网络设备报文转发流程

苍雪明南

最常见的网络设备是路由器和交换机。

1、网络设备框架介绍
网络设备按照其规格可以分为两种,分别是框式设备和盒式设备。
框式设备的特点是:功能强大,有独立的模块。简单来说,可以分为以下模块:
主控板:main processing unit,MPU,用于控制平面,是大脑;
交换网板:switch fabric unit,SFU,用于内部数据交换,像分布全身的血管;
接口板:line processing unit,LPU,各种网口、光口的底座,是设备与外界数据交互的接口。
交换网板和接口板都有自己的管理芯片,与主控板共同组成整个设备的控制管理平面。

盒式设备:所有模块集成在一个盒子里,比如:1U的交换机。

2、网络设备对报文的处理流程
以交换网板为中心,可将报文在设备的行程一分为二,前半程称为“上行”,下半程称为“下行”。从接口进来往交换网板去的称为上行,从交换网板出来到接口出去的称为下行。
报文可以分为两类:一种是业务报文、一种是协议报文。对于业务报文设备只会进行转发,从一个接口进入之后依据转发表项从另外一个接口发送出去。而协议报文(如ARP、OSPF、BGP等协议的报文)设备在收到之后会交由控制层面进行处理,如ARP报文交由控制层面处理、判断之后决定是否回应,是否学习ARP报文中的源MAC、源IP。

2.1、业务报文转发处理流程
业务报文从接口进入上行接口板处理之后,通过框式交换机内部总线交由交换网板,交换网板交由下行接口板处理之后从接口发出去。
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当报文从接口板进入时,设备需要依据转发表项(IP路由表、mac地址表,二层转发使用mac地址表,三层转发使用三层路由表)确定报文的出接口(对于框式设备需要确定下行接口板)。报文到达交换网板时已经明确了出接口、下行接口板,因此表项查询需要在上行接口板的处理过程中完成。到了这里,对于出接口的确定,就有两个方法。其一是转发表项存放在主控板上,报文进入接口板后,接口板从主控板处查询表项。这样做带来的问题是每次转发都需要与主控板进行通信,转发效率低,报文时延增加,对高速率接口板而言,转发速率会严重下降。其二是转发表项存放在接口板上,报文进入接口板之后直接在接口板完成报文查询,报文转发效率高。这种方式带来的问题是所有接口板上都要存储转发表项,控制平面资源占用率高。
那么,实际情况是怎么选择的呢?
高端网络设备选择的是优化后的第二种方法。首先,报文不经过主控板CPU处理,由接口板提供转发信息查询。其次,接口板上存在的转发信息,并不是存放在主控板上的转发表项(IP路由表,mac地址表),而是主控板生成转发表项之后,生成对应的转发信息,再下发到接口板。
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2.2、协议报文转发处理流程
设备收到的协议报文,需要交由设备的控制平面处理,即上送主控板,由主控板的CPU处理。
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设备自身发送的协议报文,由主控板CPU构造之后交由接口板对外发送。
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