本文介绍路由表（Routing Information Base, RIB）、转发表（Forwarding Information Base, FIB）和快速转发（Fast Forwarding）的相关概念和工作原理。
相关概念
路由表
路由表（Routing Information Base, RIB）：路由表是网络设备（如路由器）中存储的一张表格，记录了网络中各个目的地的网络地址、下一跳地址 以及其他相关信息。路由表中的每一条路由记录都包含了目的地址（Destination/Mask）和相应的下一跳（NextHop）信息，用于确定数据的转发路径。例如，发往目的地 10.20.1.10 的数据将会匹配到 10.20.1.0/24 这条路由，其下一跳地址是 10.20.1.11，数据将从出口接口 GE0/0/0 转发出去。
1 | [RTA]display ip routing-table |
转发表
转发表（Forwarding Information Base, FIB）：转发表是路由器或交换机中的一个数据结构，用于存储 从路由表中提取的转发信息 。FIB 中的记录是根据路由表中的路由信息进行 提取和优化的，以方便快速转发数据包。FIB 中的每一条记录都包含了目的地址和相应的出口接口。
1 | [RTA]display fib |
快速转发表
快速转发表（Fast Forwarding Table）：快速转发表是 在 FIB 的基础上进行进一步优化 的数据结构。它是网络设备中的 一个高速缓存 ，用于存储 最常用 的转发信息。快速转发表中的记录是经过优化和加速的，以提高数据包的转发速度。快速转发表中的每一条记录都包含了目的地地址和相应的出口接口。
转发表和快速转发表都是基于路由表的衍生物，用于加速数据包的转发过程。
路由转发分组
路由转发分组：路由转发分组是指网络设备（如路由器）根据接收到的数据包的目的地址，通过查询 路由表 FIB 表，选择合适的出口接口将数据包转发到下一跳 的过程 。 路由表FIB 表是路由转发分组的基础和依据。
路由表工作原理
在一张路由表中，当存在多个路由项可同时匹配目的地址时，路由查找进程会 选择掩码（Mask）最长的路由项用于转发，即最长匹配原则。因为掩码越长，所处的网段范围就越小，网段的范围越小，就越能快速的定位到 PC 机的具体位置，从而加快转发效率。
例子：在运行了 RIP (Routing Information Protocol，一种用于路由选择的动态路由协议) 的路由器上看到如下路由信息：
1 | <RTA>display ip routing-table 6.6.6.6 |
此时路由器收到一个目的地址为 6.6.6.6 的数据包，那么（A）。
- A. 该数据包将优先匹配路由表中的 RIP 路由，因为其掩码 Mask 最长。
- B. 该数据包将优先匹配路由表中的 RIP 路由，因为其优先级 Pre 高。
- C. 该数据包将优先匹配路由表中的静态路由，因为其花费 Cost 小。
- D. 该数据包将优先匹配路由表中的静态路由，因为其掩码 Mask 最短。
尽管如此，路由表中 路由项数量越多 ，所需查找及匹配的次数就越多，其 转发效率就会降低。为了实现控制平面与转发平面完全分离，就需要系统构建一张专注于数据报文转发的表，即转发表。
转发表
转发表生成方式
FIB 表的生成有 2 种方式，一种是源于路由表项，另外一种是通过 ARP 解析获得。
源于路由表项
第一种方式，当开始计算路由信息的时候，因为在一个网络拓扑结构中，可能会运行多个路由协议，而不同路由协议所计算出的路径可能会不同。
当出现这种情况时，路由器会 选择较高路由优先级的路由协议所发现的路由 作为最优路由，即比较路由的优先级将其选出，置为 Active（活跃）状态；而其他路由作为备份路由，置为 Inactive（非活跃）状态。系统会再把 Active 状态的路由表项导入至 FIB 表中，作为系统转发的依据。
通过 ARP 解析
第二种方式，通过 ARP 解析，得到 MAC 地址与目的 IP 地址的映射关系。为了将这个映射关系添加到 FIB 表中，主机需要将目标 IP 地址与对应的 MAC 地址加入到本地网段内的主机路由信息中。最后将主机路由信息添加到 FIB 表中。
转发表工作原理
在 FIB 表生成过程中，需要注意的一点是，FIB 表与路由表是同步更新的 。系统的控制平面会发现 新的 路由信息，根据路由信息更新到自己的路由表中，生成新的 Active 状态的路由表项，再更新至 FIB 表。
路由表属于控制平面，FIB 表属于转发平面，这样便做到了 控制平面与转发平面的分离。如果原路由表中处于 Active 状态的路由表项失效，系统也会删除相关 FIB 表项。
由于 FIB 表 全是 处于 Active 状态的路由，所以 FIB 表项的 数量远远小于 路由表项。基于这种特性，在设计的时候，系统可以将 FIB 表项加载到硬件中，从而加快数据转发速度 。例如，在某些高端交换机启动后，FIB 表被系统加载到接口业务板的硬件中， 数据报文再通过硬件转发，不需要再通过 CPU 转发，可以大大降低转发时延。
控制平面与转发平面的物理（或逻辑）分离，使得主控板上的 CPU 不负责报文转发，专注于系统的控制；而业务板则专注于数据报文转发。如果主控板损坏，业务板仍然能够转发报文。
快速转发
路由器常规转发报文的流程：
路由器接收到一个报文后，将它从接口存储器拷贝至 CPU 中，CPU 会根据报文的目的地址寻找 FIB 表中与之匹配的转发项，最终确定一条最佳的路径。与此同时，再将报文按照数据链路层上使用的协议进行封装，最后，封装后的链路层帧通过 DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）拷贝至输出队列中进行报文转发。这一个过程经过了 2 次系统总线，每一个报文都要重复这个过程。
路由器性能因素：
衡量路由器性能因素之一是报文的转发效率，报文的转发效率越高，性能就越强。所以，需要再用到快速转发表来进行转发，快速转发表采用高速缓存来处理报文，使用基于数据流的技术来处理。
什么是基于数据流？
数据流是指在计算机系统中，数据在各个组件（如程序、模块、子系统等）之间传输和处理的过程。在数据流中，数据经过一系列处理后，输出到下一个组件或者最终输出到终端用户。例如，访问 HTTP 服务的一次操作。
在计算机网络中，一般 用一个五元组来描述一个数据流，源 IP 地址、源端口号、目的 IP 地址、目的端口号、协议号 。当一个数据流的第一个报文通过查找 FIB 表转发后，在高速缓存中生成相应的转发信息，该数据流 后续报文的转发 就可以通过直接查找高速缓存来实现。
例如，当一个主机需要访问服务器时，主机发出的第一个报文到达路由器的接口后，路由器会查找快速转发表实现快速转发。但由于这个报文是第一个报文，快速转发表中并没有这条数据流的转发信息高速缓存，所以系统无法进行快速转发。便会退而求其次，将报文移交至普通的 FIB 表，由 CPU 负责在 FIB 表中查找相关转发项，然后进行封装，再从接口转发出去。与此同时，系统记录报文中的五元组信息，再高速缓存中会生成相应的快速转发信息。
系统会根据五元组信息生成相应的快速转发信息缓存。与此同时，也会记录转发时的 封装信息及接口信息 。在当后续报文来到后，系统会查看报文中的五元组，如果命中了快速转发缓存，则会根据缓存中的封装信息 直接进行 二层数据帧的封装。然后，在中断中直接送到出接口发送。这样，就不需要上报 CPU 进行查表操作，也不需要内存访问操作，更不用占用系统总线资源。
快速转发技术就在很大程度上缩减了 IP 报文的排队流程，也减少了报文的转发时间。
参考资料：