Często słyszy się sformułowanie „packet switching” w kontekście przekazywania pakietów przez routery. Obecność słowa „switching” może być tu trochę myląca – w zasadzie chodzi o proces przenoszenia pakietu z interfejsu wejściowego na wyjściowy i to zarówno w routerach jak i przełącznikach. Pierwsze implementacje tego procesu nie należały do najefektywniejszych i to stało się motywem dla stworzenia CEF – Cisco Express Forwarding.
W tym artykule wspomnę tylko przelotem o poprzednikach tej technologii, skupię się natomiast głównie na CEF i na wyjaśnieniu w jaki sposób on działa. Wspomnę również o koncepcji polaryzacji, oraz o tym, jak uniknąć problemu polaryzacji.
Rodzaje przełączania
W urządzeniach Cisco mamy do czynienia z trzema typami przełączania:
- process switching
- fast switching (nazywany również demand-based switching lub route caching)
- CEF (topology-based switching)
Część z nich nie jest już wykorzystywana w nowszych urządzeniach, ale może być spotykana w starszych także warto znać je wszystkie.
a) process switching
W przypadku process switchingu, każdy pakiet przechodzi przez control plane i angażuje CPU. Można podejrzeć proces angażowania CPU w przeglądanie tablicy routingu – jest to proces zwany IP Input (można sprawdzić komendą show processes cpu) – a dokładniej proces 87 (show processes 87).
b) fast switching
Fast switching usprawnia ten proces poprzez dodanie pamięci cache w data plane. Tylko pierwszy pakiet z danego przepływu jest routowany przez CPU – wtedy też jest generowana właściwa informacja w cache. Każdy następny pakiet z tego przepływu nie opuszcza już data plane – jest routowany na podstawie informacji w cache. Nadal jednak ruch SNMP, Telnet, SSH czy też debugowanie muszą być procesowane przez CPU.
Architektura CEF
W przypadku CEF mamy do czynienia z dodatkowymi strukturami w data plane: FIB oraz Adjacency table. FIB jest uproszczoną kopią RIB (Routing Information Base, czyli tablica routingu). Można również powiedzieć, że jest to tzw. shadow copy, co dość dobrze oddaje charakter FIB – jest to wszakże uproszczona wersja RIB, nie zawierająca informacji dotyczących protokołów routingu. Adjacency Table jest z kolei wypełniane z użyciem tabel warstwy drugiej, takich jak ARP Table czy Frame-Relay Mapping Table. W przypadku routerów MPLS, które używają etykiet (labels) mówimy odpowiednio o LIB (odpowiednik RIB) oraz LFIB (odpowiednik FIB). Na przełącznikach wielowarstwowych CEF jest domyślnie włączony i działa w tle. CEF ponadto jest odpowiedzialny za wypełnianie pamięci TCAM.
Przypadki, w których CEF nie procesuje pakietów:
- pakiety, w których następuje manipulacja opcjami w nagłówku IP
- wygasający TTL
- pakiety, które powinny zostać wysłane przez interfejs tunelowy
- pakiety przekraczające MTU (muszą podlegać fragmentacji)
- pakiety które muszą być przekierowane za pomocą IGMP
- CDP
- pakiety wymagające szyfrowania
- ruch związany z protokołami routingu
- zapytania ARP
- generalnie pakiety wymagające zaangażowania CPU routera
Komendy związane z działaniem CEF (mogą się różnić w zależności od platformy):
- aby włączyć CEF globalnie:
(config)#ip cef- aby włączyć CEF na interfejsie:
(config-if)#ip route-cache cef- aby sprawdzić czy CEF jest włączony na interfejsie:
show ip interface gi0/0 | include CEF
FIB
Komendy związane z FIB:
- show ip cef summary – zawiera informację o ilości prefiksów w FIB
- show ip cef – wyświetla FIB
- Aby obejrzeć szczegółowy wpis w FIB dla konkretnego hosta – show ip cef 8.8.8.8 255.255.255.255 internal
Wartości które możemy spotkać w kolumnie „Next Hop”:
- attached – wskazuje na sieć która jest podłączona bezpośrednio do urządzenia i interfejs wyjściowy – ruch ten zostanie przekazany do dalszego procesowania w adjacency table
- receive – przekazanie do CPU w celu dalszego procesowania, w tym przypadku prefixami mogą być przykładowo adres IP na interfejsie routera, adres sieciowy i broadcastowy danej sieci
- no route – nie ma informacji o trasie, np przy 0.0.0.0/0 w przypadku braku trasy domyślnej
- drop – prefixy dla których ruch ma być odrzucany
- adres IP – podany adres jest next hop IP a wpis dotyczy sieci zdalnej
Adjacency Table
Komendy związane z Adjacency Table:
- show adjacency summary – zawiera informację o ilości zbieżności w tabeli
- show adjacency gi0/0 – pokazuje zbieżności na wskazanym interfejsie – lista IP w odległości jednego skoku na danym interfejsie
- show adjacency detail – wyświetla szczegóły zbieżności dotyczącej konkretnego adresu IP. W rezultacie tej komendy można znaleźć kompletną informację potrzebną do skonstruowania nagłówka L2, przykładowo:
000EA6A8CAD6ACF2E5F8E5F00800
MAC docelowy MAC źródłowy typ protokołu L3 (0800=IP)
W Adjacency Table znajdziemy różne specjalne rodzaje zbieżności:
- null – czyli bit bucket, odrzucanie pakietów
- glean – używany gdy FIB posiada wpis dla danej sieci a nie dla konkretnego hosta – w takiej sytuacji prefix sieciowy w FIB wskazuje na glean adjacency (rodzaj kolektora dla bardziej szczegółowych wpisów dotyczących poszczególnych hostów) – musi zostać zaangażowany CPU – np. zrobiony ARP dla danego adresu docelowego w celu wygenerowania pełnej zbieżności dla hosta
- punt – pakiety, które nie mogą być procesowane przez CEF trafiają w punt adjacency i są wysyłane do procesu routingu (czyli wpisy receive w FIB wskazują na punt adjacency)
- discard – odrzucanie pakietów związanych np z procesowaniem ACL (musi zostać wygenerowany log)
- drop – odrzucanie pakietów do nieznanych adresów docelowych (bez generowania loga)
Koncepcja polaryzacji
Mając kilka różnych ścieżek o tym samym koszcie Equal-Cost Multi-Path (ECMP), CEF może obrać tylko jedną z nich, pozostawiając pozostałe nieużyte (w przypadku loadbalancingu per-destination). Jest to tzw. problem polaryzacji.
W przypadku loadbalancingu per-packet ten problem nie występuje, jednakże dobrą praktyką jest używanie loadbalancingu per-destination.
