目錄
1、交換芯片架構............................................................................................................. 2
2、L2轉發流程............................................................................................................... 3
2.1 L2轉發原理........................................................................................................ 3
2.2 L2轉發相關的表項............................................................................................. 5
2.2.1 port表..................................................................................................... 5
2.2.2 egress port表.......................................................................................... 6
2.2.3 L2地址表................................................................................................. 6
2.2.4 VLAN表................................................................................................... 7
3、L3轉發流程............................................................................................................... 8
4、L2組播轉發流程...................................................................................................... 10
5、L3組播轉發流程...................................................................................................... 10
6、流分類處理流程....................................................................................................... 13
本文以broadcom56504/56300交換芯片為重點，介紹一下交換芯片的工作原理。
1、交換芯片架構
交換芯片由GE/XE接口（MAC/PHY）模塊、CPU接口模塊、輸入輸出匹配/修改模塊、MMU模塊、L2轉發模塊、L3轉發模塊、安全模塊、流分類模塊等模塊組成，其結構如圖1所示：
圖1 交換芯片的組成
56504包含24個GE端口，4個10G端口，10G端口既可以用於堆疊，也可以用於上聯/級聯。
56504交換芯片與CPU的接口稱為CMIC接口。交換芯片與CPU通過PCI總線連接。其他類型交換芯片與CPU的接口可以是：SPI+MII、I2C+MII、系統總線+MII、SMI+MII等。交換芯片的包處理流程如圖2所示：
圖2 交換芯片的包處理流程簡圖
包由端口進入交換芯片之后，首先進行包頭字段匹配，為流分類做准備；然后經過一個安全引擎進行包過濾；符合安全的包進行L2交換或者L3路由，並經過流分類處理器對匹配的包做相關動作（比如丟棄、限速、修改VLAN等）；對於可以轉發的包根據802.1P或DSCP放到不同隊列的buffer中，調度器根據優先級或者WRR等算法進行隊列調度，在端口發出該包之前執行流分類修改動作，最終從相應端口發送出去。
2、L2轉發流程
2.1 L2轉發原理
對於交換芯片來說，L2轉發是一個最基本的功能。L2功能主要包括ingress過濾、MAC學習和老化、根據MAC+VLAN轉發、廣播與洪泛、生成樹控制等基本功能。
L2轉發的具體流程如圖3所示：
圖3 L2轉發流程
從端口進入交換芯片的包首先檢查TAG，對於tagged包，判斷是否是802.1p的包，（802.1p的包vid為0），對於untagged的包和802.1p的包，根據系統配置加上tag（這些配置包括：基於MAC的vlan、基於子網的vlan、基於協議的vlan和基於端口的vlan）。經過這一步以后，到交換芯片內部的包都變成802.1Q的tagged包了（vid為1－4094，4095保留），如果設置了ingress過濾，就會檢查本端口是否在該vid對應的VLAN中，對於本端口不在該vid對應的VLAN中的包就丟棄。對於沒有設置ingress過濾，或者設置ingress過濾但本端口在該vid對應的VLAN中的包進行STP端口狀態檢查，對於BPDU(網橋協議數據單元)以外的包，只有端口處於forwarding狀態，才允許包進入。然后進行原MAC地址檢查，以原MAC＋VID的哈希為索引查找L2 TABLE，如果沒有找到，就把這個表項（原MAC＋VID）以及對應的端口寫到L2 TABLE中，這個過程稱為MAC地址學習。當然地址學習的方法有很多種，可以是硬件學習，也可以是軟件學習，可以根據PORT表中的CMI字段的配置來進行。
下一步進行目的MAC地址檢查：目的MAC地址為廣播地址（0xffffffff）的包，在vlan內廣播出去；目的MAC地址為組播地址的包，進行組播流程的處理；對於單播包，查找L2 TABLE，如果沒有找到，就在vlan內進行洪泛；如果找到，檢查表項中的L3 bit是否設置，如果設置了L3 bit，就進行L3流程的轉發；否則就轉發到L2 TABLE表項中的端口去，在egress方向，也有egress過濾設置（默認是使能的），如果egress端口不在vlan中也是不能轉發的。至此，L2轉發流程完成了。
與地址學習相反的過程是地址老化。地址老化的機制是：ASIC內部有個定時器，稱為age timer，命令行可以對這個寄存器進行設置，每次查找L2 TABLE時（包括原地址查找和目的地址查找，可以配置），如果命中，就會設置hit標志。當老化時間到后，ASIC把hit標志清除，當下一個老化時間到后，ASIC把hit為0的地址設置為無效，這就是為什么實際地址老化的時間為1～2倍agingTime的原因。
2.2 L2轉發相關的表項
2.2.1 port表
圖4 port表
Port表是一個非常重要的表，有很多與端口相關的控制都在這里設置。每個端口對應一個表項，按端口號進行索引。下面介紹一下重要的設置：
1) PVID：設置PORT_VID
2) 缺省優先級：設置PORT_PRI
3) 流分類使能：設置FILTER_ENABLE
4) VLAN轉換使能：設置VT_ENABLE和VT_MISS_DROP
5) Ingress過濾使能：設置EN_IFILTER
6) 信任COS還是信任DSCP：對於IPV4：TRUST_DSCP_V4=0:信任COS；TRUST_DSCP_V4=1:信任DSCP，對於IPV6：同樣設置TRUST_DSCP_V6。
7) Ingress方向mirror使能：設置MIRROR
8) MAC地址學習方式：設置CML
9) IP組播是否使用VLAN信息：設置IPMC_DO_VLAN
10) L3轉發使能：設置V4L3_ENABLE和V6L3_ENABLE
11) 是否丟棄BPDU：設置DROP_BPDU
12) 控制是否轉發帶tag和不帶tag的包：設置PORT_DIS_TAG和PORT_DIS_UNTAG
13) Pause幀控制：設置PASS_CONTROL_FRAMES
14) 基於子網的VLAN使能：設置SUBNET_BASED_VID_ENABLE
15) 基於MAC的VLAN使能：設置MAC_BASED_VID_ENABLE
16) 設置堆疊口：HIGIG_PACKET
17) 設置NNI口：NNI_PORT
18) 修改優先級使能：MAP_TAG_PACKET_PRIORITY
19) 堆疊口modid設置：MY_MODID
20) Out tpid設置：OUTER_TPID
21) 基於MAC和基於子網的VLAN優先級設置：VLAN_PRECEDENCE
22) 是否允許單臂橋功能：PORT_BRIDGE
23) IP組播位圖設置：IGNORE_IPMC_L2_BITMAP和IGNORE_IPMC_L3_BITMAP
2.2.2 egress port表
圖5 egress port表
EGR_PORT是一組寄存器，每個端口一個，用於EGRESS方向的控制，有幾個重要設置介紹如下：
1) 設置egress端口類型：PORT_TYPE＝0，UNI端口；PORT_TYPE＝1，NNI端口 (用戶側接口和網絡側接口, UNI就是面向客戶側，NNI面向網絡側。對PTN來說，UNI就是客戶過來的業務，沒有打上PW/LSP等標簽；NNI則打上PW和LSP標簽內容)
2) 設置egress過濾：EN_EFILTER＝1
2.2.3 L2地址表
圖6 L2地址表
56504的L2地址表大小為16K，5630X的L2地址表大小為8K，地址表使用MAC+VID的hash值作為索引查表。實際上56504的L2地址表hash值為4K，每個hash值對應4條地址，這樣最多可以保存4條hash沖突的地址。地址表中每個表項都保存了MAC_ADDR和VLAN_ID。MAC學習的時候使用原MAC+VID的hash查表，把表中的MAC+VID與包中的MAC+VID進行比較，如果完全相等，表示找到了。然后看端口（TGID_PORT）是否相等，如果不相等表示地址發生了遷移，對於動態學習的地址需要更新port；如果相等表示命中，更新hit標志。其他幾個重要的功能介紹如下：
1) 設置靜態地址：STATIC_BIT＝1
2) 設置L3轉發標志：L3＝1
3) 設置本地址的包都轉發到CPU去：CPU=1
4) 設置本地址匹配的包丟棄：SRC_DISCARD=1、DST_DISCARD=1
5) 設置本地址匹配的包對某些端口阻塞：MAC_BLOCK_INDEX
6) 設置本地址匹配的包鏡像：MIRROR＝1
7) 設置組播索引：L2MC_PTR
8) 地址有效標志：VALID＝1
2.2.4 VLAN表
Vlan表分為ingress和egress兩個部分，分別對應入口控制和出口控制。
圖7 ingress vlan表
Ingress Vlan表中主要包含了端口列表，用於ingress filter功能。PFM是用於控制組播洪泛的開關。PFM＝0，組播在vlan內洪泛；PFM＝1，注冊的組播按組播表轉發，未注冊的組播在vlan內洪泛；PFM＝2，注冊的組播按組播表轉發，未注冊的組播丟棄。STG用於標識本vlan所屬的生成樹組。
圖8 egress vlan表
Egress vlan表中除了PFM和STG外，還包含了出口方向的端口位圖，以及哪些端口以untag的方式發送本vlan的包。
3、L3轉發流程
圖9 L3轉發流程
如果查目的MAC地址表的時候發現L3bit置位了，就進入到L3轉發流程。與L2交換相比，L3交換可以實現跨VLAN轉發，而且它的轉發依據不是根據目的MAC地址，而是根據目的IP。L3轉發的流程是：首先對L3頭部進行校驗，校驗和錯的包直接丟棄；然后進行原IP地址查找，如果主機路由表中沒有找到，會上報給CPU，CPU會進行相應的處理，並更新接口表；下一步進行目的IP地址查找，如果主機路由表中沒有找到，就會在子網路由表中進行查找，在子網路由表中進行最長子網匹配的查找算法，如果在子網路由表中還沒有找到，也送給CPU進行處理，如果在主機路由表或子網路由表中找到了，就會得到下一跳的指針。如果ECMP使能的話，會得到ECMP的指針和ECMP的個數，從而根據hash算法得到一個下一跳指針。下一條表項中包含了下一跳的MAC地址和接口表的索引。在包轉發出去的時候，用下一跳的MAC地址替換掉包的目的MAC地址。用接口表中的MAC地址和VLAN替換掉包的原MAC地址和VLAN。
與L3有關的幾個重要的表：
圖10 L3單播主機路由表
圖11 L3子網路由表
圖12 ECMP表
圖13 EGRESS 下一跳表
圖14 接口表
圖15 INGRESS 下一跳表
4、L2組播轉發流程
在L2轉發流程中，查找目的MAC＋VID的時候，如果表項的目的MAC是一個組播地址，該表項有一個組播指針指向組播表，組播表中有一個端口位圖，表示哪些端口屬於該組播組。組播組中的端口位圖與VLAN中的端口位圖相與的結果是實際轉發的端口位圖。靜態配置的或協議動態添加的組播地址通過SSP寫到MAC地址表中，組播成員通過SSP寫到組播表中。L2組播表的結構如下：
圖16 L2組播表
5、L3組播轉發流程
L3組播支持有源樹和共享樹。所謂有源樹是指根據源IP地址和組地址來確定一個組播組，而共享樹是指僅根據組地址來確定一個組播組。芯片也支持反向路徑檢查（Reverse Path Forwarding check），所謂反向路徑檢查是指通過檢查源IP地址確定源端口，從而不要向源端口轉發的技術。
L3組播的轉發流程是，先查L2表，對於組播地址而且是L3 bit置位的，查L3表。L3表給出IPMC_INDEX。根據這個索引查L3_IPMC表，L3_IPMC表給出L2_BITMAP和L3_BITMAP。對於L2_BITMAP，按照L2組播流程轉發；對於L3_BITMAP，根據IPMC_INDEX和BITMAP得到IPMC_GROUP的VLAN_INDEX，最后根據VLAN_INDEX查找IPMC_VLAN表，IPMC_VLAN表包含了VLAN的位圖，芯片在進行L3組播的時候，對VLAN的位圖中的每個成員進行組播復制。
圖17 L3組播表
圖18 L3組播復制
L3單播和組播的轉發流程綜合起來，如下圖所示：
圖19 L3單播和組播的轉發流程
IPMC轉發相關的表的結構如下：
圖20 L3 TABLE
L3 TABLE表項大小8K（5650X）/2K（5630X）。
圖21 IPMC TABLE
IPMC TABLE表項大小1K。
圖22 IPMC _GROUP TABLE
IPMC _GROUP TABLE表項大小1K。
圖23 IPMC _VLAN TABLE
IPMC _VLAN TABLE表項大小2K。
6、流分類處理流程
在5650X/5630X中，流分類是通過CFP實現的，CFP是ContentAware Filter Processor的縮寫。所謂ContentAware就是對packet的內容進行智能匹配的技術。5650X/5630X中的流分類分為5個階段，流程如圖：
圖24 CFP流程
這5個部分分別是智能協議識別選擇器、CAM查找引擎、策略引擎、meter和統計引擎、動作裁決引擎。在ingress端口，智能協議識別選擇器對進來的包的前128bit按照協議字段進行選擇和標記，CAM查找引擎按照用戶給的key匹配協議選擇器的內容，如果找到了，就執行策略引擎的動作，並可以實驗meter和統計引擎進行限速、標記顏色和統計。5650X有16個CAM查找引擎，5630X有8個CAM查找引擎，它們可以並行執行，執行的動作如果有沖突的話，由動作裁決引擎進行裁決。
與協議內容識別選擇器有關的表是：
圖25 協議內容識別選擇器
圖26 FP_TCAM表
下面這個是策略引擎表項：
圖27 FP_TCAM_PLUS_POLICY表
下面這個是meter表和counter表：
圖28 FP_METER表
圖29 FP_COUNTER表
動作裁決的優先級如下：
1. DROP
2. Else REPLACE
3. Else REDIRECT
4. Then EGRESSMASK
5. Then COPY_TO_CPU