支持IPv42fIPv6的快速IP路由查找和更新技术分析

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1、中国科学技术大学硕士毕业论文1概述在今天的网络中，人们已经普遍使用光纤作为数据传输的介质。光传输系统为我们提供了Gb／s量级的高网络带宽，OC．48=2．4Gb／s，OC一192=10Gb／s己渐成主流【33l。同时，名目繁多的各类应用也对网络结点提出了多样的要求，如QoS，安全性等等。为了充分利用物理介质带给我们的高网络带宽和满足各种应用需求，网络中的结点需要达到很快的数据包处理速度。网络处理器[21[51(NetworkProcessor，简称NP)正是由此而提出来的一项新的技术。由于通用CPU编程处理

2、方式在速度上有所欠缺，而ASIC的设计周期很长且不够灵活，因此兼顾速度和灵活性的NP成为一种有吸引力的选择，将在下～代网络设备中广泛使用。目前国外有多家公司开发了一系列的NP，如Intel的IXPl200[3们、IXP2800[151和IBM的PowerNp[10】，其处理速度不断提高，Intel的最新产品IXP2850更是加强了安全性能。而国内的网络处理器研究还处于开始阶段。1．1研究背景网络处理器主要由一个通用处理器，若干个可编程微引擎，和几个协处理器等组成。通用处理器完成一些控制和管理的工作；微引擎用

3、于数据包的接收转发；协处理器可用于路由表的查询更新、流量控制，安全验证等特定任务。图1．1数据包在NP中的大致流程图1．1说明了数据包在NP中的大致流程。NP周期性检测MAC收到的数据包，然后存入接收队列(RFIFO)，再进行分类、过滤，丢弃某些包：然后将包分成固定大小的段，存入数据队列存储器；在存入之前，还要进行拥塞管理。之后通过内部总线，读出数据包进行路由查找、队列调度等一系列操作，或者由微中国科学技术大学硕：b毕业论文引擎实现安全算法等等。最后再从存储器读出段，各段重组成数据包，缓冲到输出队列再发送出

4、去。针对NP的应用特点——高吞吐量和可编程性，国外很多研究人员对此进行了研究。提高吞吐量主要通过两个途径：一是通过快速的硬件接口和存储设备来加速数据包处理，存储器带宽是整个系统的瓶颈，急需改进；二是在处理过程中使用多种并行技术。一方面，NP有天然的并发性，另一方面，高速网络中NP面临着内存访问时间的瓶颈，因此提高并发性也是必要的。而高度的并发性不仅需要多线程，也需要多处理器一起完成。同时，需要提供一个强大的指令集来支持可编程性，而一个灵活的存储器设计方案对提高可编程性也是至关重要的。随着路由表的增大，存储代

5、价和查找与更新的效率问题也越来越凸现出来。当路由表变得庞大时，对一个给定的目标地址，决定目标输出端口所需的访存次数也相应增加。而大路由表存储在片内存储器或者Cache中的成本太高，因此需要使用时间开销较高的片外存储器。目前，一次片上SRAM访存需要1-5ns，一次片上DRAM访存需要10ns，而片外SRAM需要10。20ns，片外DRAM需要60．100ns。如何在存储器成本和查找更新速率之间达到良好的平衡，在网络处理器存储系统设计中较为关键。当前计算机网络中应用最广泛的网络层协议是IPv4[241，但是它

6、正暴露出越来越多的不足，比如地址匮乏，安全性不足等问题。对此，研究人员提出了新一代网络层协议IPv6[25】【301。因此，支持IPv6的IP路由查找技术也受到研究人员的关注。此外，用于IP路由查找的专用网络协处理器需要一个简单的硬件结构，易于实现且成本较低。1．2IP路由查找的原理IP协议【24】(InternetProtoc01)规定每个子网中主机的IP地址都具有相同的网络号，路由器在进行路由查找时只对网络号进行查找。随着Internet的快速发展，初期定义的3类IP地址已经不能满足大量主机的要求。目前

7、多采用子网编码技术解决IP地址的分配和管理问题川。它的主要思想是将32位IPv4地址分成网络号，子网号和主机号三个部分。其中网络号的定义基于IP协议中A，B，C三类地址的定义，具有确定的长度。子网号根据用户实际的物理网络规模来确定，具有不确定的长度。路由器将根据报文中IP目的地址中的网络号和子网号来确定该报文的路由结果。考虑到子网号的不定长因素，路由表的每个表项需要包括中国科学技术大学硕：I=毕业论文网络地址、子网掩码和路由结果等三部分内容。当路由器从一个输入端口接收到一个IP数据包时，它需要决定从哪个输出

8、端口转发此数据包。为此，路由器将数据包的目的地址和路由表进行匹配。如何构造一个合适的数据结构存放路由表，基于这个数据结构我们能快速地找到转发端口就是IP路由查找的问题所在。通常IP路由查找都是进行最长前缀匹配【4】【321。当路由器接收到IP包后，必须从路由表中找到一个具有和目标IP地址相同，且予网掩码(前缀)最长的表项作为路由结果，即最长前缀匹配。例如，路由表中的三个表项分别为：P1：1000011001010