[发明专利]IP查找方法和装置以及路由更新方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及基于IP的网络路由器，尤其涉及IP查找方法和路由更新方法。

背景技术

IP查找是网络路由器的核心组成部分。自从1993年采用CIDR(无类别域间路由)以来，IP查找问题变成了最长前缀匹配(LPM，Longest Prefix Matching)问题。给定一个目的IP地址，路由表中多个IP前缀可能匹配该地址。在这些匹配的前缀中，最长前缀对应的下一跳信息将正确决定数据包的下一跳。随着网络链路速率朝40Gbps及其以上发展，基于最长前缀匹配的IP查找成为路由器中的一个主要瓶颈。为了达到40Gbps的吞吐量，一个40字节的网络数据包需要在8纳秒之内完成IP查找，这在传统的基于软件的IP查找方法中难以实现。有两种硬件平台常用于实现高吞吐量：三态内容可寻址存储器(TCAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。

TCAM是一种专用的高速查找器件，一个给定搜索关键字可以在O(1)的时间内与TCAM中存储的所有条目同时进行比较，并输出匹配条目所在的地址。由于TCAM中的每个存储单元都可以被指定为三种状态(“0”“1”和“X”(随意))之一，TCAM非常适用于最长前缀匹配。然而，一个给定的目的IP地址，可能匹配TCAM中存储的多条前缀，TCAM输出地址最小的匹配前缀的地址。因此，为了保证正确的最长前缀匹配，IP前缀在TCAM中的存储必须遵循一定的顺序限制。这种前缀之间的顺序限制导致路由更新时可能需要大量的前缀移动，从而影响转发性能，导致丢包。

为了解决基于TCAM的路由更新问题，Devavrat Shah等人提出了两种具体的方法：PLO_OPT和CAO_OPT(请参考文献：Fast updating algorithms for TCAMs，Micro 2001)。在PLO_OPT方法中，所有的IP前缀按照前缀长度降序存储在TCAM中，同时将TCAM中的空闲空间维护在TCAM中央位置。在CAO_OPT方法中，前缀长度顺序限制只应用于同一条链上的IP前缀(在用1比特特里树(1-bit trie)结构表示的IP前缀中，一条链指从该特里树的根节点出发的任意一条路径)。上述两种方法都降低了每次路由更新可能导致的前缀移动次数。然而，由于前缀长度顺序限制依然存在，一次路由更新仍然可能导致多次前缀移动。在Gesan Wang等人提出的MIPS(Minimum Independent Prefix Set，最小独立前缀集)方法中(请参考文献：TCAM-Based Forwarding Engine with Minimum Independent Prefix Set(MIPS)for Fast Updating，ICC 2006)，使用了一种叶推技术(leaf pushing)，将整个前缀集转换为一个不相交的前缀集，从而彻底地避免了前缀顺序。然而，叶推技术可能导致前缀复制。当更新一条被复制的前缀时，与该前缀对应的多条复制前缀都需要更新。因此，在最坏情况下，一次路由更新仍然需要多次TCAM写操作。

另一个常见的快速查找硬件技术是基于SRAM的IP查找流水线。1比特特里树数据结构常用于实现IP查找流水线。IP查找流水线的一种简单实现方式是将特里树的每个层次的节点分别存储到流水线中的一个流水级。每个流水级都有独立的SRAM来存储特里树节点，因此，多个流水级可以并行查找，从而实现高吞吐量(一个时钟周期输出一个IP查找结果)。然而，IP查找流水线中流水级的个数跟特里树的层数有直接关系(对ipv4来说是32个)，在IP查找流水线中需要大量的SRAM。现场可编程逻辑门阵列(FPGA)内部有大量的小SRAM，因此，FPGA常用于实现基于SRAM的IP查找流水线。在基于SRAM的IP查找流水线中，快速的路由更新可以使用Anindya Basu等人提出的写气泡(write bubble)方法实现(请参考文献：Fast incremental updates for pipelined forwarding engines，INFOCOM 2003)。

然而，FPGA片内的SRAM是相对稀缺的资源，对其的合理分配和有效利用尤为重要。最近几年研究学者提出了大量的存储均衡方法，虽然很好的利用了片内的SRAM资源，但是，从总体上讲，片内的SRAM资源还是很难满足目前大的路由表对SRAM容量的需求。片内SRAM存储容量的不足，成为基于FPGA片内SRAM的IP查找流水线的一个瓶颈，从而降低了基于FPGA片内SRAM的IP查找流水线的实用性。

发明内容