シスコエクスプレスフォワーディングの実装

Cisco Express Forwarding（CEF）は、拡張レイヤ 3 IP スイッチングテクノロジーです。CEF によって、インターネットや、Web ベースのアプリケーションまたは対話型セッションが集中的に使用されるネットワークなどの、大規模でダイナミックなトラフィックパターンを持つネットワークのパフォーマンスおよびスケーラビリティが最適化されます。CEF は内蔵されている機能であり、イネーブルにするために設定を行う必要はありません。必要に応じて、デフォルトのルートパージ遅延とスタティックルートを変更できます。

コンポーネント

Cisco IOS XR ソフトウェアの CEF は常に、次の 2 種類のコンポーネントとともに CEF モードで動作します。

転送情報ベース（FIB）データベース：プロトコル依存の FIB プロセスは、ルートプロセッサに IPv4 および IPv6 ユニキャストの転送テーブルを保持します。各ノード上の FIB はルーティング情報ベース（RIB）を更新し、ルート解決を実行してルートプロセッサに個別に FIB テーブルを保持します。各ノード上の FIB テーブルに格納されている情報は、テーブルによって若干異なることがあります。
隣接関係テーブル：プロトコルに依存しない隣接情報ベース（AIB）

CEF は、Cisco IOS XR ソフトウェアのプライマリ IP パケット転送データベースです。CEF の役割は次の機能を果たすことです。

ソフトウェアスイッチングパス
ソフトウェアおよびハードウェア転送エンジンの転送テーブルおよび隣接関係テーブルのメンテナンス（AIB によるメンテナンス）

Cisco IOS XR ソフトウェア上の CEF では、次の機能をサポートしています。

バンドルインターフェイスのサポート
マルチパスサポート
ルート整合性
パッケージング、再起動性、リソース不足（OOR）処理などのハイアベイラビリティ機能
OSPFv2 SPF プレフィックス優先順位付け
BGP 属性ダウンロード

CEF の利点

パフォーマンス向上：CEF は、高速スイッチングルートキャッシングよりも CPU を消費しません。より多くの CPU 処理能力を Quality of Service（QoS）や暗号化などのレイヤ 3 サービスに向けることができます。
スケーラビリティ：CEF では、各ラインカードでスイッチング機能を最大限に活用できます。
復元力：CEF では、大規模な動的ネットワーク上で比類ないレベルのスイッチング一貫性と安定性を実現します。動的ネットワークでは、ルーティング変更のために、高速にスイッチングされるキャッシュエントリが頻繁に無効化されます。ルーティング変更により、ルートキャッシュを使用した高速スイッチングではなく、ルーティングテーブルを使用したトラフィックのプロセススイッチングが行われることがあります。転送情報ベース（FIB）ルックアップテーブルにはルーティングテーブルに存在する既知のルートがすべて含まれているため、ルートキャッシュのメンテナンスが不要になるほか、高速スイッチングまたはプロセススイッチングフォワーディングのシナリオも必要ありません。CEF では、一般的なデマンドキャッシングスキームよりも効率よくトラフィックを切り替えることができます。

Cisco IOS XR ソフトウェアでは、次の CEF 転送テーブルがメンテナンスされます。

IPv4 CEF データベース：IPv4 ユニキャストパケット転送用の IPv4 ユニキャストルートが保存されます。
IPv6 CEF データベース：IPv6 ユニキャストパケット転送用の IPv6 ユニキャストルートが保存されます。
MPLS LFD データベース：MPLS パケット転送用の MPLS ラベルテーブルが保存されます。

CEF の確認

IPv4 または IPv6 CEF テーブルの詳細を表示するには、次のコマンドを使用します。

show cef {ipv4 address| ipv6 address} hardware egress

IPv4 または IPv6 CEF テーブルを表示します。ネクストホップおよび転送インターフェイスがプレフィックスごとに表示されます。show cef コマンドの出力は、場所によって異なります。

Router# show cef 203.0.1.2 hardware egress 
  203.0.1.2/32, version 0, internal 0x1020001 0x0 (ptr 0x8d7db7f0) [1], 0x0 (0x8daeedf0), 0x0 (0x0)
 Updated Nov 20 13:33:23.557
 local adjacency 203.0.1.2
 Prefix Len 32, traffic index 0, Adjacency-prefix, precedence n/a, priority 15
   via 203.0.1.2/32, HundredGigE0/0/0/9, 3 dependencies, weight 0, class 0 [flags 0x0]
    path-idx 0 NHID 0x0 [0x8cfc81a0 0x0]
    next hop 203.0.1.2/32
    local adjacency

show cef {ipv4| ipv6} summary

IPv4 または IPv6 CEF テーブルのサマリーを表示します。

Router#show cef ipv4 summary
Fri Nov 20 13:50:45.239 UTC

Router ID is 216.1.1.1

IP CEF with switching (Table Version 0) for node0_RP0_CPU0

  Load balancing: L4
  Tableid 0xe0000000 (0x8cf5b368), Vrfid 0x60000000, Vrid 0x20000000, Flags 0x1019
  Vrfname default, Refcount 4129
  56 routes, 0 protected, 0 reresolve, 0 unresolved (0 old, 0 new), 7616 bytes
  13 rib, 0 lsd, 0:27 aib, 1 internal, 10 interface, 4 special, 1 default routes
  56 load sharing elements, 24304 bytes, 1 references
  1 shared load sharing elements, 432 bytes
  55 exclusive load sharing elements, 23872 bytes
  0 route delete cache elements
  13 local route bufs received, 1 remote route bufs received,  0 mix bufs received
  13 local routes, 0 remote routes
  13 total local route updates processed
  0 total remote route updates processed
  0 pkts pre-routed to cust card
  0 pkts pre-routed to rp card
  0 pkts received from core card
  0 CEF route update drops, 0 revisions of existing leaves
  0 CEF route update drops due to version mis-match
  Resolution Timer: 15s
  0 prefixes modified in place
  0 deleted stale prefixes
  0 prefixes with label imposition, 0 prefixes with label information
  0 LISP EID prefixes, 0 merged, via 0 rlocs
 28 next hops
  1 incomplete next hop

 0 PD backwalks on LDIs with backup path

show cef { ipv4 address| ipv6 address } detail

IPv4 または IPv6 CEF テーブルの詳細を表示します。

Router#show cef 203.0.1.2 detail 
203.0.1.2/32, version 0, internal 0x1020001 0x0 (ptr 0x8d7db7f0) [1], 0x0 (0x8daeedf0), 0x0 (0x0)
 Updated Nov 20 13:33:23.556
 local adjacency 203.0.1.2
 Prefix Len 32, traffic index 0, Adjacency-prefix, precedence n/a, priority 15
  gateway array (0x8d84beb0) reference count 1, flags 0x0, source aib (10), 0 backups
                [2 type 3 flags 0x8401 (0x8d99a598) ext 0x0 (0x0)]
  LW-LDI[type=3, refc=1, ptr=0x8daeedf0, sh-ldi=0x8d99a598]
  gateway array update type-time 1 Nov 20 13:33:23.556
 LDI Update time Nov 20 13:33:23.556
 LW-LDI-TS Nov 20 13:33:23.556
   via 203.0.1.2/32, HundredGigE0/0/0/9, 3 dependencies, weight 0, class 0 [flags 0x0]
    path-idx 0 NHID 0x0 [0x8cfc81a0 0x0]
    next hop 203.0.1.2/32
    local adjacency
        Load distribution: 0 (refcount 2)

    Hash  OK  Interface                 Address
    0     Y   HundredGigE0/0/0/9        203.0.1.2

show adjacency detail

インターフェイスごとのレイヤ 2 情報など詳細な隣接情報を表示します。show adjacency コマンドの出力は、場所によって異なります。

Router#show adjacency detail

-------------------------------------------------------------------------------
0/5/CPU0
-------------------------------------------------------------------------------
Interface                   Address                  Version  Refcount Protocol
Hu0/5/0/12                  (interface)                   13        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/30                  (interface)                   31        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/19                  (interface)                   20        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/16                  (interface)                   17        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/23                  (interface)                   24        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/22                  (interface)                   23        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/1                   (interface)                    2        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/6                   (interface)                    7        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/10                  (interface)                   11        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/31                  (interface)                   32        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/28                  (interface)                   29        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/35                  (interface)                   36        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/32                  (interface)                   33        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/15                  (interface)                   16        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/34                  (interface)                   35        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/2                   (interface)                    3        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/26                  (interface)                   27        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/0/0/9                   203.0.1.2                     50        2(    0) mpls
                           00109400000cea285f0b80248847
                           mtu: 8986, flags 1 0


Hu0/0/0/9                   203.0.1.2                     49        2(    0) ipv4
                           00109400000cea285f0b80240800
                           mtu: 8986, flags 1 0


Hu0/5/0/29                  (interface)                   30        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/33                  (interface)                   34        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/20                  (interface)                   21        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/24                  (interface)                   25        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/0                   (interface)                    1        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/4                   (interface)                    5        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/8                   (interface)                    9        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/3                   (interface)                    4        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/27                  (interface)                   28        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/7                   (interface)                    8        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/14                  (interface)                   15        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/11                  (interface)                   12        1(    0)
                           (interface entry)
                           mtu: 1500, flags 1 4


Hu0/5/0/18                  (interface)                   19        1(    0)
                           (interface entry)

フロー単位ロードバランシング

システムは基本的に 7 タプルハッシュアルゴリズムをサポートしています。ロードバランシングでは、レイヤ 3（ネットワーク層）およびレイヤ 4（トランスポート層）のルーティング情報に基づいてパケットを複数のリンクに分散させるルータ機能について説明します。ルータが宛先に至るパスを複数検出した場合は、その宛先の複数のエントリでルーティングテーブルが更新されます。

フロー単位のロードバランシングでは、以下の機能が実行されます。

着信データトラフィックは、複数の等コスト接続に均等に分散されます。
着信データトラフィックは、バンドルインターフェイス内の複数の等コスト接続メンバリンクに均等に分散されます。
レイヤ 2 バンドルとレイヤ 3（ネットワークレイヤ）のロードバランシングの決定は、IPv4、IPv6、および MPLS フローで行われます。IPv4 または IPv6 のペイロードの場合は、7 タプルハッシングが実行されます。3 つ以下のラベルが設定された MPLS ペイロードの場合は、ハードウェアが下部のペイロードを解析し、そのペイロードに IPv4 または IPv6 ヘッダーがあるかどうかを特定します。IPv4 または IPv6 ヘッダーの場合は、IP 送信元、IP 送信先、ルータ ID、およびラベルスタックの基づいて 4 タプルハッシングが実行されます。それ以外の場合は、MPLS ラベルベースのハッシングが実行されます。MPLS ラベルベースのハッシングの場合は、上位 4 ラベルがハッシュの計算に使用されます。
7 タプルハッシュアルゴリズムはより細かなロードバランシングを実現し、複数の等コストレイヤ 3（ネットワーク層）パス全体でのロードバランシングに使用されます。レイヤ 3（ネットワーク層）パスは、物理インターフェイスまたはバンドルインターフェイス上にあります。また、メンバリンクに対するロードバランシングが、レイヤ 2 バンドルインターフェイス内で行われることがあります。
7 タプルロードバランスハッシュ計算には以下が含まれます。
- 送信元 IP アドレス
- 宛先 IP アドレス
- IP プロトコルタイプ
- ルータ ID
- 送信元ポート
- 宛先ポート
- 入力インターフェイス

宛先別ロードバランシング

再帰 MPLS パス（BGP 3107 を通じて学習したパスなど）を介して遷移するパケットには、宛先別ロードバランシングが使用されます。宛先別ロードバランシングとは、ルートの宛先に基づいてルータがパケットを分散します。同じネットワークへのパスが 2 つある場合、そのネットワーク上の宛先 1 へのすべてのパケットが最初のパスを介して移動し、そのネットワーク上の宛先 2 へのすべてのパケットが 2 番目のパスを介して移動するという具合になります。これにより、パケットの順序は保持されますが、リンクの使用が不等になる可能性があります。1 つのホストがトラフィックの大部分を受け取る場合は、すべてのパケットが 1 つのリンクを使用し、他のリンクの帯域幅は使用されないままとなります。宛先アドレスが多数ある場合は、より均等にリンクが使用されます。

スタティックルートの設定

ルータは、ユーザが手動で設定したルートテーブルエントリのルート情報を使用するか、またはダイナミックルーティングアルゴリズムで計算されたルート情報を使用して、パケットを転送します。スタティックルートは、2 つのルータ間の明示パスを定義するものであり、自動的にはアップデートされません。ネットワークに変更があった場合は、ユーザが手動でスタティックルートを再設定する必要があります。スタティックルートは、ダイナミックルートに比べて使用する帯域幅が少なくなります。スタティックルートは、ネットワークトラフィックが予測可能で、ネットワーク設計がシンプルな環境で使用します。スタティックルートはネットワークの変化に対応できないので、大規模でたえず変化しているネットワークでは、スタティックルートを使用すべきではありません。大部分のネットワークは、ルータ間の通信にダイナミックルートを使用しますが、特殊な状況でスタティックルートを 1 つか 2 つ設定する場合があります。スタティックルートは、最終手段としてのゲートウェイ（ルーティング不能なすべてのパケットの送信先となるデフォルトルータ）を指定する場合にも便利です。

設定例

HundredGigE インターフェイスを介してルータ A とルータ B 間にスタティックルートを作成します。宛先 IP アドレスは 203.0.1.2/32、ネクストホップアドレスは 1.0.0.2 です。

Router(config)#router static address-family ipv4 unicast 
Router(config-static-afi)#203.0.1.2/32 HundredGigE 0/0/0/9 1.0.0.2
Router(config-static-afi)#commit

実行コンフィギュレーション

Router#show running-config router static address-family ipv4 unicast
router static
 address-family ipv4 unicast
 203.0.1.2/32 HundredGigE 0/0/0/9 1.0.0.2
 !
!

確認

Next Hop Flags のフィールドに COMPLETE と表示され、設定が適切に機能していることを確認してください。

Router#show cef  203.0.1.2/32 hardware egress 
203.0.1.2/32, version 0, internal 0x1020001 0x0 (ptr 0x8d7db7f0) [1], 0x0 (0x8daeedf0), 0x0 (0x0)
 Updated Nov 20 13:33:23.557
 local adjacency 203.0.1.2
 Prefix Len 32, traffic index 0, Adjacency-prefix, precedence n/a, priority 15
   via 203.0.1.2/32, HundredGigE0/0/0/9, 3 dependencies, weight 0, class 0 [flags 0x0]
    path-idx 0 NHID 0x0 [0x8cfc81a0 0x0]
    next hop 1.0.0.2
    local adjacency

BGP 属性ダウンロード

BGP 属性ダウンロード機能を使用すると、CEF にインストールした BGP 属性を表示できます。

show cef bgp-attribute コマンドは、CEF にインストールした BGP 属性を表示します。
属性 ID とローカル属性 ID で特定の BGP 属性を表示するには、show cef bgp-attribute attribute-id コマンドと show cef bgp-attribute local-attribute-id コマンドを使用します。

確認

Router# show cef bgp-attribute
Router ID is 216.1.1.1

IP CEF with switching (Table Version 0) for node0_RP0_CPU0

  Load balancing: L4
  Tableid 0xe0000000 (0x8cf5b368), Vrfid 0x60000000, Vrid 0x20000000, Flags 0x1019
  Vrfname default, Refcount 4129
  56 routes, 0 protected, 0 reresolve, 0 unresolved (0 old, 0 new), 7616 bytes
  13 rib, 0 lsd, 0:27 aib, 1 internal, 10 interface, 4 special, 1 default routes
  56 load sharing elements, 24304 bytes, 1 references
  1 shared load sharing elements, 432 bytes
  55 exclusive load sharing elements, 23872 bytes
  0 route delete cache elements
  13 local route bufs received, 1 remote route bufs received,  0 mix bufs received
  13 local routes, 0 remote routes
  13 total local route updates processed
  0 total remote route updates processed
  0 pkts pre-routed to cust card
  0 pkts pre-routed to rp card
  0 pkts received from core card
  0 CEF route update drops, 0 revisions of existing leaves
  0 CEF route update drops due to version mis-match
  Resolution Timer: 15s
  0 prefixes modified in place
  0 deleted stale prefixes
  0 prefixes with label imposition, 0 prefixes with label information
  0 LISP EID prefixes, 0 merged, via 0 rlocs
 28 next hops
  1 incomplete next hop

 0 PD backwalks on LDIs with backup path


VRF: default
_____________
Table ID: 0xe0000000. Total number of entries: 0
OOR state: GREEN. Number of OOR attributes: 0

Cisco NCS 540 シリーズルータ（IOS XR リリース 6.3.x） IP アドレスおよびサービスのコンフィギュレーションガイド

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