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IP路由器架构 主要参考文献 [1] James Aweya. IP Router Architectures: An Overview. Nortel Networks, 1999. [2] Kiran Nukesh Misra, et al. Study of Internet Router Architectures. May 2001. [3] Yuji Kawamura, et al. Network Processing on an SPE Core in Cell Broadband Engine. 2008. [4] Badrinath Dorairajan, et al. TCP/IP Acceleration in Cell-BE based platforms. July 2007. [5] Junchang Wang, et al. Practice of Parallelizing Network Applications on Multi-core Architecture. June 2009. [6] John Giacomoni, etc. FastForward for Efficient Pipeline Parallelism: A Cache-Optimized Concurrent Lock-Free Queue. In proceedings of PPoPP’08. 1. IP路由器的一般结构 IP路由器的基本功能 路由处理： 通过运行路由协议来学习网络的拓扑结构，建立并维护路由表。 包转发： IP包检验（如版本号、头长度、头校验等）、目的IP地址解析及查表、包头修改（如TTL域修改、头校验生成）、IP包分片等。 特殊服务： 不属于核心路由的其它功能，包括数据包转换、封装、流量管理、认证、包过滤等。 路由表查找 路由表查找一直以来是IP路由器的一个主要性能瓶颈。 最早的路由表查找方法是Radix树（改进的Patricia树）+路由cache。路由cache通常组织为一个哈希表，使用简单的精确匹配查找方法。 路由cache适用于网络边缘或企业网内部，但在核心路由器中效果不明显： 核心路由器见到的目的地址数量巨大，可导致缓存溢出，或查找速度变慢。 频繁的路由更新使得cache中的路由信息很快失效。 基于软件的查找方法灵活性强，基于硬件的查找方法一般能以较低的代价获得较高的性能，但是缺乏灵活性。 2. IP路由器架构的演变 第一代：基于总线和单处理器的架构 第二代：基于总线和多处理器的架构 第三代：基于交换结构和多处理器的架构 第四代：基于网络处理器的全分布处理架构 第一代：基于总线和单处理器的架构 第二代：基于总线和多处理器的架构（1） 将包转发功能、路由cache和包缓冲器分布到各个NIC上： 减少总线拷贝次数 减轻CPU负担 减少查表时间 缺点： 吞吐量依赖于流量模式（路由cache命中率）。 高速情况下，主路由表很容易成为瓶颈。 共享总线仍是瓶颈。 第二代：基于总线和多处理器的架构（2） 使用多个并行的转发引擎 第三代：基于交换结构和多处理器的架构 每个线卡包含一个或多个网络接口。 每个转发引擎包含一组转发表和路由cache，负责包头的处理与转发。 线卡、转发引擎卡、控制卡通过交换结构连接。 转发引擎的处理过程 第一阶段并行执行以下操作 基本的差错检查，确认包头来自一个IPv4数据报 确认包长和包头长度是合理的 确认IPv4头没有选项 计算路由cache的哈希索引值，获取路由信息 读下一个头 第二阶段 若cache不命中，有哪些信誉好的足球投注网站路由表，生成适合路由cache的路由形式； 检查TTL，更新TTL及头校验，确认包是否发给自己。 第三阶段 将TTL及头校验放入IP头，将更新后的IP头及从转发表中获得的链路层信息发送给输入线卡。 使用转发数据库（FIB）代替路由cache 路由cache采用demand-caching模式： 当目的地址不在cache中时，包转发变为基于软件的路由查找（慢路径）。 当网络拓扑频繁变化、流量模式高度随机时，网络流量主要通过主CPU转发（慢路径），而不是通过路由cache转发（快路径）。 若网络接口上存在大量并发的流，则硬件cache很难实现，只能用哈希表实现，而哈希查找的性能无法得到保证。 解决方案：在每个网络接口上用转发数据库（IP路由表的完整镜像）取代路由cache，彻底消除慢路径。 基于交换的分布式路由处理架构 结合以上所有技术的一种分布式路由处理架构： 使用一个交换结构，连接所有的网络接口及主CPU。 每个网络接口提供包处理所需的处理能力和缓存空间，包含自己的FIB，各处理部件可并行操作。 路由器的各种功能被划分成慢路径和快路径，慢路径在