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三層交換機處理器收發(fā)包相關(guān)問題分析

云知道

在當(dāng)前的三層以太網(wǎng)交換設(shè)備中，報文的二層交換和三層路由主要由交換芯片和網(wǎng)絡(luò)處理器完成，CPU基本上不參與交換和路由過程，主要完成治理和控制交換芯片的功能[1] 。
在這種情況下，CPU的負(fù)載主要來自以下幾個方面：協(xié)議的定時驅(qū)動、用戶的配置驅(qū)動、外部事件的驅(qū)動 。其中，外部事件的驅(qū)動最為隨機，無法預(yù)料 。典型的外部事件包括端口的連接/斷開(Up/Down)，媒體訪問控制(MAC)地址消息的上報(包括學(xué)習(xí)、老化、遷移等)，CPU通過直接存儲器存取(DMA)收到包，CPU通過DMA發(fā)包等 。
在以上所列的外部事件中，又以CPU通過DMA收到包之后的處理最為復(fù)雜 。因為數(shù)據(jù)包由低層上送到上層軟件時，各協(xié)議的處理動作千差萬別，可能會涉及到發(fā)包、端口操作、批量的表操作等 。所以，只有處理好CPU的收發(fā)包的相關(guān)問題，才能使相關(guān)的上層協(xié)議正常交互，從而使交換機穩(wěn)定、高效地運行 。
1 可能涉及到的問題
以下就CPU收發(fā)包可能涉及的各個方面分別說明 。
下面的分析都基于典型的CPU收發(fā)包機制：CPU端口分隊列，通過DMA接收，采用環(huán)形隊列等 。
1.1CPU的負(fù)載與收包節(jié)奏控制
根據(jù)交換機處理數(shù)據(jù)包的能力，決定單位時間上送到CPU的包的個數(shù)；決定了單位時間上送多少個包給CPU后，再考慮上送數(shù)據(jù)包的節(jié)奏 。
假設(shè)通過評估，確定了單位時間上送CPU數(shù)據(jù)包的上限，例如每秒x個數(shù)據(jù)包 。
圖1給出了兩種典型的處理手段：勻速上報CPU、突發(fā)(Burst)方式上報CPU，下面分別分析一下這兩種方式的優(yōu)劣：
(1)勻速上報CPU
數(shù)據(jù)包勻速上報CPU時，對CPU隊列的沖擊較小，而且對CPU隊列的緩沖能力要求不高，CPU隊列不必做得很大 。
(2)突發(fā)(Burst)方式上報CPU
交換芯片(采用ASIC)一側(cè)的硬件接收隊列和DMA內(nèi)存空間中的環(huán)形隊列，一起賦予了交換機一定的緩沖能力(針對上送CPU的數(shù)據(jù)包) 。利用這個緩沖能力，我們可以把控制周期適當(dāng)放長，并設(shè)定控制的粒度(單位控制周期內(nèi)CPU收報個數(shù)的上限)，采用類似于電路中負(fù)反饋的機制動態(tài)地使能和關(guān)閉CPU收包功能 。這樣就在宏觀上實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)包上送CPU速率的控制 。另外，假如交換芯片(采用ASIC)支持基于令牌桶算法的CPU端口出方向流量監(jiān)管或整形功能[2-3]，且監(jiān)管或整形的最小閾值可以滿足CPU限速的需要，則可以利用這個功能控制數(shù)據(jù)包上送CPU的節(jié)奏，減小CPU的負(fù)載 。這樣軟件的處理就簡化了很多 。
1.2CPU端口隊列的長度規(guī)劃
假如僅考慮交換機CPU端口的緩沖能力，CPU端口隊列當(dāng)然是越長越好，但是必須兼顧對其他功能以及性能的影響 。針對不同的ASIC芯片，需要具體問題具體分析 。
1.3零拷貝
零拷貝是指在整個數(shù)據(jù)包的處理過程中，使用指針做參數(shù)，不進行整個數(shù)據(jù)包的拷貝 。這樣可以大大提高CPU的處理效率 。
使用零拷貝后，會一定程度上降低軟件處理的靈活性，我們會面臨到這樣的問題：假如協(xié)議棧需要更改一個數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，會直接在接收緩存(buffer)上修改，但是假如需要在數(shù)據(jù)包中刪除或添加字段(例如添加或刪除一層標(biāo)簽(tag))，即數(shù)據(jù)包的長度需要變化時，應(yīng)該如何處理 。
添加或刪除字段，必然會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包頭一側(cè)或包尾一側(cè)的位置發(fā)生移動，假如包尾一側(cè)移動，問題比較簡單，只要數(shù)據(jù)包總長度不超過buffer邊界即可 。由于通常此類操作都靠近包頭的位置，假如包頭一側(cè)移動，效率會比較高，所以協(xié)議棧在處理時可能更傾向于在包頭一側(cè)移動，這時就需要驅(qū)動在分配buffer時做一些處理：
(1)接收數(shù)據(jù)包時，頭指針不能指向buffer邊界，需要向后偏移一定裕量，同時單個buffer的大小也必須兼顧到最大傳送單元(MTU)和該裕量 。

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