提到存儲介質，大家應該很容易想到RAM。相比于RAM，CAM可能就顯得有些陌生了。實際上，TCAM對于交換芯片非常重要。比如了解OpenFlow的人都知道流表，最典型的流表都是用TCAM來做的。TCAM，主要用于快速查找ACL、路由等表項。

它到底是個什么東西，起到什么樣的作用呢？接下來我們慢慢聊。

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TIP：

OpenFlow，一種網絡通信協議，屬于數據鏈路層，能夠控制網上交換器或路由器的轉發平面（forwarding plane），借此改變網絡數據包所走的網絡路徑。

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什么是CAM？

CAM是Content Addressable Memory的縮寫，即“內容尋址存儲器”的意思，它是在傳統的存儲技術的基礎上實現的聯想記憶存儲器，關于CAM的基本操作有三種：

1)寫操作：輸入地址和數據，將數據寫到指定的地址上，寫入速度與RAM相同；

2)讀操作：輸入地址，返回該地址上的數據，讀取速度與RAM相同；

3)查找操作：輸入待查數據，返回該數據被存儲的地址。這也是CAM的最主要用途，它能夠從巨大的數據庫中進行快速查找，并且返回最佳的匹配地址，最快查找速度能達到每秒一億次以上。

CAM和RAM有何區別？

相對于CAM，我們可能更加熟悉RAM。SRAM、DRAM大家可能或多或少有所接觸。

如果想了解更多關于存儲相關的內容，可以查看我們的往期文章：

科普：什么是OTP？什么是MTP？

科普：RAM和ROM有什么區別？

言歸正傳，在本文中，我們不再花費太多筆墨去闡釋RAM相關內容。我們將重點放在CAM上。

那么，RAM與CAM，有什么區別呢？舉個例子。

一個表（table）被放在RAM中以便進行高速操作，提供一個地址并從表中獲取與該地址相匹配的數據。然而，使用RAM進行查找可能需要多個周期來完成，它的速度不是很理想。

因此，CAM應運而生。在原理上，它反其道而行之，數據被當作搜索其所在地址的鑰匙。根據CAM設計的性質，搜索是并行的，這意味著查找可以在一個周期內完成。這使得CAM更適合做數據表的查找，它的速度更快。

與具有簡單存儲單元的靜態 RAM (SRAM) 不同，全并行 CAM 中的每個單獨的存儲位都必須具有與自身相關的比對電路，以檢測存儲位和輸入位之間的匹配情況。此外，在使用 CAM 時，必須將數據字中每個單元的匹配輸出組合起來，才能產生完整的數據字匹配信號。

因而在搜索層面，CAM具有性能優勢，而代價則是需要更大的面積和更高的功耗。

CAM的分類

我們通常使用兩種不同類型的CAM，分別為BCAM（Binary CAM）和TCAM（Ternary CAM）。

BCAM，顧名思義，是指數據為二進制狀態，即0或1，數據搜索必須完全匹配。它適用于具有唯一條目的數據查詢，如MAC地址查詢。

而TCAM是Ternary Content Addressable Memory的縮寫，即“三態內容尋址存儲器”的意思，它是從CAM的基礎上發展而來的。

這個“三態”，就非常有意思了。

一般的CAM存儲器中每個bit位的狀態只有兩個，“0”或“1”，而TCAM中每個bit位有三種狀態，除掉“0”和“1”外，還有一個“don’t care”狀態，也可以稱作“wildcard”，也可以表示為“X”，從中文理解，就是忽略的意思。所以稱為“三態”，它是通過掩碼來實現的。

正是TCAM的這個第三種狀態特征使其既能進行精確匹配查找，又能進行模糊匹配查找，而BCAM沒有第三種狀態，所以只能進行精確匹配查找。

TCAM的實現除了有ASIC芯片外，還可以在FPGA上用IP核實現。

當涉及到路由時，“don’t care”的概念在很多方面都是有用的。

例如，當我們寫下1.1.1.0/24時，它描述了從1.1.1.0到1.1.1.255的IP地址范圍。數字24表示IP地址的前24位必須被匹配，而后8位是什么并不重要。

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TIP：

路由（routing）是指分組從源到目的地時，決定端到端路徑的網絡范圍的進程。路由工作在OSI參考模型第三層——網絡層的數據包轉發設備。路由器通過轉發數據包來實現網絡互連。

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查找方式的對比：

基于SRAM的查找（傳統查找方式）

1、線性查找

2、二叉樹查找

3、HASH查找

基于TCAM的查找

基于硬件的實現，整個表空間Database在同一時刻被查詢

TCAM之所以能做到一個bit表示三個值，原因是它的一條entry其實在物理上由兩條entry組成，一條存放data，另外一條存放相應的mask。由此可以實現0/1/X的表示。有了TCAM,就可以支持各種LOOKUP KEY的任何組合查找，任意地MASK掉任何不關心的字段，只有TCAM可以做這樣的事情，HASH做不到。

TCAM的查找特點

如果有多條TCAM ENTRY都能匹配上，TCAM優先選擇INDEX最小的那一條。TCAM的查找效率與深度無關，也就是說，無論表項多大，查找速度是一樣的，這跟TCAM的硬件實現方式有關。命中其中一條之后，就返回index，然后根據這個index去它對應的RAM里面查找進一步的關聯數據。

TCAM在高端路由器中的應用及查找過程

為什么TCAM都不會太大

TCAM可以內置在芯片里面，也可以外掛在芯片之外，芯片通過接口去訪問。但是內置TCAM非常占芯片面積,如果芯片內部放了太大的TCAM會導致芯片成本和功耗直線上升。所以一般芯片都不會內置太大TCAM。這就是為什么基于TCAM的流表做不大的原因。

外掛TCAM的成本和功耗一樣很大，甚至比ASIC芯片本身都貴，而且如果一個報文要訪問外部TCAM多次的話，受限于TCAM接口速率，會導致無法線速。所以一般交換機也都不會使用外掛TCAM。

TCAM的優勢

1、單周期查找；

2、平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍；

3、最好情況下，查找速度提高128倍。

總而言之，TCAM實現了通用性和高速度。TCAM的最大優勢，就是速度。

TCAM的缺點

TCAM具有速度快、實現簡單的優點，但是它也有三個不足之處：

1、與一般的隨機存儲器RAM 相比，單位比特的TCAM 更為昂貴，而且存儲芯片的容量相對要小一些；

2、由于TCAM 使用的是并行匹配比較方式，所以TCAM 芯片的功耗較大。查找過程所有關鍵字表項都進行了比較，但是實際能夠匹配上的關鍵字只是幾項，因此大部分的比較操作都被浪費了；

3、 TCAM 需要保證前綴較長的關鍵字保存在前綴較短的關鍵字之前，這種關鍵字之間的順序關系使得TCAM的關鍵字更新工作變得相對復雜了。當加入一條新的表項時，為了能夠仍然保持關鍵字間的順序關系，就需要移動一些前綴長度比新表項要長的一些表項，因此TCAM 的更新操作較為復雜。

總結下來就是：成本高、功耗大、路由更新復雜。

關于TCAM器件的應用

TCAM器件在通信領域種有非常廣泛的應用，主要有：

1、ATM Switching設備中的VCI/VPI轉發和ATM-to-MPLS or ATM-to-TCP-Flow地址映射表項的存儲和查找；

2、Ethernet Switching設備中的二層MAC地址、ARP/RARP解析和三層IP路由表項的存儲和查找；

3、Emerging Protocols and functions方面的MPLS label表項的存儲和查找；

4、Packet Classification業務中的Enforce security、Enforce departmental policies和QOS檢測表項的存儲和查找；

5、安全防護設備中的FIB/LBT、MFIB及ACL表項存儲和查找。

TCAM器件的硬件設計方式一般有三種：

關于ACL

訪問控制列表ACL（Access Control List）是由一條或多條規則組成的集合。所謂規則，是指描述報文匹配條件的判斷語句，這些條件可以是報文的源地址、目的地址、端口號等。

ACL本質上是一種過濾器，規則是過濾器的濾芯。設備基于這些規則進行報文匹配，可以過濾出特定的報文，并根據應用ACL的業務模塊的處理策略來允許或阻止該報文通過。

訪問控制列表被廣泛地應用于路由器和三層交換機，借助于訪問控制列表，可以有效地控制用戶對網絡的訪問，從而最大程度地保障網絡安全。

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TIP：

報文(message)是網絡中交換與傳輸的數據單元，即站點一次性要發送的數據塊。報文包含了將要發送的完整的數據信息，其長短很不一致，長度不限且可變。

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應用場景

-匹配IP流量（可基于源，目的IP地址，協議類型，端口號等類型）

-在Traffic-fiter中被調用

-在NAT中被調用

-在路由策略調用

-在IPSec VPN中被調用

-在防火墻的策略部署中被調用

-在QoS中被調用

分類

目前遇到最多就是基本acl和高級acl，其他種類acl很少見。

ACL/路由表/Mac表跟TCAM的關系

普通交換機中的ACL功能必須使用TCAM，所以內置TCAM省不掉。而對于路由，以前的芯片也都用TCAM來做（主機路由除外），所以路由表項也做不大。現在最新的商業芯片都已經使用算法來支持路由了，這樣就可以使用RAM來做路由。至于Mac表，它的查找是根據Mac+Vlan進行精確匹配，可以用Hash來做，所以跟路由一樣，都存放在RAM里面。

編輯：黃飛

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