Glean adjacency等，此外不再赘述。
2.CEF操作模式
ＣＥＦ有两种模式：集中式和分布式。集中式允许一个路由处理模块运行特快交换，即ＦＩＢ和邻接表驻留在路由处理模块中，当线路卡不可用或不具备分散 ＣＥＦ交换的功能时，就可使用集中ＣＥＦ交换模式。
分布式（一般记作ｄＣＥＦ）允许路由器的多个线路卡（ＶＩＰ）分别运行特快交换功能，前提是线路是ＶＩＰ线路卡或ＧＳＲ线路卡。中央路由处理器完成系 统管理/路由选择和转发表计算等功能，并把ＣＥＦ表分布到单个线路卡；每个线路卡维护着一个ＦＩＢ和邻接表的相同的拷贝。线路卡在端口适配器之间执行快速 转发，这样，交换操作就无需路由交换模块的参与了。ＤＣＥＦ采用一种“内部过程通信”机制来保证路由处理器和接口卡之间ＦＩＢ和邻接表的同步。
Cisco 12000系列路由器只运行dCEF模式，由线路卡执行交换功能。在其它路由器中，可以在同一个路由器中混合使用各种类型的接口卡，如果 一个不支持ＣＥＦ的接口卡收到数据包后，将把数据包转发到路由处理器来进行处理，或把该数据包转发到下一个网络段处理。
ＣＥＦ在路由器上是全局激活的，但可在每个接口（或ＶＩＰ的底板）上启用/禁用ＣＥＦ；ＣＥＦ和快速交换模式也可同时运行，但不推荐这样使用，因为会 占用大量的系统维护资源。
三、ＣＥＦ与快速交换的比较
与快速交换相似，ＣＥＦ也使用自己建立的数据结构（而不是路由表）来执行交换操作。快速交换通过生成并查找路由高速缓存交换数据包，该路由高速缓存交 换数据包，该路收高速缓存的条目（包括目的ＩＰ地址，输出接口，ＭＡＣ地址头信息等）是在第一个数据包到来时，对整个路由表执行最长匹配查找算法获得下一 跳ＩＰ地址，然后查找ＡＲＰ缓存获得第二层的ＭＡＣ地址信息，并写入路由高速缓存，之后的数据包则根据已经生成的高速缓存的条目直接重写ＭＡＣ头信息完成 交换操作。
ＣＥＦ通过ＦＩＢ和邻接表对数据包进行交换，但ＦＩＢ和邻接表是在数据包到来以前，由ＣＰＵ根据路由表生成并定时更新的，因此到达路由器的第一个数据 包也无须执行查找路由表的过程，直接由ＦＩＢ和邻接表获得新的ＭＡＣ头信和卢，就可进行交换了，对于拥有大容量路由表的路由器来说，这种预先建立交换查找 条目的方式能够有效地提高交换性能。
四、基于ＣＥＦ的负载平衡的实现
当到达某一目的ＩＰ地址存在多条路径时，每条路径都有一个反映其代价的metric值，路由协议通过计算获得到达目的地址的具有最短metric值的 路径，数据包通过该路径到达目的地址。负载平衡的目的则是要把流量分配到多条路径中，这样可优化资源的使用。ＣＥＦ特快交换支持两种类型的负载平衡－－－ 按目的地配置的负载平衡和按数据包配置的负载平衡。
1.按目的地配置负载平衡
基本原理是：对于给定的一对源/目的ＩＰ地下，即使有多个路径可用，也可保证数据包采用同一路径；通往不同源/目的ＩＰ地址的数据流则倾向于采用不同 的路径。通过采用按目的地负载平衡的方法，可以保证对某个源/目的ＩＰ地址对的数据包以一定的次序到达。当启用ＣＥＦ时，按目的地配置的负载平衡被默认启 用。
2.按数据包配置负载平衡
基本原理是：采用轮转法确定各个数据包按哪条路径到达目的地。这种负载平衡方法可使路由器在路径上连续发送数据包，即保证路径的使用状况比较好，但针 对一个源/目的ＩＰ地址对的数据包可能会采用不同的路径，从而导致目的端对数据包的重新排序。这种类型的负载平衡对某些类型的数据流传送不是很合适（如 ＶｏＩＰ数据流）。当然，若在某一源/目的ＩＰ地址对之间有大量的数据流，通过并行链路传送，如果按目的地负载平衡方式，将会使某条链路负担过重，而其他 链路上的数据流很少，此时采用按数据包的负载平衡是合理的。
五、小结
ＣＥＦ是专门为高性能、高伸缩性的ＩＰ骨干网络设计的一种高速交换方式。从上述介绍我们不难看出，在大规模的动态ＩＰ网络中，ＣＥＦ能够提供前所未有 的交换的一致性和稳定性。它能够有效弥补快速交换的高速缓存条目频繁失效的缺陷，采用ｄＣＥＦ分布式交换可使每个线路卡进行完全的交换，提供更优越的性 能；ＣＥＦ比快速交换的路由高速缓存占用内存要少，并能提供负载平衡，网络记帐等功能。借助ＣＥＦ特快交换技术和其它一些革命性的创新技术，Cisco的 ＧＳＲ路由器在全球取得了巨大的成功，在中国互联网基础设施建设中发挥着极其重要的作用。
