深入解析思科 IOS 路由交换设备缓冲区机制

一、数据包缓冲管理

二、数据包缓冲池 Packet buffer pool

1. 静态缓冲池 vs 动态缓冲池

2. 公共池 vs 私有池

Buffers-toc" name="tableOfContents" style="margin-left:40px">三、系统缓冲 System Buffers

Buffer%20elements%C2%A0-toc" name="tableOfContents" style="margin-left:80px">1. Buffer elements

2. Public buffer pools

四、缓冲区输出 & 丢包计数详解

1. Show buffers

2. Show interface

五、思科路由器缓冲区调整

1. 低端平台（Cisco 1600、2500 和 4000 系列路由器）

2. 高端平台（RP、SP、Silicon SP、RSP）

3. Particle-based Platforms 基于粒子的平台

4. 缓冲区调整

六、Index

一、数据包缓冲管理

存储转发过程中，IOS 系统内必须有个地方来存储数据，即 buffer 缓冲区。

IOS 有一个专门用于管理此类缓冲区的特殊组件 - buffer pool manager 缓冲池管理器。数据包缓冲池管理器向内核的内存池管理器请求一块内存，并将其划分为多个缓冲区。然后，构建一个包含所有空闲缓冲区的列表，并监控这些缓冲区的分配和释放。

二、数据包缓冲池 Packet buffer pool

1. 静态缓冲池 vs 动态缓冲池

静态缓冲池 - 缓冲区的数量固定，池中不能添加额外的缓冲区。
动态缓冲池- 动态缓冲池基于最小缓冲区数量（permanent buffers）创建，但可以根据需求添加或移除额外的缓冲区。对于动态缓冲池，如果缓冲池管理器在池为空时收到 buffer 请求，它会尝试扩展缓冲池来立即满足请求。如果在请求 buffer 时无法扩展池，管理器会拒绝请求，并在池管理器的后台进程中稍后扩展池。

2. 公共池 vs 私有池

公共池可以被任何系统进程使用，而私有池则是为特定一组进程创建的，并且仅为这些进程所知。

Buffers" name="%E4%B8%89%E3%80%81%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E7%BC%93%E5%86%B2%20System%20Buffers">三、系统缓冲 System Buffers

Buffer%20elements%C2%A0" name="1.%20Buffer%20elements%C2%A0">1. Buffer elements

小型数据结构，用于操作系统的内部队列，或者当一个缓冲区需要与多个队列关联时使用。

router# show buffers

Buffer elements:
     471 in free list (500 max allowed)
     870696495 hits, 0 misses, 0 created

2. Public buffer pools

公共缓冲池定义了 6 个不同的池子应对不同大小数据包的处理。

Small—104 bytes buffers

Middle—600 byte buffers

Big—1524 byte buffers

VeryBig—4520 byte buffers

Large—5024 byte buffers

Huge—18024 byte buffers

如果接口处理器需要向 RP（路由处理器）传递一个20字节的数据包，它会“请求”一个 small 缓冲区。如果接口处理器需要传递一个500字节的数据包，它会请求一个 middle 冲区，依此类推。

接口处理器向 RP 请求数据包会有以下几种结果：

如果请求的缓冲池中存在空闲缓冲区，则会直接分配该缓冲区。否则，请求将触发一次“未命中”（miss），缓冲区算法会尝试为该池“创建”更多的缓冲区。

当 IOS 无法获取小型缓冲区时，它不会立即丢弃数据包，而是增加失败计数器，并继续请求下一级别的缓冲区，即中型缓冲区。如果中型缓冲区也无法获取，它会请求下一个级别的大型缓冲区。这个过程会一直持续，直到尝试获取超大型缓冲区（Huge buffer）。如果最终仍然无法获取超大型缓冲区，数据包才会被丢弃。

缓冲区分配失败是数据包丢弃最常见的原因之一。当由于缓冲区分配失败导致数据包丢弃时，情况可能愈演愈劣：

发生缓冲区分配失败后，RP 会请求创建更多适合该池的缓冲区。
在 RP 处理创建缓冲区的请求期间，可能造成更多缓冲区分配失败。
由于系统内存限制，即便 RP 收到 buffer 请求，也可能无法创建额外的缓冲区，。
创建缓冲区的操作可能需要几微秒，在此期间，由于缓冲区短缺，数据包会持续被丢弃。
如果缓冲区在创建后立即被消耗，RP 花费更多时间来创建缓冲区，而不是处理数据包。
这可能导致 RP 以极快的速度开始丢弃数据包，进而导致性能下降和会话丢失。

3. Interface buffer pools

接口缓冲池由接口用于输入/输出（I/O）。当接口缓冲区可用列表中没有更多缓冲区时，路由器将回退至公共缓冲区池。回退不会影响性能。(基于设备)

#show interface tengi1/1/3

TenGigabitEthernet1/1/3 is up, line protocol is up (connected)
  Hardware is Ten Gigabit Ethernet, address is 547c.6966.ae9f (bia 547c.6966.ae9f)
  MTU 1500 bytes, BW 10000000 Kbit/sec, DLY 10 usec,
     reliability 255/255, txload 1/255, rxload 1/255
  Encapsulation ARPA, loopback not set
  Keepalive not set
  Full-duplex, 10Gb/s, link type is auto, media type is SFP-10GBase-CX1
  input flow-control is off, output flow-control is unsupported
  ARP type: ARPA, ARP Timeout 04:00:00
  Last input 00:00:01, output never, output hang never
  Last clearing of "show interface" counters