Để mặt phẳng điều khiển hoạt động tốt, đòi hỏi những hiểu biết về các giao thức định tuyến (routing protocol) đặt biệt là các giao thức (protocol) phức tạp như OSPF và BGP. Ngươc lại, mặt phẳng dữ liệu hoạt động đơn giản hơn mặt phẳng điều khiển, nó được thực hiện thường xuyên hơn các hoạt động của Mặt phẳng điều khiển, mặt phẳng dữ liệu được thực hiện mỗi lần cho mỗi gói tin đã được định tuyến. Mặt phẳng điều khiển hoạt động khi có sự thay đổi về mô hình mạng và bảng định tuyến (routing table) phải được cập nhật lại. Như vậy cuối cùng thì tốc độ định tuyến gói tin nhanh hay chậm phụ thuộc vào hiệu quả của việc triển khai mặt phẳng dữ liệu trong thiết bị định tuyến. Vì hoạt động của mặt phẳng điều khiển rất phức tạp nên người ta phải nhờ đến những ngôn ngữ lập trình cấp cao của CPU để tính toán và duy trì hoạt động của mặt phẳng điều khiển. Với khía cạnh này thì mặt phẳng điều khiển hoạt động dưới sự điều khiển của phần mêm và cả switch lớp 3 (L3 switch) cũng như router để thực hiên mặt phẳng điều khiển thì đều phải nhờ phần mêm. Mặt phẳng dữ liệu hoạt động để điều chỉnh các thông số sau khi nhận được khung (frame): địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích, thời gian sống (TTL), thông tin kiểm lỗi ở phần đầu gói tin IP (IP header checksum). Công việc này đơn giản, nhưng đối với Router truyền thống thì nó vẫn được thực hiện bằng phần mêm nên rất chậm. L3 switch đã cải tiến công việc này bằng cách hiện thực bằng phần cứng, dùng ASICs để thực hiện mặt phẳng dữ liệu nhanh hơn.
Kiến trúc của chuyển mạch lớp 3 dựa trên phần cứng
Mặt phẳng dữ liệu (data plain) phải tra cứu thông tin địa chỉ IP của bước nhảy kết tiếp (next hop) và địa chỉ của next hop và sau đó đóng gói lại các thông tin này trong gói tin và khung sẽ bị chậm lại. Để tránh bị tình trạng trì hoãn, L3 switch sử dụng một cấu trúc cơ sở dữ liệu đặc biệt để việc tìm kiếm nhanh chóng hơn. Cấu trúc của cơ sở dữ liệu này có thể được chia ra làm 2 loại:
Bộ đệm của con đường đi (route cache): Là nơi những thông tin của khung chuyển mạch lớp 3 (L3 switch frame) liên quan đến một luồng (flow) dữ liệu nào đó . Một flow là một cuộc trao đổi lưu lượng giữa 2 điểm trong mạng (ví dụ : luồng 1 là sự trao đổi thông tin của máy tính A với máy tính B, luồng 2 lại là sự trao đổi thông tin giữa máy tính A và máy tính C). Đối với gói tin đầu tiên thì luồng đươc chỉ ra bằng phần mềm, gói tin thứ 2 thuộc luồng đó sẽ được chuyển đi bằng phần cứng dựa trên những thông tin được cung cấp trong bộ đệm được thực hiện trước đó bởi phần mêm.
Bảng con đường đi tối ưu tìm kiếm: tìm kiếm tiến trình thường được nghĩ đến là quá trình tìm kiếm để định ra các thông tin về con đường đi (route), chi phí (metric) và AD của con đường đi trong bảng định tuyến. Những thông tin này không liên quan đến hoạt động của mặt phẳng dữ liệu (data plane). Bảng tìm kiếm được dùng bởi data plane là một loạt các thực thể (entry) có thể gọi là bảng láng giềngchứa thông tin về địa chỉ MAC kết hợp với những các giao diện bước nhảy kế tiếp (next hop interface) của các thiết bị mạng. bảng này được thực hiện trong L3 switch với tên gọi CEF.
Cisco Express Forwarding (CEF)
CEF là một kỹ thuật chuyển mạch IP ở lớp 3. CEF giúp tối ưu hoá hiệu suất mạng và sự linh động cho mạng. CEF cung cấp những lợi ích sau:
Tăng hiệu suất: CEF giúp cho việc chuyển mạch diễn ra nhanh và đỡ tốn tài nguyên của hệ thống hơn. Tăng độ linh hoạt. Do đó, CEF được thiết kế cho những mạng chuyển mạch IP ở mạng sương sống (backbone network), và thường chạy ở lớp lõi (core layer) của thiết kế 3 lớp, giúp cho việc chuyển mạch được thực hiện một cách nhanh chóng.
Các thành phần của CEF:
CEF gồm hai thành phần chính: Forwarding Information Base(FIB), và Adjacency Tables.
Forwarding Information Base(FIB)
CEF sử dụng một bảng FIB để thực hiện việc chuyển mạch, FIB cũng giống như một bảng định tuyến, nó duy trì một bản sao của bảng định tuyến, khi quá trình định tuyến bị thay đổi, bảng định tuyến được cập nhật, và những thay đổi đó cũng sẽ ảnh hưởng đến FIB. FIB sẽ duy trì thông tin về các địa chỉ bước nhảy kế tiếp (next hop) dựa trên bảng định tuyến hiện tại của thiết bị. Và do đó nó sẽ có thể thực hiện việc chuyển mạch một cách nhanh chóng, và tối ưu.
Các điểm trong một mạng được xem là gần kề khi chúng có thể liên lạc với nhau qua một thiết bị ở lớp 2. Cùng với bảng FIB, CEF sử dụng bảng gần kề để lưu giữ những thông tin về địa chỉ lớp 2. Do đó, bảng gần kề sẽ lưu trữ địa chỉ lớp của các next hop trong bảng FIB. Và quá trình xảy ra cũng giống như ARP.
Các trạng thái hoạt động của CEF
CEF có thể được bật ở 1 trong 2 trạng thái sau: CEF tập trung (Central CEF), CEF phân tán (Distributed CEF).
Khi trạng thái này được kích hoạt, thì FIB và adjacency table sẽ nằm trên bộ xử lý định tuyến RP (Route Processor), và RP sẽ thực hiện quá trình chuyển mạch. Hình dưới đây cho biết mối quan hệ giữa bảng định tuyến, FIB, adjacency table trong trạng thái này. Switch sẽ chuyển tiếp các lưu lượng từ LAN đến Cisco 7500 chạy CEF. Và RP sẽ thực hiện quá trình chuyển mạch.
Figure 9: CEF Mode
