交换芯片简单剖析

什么是交换芯片？

交换机使用的芯片就是交换芯片。交换机分很多种，从部署的位置上看，有楼道交换机（边缘交换机）、核心交换机；从交换功能上看，有两层交换、三层交换。
理论上来讲，交换机处理L2/L3协议，路由器处理路由相关协议，但是现在芯片能力增强了，经常是两者合为一体，即既有两层表也有三层表。
学院派将路由或者交换机分为转发层与控制层，对于路由平台，转发层就是硬件转发表，控制层就是路由协议族（例如单播路由协议RIP、OSPF、BGP，组播路由PIM、IGMP、MLD，用于建立tunnel的虚拟路由VRF等）。L2/L3的网络协议有很多这篇文章不涉及了，为了实现这些协议，在硬件部分有几大逻辑功能：ACL、VLAN、L2-table、L3-table、QoS等，其物理实现本文不涉及了。

交换芯片本质是SoC。

芯片整体分为交换芯片、片上CPU（SoC）、外围接口，以及连接这些的总线。注意上图是片内的图，每个GMAC通过板级总线连出（例如GMII等）。
SoC部分和其他嵌入式CPU一样，这里用的是MIPS的芯片，就是MIPS公司卖的IP。这个SoC基本包括：MIPS结构的处理器MIPS-4Kec；片上存储，及其总线OCP bus；片上慢总线Lexra bus，及其连接的外围接口；片上的外围接口最后通过片上的pin脚引出（当然也可能不引出）。
通过Lexra bus连接到下面的是交换芯片（很多芯片厂商就卖这个，例如快倒闭的盛科网络），这张图只是画了交换芯片的模块，但是流程完全不是这样。

交换机的板级设计是怎样的？

在讨论交换芯片之前先看板级设计，这样也能基本了解需求，即交换芯片要设计成什么样的。
每一颗芯片（SoC+交换芯片）可以有多种mode。在没有软件uboot的情况下这些mode可以通过外围启动引脚选择、或者寄RO存器选择，然后设置好寄存器，这样内部软件也就知道是什么mode了。在有uboot的情况下可以通过uboot选择。
不同的mode在接口的速率组合上面不同，这个一般都是设置MAC的寄存器实现。另外交换芯片相除了中间几个port有内置PHY可以直接接到网口上，其他的port都需要外部PHY。
PHY只是负责处理物理层的东西，MAC负责MAC层的工作。

交换芯片要怎样设计？

交换芯片负责处理网络数据包，他的频率一般比CPU要快很多。如下是典型的交换芯片内部报文流程。
交换流程基本可以分为几个阶段：Per-port-ingress，Ingress，Lookup，Egress，Per-port-egress。对于不同的模块，例如ACL、VLAN、QoS等，在每个阶段都有不同的设计。所以后面的详细设计参考不同模块。

VLAN功能模块要怎样设计？

每个模块的设计都是根据standrd，vlan主要根据802.1Q，关于standard可以读RFC。
一个简单的楼道交换机的芯片的vlan流程主要包括（基本都在ALE中）：
· （Parse阶段）vlan tag parse
· VLAN accept type check：检查in-pkt的vlan域与port的设定是否符合。
· port based vlan decision（也叫ingress vlan decision）：无论是否设定是port-based vlan都检查，这厮ALE做的，当然如果后面是其他的设定这个结果可以不需要。
（· ingress-ACL）
· First VLAN look up（vlan forward and filter）：看解释主要是做：ingress vlan filter、FID decision、vlan profile work等。这些工作就是vlan转发的工作。
（· L2 look up）其中包括mac+vlan learn，IVL
（· L3 look up）
· Second VLAN lookup：看解释主要做egress filter，就是根据vlan决定送到那个port上。
· Address Table VLAN translation：这个不太懂。
· （TX阶段）VLAN untag table lookup
· 另外还有可选的egress vlan tagging、egress vlan decision

数据包parse模块要怎样设计？

见ppt，基本是配置可以parse的深度，以及其中是否解析EFI bit。分为全局与per port。详细的可以看parse的spec。
关于accept frame type几方面：1.per port设置；2.是否带tag以及带几层；3.TPID、VLANID、PCP、CFI等。

Ingress vlan decision如何设计？

几个模块可以决定，优先级：ingress ACL > port based vlan = inner tagged vlan

还有哪些重要模块？

还有FDB、RDB、QoS、ACL等重要模块，后续再分析。

芯片为什么会有Apply Action与Write Action的区别？

以Ingress VLAN修改VID为例，Apply Action就是动作立即执行，同时在后续的Pipeline中使用修改后的VID；而Write Action就是动作在packet出去时候执行 ，在后续的Pipeline中使用origin VID。
在芯片内部实现的时候有多种方法，其中一种就是使用冗余的寄存器记住修改后的VID。
在SDN中有这两种动作。

有三层功能的交换芯片如何识别做tunnel或者路由的动作？

如果交换芯片有三层功能（例如ARP、路由、隧道例如MPLS、等功能），收到数据包后，如果DMAC是自己，那么芯片认为这个数据包想做L2以上的动作。
这个识别的过程是在TerminationMAC等类似的硬件表中，与L2、L3、隧道所用的表不同。在pipeline中，数据包先通过L2表然后TerminationMAC表然后L3或者某个隧道所用的表。
所以TerminationMAC这张表的功能就是用来识别DMAC是自己的报文想要去做哪件事情。

什么是QoS？

QoS就是传输质量保证，rate-limit是QoS的基础，RL的算法可以参考相关的文档，定义了rate与burst等概念。RL可以使用在port或者Q上，使用在P上，则对通过P的所有traffic综合进行限速，使用在Q上则是对通过Q的所有traffic总和进行限速。对P进行限速是流量整形的基本功能，但是这种方式不区分traffic，则不能称为QoS。
在网络中很多时候需要对traffic进行限速，这是就需要通过ACL或者Policy区分traffic，然后将不同的traffic进不同的Q，然后将Q进行限速。在实际使用中，一般有8个Q，0~7优先级从小到大。也就是说，当出口带宽恒定时，优先级高的队列中的traffic优先发出（或者带权优先）。在实际使用的时候，一般ftp、http等协议的traffic优先级低，video、audio等优先级较高。
traffic中可以使用PCP或者DSCP标志traffic的优先级，网络管理员通过PCP、DSCP到Q的映射关系控制traffic入哪个Q，一般情况是PCP对应Q，DSCP/8对应Q。也可以通过命令行修改这些映射关系。
如果出现拥塞，Q或者P中的RL需要进行丢包操作，如何丢包有很多算法，其中一种是color-based，也叫color-aware。