IP由查表与报文分类算法分析.docx

摘 摘 要 摘 要 互联网(Internet)是当今最广泛使用的网络，而路由器是构架互连网的核心设备。 路由器运行路由协议维护网络的正常通讯，当前最广泛使用的路由协议是IP(Internet Protoc01)协议，数据帧封装在IP报文中。路由器最基本的功能包括：寻径和转发。 寻径即判定到达目的地的最佳路径，依靠路由选择算法来实现，并将收集到的信息填 入路由表中。当报文到达时，路由器根据报文的目的1P地址在路由表中查找，判断接 下去该分组将发送到哪一个站点，并把分组直接送到相应的端口上，完成报文转发操 作。 网络的快速发展对路由器的性能提出更高的要求。首先，由于WDM和DWDM 光纤传输技术飞速发展，在物理层上传输速度已经高达40Gb／s的速率。链路速率的提 高要求路由器必须支持更高的路由查表速度。因此，如何实现高速路由查表仍是一个 挑战性的任务；其次，网络支持业务类型的增加，要求路由器必须有能力支持QoS、 网络入侵检测、传输测量与记帐、负载平衡、拥塞控制等一系列功能。这些功能的实 现都要求路由器支持报文分类技术，即能够基于报文头的某些协议字段(也可以是报 文的内容)对报文进行分类。因此报文分类将是下一代路由器中许多网络技术的基础。 报文分类速度的快慢、功能的强弱都将直接影响到这些网络技术的性能。 本文致力于路由查表算法和报文分类算法研究。在分析总结已有算法和所面临挑 战的基础上，提出了一些新的算法，并对它们的性能进行了深入的讨论。本文的主要 研究内容如下： 路由查表：报文转发是路由器需要完成的主要功能之一。路由器以报文的目的IP 地址作为索引，查找转发表，得到报文对应的下一跳输出端口，这个过程被称为IP 路由查表(1P Routing Lookup)。CIDR技术的出现，使路由查表必须使用最长前缀匹 配算法，增加了其实现的复杂度。 本文介绍了基于最长前缀匹配的路由查表算法，以及算法性能衡量的标准。在此 基础上，总结了几种组织路由表的数据结构，以及基于TCAM的路由查表解决方案的 实现结构、相关算法等一系列问题。最后，本文提出了两种新的路由查表算法： (1)基于快速有哪些信誉好的足球投注网站树的路由查表算法。 该算法根据路由表中前缀的分布特点，将路由集合分割成几个子集，然后分别针 对每个子集建立有哪些信誉好的足球投注网站树来实现路由查表。借助哈希压缩索引表降低了有哪些信誉好的足球投注网站树的深度， 加快了有哪些信誉好的足球投注网站树的查找速度。而Bloom Filters的应用，使几乎平均一次有哪些信誉好的足球投注网站树的查找操 作就可以完成一次路由查表。该算法可以满足高速链路的处理速度要求，支持达106数 量级的路由表项，适于硬件流水线方式实现，具有很高的实用价值； 摘 摘 要 (2)AdpCAM算法 路由器中高速IP查表引擎一般使用TCAM实现。然而，由于功耗较大限制了其 应用的范围。非对称前缀分布算法(AdpCAM)是一个新颖的降低TCAM功耗的解决 方案。该算法在保证TCAM有较高利用率的前提下，有效的降低了功率消耗，并将其 限制在可预知的范围内。这种算法支持路由表的快速更新。仿真和应用证明了该算法 的可行性和实用性。 报文分类：随着因特网的发展，对于业务质量(Quality of Service，QoS)的需求 不断提高，导致越来越多的网络设备逐渐或部分采用基于流的报文处理方法。 本文系统的阐述了报文分类的相关知识，总结了报文分类算法的发展和应用。对 几种具有代表性的算法进行了详细分析。同时，本文提出三种新的报文分类算法： (1)规则分割一快速有哪些信誉好的足球投注网站树算法(FC—FST)。 该算法是一种新的多维报文分类算法。算法利用哈希压缩索引表，将分类规则集 合分割成多个子集，并针对每个子集建立快速有哪些信誉好的足球投注网站树，而这些规模相对小的本地有哪些信誉好的足球投注网站 树更利于实现快速建立、查找和优化。本文在有哪些信誉好的足球投注网站树建立、优化以及规则分割等问题 上也提出了独到的解决方法。该算法查找速度快，支持分类规则数据库大，可扩展性 好，适于硬件流水线方式实现，具有很高的实用价值； (2)基于多域Trie的报文分类算法(MFT-TCAM)。 该算法试图通过建立一种新的数据结构来解决基于TCAM的报文分类算法存在 的范围匹配问题。本文首先提出一种多域Tile(MFT：Multi．FieldTile)的数据结构， 它是按照规则中的多个域构建的层次结构。MFT-TCAM算法利用MFT结构在TCAM 中组织分类规则，并将大多数范围信息存放在RAM中，极大地提高了TCAM的利用 率。在查找时，最多需要两次TCAM访问操作，可以保证分类速度满足高速链路的要 求。该算法具有很高的实用价值； (3)基于d．1eft算法的硬件哈希表。 本文提出一种基于d-left算法和片内CAM的硬件哈希表解决方案，可以通过一 次查表操作获得结果，解决了一般哈希表存在的最坏访问时间的问题。利用片内CAM 使哈希表的