路由器中的硬件IP路由表查找技術(shù)

2019-11-05 00:28:06

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供稿：網(wǎng)友

　　Internet的迅速發(fā)展給我們的生活帶來了巨大的變化。隨之而來的是網(wǎng)絡(luò)流量的迅速增長。網(wǎng)絡(luò)流量的增長對于Internet上的路由器來說是一個很大的挑戰(zhàn)，非凡是核心路由器。它需要高速有效的包調(diào)度.轉(zhuǎn)發(fā)和路由策略。本文針對路由器的路由查找，提出了一種高效的.便于用硬件實現(xiàn)的技術(shù)。
　　
　　1. 路由器的體系結(jié)構(gòu)
　　　

　　圖1給出了一般路由器的邏輯體系結(jié)構(gòu)。它主要由下面幾部分組成：路由引擎、轉(zhuǎn)發(fā)引擎、路由表、網(wǎng)絡(luò)適配器和相關(guān)的邏輯電路等。轉(zhuǎn)發(fā)引擎負責(zé)把從一個網(wǎng)絡(luò)適配器來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)適配器出去。ip協(xié)議，包括對路由表的查找，構(gòu)成了轉(zhuǎn)發(fā)引擎中最主要的部分。由于每個通過路由器并需要其轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包都要對路由表進行查找，所以路由表的查找效率如何往往決定了整個路由器的性能。路由引擎則包括了高層協(xié)議，非凡是路由協(xié)議，它負責(zé)對路由表的更新。由于路由引擎不涉及通過路由器的數(shù)據(jù)通路，故它可用通用的CPU代替。
　　
　　2．硬件路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　　　一般路由器中路由表的每一項至少有這樣的信息：目標地址、網(wǎng)絡(luò)隱碼、下一跳地址。假如對每一個IP地址都要一個表項，那么需要占用很大的2323*4字節(jié)的存儲器，而且其中必定有很多的表項沒有被使用，這就會造成極大的資源浪費。
　　　　為了用硬件實現(xiàn)路由表的查找，查找算法需要滿足如下的條件：
　　　　1）實時的實現(xiàn)路由表的查找；
　　　　2）有效的實現(xiàn)路由表的插入和刪除；
　　　　3）提供有效的最長前綴匹配；
　　　　4）具有良好的可擴展性；
　　　　5）支持廣播和組播；
　　　　6）有效的對Memory進行利用；
　　　　7）硬件上輕易實現(xiàn)，并具有良好的性能。
　　　　我們考慮，假如在對路由表的查找中，把子網(wǎng)隱碼和IP地址結(jié)合起來，對IP地址進行相應(yīng)的分段，并把它們相連。這樣在路由表的表項中，只有IP地址的一部分及其相應(yīng)的隱碼部分，可以實現(xiàn)良好的可擴展性，只要對Memory進行有效的治理，可以靈活的動態(tài)的實現(xiàn)對路由的插入和刪除。鑒于此，我們設(shè)計該表的結(jié)構(gòu)（如下面的表一所示）：
　　　

　　它的思想是：把32位IPv4地址主要分成4部分，每部分8位。在該結(jié)構(gòu)中，Address-part[0-4]是IP地址中的一部分，Mask-part[0-4]是相應(yīng)的掩碼部分。Hit-next[0-4]是需要查找的目標IP地址與掩碼部分相與后，與Address-part一致時所要查找的下一路由項所在地址的指針。,Miss-hit[0-4]則是相互不一致時，下一路由項所在地址的指針。Shift位則用于判定是否需要對IP地址中的下8位進行查找和判定。它只有在當前的8位IP地址與目標地址中相應(yīng)的8位一致時，才會被置位。Stop位用于判定是否還需進行查找。它在IP地址查找結(jié)束時被置位，或沒有比當前項所對應(yīng)的IP地址更長的路由表項時被置位。
　　　　圖2就是一個表1的例子：
　　　　在該例子中，每一方框中上面一行表示相應(yīng)的IP地址部分和隱碼部分。下面一行表示相關(guān)的隱碼部分的二進制表示。相應(yīng)的查找算法如下：
　　／＊　查找算法開始 */
　　search = TRUE ;
　　WHILE ( search ) {
　　masked_key = key & ( entry ->mask_part ) ;
　　result = ( entry ->address_part ) = = masked_key
　　IF ( result = = TRUE ) {
　　best_match = entry ;
　　entry = entry ->hit_next;
　　}ELSE{
　　entry = entry ->miss_next;
　　IF ( entry ->stop = = TRUE ) search = FALSE;
　　}
　　}
　　RETURN best_match ；
　　／＊　查找算法結(jié)束 */
　　
　　　　為了實現(xiàn)有效的插入和刪除，我們還要在路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中再另外添加幾個域：parent指針（指向本結(jié)點的父結(jié)點），路由信息（routeinfo）等。它們的用途是在路由表的查找過程中，非凡是在指針的回溯（pointer reversal）中，可以大大的節(jié)省查找時間。由于IP路由的插入和刪除比較復(fù)雜。我們只是粗略得說明一下。
　　IP路由的插入：
　　/*　插入算法開始 */
　　/* 先用上面提到的查找算法找出best-match */
　　best_match = search ( new_entry );
　　/* 確定需要加入的路由中沒有被best-match包括的那幾位 */
　　for ( count = first_unmatched_bit ; count <= sizeof ( new_entry) ;
　　count+= sizeof ( address_part ) {
　　/* 創(chuàng)建新的結(jié)點 */
　　create new node ;
　　/* 將該結(jié)點連入best_match的hit_next */
　　link node into hit branch of best_match ;
　　}
　　/*　插入算法結(jié)束 */
　　　　IP路由的刪除要分幾種情況討論。如 best_match 是葉子結(jié)點，best_match的hit_next指針為空, best_match的miss_next指針為空和hit_next指針和miss_next指針都不為空等四種情況。這里就不再討論。
　　
　　3．路由表查找的硬件實現(xiàn)：
　　

　　圖3就是對應(yīng)與上面提及的路由表結(jié)構(gòu)的IP路由表查找的硬件實現(xiàn)（簡稱為路由卡）的系統(tǒng)框圖。
　　　　在路由卡中，主要有IP地址，狀態(tài)機，路由信息，Memory，譯碼器，掩碼器，比較器，地址寄存器組成。IP地址用于保存所要查找的目標地址。狀態(tài)器用于控制IP路由表的查找。路由信息就是我們所要查找的信息。它的工作原理是這樣的：
　　　　當路由器從某一個網(wǎng)絡(luò)適配器中接受到一個需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包后，在需要進行IP路由表的查找時，把IP包的目的地址送到IP地址寄存器中，同時給狀態(tài)機發(fā)一個指令。狀態(tài)接到這一指令后，從Memory中讀出路由表的相應(yīng)的表項，并和IP地址寄存器中的相應(yīng)幾位經(jīng)譯碼器，掩碼器后，進行比較，把比較的結(jié)果反饋給狀態(tài)機。再由狀態(tài)機來控制下一輪的比較。當比較結(jié)束后，把比較的結(jié)果放在路由信息寄存器中，供路由器（如轉(zhuǎn)發(fā)引擎）讀取。同時狀態(tài)機在特定的某一端口設(shè)置標志，來通知CPU查找是否已經(jīng)結(jié)束或還在進行當中。下面對其性能進行分析。
　　
　　4．性能分析
　　　　由于路由表項中，地址掩碼的引入，使得路由結(jié)構(gòu)變得非常靈活。但相應(yīng)的，由此產(chǎn)生的內(nèi)存的開銷也相當?shù)拇蟆＿@是性能和硬件開銷一對矛盾的必然體現(xiàn)。
　　　　該路由卡原型的實現(xiàn)是利用微機上的ISA總線，采用存取時間為70ns 的SRAM存儲器（所需容量為6*123k*8bit）。除了使用ISA總線上提供的總線外，本身還帶了33M的晶振。對某一路由表項的查找，最多只需32步查找。
　　　　在最壞情況下，共需32次查找，查找時間為：
　　　　32* 1 /(33*106) ≈ 9.7 * 10 -7秒
　　　　此時每秒可查找 1/（9.7 * 10 -7）≈ 1.03 * 106次
　　　　雖然該路由卡是基于ISA總線，但平均來說，該路由卡的查找速率為每秒8百萬次。這也從另一方面說明該路由卡的設(shè)計是可行的。
　　
　　
　　　　針對網(wǎng)絡(luò)流量的增加，及對路由器性能要求的提高，本文從硬件的角度對IP路由查找算法用硬件實現(xiàn)做了一系列的分析，并提出了相應(yīng)的便于用硬件實現(xiàn)的IP路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同時對該路由卡的性能進行了分析。
　　同時也該看到：為了更快的提高路由表的查找速率，基于ISA總線是不可能滿足要求的。由此，使用FPGA芯片不可避免。由于VHDL語言固有的靈活性和可編程性，可以更為靈活和高效的實現(xiàn)路由查找。所以，使用FPGA芯片來實現(xiàn)路由查找，是未來的趨勢。

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