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

 

 

一、简介

  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。

 

二、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。

 

三、CEF的优势 

CEF可以通过大规模的动态通讯方式优化网络的性能和伸缩性,它的优点如下。 

1.改善路由器效率 
     和常规的快速交换路由相比较,CEF可以使用较少的内存容量来实现数据包的转发,这样,就可以节省更多处理器的资源,使得处理器能够专用于第三层的服务,比如提高服务质量(QoS)和加密功能等。 

2.良好的伸缩性 
     当启用分散式CEF模式时,CEF的每个线路卡上维护着一个与转发信息库 (Forwarding Information Base,FIB)和邻接表相同的拷贝,它能独自提供完全的交换能力。 

3.提高网络性能 
     在大规模的动态网络中,CEF能提供了更好的交换的一致性和稳定性。在动态网络中,因为路由的改变会导致快速交换高速缓存条目频繁地失效,这些变化可能的结果就是要通过路由表对数据进行过程交换,而不是通过路由高速缓存进行快速交换。因为FIB查阅表中包含所有路由表中已知的路由,这样就不用维护路由高速缓存了,也不用采用快速交换和过程交换相互转换这种转发方案了。CEF能够比典型的高速缓存技术更有效地交换数据流。 

     尽管CEF是一种高级IP交换技术,支持很多通讯媒体,但它并不是支持所有的通讯方式,目前CEF支持ATM/AAL5snap、ATM/AAL5mux、ATM/AAL5nlpid、帧中继、以太网、FDDI、PPP、HDLC和隧道(tunnel)等。 

 

 

四、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。基于IP路由表中的信息,FIB维护着下一跳的地址信息。因为FIB条目和路由表条目之间有一一对应的关系,所以FIB中包含了所有已知的路由,这样就不用维护路由高速缓存了,而先前的交换方法(比如快速交换和最优交换)都要维护路由高速缓存。

CEF FIB 表由一棵4级层次的树组成,如图所示。4 级来源于IP 议所使用的犯比特地址。层次的每一级是基于32比特中的8 位。CEF 依赖最长匹配转发算法,这意味着按降序搜索整棵树直到“最长匹配”,即匹配最大比特数。FIB 树分层表示,树的顶端是最不详细的地址,底端是最详细的地址。每个叶以8比特为边界,按降序排列更详细的表项。这棵树(通常被认为是一个256 路的分支树)提供了一种用于快速查找的高效机制,确保查找过程中产生最少的延迟。这棵树也提供一个高扩展性的体系结构,因为它能以相比与表效率来说最小的性能开销完全统计IPv4 编址。每个树叶提供了一个到邻近表中相应下一跳表项的指针。

 

   邻接表  (Adjacency Table) 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。

邻接的发现 当路由器发现存在邻接时就增加在邻接表中,每次生成一个邻接条目(就像ARP协议一样),CEF会为那个邻接节点预先计算一个链路层头标信息,并把这个头标信息存储在邻接表中。当决定路由时,它就会指向下一跳以及相应的邻接条目。随后,在对数据包进行CEF交换时,用预先生成的头标信息来对数据包进行封装。 分解邻接 一个路由表中也许存在多条到达目标网络的路径,例如:当路由器被配置成允许冗余路径和允许负载均衡时。对于每一个被分解的转发路径,邻接条目会被附加一个头标信息指示出那条路径的下一跳地址。这种机制可以用来在多条路径上实现负载均衡。
需要作特殊处理的邻接类型 另外,因为邻接条目和下一跳地址相关联,所以一些特殊的邻接类型可以被用来加速交换过程。前缀被定义后,当存在以下被缓存的邻接条目存在时,前缀需要作特殊处理。空邻接一个以Null0接口为目标地址的包会被抛弃,在访问过滤器时,这可以被用作一种有效的机制。
邻接归纳 当路由器直接和几台主机相连时,FIB表中维持的是这个子网的前缀,而不是各个主机的前缀。这个子网前缀是一个邻接的归纳。当要转发某个数据包到某个具体主机时,邻接数据库使用这个被归纳的邻接。
转出邻接 当遇到某些作特殊处理的功能或CEF不支持的功能时,路由器将采用更高级别的交换方法处理数据包。
丢弃邻接 数据包被丢弃。这种邻接类型仅仅在Cisco12000系列路由器上出现。
释放邻接 数据包被释放,但是前缀仍然有效。
没有被分解的邻接 当链路层头标信息被附加到数据包上时,FIB需要头标指出下一跳的地址。如果FIB表中建立了一个邻接,但是并没有找到第二层的寻址信息,比如没有通过ARP发现第二层的寻址信息,这个邻接就被认为是不完整的。这个数据包就会交给路由模块处理,邻接关系由ARP来决定。

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类型的显示是“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转发过程
CEF的两个表:

3层包从TCAM开始查找;进行最长匹配,得到邻居信息,改写原有二层数据帧(下一跳MAC地址)并转发。
CEF表是从路由表得来,邻居表是使用ARP解析得来的。

CEF多层交换的过程:

左侧MAC-M(MAC地址)是SW。右侧的MAC-M是SW。
如果目的IP地址的MAC不在邻居表内,则SW将使用ARP进行解析,以得到目的地址的MAC地址。

ARP Throttling(ARP抑制):在未获得目的MAC地址并且进行ARP解析时,除非ARP解析完成并且在邻居表体现出来外,在解析期间,所有发往目的主机的包,将被丢弃,这就是ARP抑制。

FIB最多支持6个到达同一目的的邻居条目。

 

3.CEF操作模式
CEF有两种模式:集中式和分布式。( 可以通过其中的任意一种来启用CEF,同一时刻用户只能使用其一种模式。)

集中式CEF模式 当启用集中CEF模式时,CEF的FIB和邻接表驻留在路由处理器中,路由处理器来执行快速转发,如图。对于CEF交换来说,当线路卡不可用时,或者需要使用的功能与分散CEF交换不兼容时,就可以使用集中CEF模式。

分布式CEF模式 当启用分布式CEF(dCEF)时,线路卡(例如VIP线路卡或者GSR线路卡)维护着一个与FIB和邻接表相同的拷贝。线路卡在端口适配器之间执行快速转发,这样,在进行交换操作时就无须RSP的参与了。dCEF使用一个“内部过程通信”(Inter Process Communication,IPC)机制,在路由处理模块和线路卡上,保证FIB和邻接表的同步。如图

 

在Cisco12000系列路由器中,线路卡负责执行CEF交换。在其他路由器中,或许您使用的不是同一种类型的线路卡,有可能某个接口卡不支持CEF交换。当某个不支持CEF交换的线路卡收到数据包时,她将数据包转发给更高的交换层(比如路由处理模块)或者把数据包转发给下一跳处理。这种机制允许旧的接口模块和新的接口模块并存。

1.Cisco12000系列千兆交换路由器上只运行dCEF模式。
2.一个VIP卡上不允许同时运行分布式CEF交换和分布式快速交换。
3.Cisco7200系列路由器不支持分布式CEF交换。


附加的新功能 在配置集中模式CEF和分布模式CEF时,您还可以配置以下功能:
1>分布式CEF支持访问控制列表
2>分布式CEF支持帧中继包
3>分布式CEF支持数据包分片
4>支持基于每一个包或者每一个目标的负载均衡
5>支持网络计费,可以收集数据包的个数和字节数
6>分布式CEF支持跨隧道的交换

 

  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。

  

五、 支持CEF的硬件平台


Cisco首先在高端路由器平台实现CEF,此后,Catalyst交换机也支持CEF的转发,但是还存在一些差别,但均提供如下特性:
1. 基于“最长地址匹配”查找的高速转发
2. 等价路径的负载均衡
3. 逆向路径转发检查(RPF)
4. 不详路由的无效

有些CEF特性仅在路由器上实现
1. 关闭基于CEF的转发能力
2. 每个前缀和每个前缀长度的CEF统计
3. 从负载共享路径统计数据
4. 基于每个分组的负载均衡

当您在网络中使用CEF时,请先考虑以下项目:
加载当前完整的Internet路由信息的平台所需的最小内存(推荐):
  - 集中路由模块上需要128MB
  - 每个线路卡上需要64MB
CEF不能在一个线路卡上和VIP-分布式快速交换同时运行。

缺省情况下,如果Cisco IOS软件在交换数据报时遇到CEF不支持的功能和封装类型,它将采用其他交换方法(如最优交换、快速交换、过程交换)。

当前CEF不支持以下功能:
- 策略路由
- 网络地址翻译(NAT)
- 路由交换模块上的访问控制列表
- 多点PPP封装
- SMDS
- 令牌环
- ATM
- ISL封装
 
以下平台支持CEF功能:
Cisco7000系列路由器(需要装备RSP7000)
Cisco7200系列
Cisco7500系列
Cisco12000系列

第二代接口模块(VIP2-20、VIP2-40、VIP2-50)支持CEF。

在不同的路由器平台上,硬件对CEF的支持可能会有所不同,这要由路由器中安装的路由模块和其他硬件所决定。例如在Cisco12000系列路由器上,所有的线路卡都支持CEF交换;在Cisco7500系列路由器上,要实现CEF交换,需要有RSP模块和VIP线路卡的支持。每个接口卡用自己的引擎独立地运行CEF去转发数据包,并且都独自拥有一个对FIB表的拷贝。每个接口卡独立的去交换数据包,减轻了中心路由处理模块的负担。

 

六、CEF应用


1.启用或禁止CEF 
CEF:
如果用户的Cisco路由器中有接口处理器支持CEF时,就可以启用CEF。
为了启用或禁用CEF,可以在
全局配置模式下利用下面的命令进行配置。

启用标准CEF模式 ip cef 
禁用标准CEF模式 no ip cef 


2.启用或禁止dCEF 
dCEF:
当线路卡执行快速转发时,则启用dCEF,这样,路由处理模块就可以处理路由协议或者负责交换从旧的接口模块(不支持CEF交换的模块)过来的数据包。
在Cisco12000系列路由器上,dCEF模式是缺省启用的。
所以启用dCEF的命令(ip cef switch)在Cisco12000系列路由器上是没有意义的,在配置清单上也不会列出dCEF模式被启用。

为了启用或禁止dCEF操作,可以在全局配置模式下利用下面的命令进行配置。
启用dCEF模式 ip cef distributed 
禁用dCEF模式 no ip cef distributed 

---- 当用户按全局模式启用CEF或dCEF时,所有支持CEF的接口都被默认地启用了。 


3.在特定的接口上启用或禁止CEF/ dCEF 
有时候,在某个接口配置了一项功能,而CEF或dCEF并不支持该功能,这时您就可能需要在这个特定的接口上禁止CEF或dCEF。例如,策略路由和CEF就不能一起使用。您可能想让一个接口支持策略路由,而让其他的接口支持CEF。在这种情况下,可以按全局模式启用CEF,而在那个打算配置策略路由的接口上禁用CEF。这样,除了那一个接口外,在其他所有接口上都启用了快速转发。

在某个接口上禁用CEF或dCEF,可以在接口配置模式: no ip route-cache cef
尔后又想重新启用CEF,在接口配置模式下,可以使用: ip route-cache cef

在Cisco12000系列路由器上,您不可以在某个接口上禁用dCEF模式。

 

4.为CEF配置负载均衡功能

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

基于目的地的负载均衡允许路由器将使用多条路径来均衡负载。对于某一源/目标主机,数据包转发采用同一路径,即使有多个路径可用,也将这样处理。对于到达不同目的地的数据包则可以采用不同的路径。

当启用CEF时,基于目的地的负载均衡功能缺省被启用。大多数情况下,都采用这种负载均衡方法。因为基于目的地的负载均衡是依赖于对数据流的统计来分布信息的,所以随着“源/目的地对”个数的增加,负载均衡会变得更加有效。

---- 由于启用CEF后,也就默认启用了按目的地进行负载均衡功能,为了利用按目的地进行负载均衡的功能,用户就不需要再执行任何其他操作了。 

---- 为了禁止按目的地进行负载均衡的功能,在接口配置模式下,利用下面的命令进行:
 
---- no ip load-sharing per-destination 

2.按数据包配置负载平衡
当启用基于数据包的负载均衡功能时,必须先禁用基于目的地的负载均衡功能。为了禁用基于目的地的负载均衡功能,可以在接口配置模式下,
no ip load-sharing per-destination
使用基于数据包的负载均衡,路由器可以在路径上连续发送数据包,而不用考虑具体的主机或用户情况。这种负载均衡机制采用轮转办法来确定每个数据包采用哪条路径到达目的地。基于数据包的负载均衡可以保证在多条链路上进行负载均衡。

要启用基于数据包的负载均衡功能,可以在接口配置模式下,
ip load-sharing per-packet

 

5.为CEF配置网络记账功能 
      用户可能需要收集统计信息,以便更好地理解和使用网络中的CEF模式的功能。例如可能想收集这样的信息: 交换到某个目的地的数据包的个数和字节数,或者通过某个目的地交换的数据包的个数。为了给CEF收集网络记账信息,可以在全局配置模式中,利用下面的命令进行。 

(1) 开始收集被快速转发到某个目的地的数据包个数和字节数 命令如下: 
---- ip cef accounting per-prefix 

(2) 开始收集通过某个目的地被快速转发的数据包的个数 命令如下: 
---- ip cef accounting non-recursive 

     当用户为CEF启用网络记账功能后,就在相应的路由处理器中收集记账信息。当用户为dCEF启用网络记账功能时,就在线路卡上收集信息。 

     用户可以查看被收集的记账信息。为此在EXEC模式下,使用下面的命令进行: 
---- show ip cef 

     记账信息中详细描述了路由器转发数据包的情况,可以由此了解路由器的负载情况,从而决定如何优化路由器的配置,最大限度地发挥路由器的性能。

 

 

七、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,网络记账等功能。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。