以太网交换芯片培训
焦赵云
目录
1、 交换芯片架构....................................................................................................................................3
2、 L2转发流程......................................................................................................................................4
2.1 L2转发原理.................................................................................................................................4
2.2 L2转发相关的表项......................................................................................................................6
2.2.1 port表.................................................................................................................................6
2.2.2 egress port表.......................................................................................................................7
2.2.3 L2地址表...........................................................................................................................8
2.2.3 VLAN表..............................................................................................................................9
3、 L3转发流程................................................................................................................................10
4、 L2组播转发流程.........................................................................................................................12
5、 L3组播转发流程.........................................................................................................................13
6、 流分类处理流程...........................................................................................................................15
7、 上研各项目交换芯片使用情况...................................................................................................21
以太网交换芯片培训
本文以broadcom56504/56300交换芯片为重点，介绍一下交换芯片的工作原理。
1、 交换芯片架构
交换芯片由GE/XE接口（MAC/PHY）模块、CPU接口模块、输入输出匹配/修改模块、MMU
模块、L2转发模块、L3转发模块、安全模块、流分类模块等模块组成，其结构如图1所示：
图1 交换芯片的组成
56504包含24个GE端口，4个10G端口，10G端口既可以用于堆叠，也可以用于上联/级联。
56504交换芯片与CPU的接口称为CMIC接口。交换芯片与CPU通过PCI总线连接。其他类型交
换芯片与CPU的接口可以是：SPI+MII、I2C+MII、系统总线+MII、SMI+MII等。交换芯片的包处
理流程如图2所示：
图2 交换芯片的包处理流程简图
包由端口进入交换芯片之后，首先进行包头字段匹配，为流分类做准备；然后经过一个安全引
擎进行包过滤；符合安全的包进行L2交换或者L3路由，并经过流分类处理器对匹配的包做相关动
作（比如丢弃、限速、修改VLAN等）；对于可以转发的包根据802.1P或DSCP放到不同队列的buffer
中，调度器根据优先级或者WRR等算法进行队列调度，在端口发出该包之前执行流分类修改动作，
最终从相应端口发送出去。
2、 L2转发流程
2.1 L2转发原理
对于交换芯片来说，L2转发是一个最基本的功能。L2功能主要包括ingress过滤、MAC学习
和老化、根据MAC+VLAN转发、广播与洪泛、生成树控制等基本功能。
L2转发的具体流程如图3所示：
从端口进入交换芯片的包首先检查TAG，对于tagged包，判断是否是802.1p的包，（802.1p
的包vid为0），对于untagged的包和802.1p的包，根据系统配置加上tag（这些配置包括：基于MAC
的vlan、基于子网的vlan、基于协议的vlan和基于端口的vlan）。经过这一步以后，到交换芯片内部
的包都变成802.1Q的tagged包了（vid为1－4094，4095保留），如果设置了ingress过滤，就会检
查本端口是否在该vid对应的VLAN中，对于本端口不在该vid对应的VLAN中的包就丢弃。对于
没有设置ingress过滤，或者设置ingress过滤但本端口在该vid对应的VLAN中的包进行STP端口
状态检查，对于BPDU以外的包，只有端口处于forwarding状态，才允许包进入。然后进行原MAC
地址检查，以原MAC＋VID的哈希为索引查找L2 TABLE，如果没有找到，就把这个表项（原MAC＋VID）以及对应的端口写到L2 TABLE中，这个过程称为MAC地址学习。当然地址学习的方法有
很多种，可以是硬件学习，也可以是软件学习，可以根据PORT表中的CMI字段的配置来进行。
图3 L2转发流程
下一步进行目的MAC地址检查：目的MAC地址为广播地址（0xffffffff）的包，在vlan内广
播出去；目的MAC地址为组播地址的包，进行组播流程的处理；对于单播包，查找L2 TABLE，如
果没有找到，就在vlan内进行洪泛；如果找到，检查表项中的L3 bit是否设置，如果设置了L3 bit，
就进行L3流程的转发；否则就转发到L2 TABLE表项中的端口去，在egress方向，也有egress过滤
设置（默认是使能的），如果egress端口不在vlan中也是不能转发的。至此，L2转发流程完成了。
与地址学习相反的过程是地址老化。地址老化的机制是：ASIC内部有个定时器，称为age timer，
命令行可以对这个寄存器进行设置，每次查找L2 TABLE时（包括原地址查找和目的地址查找，可
以配置），如果命中，就会设置hit标志。当老化时间到后，ASIC把hit标志清除，当下一个老化时
间到后，ASIC把hit为0的地址设置为无效，这就是为什么实际地址老化的时间为1～2倍agingTime
的原因。
2.2 L2转发相关的表项
2.2.1 port表
图4 port表
Port表是一个非常重要的表，有很多与端口相关的控制都在这里设置。每个端口对应一个表项，
按端口号进行索引。下面介绍一下重要的设置：
1) PVID：设置PORT_VID
2) 缺省优先级：设置PORT_PRI
3) 流分类使能：设置FILTER_ENABLE
4) VLAN转换使能：设置VT_ENABLE和VT_MISS_DROP
5) Ingress过滤使能：设置EN_IFILTER
6) 信任COS还是信任DSCP：对于IPV4：TRUST_DSCP_V4=0:信任COS；
TRUST_DSCP_V4=1:信任DSCP，对于IPV6：同样设置TRUST_DSCP_V6。
7) Ingress方向mirror使能：设置MIRROR
8) MAC地址学习方式：设置CML
9) IP组播是否使用VLAN信息：设置IPMC_DO_VLAN
10) L3转发使能：设置V4L3_ENABLE和V6L3_ENABLE
11) 是否丢弃BPDU：设置DROP_BPDU
12) 控制是否转发带tag和不带tag的包：设置PORT_DIS_TAG和PORT_DIS_UNTAG
13) Pause帧控制：设置PASS_CONTROL_FRAMES
14) 基于子网的VLAN使能：设置SUBNET_BASED_VID_ENABLE
15) 基于MAC的VLAN使能：设置MAC_BASED_VID_ENABLE
16) 设置堆叠口：HIGIG_PACKET
17) 设置NNI口：NNI_PORT
18) 修改优先级使能：MAP_TAG_PACKET_PRIORITY
19) 堆叠口modid设置：MY_MODID
20) Out tpid设置：OUTER_TPID
21) 基于MAC和基于子网的VLAN优先级设置：VLAN_PRECEDENCE
22) 是否允许单臂桥功能：PORT_BRIDGE
23) IP组播位图设置：IGNORE_IPMC_L2_BITMAP和IGNORE_IPMC_L3_BITMAP
2.2.2 egress port表
图5 egress port表
EGR_PORT是一组寄存器，每个端口一个，用于EGRESS方向的控制，有几个重要设置介绍
如下：
1) 设置egress端口类型：PORT_TYPE＝0，UNI端口；PORT_TYPE＝1，NNI端口
2) 设置egress过滤：EN_EFILTER＝1
2.2.3 L2地址表
图6 L2地址表
56504的L2地址表大小为16K，5630X的L2地址表大小为8K，地址表使用MAC+VID的hash
值作为索引查表。实际上56504的L2地址表hash值为4K，每个hash值对应4条地址，这样最多
可以保存4条hash冲突的地址。地址表中每个表项都保存了MAC_ADDR和VLAN_ID。MAC学习
的时候使用原MAC+VID的hash查表，把表中的MAC+VID与包中的MAC+VID进行比较，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发生了迁移，
对于动态学习的地址需要更新port；如果相等表示命中，更新hit标志。其他几个重要的功能介绍如
下：
1) 设置静态地址：STATIC_BIT＝1
2) 设置L3转发标志：L3＝1
3) 设置本地址的包都转发到CPU去：CPU=1
4) 设置本地址匹配的包丢弃：SRC_DISCARD=1、DST_DISCARD=1
5) 设置本地址匹配的包对某些端口阻塞：MAC_BLOCK_INDEX
6) 设置本地址匹配的包镜像：MIRROR＝1
7) 设置组播索引：L2MC_PTR
8) 地址有效标志：VALID＝1
2.2.3 VLAN表
Vlan表分为ingress和egress两个部分，分别对应入口控制和出口控制。
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