在当前的三层以太网交换设备中，报文的二层交换和三层路由主要由交换芯片和网络处理器完成，cpu基本上不参与交换和路由过程，主要完成管理和控制交换芯片的功能[1]。

　　在这种情况下，cpu的负载主要来自以下几个方面：协议的定时驱动、用户的配置驱动、外部事件的驱动。其中，外部事件的驱动最为随机，无法预料。典型的外部事件包括端口的连接/断开(up/down)，媒体访问控制(mac)地址消息的上报(包括学习、老化、迁移等)，cpu通过直接存储器存取(dma)收到包，cpu通过dma发包等。

　　在以上所列的外部事件中，又以cpu通过dma收到包之后的处理最为复杂。因为数据包由低层上送到上层软件时，各协议的处理动作千差万别，可能会涉及到发包、端口操作、批量的表操作等。所以，只有处理好cpu的收发包的相关问题，才能使相关的上层协议正常交互，从而使交换机稳定、高效地运行。

　　1 可能涉及到的问题

　　以下就cpu收发包可能涉及的各个方面分别说明。

　　下面的分析都基于典型的cpu收发包机制：cpu端口分队列，通过dma接收，采用环形队列等。

　　1.1cpu的负载与收包节奏控制

　　根据交换机处理数据包的能力，决定单位时间上送到cpu的包的个数；决定了单位时间上送多少个包给cpu后，再考虑上送数据包的节奏。

　　假设通过评估，确定了单位时间上送cpu数据包的上限，例如每秒x个数据包。

　　图1给出了两种典型的处理手段：匀速上报cpu、突发(burst)方式上报cpu，下面分别分析一下这两种方式的优劣：

　　(1)匀速上报cpu

　　数据包匀速上报cpu时，对cpu队列的冲击较小，而且对cpu队列的缓冲能力要求不高，cpu队列不必做得很大。

　　(2)突发(burst)方式上报cpu

　　交换芯片(采用asic)一侧的硬件接收队列和dma内存空间中的环形队列，一起赋予了交换机一定的缓冲能力(针对上送cpu的数据包)。利用这个缓冲能力，我们可以把控制周期适当放长，并设定控制的粒度(单位控制周期内cpu收报个数的上限)，采用类似于电路中负反馈的机制动态地使能和关闭cpu收包功能。这样就在宏观上实现了对数据包上送cpu速率的控制。另外，如果交换芯片(采用asic)支持基于令牌桶算法的cpu端口出方向流量监管或整形功能[2-3]，且监管或整形的最小阈值可以满足cpu限速的需要，则可以利用这个功能控制数据包上送cpu的节奏，减小cpu的负载。这样软件的处理就简化了很多。

　　1.2cpu端口队列的长度规划

　　如果仅考虑交换机cpu端口的缓冲能力，cpu端口队列当然是越长越好，但是必须兼顾对其他功能以及性能的影响。针对不同的asic芯片，需要具体问题具体分析。

　　1.3零拷贝

　　零拷贝是指在整个数据包的处理过程中，使用指针做参数，不进行整个数据包的拷贝。这样可以大大提高cpu的处理效率。

　　使用零拷贝后，会一定程度上降低软件处理的灵活性，我们会面临到这样的问题：如果协议栈需要更改一个数据包的内容，会直接在接收缓存(buffer)上修改，但是如果需要在数据包中删除或添加字段(例如添加或删除一层标签(tag))，即数据包的长度需要变化时，应该如何处理。

　　添加或删除字段，必然会导致数据包头一侧或包尾一侧的位置发生移动，如果包尾一侧移动，问题比较简单，只要数据包总长度不超过buffer边界即可。由于通常此类操作都靠近包头的位置，如果包头一侧移动，效率会比较高，所以协议栈在处理时可能更倾向于在包头一侧移动，这时就需要驱动在分配buffer时做一些处理：

　　(1)接收数据包时，头指针不能指向buffer边界，需要向后偏移一定裕量，同时单个buffer的大小也必须兼顾到最大传送单元(mtu)和该裕量。

　　(2)释放数据包时buffer首指针需要作归一化处理(如图2所示)。

　　1.4中断/轮询

　　目前交换机涉及到的外部中断主要由交换芯片产生，交换芯片主要的外部中断包括dma操作(如收到包、发包结束、新地址消息等等)和一些出错消息。如果中断请求过于频繁，中断服务程序(isr)和其他进程之间频繁地上下文切换会消耗大量cpu时间。如果有持续大量的中断请求，cpu会始终处于繁忙状态，各种协议得不到足够的调度时间，从而导致协议状态机超时等严重故障。为了避免事件触发频率不可控的问题，可以使用轮询机制，通常的做法是用cpu定时器触发原先由外部中断触发的isr，由于定时器触发的间隔是固定的，所以isr执行的频率得到了控