本文档深入介绍了网络设备的硬件架构与逻辑结构以框式设备S12700E-8为例讲解了主控板、交换网板、接口板等核心模块的功能阐述了数据平面、控制平面、监控平面的分工协作机制并详细剖析了业务报文与协议报文在设备内部的转发处理流程。一、前言与学习目标网络的高速发展使得我们足不出户都能了解全球最新的资讯、随时和朋友与同事交流网络极大地丰富了人们的沟通和生活。未来将会是一个万物互联的智能世界。网络的搭建离不开网络设备、物理连接以及设备之间的多种协议。其中在实现网络互通时最常见的网络设备是路由器和交换机。如今在各种级别的网络中随处可见各种低、中、高端的路由器、交换机种类繁多。这些不同种类的设备内部是如何工作、处理数据报文的呢本课程将会以路由器、交换机为例学习网络设备的工作机制、报文转发流程。学习目标描述网络设备的逻辑结构描述网络设备的各个功能模块描述网络设备的转发流程一句话理解这一章就是带你拆解网络设备——看看路由器和交换机内部到底有哪些零件它们是怎么分工合作的数据包又是怎么在设备内部跑的。二、网络设备框架介绍2.1 网络设备概述网络基础设施由交换机、路由器、防火墙等构成这些设备日复一日地接收、发送数据。从一个接口收到的数据如何经过设备内部转发到另外一个接口设备有哪些组件构成这些组件如何协同工作比喻理解网络设备就像快递分拣中心——每天有成百上千的包裹数据包从不同的门接口进来分拣中心内部的传送带和分拣员各种硬件模块要把每个包裹快速送到正确的出口门出接口。你这一章就是在学习这个分拣中心的内部构造。2.2 框式设备硬件模块以S12700E-8为例框式网络设备的典型硬件模块包括模块全称功能主控板MPUMain Processing Unit负责系统的控制平面和管理平面交换网板SFUSwitch Fabric Unit负责系统的数据平面提供高速无阻塞数据通道接口板LPULine Processing Unit提供数据转发功能包括不同速率的光口、电口备注补充交换网板、接口板上都有自己的管理芯片与主控板共同组成整个设备的控制管理平面。框式设备的优势在于各模块可独立更换和升级。比喻理解框式设备就像模块化组装电脑——主控板是CPU主板负责思考和控制交换网板是高速总线负责在各个部件之间快速传数据接口板是显卡网卡负责对外连接和处理数据。2.3 主控板主控板提供了整个系统的控制平面和管理平面。控制平面功能系统的协议处理、业务处理路由运算、转发控制业务调度、流量统计系统安全管理平面功能系统运行状态监控环境监控日志和告警信息处理系统加载、系统升级比喻理解主控板就像快递分拣中心的总经理办公室——控制平面是大脑决定包裹该往哪送管理平面是行政部管考勤、发工资、维护设备。没有总经理分拣中心就不知道该把包裹送到哪个城市。2.4 交换网板交换网板提供整个系统的数据平面。接口板、主控板之间通过交换网板完成通信。交换网板的核心职责提供高速无阻塞数据通道实现各个业务模块之间的数据交换是框式设备内部数据流转的高速公路比喻理解交换网板就像分拣中心的传送带系统——它不负责思考包裹去哪那是主控板的事只管把包裹从一个工作台接口板快速、无损地送到另一个工作台。传送带的速度越快整个分拣中心的效率就越高。2.5 接口板接口板LPU提供了不同类型光口、电口、不同速率的接入接口通过分布式数据平面对数据进行转发。接口板的核心组件PFEPacket Forwarding Engine包转发引擎本质是交换芯片完成本接口板端口之间的交换光口/电口物理接口用于连接外部网络比喻理解接口板就像分拣中心的收发货窗口——每个窗口接口对应一条外部道路网线窗口工作人员PFE负责把进来的包裹做初步处理然后交给传送带交换网板。2.6 盒式设备不同于框式设备盒式设备的各个业务模块并不是独立的硬件模块而是集成在一个框内。盒式设备组成主控模块集成在设备内部负责控制和管理交换模块集成在设备内部负责数据交换接入接口提供外部网络连接比喻理解框式设备像台式机主板、显卡、CPU都可以换盒式设备像笔记本电脑所有部件焊在主板上紧凑但扩展性差。台式机性能好、可升级笔记本便携、体积小。网络设备也一样框式用于大型机房核心层盒式用于中小型场景接入层。2.7 模块连接逻辑图框式设备各个模块分为不同的单板单板之间通过框式设备内部的连接进行通信。连接关系接口板之间通过交换网板连接和通信主控板与所有接口板、交换网板相连支持主控板冗余备用主控板提高可靠性交换网板也可以冗余部署比喻理解这张图就像分拣中心的平面图——各工作台LPU之间不直接相连而是通过传送带交换网板中转。总经理办公室主控板有一条专线通向每个工作台随时掌握全局情况。2.8 网络设备逻辑构架网络设备从逻辑上可以分为三个平面平面组成功能控制平面主控板 接口板管理单元协议处理、路由运算、转发控制数据平面转发平面交换网板 接口板报文的高速处理和无阻塞交换监控平面主控板/接口板监控单元 CMU环境监控、温度检测、风扇控制比喻理解三个平面就像一个人的三个系统——控制平面是大脑神经系统思考决策转发平面是四肢血液循环执行任务监控平面是免疫系统体温调节保障安全。2.9 控制平面设备的控制平面由主控板以及接口板的管理单元组成。控制管理平面是整个系统的中枢神经系统完成协议处理OSPF、BGP、STP等业务处理、路由运算转发控制、业务调度流量统计、系统安全控制平面提供了数据平面数据处理转发前所必须的各种网络信息和转发查询表项。比喻理解控制平面就像导航系统和调度中心——它不断学习路况跑路由协议绘制地图生成转发表然后告诉司机转发平面“走这条路最快”。没有导航司机就不知道往哪开。2.10 转发平面设备的转发平面由交换网板以及接口板组成。转发平面的核心功能报文的封装与解封装IPv4/IPv6/MPLS转发处理QoS与调度处理内部高速交换各种流量统计LPU上存在PFE转发引擎其本质是一个交换芯片完成本接口板端口之间的交换。比喻理解转发平面就像快递公司的一线操作员——他们不管包裹为什么去那里不问原因只执行任务只管收到包裹→拆包检查→贴上新标签→送上传送带→从正确出口发出。速度要快、动作要准。2.11 监控平面监控平面由主控板、接口板的监控单元构成部分框式设备还会存在单独的集中监控板CMU。监控平面独立完成系统的环境监控电压检测系统上下电控制温度监测与风扇控制故障隔离保障系统其他部分正常运行比喻理解监控平面就像大楼的物业保安和空调系统——保安24小时巡逻电压检测空调自动调温风扇控制一旦发现火情故障立即隔离该区域保护系统保证大楼里的住户业务不受影响。三、网络设备对报文的处理流程3.1 报文转发上行、下行以交换网板为中心可将报文在设备的行程一分为二上行Ingress报文从入接口板进入到交换网板之前的处理过程下行Egress报文从交换网板出来到出接口板发送出去的处理过程报文分类业务报文设备只进行转发不进行处理过路客协议报文需要交由控制平面处理如ARP、OSPF、BGP等是来找设备本身的比喻理解上行下行就像快递经过分拣中心的两段路——上行是货车卸货到传送带进入设备下行是传送带装货到货车离开设备。业务报文是过路包裹直接转走协议报文是给分拣中心的信需要总经理亲自看。3.2 业务报文转发处理流程业务报文的转发流程阶段处理内容上行LPU入口处理光电信号接收、报文解析上行LPU查表转发查询FIB表确定出接口和下行LPU上行LPU切片把报文切成固定长度送往交换网板交换网板交换根据目的单板信息交换到对应下行单板下行LPU重组将切片报文重新组合下行LPU出口处理获取封装信息发送光电信号备注补充PFEPacket Forwarding Engine包转发引擎切片把报文按一定粒度切成固定长度便于在交换网板内部高速传输重组下行接口板将交换网板发来的切片重新组合成完整报文比喻理解业务报文的转发就像快递的流水线——包裹进来先拆箱检查报文解析查地图确定目的地查表转发然后切成标准大小的箱子方便传送带运输切片到目的地后再组装成原样重组最后装车发出。3.3 确定报文出口方案1转发表存放在主控板方案1转发表项存放在主控板上接口板从主控板处查询表项。问题每次转发都需要与主控板通信转发效率低报文时延增加。对高速率接口板而言转发速率严重下跌。比喻理解这个方案就像每个司机都要打电话问总经理该走哪条路——总经理只有一个人但司机有很多个大家都打电话问总经理接不过来司机也只能等着。效率极低。3.4 确定报文出口方案2转发表存放在接口板方案2转发表项存放在接口板上报文进入接口板后直接完成表项查询转发效率高。问题所有接口板上都要存储转发表项控制平面资源占用率高。比喻理解这个方案就像每个司机手里都有一份完整的地图——不用问总经理了自己看地图就行。但问题是每个司机都带一份厚厚的地图占用资源而且地图要随时更新表项同步管理起来也麻烦。3.5 确定报文出口方案3最优方案——转发信息下发方案3实际采用的方案主控板生成转发表项IP路由表、MAC地址表等主控板根据转发表项生成转发信息FIB表将FIB表项下发到接口板接口板根据FIB表独立进行转发无需再查询主控板比喻理解这个方案就像总经理把关键路线图精简后发给每个司机——总经理画好完整地图路由表然后提炼出到哪去走哪条路的精华卡片FIB表发给每个司机。司机不用带着厚厚的地图一张精华卡片就够了既高效又省资源。3.6 转发信息——FIB表高端设备业务报文不经过主控板CPU处理由接口板提供转发信息查询。IP路由表与FIB表的关系主控板生成和维护IP路由表通过路由协议学习主控板根据路由表生成FIB表Forwarding Information Base转发信息库FIB表下发到各接口板接口板根据FIB表进行硬件转发备注补充接口板上存在的转发信息并非主控板上的转发表项本身而是主控板生成转发表项后生成的对应的转发信息下发到接口板。比喻理解IP路由表是完整的导航地图包含很多冗余信息FIB表是精简版的快递路线卡只保留目的地→下一跳→出接口的对应关系。总经理从地图提炼出路线卡发给司机司机按路线卡送货。3.7 硬件转发与转控分离接口板执行转发的部件为PFEPacket Forwarding Engine通常为NP或ASIC芯片。报文直接由接口板独立完成转发无需主控板参与。高端框式设备把转发层面和控制层面分配在不同的组件控制层面组件主控板负责运行转发相关协议、维护转发表项转发平面组件接口板依据控制层面下发的转发信息独立完成转发工作这种互不影响的工作机制被称为转控分离。备注补充控制层面组件高负载时如大量路由计算并不会影响转发平面的正常工作这就是高端设备的转发不间断能力。比喻理解转控分离就像工厂的生产线和管理层分开办公——管理层控制平面在开战略会议跑路由协议生产线转发平面照样正常生产转发报文两边互不干扰。即使管理层忙翻了生产线也不会停工。3.8 协议报文转发处理流程协议报文如OSPF、IS-IS、BGP、ARP、STP、ICMP等需要交由设备的控制平面处理即上送主控板CPU进行处理。协议报文的处理流程协议报文从接口进入上行LPU上行LPU识别出这是协议报文从二层帧头协议字段判断协议报文上送LPU CPU再送往主控板CPU主控板CPU进行相应处理如学习ARP、更新路由表等如需回应主控板构造回应报文通过接口板对外发送备注补充主控板CPU处理能力有限过多的协议报文上送会造成CPU繁忙设备默认限制了各种协议报文上送主控板CPU的速率对于能直接从二层帧头判断的协议报文ARP、IS-IS、LLDP等上行不需要查表转发比喻理解协议报文就像给总经理的信——它不是过路包裹是找总经理本人的。所以到了门口LPU工作人员一看这是给总经理的就立即送到总经理办公室主控板CPU。总经理看后如果需要回信如ARP回应就写一封信让工作人员带出去。3.9 设备自身发送协议报文处理流程设备自身发送的协议报文如OSPF、BGP、ARP、STP、ICMP等由主控板CPU构造之后交由接口板对外发送。发送流程主控板CPU构造协议报文如OSPF Hello包通过内部总线发送到接口板接口板进行出口处理封装、切片等交换网板交换到对应接口板从物理接口发送出去比喻理解设备自己发送协议报文就像总经理主动发通知——总经理主控板CPU写了一份通知构造协议报文交给前台接口板前台复印后贴到公告栏发送出去让所有人知道公司的最新安排路由信息、邻居关系等。四、知识检测单选题框式设备中负责运行路由协议生成、维护路由表的模块是A. 接口板B. 交换网板C. 主控板D. SPU答案C. 主控板主控板MPU负责系统的控制平面包括协议处理、路由运算、生成和维护路由表等功能。简答题高端框式设备转发业务报文时是否会向主控板查询转发表项答案不需要。高端框式设备采用转控分离架构主控板将转发信息FIB表下发到接口板业务报文的转发由接口板上的PFE包转发引擎独立完成无需向主控板查询转发表项。这保证了转发的高效性和连续性。比喻理解单选题就像问公司谁负责制定战略——当然是总经理主控板不是一线工人接口板也不是传送带交换网板。简答题就像问生产线缺原料了要不要找总经理——不需要因为仓库接口板FIB表里已经有料了。五、总结核心要点回顾网络设备三大平面控制平面协议处理、路由运算主控板转发平面报文高速转发交换网板 接口板监控平面环境监控、故障隔离监控单元 CMU框式设备核心模块主控板MPU系统的大脑交换网板SFU系统的高速公路接口板LPU系统的对外窗口转控分离控制平面负责运行协议、维护路由表转发平面依据FIB表独立转发报文控制平面繁忙不影响转发平面工作报文转发流程业务报文接口板直接转发不经过主控板CPU硬转发协议报文上送主控板CPU处理一句话总结高端网络设备就像一座智能物流中心——总经理室主控板制定策略、画路线图传送带系统交换网板高效运输收发货窗口接口板快速处理包裹。策略层和执行层互不干扰即使总经理再忙传送带也一刻不停。本文档内容基于华为认识网络设备课程整理仅供学习参考。
