华为交换机CPU占用率高原因判断和解决方法(一)
1、CPU任务和CPU占用率简介
华为交换机启动后，系统CPU持续运行以下任务：维护和管理设备状态的系统任务；当前网络环境需要运行的各种协议任务；从设备转发面接收和发送报文的处理任务。
在框式交换机上，根据硬件架构划分有如下角色：
机框、背板、电源/风扇、主控板、业务板；其中主控板、业务板上有CPU。
华为交换机运行时，主控板需要占用CPU资源的特性功能包括：
管理设备组件：管理设备内各组件并检查其运行状态，如板卡、电源、风扇等；管理堆叠系统：管理和维护堆叠系统内成员交换机状态；
管理外部访问：处理上送CPU的网络管理流量，如Telnet、SSH、HTTP和SNMP等；
管理配置的网络控制协议：发送和接收协议报文、进行协议运算、更新转发表(如MSTP、MAC、FIB表等)，网络控制协议包括STP、LLDP、LNP、LACP、VCMP、DLDP、EFM、GVRP、VRRP、各路由协议等；
辅助学习MAC：堆叠系统成员交换机间同步MAC；
软转发报文：如L2PT软转发L2协议报文；学习和老化ARP表项； 处理上送CPU的所有其他报文。
集群管理系统：管理和维护集群系统内成员交换机状态。
业务板CPU主要处理如下几类任务：
设备上的OS任务；维护和管理本单板状态的系统任务；分布到业务板运行的协议任务：如LACP在业务板上分布式收发报文等；维持转发表下发和同步的任务：如单板间同步MAC等。
在任何时刻，设备的CPU上都可能有很多活跃的任务，如S5700LI、S9300就有超过200个任务，该数值与交换机形态相关，通常设备支持的特性越多，系统运行的任务也越多。
由于系统一直处于运行状态，即使设备无任何业务配置和网络流量，其CPU占用率也不可能为0%。
在堆叠系统中，由于需要定时维护堆叠成员状态，并且系统大部分业务主要运行在堆叠主交换机上，因此堆叠主交换机的CPU占用率比单台设备运行时的CPU占用率高；堆叠成员交换机数量增多时，堆叠主交换机的CPU占用率也会相应升高。
当设备转发面上送CPU的报文速率过快(如因网络环路导致CPU短时间内收到大量报文)或者某任务长时间占用CPU时，CPU将高负荷运行，可能无法及时调度其他任务，进而引发业务异常。
设备提供了display cpu-usage命令查看当前CPU占用率情况，显示包括最近5秒钟、最近1分钟、最近5分钟的CPU平均占用率及历史最高CPU占用率和发生时刻，同时还由高到低列出了系统当前各任务在最近5秒钟内的CPU占用率情况。
通常情况下，普通数据报文转发由交换机硬件完成，无需CPU参与，因此CPU占用率高通常并不影响数据转发。
2、CPU报文处理原理
华为交换机由硬件(芯片)转发普通数据报文，无需CPU参与。以下场景会将报文发送给CPU处理：
1、需要交换机终结的协议报文，所有目的地址为本机的报文均需要上送CPU处理：各种协议控制报文，如STP、LLDP、LNP、LACP、VCMP、DLDP、EFM、GVRP、VRRP等；路由更新报文，如RIP、OSPF、BGP、IS-IS等；SNMP、Telnet、SSH报文；ARP、ND回应报文。
2、需要特殊处理的数据报文：带option选项的ICMP报文；带hop-by-hop选项的IPv6报文；TTL小于或等于1的IPv4/IPv6报文；目的IP地址为本机的报文；ARP/ND/FIB Miss报文。
3、基于ACL的特性：开启logging功能后，通过ACL deny动作丢弃的报文；流策略重定向到CPU的报文。
4、组播特性：PIM、IGMP、MLD、MSDP协议报文；未知IP组播流。
5：其他特性：DHCP协议报文；ARP、ND广播请求报文，二层交换机配置动态ARP检测DAI(Dynamic ARP Inspection)时也发送ARP报文；L2PT软转发的L2协议报文(仅Tunnel两端的设备为软转发，中间设备使用硬件转发)；N:1 VLAN mapping第一个报文上送CPU，后续报文使用硬件转发。
华为盒式交换机采用QoS机制处理上送CPU的报文，确保重要报文优先处理。盒式交换机将上送CPU的不同类型的报文划分到优先级不同的8个队列，不同交换机款型支持上送CPU的报文种类可能不同。
图1 将不同类型报文分发到CPU队列
以盒式交换机S5700LI形态为例，部分典型报文上送CPU的队列划分如下表1和上图1所示，队列ID值越大，优先级越高。
图1 框式交换机上报文的上送限速
如上图1所示，框式交换机报文最终送到主控板的CPU可能经过多次限速，包括：转发芯片的限速、交换网芯片的限速。多次限速逐层形成防护墙，保证主控板CPU的安全。
图2 框式交换机上送CPU报文的限速分类
如上图2所示，框式交换机每个芯片/逻辑的限速主要分为三类：基于协议的限速、基于队列的限速、基于端口的所有报文统一限速。如下以V200R007版本S9300非X1E系列的业务板为例，介绍CPU限速等的缺省情况(其他款型、其他版本可以通过命令display cpu-defend configuration all查看)。
表1 S9300上基于协议的限速值
交换机根据报文的层次(管理/控制/转发)及其重要性来指定将报文发送到哪个CPU队列。CPU队列具有相对优先级。例如，Telnet管理报文和dhcp-client协议报文同时排队，CPU将优先处理5号队列的Telnet管理报文，通过该机制确保CPU高负荷下设备稳定可管理。同时，CPU还通过加权调度机制防止低优先级队列的报文得不到处理。在稳定的网络环境下，上送CPU的报文数量控制在适当的范围内，CPU占用率也稳定在一个合理的区间。如果一段时间内上送CPU的报文数量过大，则CPU会因为忙于处理这些报文而表现为CPU占用率过高。
