[发明专利]路由转发表容量扩展实现方法、装置及交换设备

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤指一种适用于交换设备的路由转发表容量扩展实现方法、装置及交换设备。

背景技术

三层交换机是具有互联网协议(Internet Protocol，IP)报文路由转发功能的交换机，进行IP报文路由转发需生成和维护两张表：路由表和路由转发表。路由表相当于网络世界中的地图，其描述了X点有哪些路径可以到达Y点，而路由转发表则是根据一定原则从X点到Y点的多条路径中选取出来的最优路径。

路由转发的数据处理主要分为控制面处理和数据面处理。控制面处理主要是：通过路由协议交互生成路由表，并根据一定策略生成路由转发表。数据面处理是：根据路由转发表将IP报文传递到正确的目的地址。早期的三层交换设备的控制面处理和数据面处理都是由中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)完成的。由于CPU忙于数据面报文转发处理时，可能导致控制面的路由表无法得到及时更新；CPU忙于控制面的路由协议处理时，又可能导致数据面报文转发中断。也就是说控制面处理和数据面处理之间相互影响而导致实时性差、系统性能低。

因此，目前三层交换机将控制面处理和数据面处理分离开来：CPU专门进行控制面处理，由专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)来执行数据面的IP报文路由转发工作，两者相互不影响，其具体结构如图1所示，该三层交换机包括：用于添加路由表等操作的CPU和用于IP报文转发的ASIC。

ASIC主要是根据IP报文中携带的目的地址，通过查表操作查找路由转发表获取下一站的出口信息。为了满足报文快速转发的网络性能需求，需要提升查表操作速度，目前主要是通过三态内容寻址存储器(ternary content addressable memory，TCAM)来提升查表性能。普通的存储器是输入地址，输出存储的内容，而TCAM相反，是输入内容，输出该内容在存储器中对应的地址，以便以该地址作为索引来获取下一站的出口信息，实现O(1)的查找算法复杂度，获取最快的根据地址获取出口信息的速度。ASIC的具体的结构如图2所示，IP报文到来时由路由转发引擎与TCAM交互获取下一站的出口信息。

由于IP报文是依据路由转发表来转发，路由转发表的容量直接决定了交换设备能够支撑的网络规模。随着互联网用户越来越多，互联网的规模越来越来大，对路由转发表容量的需求也越来越大，特别是IPv6的推广和能将一台物理设备虚拟成上百台逻辑设备的虚拟路由转发(Virtual Routing Forwarding，VRF)技术的出现，使得路由转发表的需求规模达到了几百万条。然而，由于硬件工艺的限制，集成在ASIC内部的TCAM容量有限，通常只能容纳几万条路由转发表，远远不能满足需求。因此，在满足性能需求的前提下，提升三层交换机路由转发表的容量成为迫切要解决的问题。

目前三层交换机路由转发表的容量扩展的方案主要是：将TCAM从ASIC中剥离出来作为单独的器件存在，ASIC和TCAM之间采用特殊的接口互联，称之为“外扩TCAM”，外扩TCAM突破了硬件集成工艺的限制，可以采用稍大容量的TCAM，如图3所示，即为采用大容量TCAM的系统结构示意图，其中大容量TCAM通过外部TCAM接口与ASIC中的路由转发引擎交互。

上述现有扩展路由转发表容量的方法存在如下问题：

TCAM的价格与其容量成正比，大容量TCAM很昂贵，其价格甚至比ASIC本身还要高，导致产品成本很高而难以扩展到很大的容量以及大规模推广应用。且采用外扩TCAM的性能相对于集成在ASIC内部的TCAM要低，为实现相同性能要求，需要采用多个“ASIC和外扩TCAM”组进行分布式处理，从而进一步的增加了产品成本投入。TCAM的功耗与其容量成正比，大容量TCAM功耗很大，对系统的供电和散热提出更高的要求，导致额外的能量消耗开销(例如电费等)，使得产品使用成本增加，也不符合节能、低碳的经济理念。

TCAM本身硬件工艺复杂，且其容量一般为几MB或十几MB，其容量的增长速度已经跟不上路由转发表容量增长的需求，且由于其制作工艺限制，扩大到比较大的容量也是很难实现的。

可见，现有的TCAM不能满足路由转发表容量日益增长的需求，且成本高、耗能大、性能低。即使将几个物理TCAM叠加起来提升容量，或将几个内嵌TCAM的ASIC叠加起来提升容量，也无法从根本解决上述的成本高，功耗大和容量可扩展性低等问题。

发明内容