（通信与信息系统专业论文）专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究.pdf

摘要 摘要 i n t e r n e t 技术和应用的迅速发展对核心路由交换设备提出了更高的要求：第一， 路由交换设备需要支持越来越高的接口速率；第二，路由交换设备需要支持i p v 4 、 i p v 6 、m p l s 等多种协议；第三，路由交换设备需要提供丰富的q o s 保证。转发 引擎是路由交换设备实现i p 层分组处理的核心部件之一，是各类报文高速转发的 关键。本文结合国家“十一五”某重大研究课题，以专用高性能路由交换设备转发引 擎及其关键技术研究为课题目标，深入地研究了专用高性能分组转发引擎多协议 转发策略和相关实现技术。 本文首先对高性能分组转发引擎进行了详细的技术分析。结合课题需求，阐 述了专用高性能分组转发引擎的基本实现途径。然后，本文系统描述了专用高性 能分组转发引擎的应用需求、设计原理和报文处理流程。在此基础上，设计了一 种并行流水线转发引擎原型结构，用f p g a 实现了基于单通道一体化处理的专用 高性能分组转发引擎，并从理论上进行了性能设计和分析论证。另外，本文还实 现了基于t c a m 的多协议路由转发查找技术以及基于分类和基于业务流相结合的 多级q o s 调度策略，较好地满足了课题需求。 最后，论文介绍了基于f p g a 的转发引擎硬件实现方案、系统测试方法和测 试环境，并列出了测试结果。测试结果表明，基于本文设计实现的专用高性能分 组转发引擎支持i p v 4 、i p v 6 和m p l s 多协议报文在1 0 gp o s 和1 0 g 以太网接口的 线速转发。 关键词：转发引擎 并行流水线多协议t c a mq o s a b s t r a e t a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nt a k e sh i g h e r r e q u i r e m e n t sf o rc o r er o u t e r so rs w i t c h e s ：f i r s t ，t h e yn e e ds u s t a i nt h el i n kr a t ew h i c h g r o w sf a s t e ra n df a s e r s e c o n d ，t h e yh a v et os u p p o r ti p v 4 ，i p v 6a n dm p l sp r o t o c o l s t h i r d ，t h e yn e e ds u p p l yp l e n t i f u lq o sg u a r a n t e e s f o r w a r d i n ge n g i n ei st h ek e yt o r e a l i z ea l lk i n d so fp a c k e t sf o r w a r d i n gp r o c e s s ，w h i c hs e r v ea so n eo ft h ek e y c o m p o n e n t s t or e a l i z ei p p r o c e s s i n g i nr o u t e r so rs w i t c h e s a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so i lo n eo fk e yp r o j e c t sf o rt h en a t i o n a l e l e v e n t hf i v e - y e a rp l a na n d a i m i n ga tt h es t u d i e so nf o r w a r d i n ge n g i n ea n di t sk e yt e c h n o l o g i e so fs p e c i a l h i g h - p e r f o r m a n c es w i t c h e so rr o u t e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h er e s e a r c ho f s p e c i a lh i g h p e r f o r m a n c ef o r w a r d i n g e n g i n es u p p o r t i n gm u l t i - p r o t o c o l sa n dt h e i r i m p l e m e n t a t i o n s f i r s ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ed e t a i la n a l y s eo i lh i g h - p e r f o r m a n c ef o r w a r d i n ge n g i n e i sp r e s e n t e d ，a n da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so nt h ep r o j e c t , t h ew a yt oi m p l e m e n tt h e s p e c i a lh i g h p e r f o r m a n c ef o r w a r d i n ge n g i n ei se x p o u n d e d a n dt h e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n ， t h er e q u i r e m e n t so fs p e c i a l a p p l i c a t i o n ，d e s i g np r i n c i p l e sa n dp a c k e tp r o c e s sa r e d e s c r i b e di nd e t a i l o nt h i sb a s i s ，ap a r a l l e lp i p e l i n ef o r w a r d i n ge n g i n ep r o t o t y p ei s d e s i g n e da n das p e c i a lh i 曲一p e r f o r m a n c ef o r w a r d i n ge n g i n eb a s e do ns i n g l ec h a n n e l p r o c e s si si m p l e m e n t e dw i t hf p g a t h e nt h ep e r f o r m a n c ed e s i g na n da n a l y s i so n f o r w a r d i n ge n g i n ea r em a d ef r o mt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n b e s i d e s ，t h em u l t i - p r o t o c o l f o r w a r d i n gl o o k u pb a s e do nt c a m ，a sw e l la st h em u l t i s t a g es c h e d u l i n gs t r a t e g yo f q o sb a s e do nc l a s s i f i c a t i o na n df l o wa r ei m p l e m e n t e d ，w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n d so f t h ep r o j e c t l a s ti nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ah a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ef o r w a r d i n ge n g i n eb a s e d o nf p g a ，t h et e s tm e t h o da n dt h et e s te n v i r o n m e n to ft h i ss y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a s w e l la st h et e s tr e s u l t sa r el i s t e d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tt h ef o r w a r d i n ge n g i n ew i t h s c h e m e sp r o p o s e da b o v ec a l ls u p p o r t10 gp o sa n d10 gl a ni n t e r f a c ef o r w a r d i n ga t l i n e s p e e df o ri p v 4 i p v 6a n dm p l sp a c k e t k e yw o r d s ：f o r w a r d i n ge n g i n e p a r a l l e lp i p e l i n e m u l t i p r o t o c o l t c a m q o s 摘要 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：越 日期c 丕丞h 上善 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在牟解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 乒务 型轵 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 i n t e r a c t 发展至今已经走过了近4 0 个年头，在这4 0 年的发展历程中，i n t e m e t 由最初单一和专用的网络发展成为了今天多种网络形态和业务应用逐步融合的新 一代网络。目前，i n t e r a c t 已经渗入到人类社会生活和工作的各个领域，为人类的 生活和工作提供数据、话音、视频、流媒体以及远程教学等大量有价值的实际应 用，为推动人类社会的向前发展发挥出越来越重要的作用。与此同时，i n t e m e t 技 术的迅猛发展以及新应用的不断涌现不仅带来了网络规模和网络流量的急剧膨 胀，而且对网络性能和服务提出了新的更高要求。 首先，i p ( i n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 协议作为i n t e r a c t 的灵魂，对i n t e r a c t 的发展起到 了关键性的推动作用。但随着i n t e r a c t 技术的迅猛发展和网络融合的逐步深入， i n t e m e t 网络规模不断扩大，使得目前在i n t e m e t 中发挥主导作用的i p v 4 协议由于 地址空间有限、路由选择效率低、服务质量保证能力低、移动性支持差以及协议 安全漏洞等问题，已经很难满足新一代网络的发展要求。为了解决这些问题，i e t f 在比较了多种i p n g 协议方案的基础上，以“简单互联网协议增强( s i p p ) ”为基础 加以改进，形成了新一代i p 网络协议，即i p v 6 协议。i p v 6 协议具有地址空间大、 路由选择效率高、业务服务质量保证好、移动性支持灵活以及协议安全性高等特 点，已被应用于新一代i n t e r a c t 网络以及移动通信网络，对经济发展和社会文明起 到了积极有力的推动作用。 其次，网络技术的发展改变着人们的生活方式和价值观念，以i n t e r t t 为媒质 的工作和生活方式正逐渐成为社会时尚，方便快捷的互联网应用成为广大用户的 基本需求。因此，i n t e r a c t 需要为用户和网络业务提供宽带化和高速化的网络服务。 网络的宽带化主要体现在传输链路的传输容量日益增长，而网络的高速化则在于 网络路由交换节点的处理速度不断提高。当网络的宽带化和高速化建设扩大到一 定规模时，网络路由节点的数据处理容量和协议处理能力就变得非常重要。在宽 带化和高速化网络中，网络路由节点的角色由高性能路由交换设备承担。路由交 换设备的高性能主要体现在交换容量大、处理速度高且处理能力强。通常大容量 路由交换机支持的线路接口速率很高，为了实现线速率处理，大容量路由交换设 备需要提供较大的交换容量和较高的处理速度。 最后，路由交换设备作为i n t e r a c t 网络互连的核心设备，构成了i n t e m e t 的网 络骨架。其处理性能已经成为i n t e r a c t 网络通信的主要瓶颈，其可靠性则直接影响 着i n t e m e t 网络互连的质量。因此，在整个i n t e r n e t 研究领域中，路由交换技术始 2 专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究 终处于核心地位，其发展历程成为整个i n t e m e t 研究的一个缩影。随着i p v 6 协议 的推广应用和i p v 6 网络的逐步演进，自主研发“基于i p v 6 的路由交换设备”，建立 支持i p v 6 的网络环境，能更好地帮助我们获得i p v 6 网络运行和网络信息服务方面 的宝贵经验。这不仅有利于我国在i p v 6 路由交换设备市场上占据有利的竞争地位， 更为重要的是，它将使我国在新一代i n t e r a c t 网络竞争中处于更加有利位置，对我 国的政治、经济、军事各个方面将会产生深远的影响。 为了适应某些专用领域的网络应用要求，满足未来国际形势的发展需要，我 们承接了国家“十一五”某重大研究课题，旨在研究基于i p v 6 协议的新一代专用网 络关键技术及核心设备，研制具有自主知识产权的专用高性能路由交换设备。本 文研究的“专用高性能分组转发引擎”就是课题的关键技术之一。 1 2本课题研究目的及意义 本文来源于国家“十一五”某重大研究课题，课题直接面向未来的专用网络系统 应用，研究跨越多层次的通信网络体系结构以及宽带信息交换方面的新体制、新 技术，突破包括宽带信息交换、基于i p v 6 的网络和交换协议、自适应动态组网、 呼叫会话控制、网络扩展以及业务提供等在内的系列关键技术，从而全面提升通 信系统的综合性能。 宽带信息交换技术的突破需要展开基于分组的宽带信息交换技术体制的研 究，在此基础上完成高性能路由交换设备的研制。高性能分组转发引擎是高性能 路由交换设备的核心组成部分之一，可以最大限度地满足系统应用的高性能要求， 包括业务线速接入、业务线速路由转发、多层次的业务服务质量保证等。同时， 还可根据需要支持设备的结构和功能定制以及环境适应能力。 专用高性能分组转发引擎的实现急需突破专用高性能分组转发引擎系统方 案，基于硬件的单播和组播路由查找算法以及业务服务质量保证( q o s ) 实现等一 系列关键技术。尤其是基于硬件的单播和组播路由查找算法技术和业务服务质量 保证( q o s ) 实现技术，其技术方案的实施会直接影响到设备在网络中的应用方式 和应用范围，甚至会影响到未来专用通信网络系统的综合性能。专用高性能分组 转发引擎的研制成功将有助于解决高性能路由交换设备的性能瓶颈，全面提升新 一代专用网络的综合性能。 1 3国内外研究现状 根据目前业界的普遍观点，所谓高性能路由交换设备至少应具备：千兆以太 网、2 5 g b p s 以上p o s 等高速接口、4 0 g 以上基本交换容量，2 5 m p p s 以上包转发 第一章绪论 能力，3 2 0 g 以上扩展交换容量。高性能路由交换设备作为i n t e r n e t 网络的组成核 心，其网络功能和业务性能指标将直接决定着一个国家网络基础设施的发展水平， 并对国家的政治、经济和社会等领域的相关发展产生深远影响。 随着i n t e m e t 网络的迅速发展和下一代网络技术( n g n 和n g i ) 的提出，各 国迅速展开对i p v 6 相关技术( 特别是高性能路由交换设备) 的研究，期望在下一 代i n t e m e t 网络的发展中占领战略制高点，其中日本在i p v 6 的研发与应用方面走 在世界的前列。日本h i t a c h i 公司在2 0 0 0 年1 月就推出了同时支持i p v 4 i p v 6 的双 协议栈g r 2 0 0 0 系列高端商用路由交换设备。随后，n o k i a 、n e c 、c i s c o 和j u n i p e r 等国外一些大的网络产品提供商也出于网络发展战略目的，相继推出了支持i p v 6 的高端商用路由交换设备。到2 0 0 7 年，国外高端商用路由交换设备已经支持 1 0 g b p s 以太网和p o s 接1 2 1 ，2 5 0 m p p s 以上整机报文转发率，以及t 比特级扩展交 换容量。 我国在i p v 6 技术和高端路由交换设备领域的研究工作起步较晚，但进步较快。 民用领域，在国家8 6 3 3 0 0 “高速信息示范网”项目的引导下，国内的北方交大、国 防科大等科研院所以及华为、中兴通讯、港湾、上海博达等高科技公司在高性能 路由交换设备的研制方面取得了骄人的成绩，主要攻克了大容量交换结构、高性 能交换背板以及高速接口等核心技术。研制成功的高端路由交换设备的交换容量、 背板交换速率以及接口吞吐率等关键性能指标已达到世界先进水平。目前，国内 高端路由交换设备可支持1 0 g b p s 以太网和p o s 接1 2 ，1 2 5 m p p s 整机报文转发率， 6 4 0 g 以上扩展交换容量。专用领域，在国家“十五”、“十一五”多个预研项目的支 撑下，国内多个科研院所在专用高性能路由交换设备的研究方面取得了多项关键 技术突破，成功实现具有较高性能的演示设备研制。但由于技术、需求和应用等 诸多主观和客观因素存在，致使我国专用领域的相关研究工作较之民用仍有一定 差距，尤其在设备性能和技术自主能力方面。 转发引擎是路由交换设备的核心组成之一，主要完成报文缓存和报头综合处 理，报文转发查表，报文分类和过滤等报文功能。高性能分组转发引擎不仅要完 成基本的报文转发功能，而且还要实现报文的线速转发。适用于i p v 6 协议的高性 能转发引擎较之传统基于i p v 4 协议的高性能转发引擎的实现难度更大。首先，它 必须支持i p v 4 v 6 双协议栈。由于i p v 6 地址为1 2 8 比特，远比i p v 4 地址长，而高 性能路由交换设备要同时支持这两种地址，因此最长匹配查表和转发表维护都更 难于实现。其次，i p v 6 基本报头结构虽然较i p v 4 简单，但是逐跳选项扩展头要求 沿途每一个路由交换设备必须处理，因此i p v 6 报头综合处理的逻辑更复杂。最后， 为了适应下一代网络的发展要求，i p v 6 设备必须实现对组播技术的支持，这是业 界公认的实现难点。 近年来，通信网络技术和业务应用的迅猛发展带来了基于分组的高性能转发 4 专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究 引擎实现技术的持续进步。目前，国外主流高性能路由交换设备己经在速率为 1 0 g b p s 接口上实现了i p v 6 分组报文的线速转发。而国内包括华为、中兴、国防科 技大学等高科技公司或科研院所已经实现了吞吐率为4 x 2 5 g b p s 的i p v 4 v 6 分组报 文线速转发。但这些实现或是基于商业应用目的，或是基于项目研究目的，很难 满足专用网络的特殊应用需求。而且，随着专用网络技术的不断进步和应用需求 的不断提高，迫切需要研制满足未来专用通信应用要求的高性能分组转发引擎。 1 4本文的主要工作及创新点 1 分析了i n t e m e t 网络技术和应用的发展给高性能路由交换设备提出的挑 战，总结了高性能路由交换技术和分组转发处理技术的发展动态，提出了适合课 题需求的专用高性能分组转发引擎实现途径。 2 对专用高性能分组转发引擎展开了详细的设计分析。针对高性能分组转发 引擎的设计和实现难点，采用了流水线处理和并行处理相结合的设计思想，设计 了一种并行流水线转发引擎结构。从理论上分析了转发引擎流水线的各项性能指 标，得出了转发引擎的周期、加速比、吞吐率和效率。 3 分析了i p v 4 i p v 6 单播、i p v 4 i p v 6 组播和m p l s 报文的转发处理流程，针 对基于多通道处理的多协议转发引擎结构存在的不足，提出了一种基于单通道一 体化处理的转发引擎结构。该结构提高了f p g a 资源利用率，降低了f p g a 逻辑 资源需求。 4 从理论上分析了基于单通道一体化处理结构转发引擎的分组转发性能，得 出了转发引擎在1 0 gp o s 和1 0 g 以太网两种接口下的线速转发能力，为转发引擎 的系统测试评估提供了理论依据。 5 在对路由转发查找技术进行详细的技术分析基础上，实现了基于t c a m 和s 洲相结合的路由转发查找方案，解决了i p v 4 、i p v 6 和m p l s 多协议条件下 的线速路由转发查找问题。 6 采用基于分类和基于业务流相结合的多层次优先级调度策略，具体是：在 转发引擎输入侧采用基于整包的合路轮询调度方案，既实现了多分组业务接入， 又保证了端口接收的调度优先级和公平性。在转发引擎内部采用可定制方式的报 文分类策略以及层级化的转发输出调度策略，基本满足了课题的q o s 转发要求。 7 给出了基于f p g a 的转发引擎硬件实现方案，并进行了测试验证。 1 5 论文结构及安排 第一章：绪论。介绍了论文的研究背景、课题的研究目的和意义、国内外相 第一章绪论 关技术的研究现状以及论文的主要工作和创新点。 第二章：高性能分组转发引擎的技术分析。首先介绍路由交换设备的基本结 构和功能，然后从转发引擎的研究内容、实现难点、实现技术等方面进行了详细 的比较分析，最后阐述了专用高性能分组转发引擎的基本实现技术和实现途径。 第三章：专用高性能分组转发引擎的系统设计方案。首先从功能和性能方面 对专用高性能分组转发引擎展开了详细的需求分析。然后阐述了高性能分组转发 引擎的设计原理和并行流水线转发引擎设计结构。在此基础上，分析了i p v 4 i p v 6 单播、i p v 4 i p v 6 组播和m p l s 报文的转发处理流程。针对基于多通道处理的多协 议转发引擎结构存在的不足，设计了一种基于单通道体化处理的转发引擎结构， 并从理论上进行了线速性能分析设计。最后从理论上分析了转发引擎流水线的各 项性能指标，得到了转发引擎的周期、加速比、吞吐率和效率。 第四章：基于t c a m 的路由转发查找技术实现。首先简要介绍了目前路由转 发查找所面临的主要问题，然后对路由转发查找技术进行了详细分析，最后详细 阐述了基于课题背景要求而采用t c a m 实现的i p v 4 、i p v 6 以及m p l s 多协议路由 转发查找实现方案。 第五章：支持q o s 的转发处理技术设计实现。首先对q o s 的概念和基本服务 模型进行了简要介绍。然后详细分析i p 路由交换设备的通用q o s 结构和相关实现 技术。最后，基于所描述的基于q o s 的转发处理设计思想，设计并实现了专用高 性能分组转发引擎的q o s 结构。 第六章：专用高性能分组转发引擎的系统实现。首先给出了专用高性能分组 转发引擎的实际硬件实现方案，然后分析了高性能路由交换设备的基本测试技术， 并用网络测试仪对硬件平台进行了实际测试，给出了测试结论。 第六章：总结与展望。对论文所完成工作的总结和对将来工作的展望。 第二章高性能分组转发引擎的设计分析 第二章高性能分组转发引擎的技术分析 2 1路由交换设备概述 作为i n t e m e t 网络的核心组成，路由交换设备在网络中处于至关重要的位置， 路由交换技术己经成为当前信息产业的关键技术。随着i n t e m e t 网络的普及、网络 带宽的迅速增加、数据业务的爆炸性增长以及用户对服务质量要求的不断提高， 网络系统的规模、速度、种类和应用等都已发生巨大变化，这些变化导致作为网 络核心的路由交换设备体系结构经历了单总线单处理器、单总线主从处理器、单 总线对称式多处理器、多总线多处理器、以及交换式多处理器等结构的变革发展 过程，进而成为具有交换功能的高性能路由交换设备。目前，比较典型的路由交 换设备结构为分布式并行多处理器交换结构，该结构通过采用路由和转发相分离 的设计思想，从而能提供较高的分组转发性能和可靠性，适合于基于i p v 6 协议的 新一代路由交换设备的实现。 2 1 1 路由交换设备组成 基于分布式并行多处理器交换结构的新一代路由交换设备体系框架主要基于 p i c m g 3 0 a t c a 标准，其基本组成包括线路接口单元、交换单元、中心控制单元 以及设备支撑单元等，如图2 1 所示。 萋圈塞圈圈 耋囡图 登n 网 亮i 系统ii 路由 元l 基本通道交换控制苎l 霾萄l 菩 篓高首墅互睦 嚣 裴 嚣器 嚣尊嚣 旷 交换预处理 ：强 交换预处理 仕 交换预处理 姥 i 蒌8 嚣 藿 8 i 接 转发处理 接 转发处理 接 n l n门 转发处理 l 釜- j f 釜 什 至 西 i 亓 凸 最 七多 o 线路接口线路接口线路接口 公俞奔公公a 公 业务接口业务接口业务接口 图2 1 分布式并行多处理器交换结构 专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究 中心控制单元是路由交换设备的控制中心，负责运行设备的控制和维护管理 软件，包括操作系统、信令路由、系统维护以及网络管理等功能模块，主要完成 整个设备的控制、维护管理以及信令和路由控制等功能。交换单元是路由交换设 备信息的交换中心，包括主用交换、备用交换以及基本通道交换等功能模块，主 要完成线路接口单元之间的业务数据交换功能，中心控制单元与其他设备单元之 间控制和交互信息的交换和传输功能。线路接口单元是路由交换设备业务数据的 接入通道，包括线路接口、转发处理以及交换预处理等功能模块，主要完成由业 务接口接入的i p v 4 、i p v 6 以及m p l s 数据包的差错控制、包头提取、分类和查找、 转发决策、分组封装、转发和交换调度等功能。设备支撑单元负责为设备运行提 供支撑支持，完成时钟同步、电源控制和管理、设备调试管理等功能。 2 i 2 路由交换设备主要信息流程 网络功能可分为管理平面、控制平面和数据平面。在路由交换设备中，配置 管理的目的是对报文转发进行控制，因此把管理平面纳入控制平面范畴。此时， 路由交换设备结构简化为包含控制平面和数据平面的二维模型，设备中的信息类 型对应地划分为控制信息和数据信息两类。 1 控制信息流程 维护管理员通过人机界面，维护网络和设备参数； 中心控制单元通过运行动态路由协议，交互路由信息，在网络节点内建立可 聚合且全网可达的路由表； 中心控制单元根据生成的路由表，产生路由转发信息下发给相应业务接口单 元。同时，中心控制单元通过m p l s 协议软件在分组报文传输的源节点和目地节 点之间，建立标记连接。 2 数据信息流程 图2 2 给出了路由交换设备由s t m - np o s 线路接口单元接收分组报文，并转 发至其他接口单元的基本数据信息流程。 在接收方向，s t m - np o s 线路接口单元由线路接口模块完成光电转换、s d h 成帧、段层和通道层开销处理以及p o s 成帧等处理，并将生成的p o s 帧发送给转 发处理模块； 转发处理模块首先完成p o s 控制帧和数据帧的识别和解析。如果接收到的 p o s 帧是控制类型帧，则立即发送给本地c p u 控制模块进行处理。如果接收到的 p o s 帧是数据类型帧，则进行i p 分组报文解析和缓存处理，并提取转发处理关键 字；然后，转发处理模块依据转发处理关键字信息进行有效性检查、安全检查以 及转发查表等处理，产生i p 分组报文的转发处理结果；最后，转发处理模块依据 第二章高性能分组转发引擎的设计分析 9 转发处理结果进行转发决策、报头封装以及输出调度等处理。转发决策根据转发 处理结果选择将数据丢弃，还是标记为不同种类的数据进行转发；报头封装根据 转发决策进行相应的报头处理，典型的报头处理包括标记交换报头处理和逐跳转 发报头处理。标记交换报头处理修改数据的项层标记，或者根据需要弹出或压入 新的标签。逐跳转发报头处理则要修改i p 包头中的1 阻字段值：报头封装完成后， 输出调度依据某种预置策略对报文进行排队和调度输出； 交换预处理模块接收由转发处理模块输出的报文，然后进行排队和交换调度。 交换结构的仲裁器依据调度优先级和网络拥塞等信息，选择合适队列中的队头报 文进行调度输出。 s t m - n 接口单元接收转发处理 线 帧分叫有效性检查卜交 。 路 识组转报换 。、 、重! 豌转： i 接 别报发头输 、标诹转发 和 文- , h 安全捡查b 决 - - i d , 封 + 出 口 !t 牟 解解 策装 调 其。照数据、 、 心t 析析 - h 转发查表卜 度 。、 交 换控 垫 制 其他接口单元发送转发处理 一 兀j 丝 线 接一有效性检查f * -分l。 |元 路 口 报转组， 接 一 输头发报 出 卜 封 _ 决一 安全检查 f -文 口 4 1 7 调 装策 解 度 一 转发查表 f - 析 p 7 图2 2 路由交换设备基本数据信息流程 另外，路由交换设备由以太网线路接口单元接收分组报文的基本数据信息流 程与上述流程基本相同，不同之处在于以太网链路层协议要求转发处理模块实现 地址解析和路由器接口物理地址获取等处理。 2 2高性能分组转发引擎相关技术分析 2 2 1 分组转发处理技术的研究内容 一直以来，分组转发处理、分组交换和输出调度是制约路由交换设备性能指 标的三个主要因素。随着网络技术的发展以及相关研究工作的深入，先后出现了 一些性能良好的交换和输出调度方案，基本解决了交换和输出调度对设备性能的 制约问题。因此，研究转发处理技术从而提高分组转发处理性能已成为进一步提 高路由交换设备性能的关键。路由交换设备转发处理阶段的主要任务是，接收来 自线路接口的分组报文并提取报头信息( 也称为转发处理关键字信息) ，然后基于 报头信息对分组报文进行路由转发查找和分组分类，从而获得对分组报文的转发 1 0 专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究 处理结果，最后根据转发处理结果对分组报文进行转发决策、报文封装、业务适 配以及q o s 处理，然后将业务数据送入分组交换单元进行排队和交换调度。在整 个过程中，路由转发查找技术、分组分类技术和q o s 处理技术是分组转发处理的 关键技术。 路由转发查找是制约分组转发处理性能指标的重要因素，主要包括单播路由 转发查找、组播路由转发查找和任播路由转发查找。其中，单播路由转发查找算 法及其实现技术是分组分类、组播路由转发查找、任播路由转发查找以及q o s 处 理的基础，因此是转发处理技术的主要研究内容。本文主要基于专用路由交换设 备在性能和应用方面的特殊要求，从系统结构、路由转发查找算法和q o s 处理三 个方面对转发引擎进行研究分析，从而实现支持i p 、r 4 i p v 6 小伊l s 的高性能分组转 发引擎。 2 2 2高性能分组转发引擎的实现难点 目前，要在路由交换设备中实现可支持i p v 4 i p v 6 m p l s 的高性能分组转发引 擎，主要存在以下几个难点： 1 i p 地址结构的变化 从i n t e r n e t 出现以来，网络i p 地址一直都是采用层次结构表示，包括网络标 识和主机标识两个层次。在i n t e m e t 最初提出的时候，网络i p 地址采用的是基于 分类的地址结构。基于分类的i p 地址结构固定，因而路由转发查找算法实现比较 简单，且通过硬件并行，在一定网络规模下很容易获得较高的路由转发查找性能。 但是，基于分类的i p 地址划分方式比较浪费地址空间，容易导致i p 地址资源紧张。 同时，网络设备路由表容量随着网络规模的扩大成指数增长，给设备处理能力和 存储容量提出了很高的要求。于是i n t e m e t 工作组i e t f 在1 9 9 3 年提出了无类别域 间路由( c i d r ) 技术，即i p 地址的网络前缀长度不再限制为7 、1 4 或2 1 比特， 而是可以为任意长度，从而解决了地址利用率低和路由表膨胀速度过快等问题。 但由于采用c i d r 技术的路由表中对网络地址进行了聚合，因此在路由转发查找时 存在最长前缀匹配( l p m ) 问题，这极大地增加了路由转发查找问题的复杂性。 因此，如何设计高效的最长匹配查找算法来满足分组转发引擎的高性能要求，是 高性能分组转发引擎的实现难点。 2 网络技术体制的改变 随着网络技术的迅速发展，网络融合的逐步深入，以及应用需求的迅速增长， 带来了网络规模的不断扩大，同时也导致了网络地址资源的日趋紧张。为了解决 这一问题，i e t f 提出了将i p v 6 作为i n t e m e t 新一代网络技术体制。较之于i p v 4 ， i p v 6 最突出的变化是网络地址长度由最初的3 2 b i t 扩大到了1 2 8 b i t ，并采用了简化 第二章高性能分组转发引擎的设计分析 的i p v 6 包头结构，不仅解决了网络地址资源的紧张局面，同时极大地减轻了骨干 路由器的分组处理负担。 但是，网络地址长度的扩大也同时给路由转发查找带来了极大的挑战。由于 i p v 6 地址空间从根本上说还是一种层次结构，基于i p v 6 的路由转发查找仍然需要 采用最长匹配查找。而网络地址长度的增加意味着转发表中聚合的地址项更多， 则算法需要匹配的字段更长，需要存储的表项也更大。因此，需要采用高效的路 由转发查找算法，才能在功能和性能上同时满足i p v 6 技术要求。 3 高速业务数据的线速处理 目前，高性能路由交换设备普遍要求转发引擎支持高达l o g b p s 的接1 3 线速处 理能力。这对于长度仅为4 0 字节的i p v 6 超短包来说，转发引擎的线速处理时间为： i i p 分组报文长度) 4 0 8 b i t ( 端口速率) l o g b p s = 3 2 n s 。 因此，即便转发引擎的工作频率达到1 2 5 m h z ，转发引擎的处理时间也只有4 个时钟周期。要在如此短的时间内完成分组报文所有i p 层处理过程，尤其是路由 转发查找处理，这对转发引擎的系统设计无疑是一个巨大的挑战。 4 对i p v 4 i p v 6 小伊l s 的多协议支持 目前，i n t e r a c t 网络发展处于由i p v 4 向ip 、，6 过渡的阶段，网络形态是i p v 4 和 i p v 6 共存。因此，网络应用要求转发引擎在支持1 0 0 b p s 线速处理的同时，支持i p v 4 、 i p v 6 以及m p l s 等多种协议类型。这给转发引擎的系统设计和路由转发查找设计 都带来了极大的困难。 一方面，多协议类型支持意味着转发引擎处理流程复杂程度提高。分析这三 种协议类型报文的特点可以看出，i p v 4 、i p v 6 、m p l s 的转发处理流程差别很大， 很难用一种统一的处理机制来实现。另外，多协议类型支持也增加了对转发引擎 内部存储资源的需求；另一方面，协议类型的复杂增加了转发引擎查表方案的设 计难度。转发引擎的路由查表需要支持i p v 4 i p 、，6 单播、i p v 4 i p v 6 组播、m p l s 单 播组播等类型的查表操作。考虑到m p l s 二次查表情况，转发引擎需要支持1 2 种类型报文的线速查表。因此，如何在支持线速查表的基础上，合理高效地安排 各种转发表，提高查表资源利用率，是高性能分组转发引擎的实现难点。 5 分组业务的服务质量保证 传统i n t e m e t 是一个基于分组的无连接网络，网络为所有业务提供尽力而为 ( b e s t e f f o r t ) 的服务，网络中的所有业务流都能公平地竞争网络资源，路由器对 所有的业务包都采用先来先处理( f c f s ) 的工作方式，尽最大努力将i p 包送达目 的地，而不对报文传送的可靠性、传送延迟等性能提供任何保证。 随着i n t e r a c t 的高速增长和网络融合的逐步深入，基于i p 的分组网络已经被 公认为下一代网络的核心，传统i po v e re v e r y t h i n g 的网络业务模型正逐步向 1 2 专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究 e v e r y t h i n g0 v e i i p 转化。在这种业务模型下，话音、数据、图像、流媒体等业务以 i p 分组形式在网络中进行传输，网络需要为这些业务提供具有q o s 保证的网络服 务。目前，i p 分组网的q o s 参考模型包括集成服务( i n t s e r v ) 和区分服务( d i f t s e r v ) 两种。集成服务提供基于流的q o s 保证，主要适合在规模不大的网络中实施。区 分服务提供基于分类的q o s 保证，主要适合在骨干网络中实施。这就要求作为网 络核心组成要素的路由交换设备能根据实际应用需求，提供恰当q o s 保证服务。 因此，如何使转发引擎在保证高转发性能的同时，提供丰富的q o s 能力，是高性 能分组转发引擎的实现难点。 2 2 3 高性能分组转发引擎实现技术 从路由交换设备出现之日起，应用需求一直在推动着路由交换设备硬件结构 的发展。转发引擎作为路由交换设备的核心组成之一，其实现技术也随着应用的 发展经历了很大的变化。概括起来，转发引擎实现技术主要有四种，即基于通用 c p u 的转发引擎实现技术、基于a s i c 的转发引擎实现技术、基于f p g a 的转发 引擎实现技术、以及基于网络处理器的转发引擎实现技术。 1 基于通用c p u 的转发引擎实现技术 采用通用c p u 实现转发引擎具有高度灵活性的优势。在路由交换设备发展的 初期，网络上路由器交换设备的转发引擎大都是采用通用c p u 实现。基于通用c p u 的转发引擎实现方式的所有功能性指令都是以软件形式存放起来，需要的功能指 令通过修改系统软件就能很容易添加进去，而不需改变处理单元的基本结构。因 此，这种方式能够灵活地处理各种协议，完成表项查找、分组过滤和转发、网络 协议的实现和更新以及加密解密算法等。但由于受c p u 处理能力的限制，设备的 极限转发能力较低，一般应用于汇聚、接入层等对转发性能要求不高的场合。 2 基于a s i c 的转发引擎实现技术 由于a s i c 是针对具体应用设计的芯片，设计者可以根据具体的要求尽量地做 到优化，同时对于支持的特定业务，a s i c 能够同时提供极高的转发性能和较低的 开发成本。因此，对于特定业务应用，采用基于a s i c 的转发引擎实现技术具有专 用性强、速度快、成本低等优点。但由于a s i c 的固定特性，使得基于a s i c 的转 发引擎实现技术具有功能扩展困难以及缺乏对多业务的灵活性支持等缺陷。另外， a s i c 的开发周期也很长，新功能的添加需要芯片研发公司花费较长的开发周期和 较高的研发代价。 3 基于网络处理器的转发引擎实现技术 网络处理器( n p ) 是一种面向网络应用领域的特定指令处理器，是面向数据 分组处理的、具有体系结构特征或特定电路的软件可编程器件，同时具有灵活处 第二章高性能分组转发引擎的设计分析 理多种协议和线速处理的能力。一般来说，网络处理器内部由若干个微码处理器 和硬件协处理器组成，通过预先编制的微码来控制处理流程。而对于内存操作、 路由表查找算法、q o s 的拥塞控制算法以及流量调度算法等较复杂操作则采用硬 件协处理器来进一步提高处理性能，从而能实现业务灵活性和高性能的有机结合。 基于网络处理器( n p ) 的转发引擎实现技术具有以下几个方面的技术特点： 第一，可编程性。网络处理器的可编程性使得设计人员能够快速改变并适应 各种应用需求，缩短产品的开发周期，并提供可重用性。与a s i c 不同，用网络处 理器来实现的系统，通过软件的升级就能够迅速地进行系统的升级，并且通常不 需要更换硬件。 第二，高速的数据处理能力。网络处理器具有为网络处理任务专门优化设计 的专用指令集，以及有许多用于执行数据包处理功能的附加指令，可以使用最少 的时钟周期完成特定的处理任务。除此之外，网络处理器还采用优化的内存管理 机制和d m a 单元、硬件多线程、专用协处理器等经过优化的硬件处理技术来实现 高速数据处理。 第三，可扩展性。网络处理器通过采用多线程技术，并改变处理引擎的数目 和类型，以及外部存储器的种类、容量、访问带宽等途径来实现性能和应用扩展， 从而适应不同的应用需求和应用环境。 第四，高度并行性。网络处理器具有多引擎结构，可通过对网络数据包采用 数据包级并行( p l p ) 、数据包内并行( i p p ) 、指令级并行( i l p ) 等三个层次的高度并行 性处理，满足网络流量的高性能要求。 第五，智能处理。网络处理器可根据不同的应用需求，对到达的网络数据包 进行不同深度的智能处理。例如，分帧组帧只需进行二层处理，路由查找需要进 行三层处理0 p 包头) ，分类则需要进行四层处理( t