Entender o encaminhamento expresso

Introdução

Este documento descreve o Cisco Express Forwarding (CEF).

Pré-requisitos

Requisitos

Não existem requisitos específicos para este documento.

Componentes Utilizados

Este documento não se restringe a versões de software e hardware específicas.

As informações neste documento foram criadas a partir de dispositivos em um ambiente de laboratório específico. Todos os dispositivos utilizados neste documento foram iniciados com uma configuração (padrão) inicial. Se a rede estiver ativa, certifique-se de que você entenda o impacto potencial de qualquer comando.

Overview

O switching Cisco Express Forwarding (CEF) é uma forma proprietária de switching escalável destinada a resolver os problemas associados ao cache de demanda. O CEF é uma arquitetura avançada de switching IP de Camada 3 incorporada ao Cisco IOS que substitui o antigo modelo de cache de rota. Ele mantém sua própria tabela de encaminhamento altamente otimizada mais tabelas de adjacência separadas, permitindo o encaminhamento de pacotes de taxa de linha com envolvimento mínimo da CPU. Toda vez que um pacote chega em um roteador ou switch, o dispositivo deve decidir para onde encaminhá-lo. Quando a validade do pacote for confirmada e ele tiver passado por qualquer lista de controle de acesso ou outras condições de queda, o dispositivo consultará sua tabela de roteamento para determinar a melhor interface de saída. Os roteadores e switches da Cisco podem executar essa pesquisa de três maneiras: switching de processo, switching rápida ou Cisco Express Forwarding.

Com o CEF, o dispositivo calcula proativamente todas as rotas e as instala em duas estruturas de dados otimizadas, a Base de Informações de Encaminhamento (FIB) e as tabelas de adjacência, em vez de esperar que cada pacote dispare uma pesquisa. Em plataformas modernas, essas tabelas são sincronizadas com o plano de encaminhamento de hardware, isso resulta em menor sobrecarga de CPU por pacote, maior throughput de pacote por segundo e comportamento de encaminhamento consistente, razão pela qual o CEF é habilitado por padrão em plataformas modernas da Cisco e permanece fundamental para redes IP de alto desempenho.

Componentes principais do CEF

• Tabela Forwarding Information Base (FIB) - O CEF usa o FIB para tomar decisões baseadas em prefixo de destino IP, em outras palavras, o FIB é o banco de dados de quem deve alcançar o CEF. O FIB é um espelho um para um da Base de Informações de Roteamento (RIB) IP do roteador, mas reorganizado para a pesquisa de prefixo mais rápida possível no hardware. Sempre que a tabela de roteamento IP é alterada (devido a atualizações de protocolo de roteamento, alterações de rota estática etc.), essas alterações são imediatamente refletidas na FIB, de modo que o encaminhamento sempre use informações atualizadas de topologia. Cada entrada FIB consiste em um prefixo de destino e um ou mais ponteiros do próximo salto; quando o ECMP (multipath de mesmo custo) é configurado, o FIB mantém vários ponteiros por prefixo para suportar balanceamento de carga por pacote ou por destino. Ao conter todas as rotas conhecidas (em vez de apenas um cache de demanda de rotas usadas recentemente), a FIB elimina a necessidade de manutenção do cache de rota e evita o thrash do cache durante a rotatividade da topologia, fornecendo um desempenho de encaminhamento estável e previsível.

• Tabela de adjacências – Os nós na rede são considerados adjacentes se puderem ser alcançados entre si com um único salto em uma camada do enlace. Além da FIB, o CEF usa tabelas de adjacência para anexar informações de endereçamento da Camada 2 (endereço MAC, marca de VLAN, interface e assim por diante) necessárias para encaminhar o pacote nesse link. A tabela de adjacências mantém endereços do próximo salto da camada 2 para todas as entradas FIB, essas entradas são preenchidas à medida que as adjacências são descobertas (por exemplo, através de mecanismos como o Address Resolution Protocol (ARP)).

Modos de Operação CEF

• Modo CEF central - Quando o modo CEF central está habilitado, o FIB e as tabelas de adjacência residem no processador de rota, e o processador de rota executa o encaminhamento expresso. Você pode usar o modo CEF quando as placas de linha não estiverem disponíveis para switching CEF, quando precisar usar recursos incompatíveis com switching CEF distribuída ou quando estiver executando em uma plataforma não distribuída.

• Modo CEF distribuído (dCEF) - Quando o modo dCEF está habilitado, as placas de linha mantêm cópias idênticas do FIB e das tabelas de adjacência. As placas de linha podem executar o encaminhamento expresso sozinhas, o que alivia o processador principal, melhorando o desempenho do sistema. Este modo tem o objetivo de aumentar a escalabilidade e está disponível em plataformas distribuídas ou modulares que podem espalhar tarefas de processamento em duas ou mais placas de linha. O dCEF utiliza um mecanismo de Comunicação Inter-Processo (IPC) para garantir a sincronização de FIBs e das tabelas da adjacência no processador da rota e nas placas de linha.

Fluxo de pacote básico de CEF

A próxima lista de etapas fornece uma explicação sobre como um pacote é comutado por CEF:

1. O processador de interface do dispositivo lê o pacote da mídia de rede e o armazena na memória de buffer, chamada de anel de recepção (RX) da interface.
2. O processador de interface do dispositivo envia uma interrupção de recebimento ao processador principal. O restante da comutação ocorre durante essa interrupção.
3. O dispositivo executa uma pesquisa de correspondência mais longa para o destino no FIB, usando o endereço IP de destino como a chave de pesquisa. Se a pesquisa FIB falhar, o pacote será descartado. Se a pesquisa for bem-sucedida, um caminho FIB será selecionado e o dispositivo usará seu ponteiro para a entrada de adjacência correspondente.
4. O dispositivo regrava o cabeçalho da Camada 2 usando a string de encapsulamento da tabela de adjacência e coloca o pacote na fila de saída correta para transmissão na interface de saída.
5. O pacote comutado com êxito é enfileirado no anel de transmissão (TX) da interface de saída.

Informações Relacionadas

• Suporte Técnico - Cisco Systems
• Entender e solucionar problemas do CEF em roteadores Cisco IOS XE
• Cisco Express Forwarding
   

Histórico de revisões

Revisão	Data de publicação	Comentários
3.0	12-May-2025	Artigo e formatação atualizados de acordo com as diretrizes da Cisco.
2.0	30-Nov-2022	Imagens ampliadas. Textos explicativos aprimorados. Formatação atualizada.
1.0	15-Dec-2003	Versão inicial