CAM和TCAM区别和优势分析

提到存储介质，大家应该很容易想到RAM。相比于RAM，CAM可能就显得有些陌生了。实际上，TCAM对于交换芯片非常重要。比如了解OpenFlow的人都知道流表，最典型的流表都是用TCAM来做的。TCAM，主要用于快速查找ACL、路由等表项。

它到底是个什么东西，起到什么样的作用呢？接下来我们慢慢聊。

 

TIP：

OpenFlow，一种网络通信协议，属于数据链路层，能够控制网上交换器或路由器的转发平面（forwarding plane），借此改变网络数据包所走的网络路径。

 

什么是CAM？

CAM是Content Addressable Memory的缩写，即“内容寻址存储器”的意思，它是在传统的存储技术的基础上实现的联想记忆存储器，关于CAM的基本操作有三种：

1)写操作：输入地址和数据，将数据写到指定的地址上，写入速度与RAM相同；

2)读操作：输入地址，返回该地址上的数据，读取速度与RAM相同；

3)查找操作：输入待查数据，返回该数据被存储的地址。这也是CAM的最主要用途，它能够从巨大的数据库中进行快速查找，并且返回最佳的匹配地址，最快查找速度能达到每秒一亿次以上。

CAM和RAM有何区别？

相对于CAM，我们可能更加熟悉RAM。SRAM、DRAM大家可能或多或少有所接触。

如果想了解更多关于存储相关的内容，可以查看我们的往期文章：

科普：什么是OTP？什么是MTP？

科普：RAM和ROM有什么区别？

言归正传，在本文中，我们不再花费太多笔墨去阐释RAM相关内容。我们将重点放在CAM上。

那么，RAM与CAM，有什么区别呢？举个例子。

一个表（table）被放在RAM中以便进行高速操作，提供一个地址并从表中获取与该地址相匹配的数据。然而，使用RAM进行查找可能需要多个周期来完成，它的速度不是很理想。

因此，CAM应运而生。在原理上，它反其道而行之，数据被当作搜索其所在地址的钥匙。根据CAM设计的性质，搜索是并行的，这意味着查找可以在一个周期内完成。这使得CAM更适合做数据表的查找，它的速度更快。

与具有简单存储单元的静态 RAM (SRAM) 不同，全并行 CAM 中的每个单独的存储位都必须具有与自身相关的比对电路，以检测存储位和输入位之间的匹配情况。此外，在使用 CAM 时，必须将数据字中每个单元的匹配输出组合起来，才能产生完整的数据字匹配信号。

因而在搜索层面，CAM具有性能优势，而代价则是需要更大的面积和更高的功耗。

CAM的分类

我们通常使用两种不同类型的CAM，分别为BCAM（Binary CAM）和TCAM（Ternary CAM）。

BCAM，顾名思义，是指数据为二进制状态，即0或1，数据搜索必须完全匹配。它适用于具有唯一条目的数据查询，如MAC地址查询。

而TCAM是Ternary Content Addressable Memory的缩写，即“三态内容寻址存储器”的意思，它是从CAM的基础上发展而来的。

这个“三态”，就非常有意思了。

一般的CAM存储器中每个bit位的状态只有两个，“0”或“1”，而TCAM中每个bit位有三种状态，除掉“0”和“1”外，还有一个“don’t care”状态，也可以称作“wildcard”，也可以表示为“X”，从中文理解，就是忽略的意思。所以称为“三态”，它是通过掩码来实现的。

正是TCAM的这个第三种状态特征使其既能进行精确匹配查找，又能进行模糊匹配查找，而BCAM没有第三种状态，所以只能进行精确匹配查找。

TCAM的实现除了有ASIC芯片外，还可以在FPGA上用IP核实现。

当涉及到路由时，“don’t care”的概念在很多方面都是有用的。

例如，当我们写下1.1.1.0/24时，它描述了从1.1.1.0到1.1.1.255的IP地址范围。数字24表示IP地址的前24位必须被匹配，而后8位是什么并不重要。

 

TIP：

路由（routing）是指分组从源到目的地时，决定端到端路径的网络范围的进程。路由工作在OSI参考模型第三层——网络层的数据包转发设备。路由器通过转发数据包来实现网络互连。

 

查找方式的对比：

基于SRAM的查找（传统查找方式）

1、线性查找

2、二叉树查找

3、HASH查找

基于TCAM的查找

基于硬件的实现，整个表空间Database在同一时刻被查询

TCAM之所以能做到一个bit表示三个值，原因是它的一条entry其实在物理上由两条entry组成，一条存放data，另外一条存放相应的mask。由此可以实现0/1/X的表示。有了TCAM,就可以支持各种LOOKUP KEY的任何组合查找，任意地MASK掉任何不关心的字段，只有TCAM可以做这样的事情，HASH做不到。

TCAM的查找特点

如果有多条TCAM ENTRY都能匹配上，TCAM优先选择INDEX最小的那一条。TCAM的查找效率与深度无关，也就是说，无论表项多大，查找速度是一样的，这跟TCAM的硬件实现方式有关。命中其中一条之后，就返回index，然后根据这个index去它对应的RAM里面查找进一步的关联数据。

TCAM在高端路由器中的应用及查找过程

为什么TCAM都不会太大

TCAM可以内置在芯片里面，也可以外挂在芯片之外，芯片通过接口去访问。但是内置TCAM非常占芯片面积,如果芯片内部放了太大的TCAM会导致芯片成本和功耗直线上升。所以一般芯片都不会内置太大TCAM。这就是为什么基于TCAM的流表做不大的原因。

外挂TCAM的成本和功耗一样很大，甚至比ASIC芯片本身都贵，而且如果一个报文要访问外部TCAM多次的话，受限于TCAM接口速率，会导致无法线速。所以一般交换机也都不会使用外挂TCAM。

TCAM的优势

1、单周期查找；

2、平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍；

3、最好情况下，查找速度提高128倍。

总而言之，TCAM实现了通用性和高速度。TCAM的最大优势，就是速度。

TCAM的缺点

TCAM具有速度快、实现简单的优点，但是它也有三个不足之处：

1、与一般的随机存储器RAM 相比，单位比特的TCAM 更为昂贵，而且存储芯片的容量相对要小一些；

2、由于TCAM 使用的是并行匹配比较方式，所以TCAM 芯片的功耗较大。查找过程所有关键字表项都进行了比较，但是实际能够匹配上的关键字只是几项，因此大部分的比较操作都被浪费了；

3、 TCAM 需要保证前缀较长的关键字保存在前缀较短的关键字之前，这种关键字之间的顺序关系使得TCAM的关键字更新工作变得相对复杂了。当加入一条新的表项时，为了能够仍然保持关键字间的顺序关系，就需要移动一些前缀长度比新表项要长的一些表项，因此TCAM 的更新操作较为复杂。

总结下来就是：成本高、功耗大、路由更新复杂。

关于TCAM器件的应用

TCAM器件在通信领域种有非常广泛的应用，主要有：

1、ATM Switching设备中的VCI/VPI转发和ATM-to-MPLS or ATM-to-TCP-Flow地址映射表项的存储和查找；

2、Ethernet Switching设备中的二层MAC地址、ARP/RARP解析和三层IP路由表项的存储和查找；

3、Emerging Protocols and functions方面的MPLS label表项的存储和查找；

4、Packet Classification业务中的Enforce security、Enforce departmental policies和QOS检测表项的存储和查找；

5、安全防护设备中的FIB/LBT、MFIB及ACL表项存储和查找。

TCAM器件的硬件设计方式一般有三种：

关于ACL

访问控制列表ACL（Access Control List）是由一条或多条规则组成的集合。所谓规则，是指描述报文匹配条件的判断语句，这些条件可以是报文的源地址、目的地址、端口号等。

ACL本质上是一种过滤器，规则是过滤器的滤芯。设备基于这些规则进行报文匹配，可以过滤出特定的报文，并根据应用ACL的业务模块的处理策略来允许或阻止该报文通过。

访问控制列表被广泛地应用于路由器和三层交换机，借助于访问控制列表，可以有效地控制用户对网络的访问，从而最大程度地保障网络安全。

 

TIP：

报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

 

应用场景

-匹配IP流量（可基于源，目的IP地址，协议类型，端口号等类型）

-在Traffic-fiter中被调用

-在NAT中被调用

-在路由策略调用

-在IPSec VPN中被调用

-在防火墙的策略部署中被调用

-在QoS中被调用

分类

目前遇到最多就是基本acl和高级acl，其他种类acl很少见。

ACL/路由表/Mac表跟TCAM的关系

普通交换机中的ACL功能必须使用TCAM，所以内置TCAM省不掉。而对于路由，以前的芯片也都用TCAM来做（主机路由除外），所以路由表项也做不大。现在最新的商业芯片都已经使用算法来支持路由了，这样就可以使用RAM来做路由。至于Mac表，它的查找是根据Mac+Vlan进行精确匹配，可以用Hash来做，所以跟路由一样，都存放在RAM里面。

编辑：黄飞