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三层以太网交换机CPU收发包相关问题分析

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摘要：三层以太网交换机发展迅速，一方面网络设备的带宽及交换容量大幅提升，另一方面设备所支持的协议种类也随着用户的需求不断增加 。如何在大业务量的网络环境下确保各设备之间协议包的正常交互，是以太网交换机设计面临的重要问题 。文章以基于ASIC的三层以太网交换机为例，从CPU负载、软硬件队列配置、CPU和交换芯片的通信机制等方面入手，讨论并分析在多进程环境中与CPU收发包功能相关的一些典型问题，得到解决办法 。解决方法对于网络处理器(NP)同样适用 。
在当前的三层以太网交换设备中，报文的二层交换和三层路由主要由交换芯片和网络处理器完成，CPU基本上不参与交换和路由过程，主要完成治理和控制交换芯片的功能[1] 。
在这种情况下，CPU的负载主要来自以下几个方面：协议的定时驱动、用户的配置驱动、外部事件的驱动 。其中，外部事件的驱动最为随机，无法预料 。典型的外部事件包括端口的连接/断开(Up/Down)，媒体访问控制(MAC)地址消息的上报(包括学习、老化、迁移等)，CPU通过直接存储器存取(DMA)收到包，CPU通过DMA发包等 。
在以上所列的外部事件中，又以CPU通过DMA收到包之后的处理最为复杂 。因为数据包由低层上送到上层软件时，各协议的处理动作千差万别，可能会涉及到发包、端口操作、批量的表操作等 。所以，只有处理好CPU的收发包的相关问题，才能使相关的上层协议正常交互，从而使交换机稳定、高效地运行 。
1 可能涉及到的问题
以下就CPU收发包可能涉及的各个方面分别说明 。
下面的分析都基于典型的CPU收发包机制：CPU端口分队列，通过DMA接收，采用环形队列等 。
1.1CPU的负载与收包节奏控制
根据交换机处理数据包的能力，决定单位时间上送到CPU的包的个数；决定了单位时间上送多少个包给CPU后，再考虑上送数据包的节奏 。
假设通过评估，确定了单位时间上送CPU数据包的上限，例如每秒x个数据包 。
两种典型的处理手段：匀速上报CPU、突发(Burst)方式上报CPU，下面分别分析一下这两种方式的优劣：
(1)匀速上报CPU
数据包匀速上报CPU时，对CPU队列的冲击较小，而且对CPU队列的缓冲能力要求不高，CPU队列不必做得很大 。
(2)突发(Burst)方式上报CPU
交换芯片(采用ASIC)一侧的硬件接收队列和DMA内存空间中的环形队列，一起赋予了交换机一定的缓冲能力(针对上送CPU的数据包) 。利用这个缓冲能力，我们可以把控制周期适当放长，并设定控制的粒度(单位控制周期内CPU收报个数的上限)，采用类似于电路中负反馈的机制动态地使能和关闭CPU收包功能 。这样就在宏观上实现了对数据包上送CPU速率的控制 。另外，假如交换芯片(采用ASIC)支持基于令牌桶算法的CPU端口出方向流量监管或整形功能[2-3]，且监管或整形的最小阈值可以满足CPU限速的需要，则可以利用这个功能控制数据包上送CPU的节奏，减小CPU的负载 。这样软件的处理就简化了很多 。
1.2CPU端口队列的长度规划
假如仅考虑交换机CPU端口的缓冲能力，CPU端口队列当然是越长越好，但是必须兼顾对其他功能以及性能的影响 。针对不同的ASIC芯片，需要具体问题具体分析 。
1.3零拷贝
零拷贝是指在整个数据包的处理过程中，使用指针做参数，不进行整个数据包的拷贝 。这样可以大大提高CPU的处理效率 。
使用零拷贝后，会一定程度上降低软件处理的灵活性，我们会面临到这样的问题：假如协议栈需要更改一个数据包的内容，会直接在接收缓存(buffer)上修改，但是假如需要在数据包中删除或添加字段(例如添加或删除一层标签(tag))，即数据包的长度需要变化时，应该如何处理 。

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