第四阶段：转发引擎¶
硬件转发引擎的主要模块包括转发逻辑、转发表（路由表）以及邻居缓存。其中，邻居缓存和转发表已经设计完成，补充转发逻辑即可形成转发引擎。
路由查询和转发¶
转发引擎接收到 IP 分组后，需要先判断如何处理。对于目标 IP 地址为路由器自身或目标 IP 地址为 RIPng 组播地址等 IP 分组，转发引擎需要将其传递给 CPU 上的软件进行处理。特别地，若实验者实现了 ND 协议的硬件处理，那么 ND 报文可以不传递给 CPU。在实验者实现 CPU 及软件前，可暂时丢弃这些需要传递给 CPU 的 IP 分组，但需要为其预留好接口。对于其他 IP 分组，实验路由器需要进行转发，基本流程为：
- 根据目标 IP 地址查询转发表，获得下一跳接口（出接口）以及下一跳的 IP 地址；
- 特别地，若查询到直连路由，那么下一跳 IP 地址与目标 IP 地址相同。
- 检查 IP 分组头部 hop limit 是否过小（≤ 1）；
- 若过小，丢弃该 IP 分组；
- 此外，还应当生成一个 ICMP 错误消息并发送给源 IP 地址，但本实验中可选。
- 将 hop limit 减少 1；
- 根据需要，如本实验采用以太网，还需要根据下一跳的 IP 地址查询邻居缓存，获得下一跳 MAC 地址；
- 更新以太网帧头部的目标 MAC 地址及 源 MAC 地址 ；
- 目标 MAC 地址更新为下一跳的 MAC 地址；
- 源 MAC 地址更新为实验路由器下一跳接口上配置的 MAC 地址。
- 设置出接口，向下一跳接口发送。
请注意，在转发 IP 分组时不需要修改其目标 IP 地址，工作在以太网之上的路由器是通过设置目标 MAC 地址来将 IP 分组转发至下一跳路由器或主机的，虽然它们在网络层（IP 层）使用下一跳 IP 地址来标识。进一步，根据分层原则，在转发 IP 分组时也不需要读取或修改 IP 分组的有效载荷部分，因为其是上层协议的数据。此外，为了实现简洁，本实验暂不考虑 MTU 问题。最后，为了提高转发引擎的性能，实验者需要尽量使得转发表查询和 IP 分组接收并行进行，如采用流水线的设计。
实现完成后，实验者可以使用实验框架提供的 testbench 对转发引擎进行仿真测试。实验者需要在仿真中仔细观察转发表和邻居缓存查询的结果，以及以太网帧更新后的内容（即发出的以太网帧），并分析各个字段是否正确，主要为出接口编号、以太网帧头部的目标 MAC 地址以及源 MAC 地址、IP 分组头部 hop limit 等字段。若实验者认为这些字段正确，可以进一步尝试借助硬编码的转发表（例如，仅包含有直连路由的转发表），搭建一个测试网络，用两台主机互相 ping，同时抓包查看具体情况。此时，实验者可以利用 ILA 查看转发引擎中间每一步的情况，方便调试。另外，建议实验者使用 Linux 系统进行测试，因为它可以关闭许多不相关的流量，同样能够方便调试。
思考
- 如果在转发表中没有查到下一跳信息，应如何处理？
- 如果在邻居缓存中没有查到对应的 MAC 地址，应如何处理？
- 实验者可能会选择在问题 2 中丢弃没有查到 MAC 地址的 IP 分组，而发送一个组播 Neighbor Solicitation。本实验允许这样实现，但这样可能导致什么问题？
转发引擎的功能测试和性能测试¶
在上一节 ping 测试通过的基础上，实验者还需要进一步测试转发引擎的功能正确性和性能。
功能正确性测试主要包括如下几点：
- IP 分组头部的各种情况都能正确计算，可以通过减少 ping 的间隔（
ping -f <IP 地址>）来测试； - 各种大小的 IP 分组均可以正常转发，可以通过 ping 指定分组大小或者用 iperf3 测速来测试。
- 用 iperf3 测试时，需要在一台主机 A 上运行
iperf3 -s开启 iperf3 服务器，然后在另一台主机 B 上运行iperf3 -c <服务器 IP 地址>来测试主机 B 向主机 A 通过 TCP 传输数据的速率。在主机 B 上运行iperf3 -c <服务器 IP 地址> -R可以测试主机 A 到主机 B 的速率，其中-R代表反向。这样，实验者就可以测试出主机 A 和主机 B 之间，通过路由器后，两个方向分别的速率（单工速率）。进一步，实验者还可以在主机 A 上开启两个服务器（另一个服务器需要添加-p <不同的端口号>来指定一个不同的端口号，防止端口冲突）。同时，实验者需要在主机 B 同时开启两个客户端，一个使用本节开头的参数（-c <服务器 IP 地址>）；另一个使用-c <服务器 IP 地址> -R -p <上述端口号>，连接主机 A 的另一个服务器，并同时测试相反方向传输数据的速率。这样，实验者就可以测试出主机 A 和主机 B 之间，通过路由器后，两个方向同时传输数据时，两个方向分别的速率（其总和为双工速率）。
- 用 iperf3 测试时，需要在一台主机 A 上运行
转发引擎的性能测试主要分为吞吐量测试以及小包转发速率测试。对于吞吐量测试，实验者可以按上述方法通过 iperf3 进行测速，并查看速率。对于小包转发速率测试，由于普通计算机难以按千兆线速的速率（如下文所述）发送小包，此处建议实验者进行仿真测试。关于 iperf3 的使用方法，还可以参考 How to use iperf, a complete tutorial。
对于吞吐量，iperf3 显示的速率为 TCP 分段中传输的有效载荷的速率。考虑到基于以太网的 IP 协议的开销（每个以太网帧的 8 字节前导码、14 字节头部、4 字节校验码、12 字节的帧间隙，以及每个 IP 分组的 40 字节头部）、TCP 协议自身开销（TCP 分段的 20 字节头部）以及以太网的 MTU 为 1500，每个最大的以太网帧在线路上占用 1538 个字节（8 + 14 + 1500 + 4 + 12）的时间，其中 TCP 分段的有效载荷为 1440 个字节（1500 - 40 - 20）。因此，对于千兆以太网，其上的 TCP 协议传输有效载荷的速率不会超过 1440 ÷ 1538 × 1000Mbps ≈ 936.28Mbps。实践中，由于其他一些额外开销，测试结果一般在 930Mbps 附近。对于带宽效率的更多讨论，请参阅：https://en.wikipedia.org/wiki/Jumbo_frame#Bandwidth_efficiency
对于小包转发速率，考虑到以太网帧最短帧长为 64 字节（包含头部、有效载荷以及校验码），以及 20 个字节的前导码和帧间隙，在千兆以太网上，每秒能够发送的以太网帧数量最多为 1000Mb ÷ (64 + 20) ÷ 8b ≈ 1.488M。若这些以太网帧均承载 IP 分组，那么这一数值为小包转发速率的上限（即线速）。
最后，当实验路由器四个接口同时进行收发时，吞吐量以及小包转发速率应分别达到 3.745Gbps（或 3.720Gbps）、5.952Mpps。
此外，测试时如果出现速度突然降到零并且后续 ping 测试失败的情况，一般说明转发引擎部分逻辑不够鲁棒。此时，实验者可以通过 ILA 查看转发引擎内部状态，找到出问题的部分；实验者也可以在 testbench 中增加以太网帧发送速率，模拟性能测试，然后寻找问题。
思考
- PHY/MAC 提供的 AXI-Stream 的接收端没有
ready信号，意味着发送方需要时刻准备好接收数据。请检查实验框架，了解如何实现缓冲区。 - 有时会发生冲突而不得不丢包。请检查实验框架，了解 AXI-Stream 如何完整地丢弃一个以太网帧。