L3利用硬件加速數據包交換

2019-11-05 01:37:09

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供稿：網友

　　說起LAN的代表性網絡設備，首先就會想到LAN交換機和路由器。
　　
　　　　LAN交換機根據MAC地址，對MAC幀進行中繼。也就是說在Layer 2（L2）上工作。中繼對象則連接于同一個LAN區間。
　　
　　　　路由器根據ip地址中繼IP數據包，在Layer 3（L3）上工作。中繼對象可以位于遠程區域。路由器連續不斷地接收并轉發數據包，將其送達最終目的地。
　　
　　　　除這些產品，最近在辦公室中還出現了將一個新面孔。這就是Layer 3交換機（L3交換機）。L3交換機指同時具有LAN交換機和路由器功能的網絡設備（圖1）。由于價格較低，因此正在迅速普及。
　　
　　賣點是數據包的高速處理
　　

　　L3交換機的最大特點是中繼處理速度快。
　　
　　　　以前的路由器利用軟件處理數據包，但這樣做無法適應不斷提速的無線LAN。由于處理時間太長，因此只要一經過路由器，整個的傳輸速度就明顯比LAN的最大速度低得多。
　　
　　　　而L3交換機與路由器相比，在數據包處理方面具有絕對的速度優勢。實現數據包高速處理性能的要害在于“線速度”和“非阻塞”功能。
　　
　　　　線速度指在某種介質中傳輸時所能達到的最大位速率。假如能夠對以這種速度通過端口的數據包（或幀）進行無損處理，那么就可以說這種L3交換機（或LNA交換機）達到了線速度。
　　
　　　　非阻塞指即使在全部端口上都以線速度收發數據包，也不會產生數據包丟失的現象。也就是說非阻塞特性更難以實現。
　　
　　　　目前的L3交換機除了部分具有數百個端口的大型產品以外，都以具有非阻塞特性為賣點。
　　
　　根據具體用途提高速度
　　
　　　　那么，L3交換機是如何實現提速的呢？
　　
　　　　下面就在解釋數據包處理過程的同時，介紹提速的要害所在。
　　
　　　　在此之前，先簡單地看一下硬件結構（圖1的下圖）。作用最大的是“交換芯片”。通常稱之為“ASIC”。該芯片具有處理數據包的各種功能。數據包存儲器用于保存傳輸來的數據包（幀）本身。即“緩沖”。地址存儲器則用于保存路由表。
　　
　　　　那么，IP數據包進入L3交換機后，如何處理呢？交換芯片收到IP數據包以后，就將數據包保存到數據包存儲器（緩沖）中。其中的要害在于如何提高芯片間的傳輸速度。
　　
　　　　接著，交換芯片就只讀取數據包的信息頭，然后進行數據包的發送工作。開始時，為了尋找輸出端口，就要檢索路由表。
　　
　　　　在路由表中記錄有IP數據包的網絡編號，而輸出端口則以成對的方式記錄。從接收進來的IP數據包的目標IP地址中提取網絡編號部分，將其與路由表的內容進行比較，來確定輸出端口。
　　
　　　　提速的要害在于，如何高速地從路由表中檢索到實際的傳輸路徑。實現上，L3交換機是通過改進檢索算法和使用檢索專用芯片來提速的。
　　
　　　　其次是信息頭的重新生成。即進行“生存時間”（TTL）的減法和“檢驗和”的再運算。其中的要害在于如何盡快完成運算。具體而言，就是利用運算專用電路和并行運行等方法來提速。
　　
　　　　這些工作完成以后，就將數據包由輸出端口發送出去。這里，也需要提高芯片間的數據傳輸速度。
　　
　　　　總之，L3交換機利用硬件和算法方面的措施，提高了如下三個工作過程的速度：（1）數據的接收和發送；（2）路由表的檢索；（3）信息頭部分的重新生成。

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