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【NE探秘】一个报文的路由器之旅-(7) 协议报文之旅

TCP/IP
2022-10-13
1383
更新：2022-10-14 09:30:33

# **收方向的协议报文之旅**

路由器收到的需上送CPU处理的报文，其处理流程和业务报文是几乎相同的，如下图所示。

不同点在于：

**差异（1）：报文解析识别出的协议报文不再查表转发**

在转发引擎PFE（NP或ASIC芯片）上做报文解析时，如果从二层帧头的协议字段就可以直接判断出是需要上送本机CPU处理的协议报文（如ARP、RARP、IS-IS、LLDP、LACP、PPP控制报文等等），或者目的地址为特定的保留组播IP地址（标准中定义，组播地址224.0.0.1～224.0.0.255供路由协议使用）的协议报文，上行不需要查表转发。

前面帖子介绍过，报文通过上行查表转发后，获得报文的目的接口板和出接口信息，以便交换网板能根据目的单板信息把数据交换到对应下行单板，而下行单板根据出接口信息发送报文。那么这些通过报文解析就能识别出来的协议报文，上行不查表转发，其目的接口板和出接口信息填什么呢？答案是填成与入接口板相同的板号，出接口为CPU。

**差异（2）：下一跳地址为127.0.0.1的报文需上送CPU**

在路由器上，如下几类路由的下一跳地址为127.0.0.1，匹配这类路由的报文需要上送CPU处理：

**1）接口主机路由和直连子网广播**

每一个配置有IP地址且链路层和IP层协议状态为UP的直连接口，都会生成三条路由，例如下图：

上图中：
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">第1条是网段路由，表示该路由器的GE1/0/0与10.2.5.0网段直连，到该网段的报文需要从GE1/0/0发出去，因此出接口为GE1/0/0；
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">第2条是主机路由，目的地址10.2.5.5是GE1/0/0的IP地址。当路由器收目的地址是自己某个接口的IP地址时，认为这是发送给自己的报文，必须上送自己的应用协议栈。在华为路由器上，这类路由的转发表出接口都是环回接口InLoopBack0，表示该类报文要上送CPU处理。
</span>
<span style="font-family: Wingdings;color: #222222;letter-spacing: 1px;font-size: 16px;background: #FFFFFF">l <span style="color: #222222; letter-spacing: 1px; font-size: 16px; background: #FFFFFF; font-family: 微软雅黑;">第3条是10.2.5.0/24子网段的广播地址，IP协议规定所有的本网段的三层接口都需要接收该地址的报文，所以广播路由的出接口也为环回接口InLoopBack0，路由器收到该报文，认为是发送给自己的消息，就上送处理。
</span>

另外，路由器上有一类特殊的逻辑接口LoopBack接口和VT（Virtual-Template）接口，通常配置为32位掩码的IP地址，对应会生成一条主机路由，如下图：

这类接口的主机路由，其下一跳也是127.0.0.1，转发表中出接口也是InLoopBack0，表示收到这类报文时需上送CPU处理。

**2）全网广播**

IP地址为255.255.255.255/32为全网广播，通常在配置主机的启动信息时使用，此时，主机可能还不知道它所在网网络的网络掩码，甚至连它的IP地址也不知道，例如到主机从DHCP或BOOTP服务器获取IP地址时，发送IP地址为255.255.255.255/32的DHCP Request消息报文。这种报文仅允许出现在本地网络中，所以路由器不转发这种报文，收到时上送CPU处理。

**3）UNR路由**

当路由器作为BRAS（Broadband Remote Access Server，宽带远程接入服务器）/BNG（Broadband Network Gateway，宽带网络业务网关）时，用户通过PPPoE拨号接入BRAS/BNG，起初用户并没有IP地址，需要BRAS/BNG（或向RADIUS服务器申请）给用户分配地址。假设分配给用户的地址为10.111.111.1/32，那么BRAS/BNG应该生成10.111.111.1/32的路由，收到网络返回给用户的报文时，这个报文应该匹配到这条路由，并上送CPU处理，以便计费等处理，因此这条的下一跳也应为127.0.0.1。

这种路由比较特殊，不是路由协议学习到的，也不是直连的，也不是静态配置的，而是叫UNR（User Network Route）路由。

另外，为了让网络返回报文给用户，BRAS/BNG需要将这条路由发布出去，使得网络其他设备有到用户的路由，然而，BRAS/BNG可能接入大量用户，如果将每条路由都发布，那需要发布大量路由，不可取。为了避免发布大量路由，BRAS/BNG会根据地址池生成一条UNR路由，其下一跳也是127.0.0.1，出接口为Null0。

**差异（3）：协议报文不再做CAR限速**

上送CPU的报文在不做上、下行的CAR限速，这是为了避免当流量突发时协议报文因CAR限速被丢弃。

**差异（4）：协议报文不再流分类等处理**

由于下行就要送往CPU，流分类和标记已经没有作用，跟流分类相关的流策略等功能也是无用的，所有下行不再做跟流分类相关的操作。

**差异（5）：协议报文上送CPU时要经过CP-CAR处理**

为了防止大流量报文上送导致CPU过于繁忙，被确认为需要继续上送到CPU的报文，将进行CP-CAR的过滤，之后再上送。CP-CAR全称是Control Plane CAR（Committed Access Rate），是用来限制转发引擎向接口板CPU发送报文的速度，具体做法跟基于流的CAR机制（详细请参见“一个报文的路由器之旅 (4) QoS基础”）类似。CP-CAR根据协议的类型，报文的VLAN或者所属的用户，分成很多个管道，每一个管道使用令牌桶进行速率限制，当上送的流量宽值超过设置的速率时，上送的报文将被会随机丢弃，避免CPU过载。

#  **发送方向的协议报文之旅**

从CPU发送的协议报文，在上行不经过接口卡的处理，直接送到PFE。由于CPU发送的报文，大部分都带有目的单板和出接口信息，CPU已经告诉转发平面报文要发往哪块单板的哪个出接口，因此**无需在转发平面查转发表**，报文直接入队列。但**有一小部分特殊的报文需要再查转发表**，例如指定源接口的ping报文（命令行：ping x.x.x.x si <interface-name>），由于只指定了源接口，CPU并不清楚源接口对应的IP地址是多少，因此需要由转发平面查表获得。这些**查表转发后的报文也不经过CAR处理**，直接送到TM。

之后，协议报文的后续处理与业务报文相同，最后跟业务报文一起从出接口发送出去。只是在**下行不做CAR和流分类等处理**，理由和入方向协议报文是相同的，不再赘述。

**快回报文，不上送CPU**

网络管理者或用户通常发起ping包（ICMP请求报文）到网关或者是网络侧地址，来确认链路的连通性。ICMP请求报文通常是上送到CPU进行解析，接着CPU需要构造ICMP回应报文给源端，而且上送前还要做CP-CAR检测，如果有大量的ICMP请求报文，容易造成CPU过载，同时导致Ping流程时延加大。为此，华为高端路由器上实现了**Ping快回机制**，接收到ICMP请求报文后不上送CPU处理，直接由接口板的包转发引擎PFE构造ICMP响应报文给客户端，大大缩短Ping的时延。

Ping快回的转发流程如下图所示。

如上图所示，Ping包在下行出接口处理时，并不是上送CPU，而是环回到上行进行查表转发。在环回时，PFE把报文的源IP和目的IP对掉。
不过，当ping快回的报文大于MTU时，ping快回的报文被分片，同时分片后的报文被当做普通的ping报文上送CPU。
当前大多数版本是默认打开ping快回功能，在实际定位问题时如果用ping模拟业务报文，需要把ping快回功能关闭（slot视图下/系统视图下的命令行undo icmp-reply fast）。
与Ping快回类似的还有**ARP快回，Web快回**，都是不上送CPU，由接口板直接生成回应报文。由于实现原理差不多，此不赘述。

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