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。
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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：
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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。
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tip：
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1、线性查找
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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。
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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。
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1、单周期查找；
2、平均查找速度是基于sram算法查找的6倍；
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tcam的缺点
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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。
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tcam器件的硬件设计方式一般有三种：
关于acl
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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。
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