（通信与信息系统专业论文）10g转发引擎多协议支持策略的研究与实现.pdf

中文摘要 随着光传输网络带宽的飞速发展及i p 网承载业务的多样化，人们对核心节点路由器提 出了更高的要求：一方面，路由器要支持越来越高的接口速率；另一方面，路由器要支持 i p v 4 、i p v 6 、m p l s 等多种协议。转发引擎是路由器实现第三层处理的核心部件，是各种 协议类型报文高速处理的关键。本文结合国家“十五”8 6 3 计划重大课题可扩展到t 比 特的高性能i p v 4 v 6 路由器基础平台及实验系统，阻t 比特路由器1 0 g 多协议转发引擎 的研究为课题目标，较深入研究了1 0 g 转发引擎的i p v 4 v 6 m p l s 协议支持策略及其实现 技术。 本文所做的主要工作如下： 针对转发引擎1 0 g 线速率处理的要求，在研究了转发引擎的处理流程的基础上， 引入并行处理和流水线技术，设计了一种基于f p g a 实现的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吞吐率等主要性能。 为提供对i p v 4 v 6 m p l s 协议的支持，总结了转发引擎的单播、组播、m p l s 报文 处理流程，指出了基于多通道处理的转发引擎结构的缺点。在此基础上，提出了 一种基于单通道处理的转发引擎流水线结构。该结构节省了f p g a 的逻辑资源和 存储资源。 基于上述转发引擎结构，从理论上对转发引擎的转发性能进行了深入分析，得出 了转发引擎在不同接口类型下的线速转发能力。这也为后面的工程测试提供了理 论依据。 为解决1 0 g 转发引擎的i p v 4 v 6 m p l s 线速查表问题，在深入研究了目前较流行 的t c a m 流水线查表方案的基础上，针对组播安检查表，本文提出了一种组播安 检并行查表方案；针对单播查表，本文提出了一种基于i p v 4 软配置的单播查表方 案。分析表明，上述方案在节省了t c a m 存储空间的同时，满足转发引擎的线速 查表要求。 给出了t 比特路由器中1 0 g 转发引擎的性能测试结果，验证了转发引擎的良好性 能。实验结果表明，基于本文设计方案实现的转发引擎能够支持i p v 4 v 6 m p l s 报 文在1 0 gp o s 和1 0 gl a n w a n 接口下的线速转发。 关键词：t 比特路由器；转发引擎；流水线；多协议：并行查表；软配置 第1 页 a b s t r a c t p e o p l eb r i n gf o r w a r dm o r er e q u i r e m e n t so nr o u t e r sw i t ht h er a p i db a n d w i d t hg r o w t ho ft h e o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r ka n dt h ed e v e l o p m e n to fs e r v i c ed i v e r s i t yo fi pn e t w o r k o no n e h a n d ，r o u t e r sm u s ts u s t a i nt h el i n kr a t ew h i c hg r o w sf a s t e ra n df a s t e r , a n do nt h eo t h e rh a n d ，t h e y h 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 f o r w a r d i n ge n g i n ei st h ek e yt or e a l i z eh i g h s p e e do p e r a t i o no fv a r i o u sp r o t o c o l si nr o u t e r , w h i c hp l a y sa c o r er o l ei nr o u t e rp r o c e s s i n g a i m i n ga tt h e1 0 g b p sm u l t i p r o t o c o lf o r w a r d i n ge n g i n eo ft h et e r b i tr o u t e ra n da c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so no n eo fk e yp r o j e c t so ft h en a t i o n a l 8 6 3p r o g r a n af o rt h et e n t hf i v e - y e a r p l a n “t h eb a s i cp l a t f o r ma n de x p e r i m e n ts y s t e mf o rt e r a b i ts c a l a b l eh i 曲p e r f o r m a n c ei p v 4 v 6 t 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 f1 0 g b p sf o r w a r d i n ge n g i n es u p p o r t i n g i p v 4 v 6 m p l sp r o t o c o l sa n dt h e i ri m p l e m e n t a t i o n t h em a l lw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa s f o l l o w s ： b a s e do na ni n _ d e p t hs t u d yo ff o r w a r d i n gp r o c e s s ，i n t r o d u c i n gp a r a l l e lp r o c e s sa n dp i p e l i n e t e c h n o l o g y , 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 es t r u c t u r eb a s e do nf p g ai sp r o p o s e d t h e o r e t i c a la n a l y s i so f s o m ek e yp a r a m e t e r so f t h ep i p e l i n ei sg i v e n ，t h r o u g h p u ti n c l u d e d t h eu n i c a s t ，m u l t i c a s ta n dm p l sp a c k e t sf o r w a r d i n gp r o c e s sa r es u r n m a r i z e d p o i n t i n go u t t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ef o r w a r d i n ge n g i n es t r u c t u r eb a s e do nm u l t i p l ec h a n n e l sp r o c e s s ，a f o r w a r d i n ge n n n ep i p e l i n es t r u c t u r eb a s e do ni p v 4 v 6 m p l ss i n g l ec h a n n e lp r o c e s si sp r o p o s e d t h i ss t r u c t u r es a v e sf p g ab o t hl o g i c a la n ds t o r a g er e s o u r c e sa n dr i s e sam o r es i m p l el o g i c a l c o n t r 0 1 t h ep e r f o r m a n c eo ff o r w a r d i n ge n g i n eb a s e do np r o p o s e ds t r u c t u r ei sa n a l y z e da n dt h er e s u l t o fi t sf o r w a r d i n ga b i l i t i e su n d e rd i f f e r e n tl i n ki n t e r f a c e si sd r a w e d w h i c hc o u l da l s op r o v i d e t h e o r e t i c a lc l u e sf o rp r o j e c tt e s t an e w p a r a l l e ll o o k u ps c h e m ef o rm u l t i c a s ta n ds e c u r i t yi n s p e c tt a b l ei sp r o p o s e d ，a n a l y z i n g t h ec u r r e n t l yp o p u l a rt c a m p i p e l i n el o o k u ps h e m e a n dau n i c a s tt a b l el o o k u ps c h e m eb a s e d o ni p v 4s o f tc o n f i g u r a t i o ni sa l s op r o p o s e d t h i sm e c h a n i s mi sp r o v e dt om e e tr e q u i r e m e n t so f l o o k u pa tl i n e s p e e da n ds a v et c a m r e s o u r c e s t h ee n g i n e e r i n gi m p l e m e n t a t i o nr e s u l to ft h e l o g b p sm u l t i p r o t o c o lf o r w a r d i n ge n g i n ei n t e r a b i tr o u t e ri s g i v e n , w h i c hp r o v e st h a tt h ef o r w a r d i n ge n g i n ew i t hs c h e m e sp r o p o s e da b o v e c a ns u p p o r t1 0 g b p sp o sa n d1 0 g b p sl a n w a ni n t e r f a c e sf o r w a r d i n ga tl i n e s p e e d k e yw o r d s ：t e r a b i tm u t e r ；f o r w a r d i n ge n g i n e ；p i p e l i n e ；m u l t i p r o t o c o l ；p a r a l l e ll o o k u p ；s o f t c o n f i g u r a t i o n 第1 t 页 信息工稃大学硕士学位论文 表目录 表1 国内外t 比特路由器的产品现状3 表2 转发引擎线速处理时间表1 0 表3 组播安检查表各功能段的延迟时间3 5 表4 单播查表各功能段的延迟时间3 8 第v 页 信息工程大学硕士学位论文 图目录 图i路由器结构图6 图2流水线结构示意图1 0 图3流水线设计时序1 1 图4转发引擎的流水线设计1 1 图5基于f p g a 的并行流水线转发引擎结构1 2 图6报头检查模块内的并行设计1 3 图7转发引擎流水线同步方式实现模型1 3 图8转发引擎流水线时空图1 5 图9i p v 4 v 6 单播报文处理流程1 7 图1 0i p v 4 v 6 组播报文处理流程1 8 图i im p l s 报文转发处理流程1 9 图1 2 基于多通道处理的多协议转发引擎结构2 0 图1 3 基于i p v 4 v 6 m p l s 多通道处理的转发引擎结构2 1 图1 4 基于单通道处理的转发引擎流水线结构2 3 图1 5 有效性检查模块内部结构2 4 图1 6 报头处理模块内部结构2 5 图1 7 输入带宽，传输带宽与i p 包长关系2 8 图1 8t c a m 内部并行查表结构3 1 图1 9 基于t c a m 的流水线查表结构3 2 图2 0t c a m 查表流水线操作过程3 2 图2 l 组播安检查表设计方案3 3 图2 2 组播安检查表流程3 5 图2 3i p v 4 单播查表流程3 7 图2 4i p v 4 单播查表时序图3 7 图2 5 支持i p v 4 v 6 的单播查表流程3 7 图2 6t 比特路由器硬件总体结构4 0 图2 71 0 g 转发引擎外部接口示意图4 1 图2 81 0 g 转发引擎的硬件实现结构4 2 图2 91 0 g 转发引擎硬件实物图4 2 图3 01 0 g 转发引擎测试环境4 3 图3 11 0 g 转发引擎单协议时延测试结果4 3 图3 2i p v 4 v 6 双协议栈时延测试结果4 4 第v i 页 独创性声明 所提交的学位论文是本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，除了文中标注和致谢的相关内容外，论文中不包含其他个人或集体已经公开的研究成 果。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作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文题目：! q q 缒蕉墨l 墼多垫邀塞挂筮喳的婴童生塞现 学位论文作者签名： 基肇监 日期：抛年6 月“r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 涉密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：! q 鱼缝蕉! 鍪多边邀塞挂筮监鲍盟窒曼塞现 学位论文作者签名 作者指导教师签名 筮堕堕 灿 日期：仲年6 月“日 日期：伊一锌，月钞名日 信息工程大学硕士学位论文 第一章引言 本章首先介绍了课题的研究背景和研究现状。然后针对当前存在的问题，介绍了课题 的主要工作和论文的结构安排。 1 1 课题研究背景 1 1 1t 比特路由器 随着互联网络宽带化和高速化步伐的加快，为了适应互联网用户的急剧膨胀和用户业 务多样化需求的日益增长，新一代互联网络的体系结构正从目前的扁平化平坦结构向新的 分层化结构演进。互联网基本模式趋于三层体系结构：用户末端网、边沿接入网与核心传 输网。m 骨干网络正在从g 比特( g i g a b i t ) 级速度向t 比特( t e r a b i t ) 级过渡。由于光纤 传输和电子工艺发展速度的不均衡性，作为网络核心节点的核心路由器正在成为网络演进 的瓶颈。 为了提高我国在下一代互联网中的技术竞争力，掌握一批具有自主知识产权的下一代 互联网核心技术，实现关键设备的研制和国产化，2 0 0 2 年6 月国家8 6 3 计划信息领域重 大专项一中国高性能宽带信息网( 3 t n c t ) 示范工程正式启动。在3 t n e t 中，我国将自主 研制t 比特的光传输系统、自主研制t 比特的交换路由系统、自主研制t 比特的网络应用 支撑环境，到2 0 0 5 年使我国在高性能宽带信息网的技术研究、设备开发及业务应用等方 面跻身于世界先进行列。 2 0 0 3 年7 月科技部发布“可扩展到t 比特的高性能1 p v 4 v 6 路由器基础平台及实验系 统”课题，任务是研制一个蕊向下一代网络、具有良好可扩展性、达到电信运营级的t 比 特路由器，作为中国高性能宽带信息网运营的关键设备。 1 1 21 0 g 多协议转发引擎 目前核心传输网上的路由设备已经普遍支持1 g b p s 的以太网接口和2 , 5 g b p s 的p o s ( p a c k e t o v c r s o n e t s d h ) 接口。考虑到光传输技术的飞速发展，无论是单波长载荷速率 还是单纤可用波长数量，每年都以极其惊人的速度在增长，可以预测核心传输网和边沿接 入网很快就会被1 0 g b p s 的p o s 和1 0 g b p s 的l a n ( l o e a la r e an e t w o r k ，局域i 网) w a n ( w i d e a r e a n e t w o r k ，广域网) 接口所占据。因此，t 比特路由器要求支持1 0 g b p s 的p o s 接口和 l a n w a n 接口。 同时，随着i p v 6 “删和m p l s 。m 1 技术的进步，i p 网络需要并正在承载各种不同的业 务。t 比特路由器作为核心传输网的重要组成设备，其对i p v 4 、i p v 6 、m p l s 的全面支持 显得尤为重要： 一方面，现在i n t e r n e t 运行的i p 协议主要是i p v 4 协议嘲。随着i p v 4 地址空间的枯竭 第1 页 信息工稃大学硕士学位论文 和i p v 6 所独有的富裕的地址空间、较好的安全保证和更多的业务支持等优势的日益突显， 面向下一代网络n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ) 的i p v 6 协议必将得到越来越多地应用。 i p v 6 核心标准日臻成熟，协议体系日趋完善。虽然i p v 6 路由查找和流量处理等算法还不 够成熟，但是i p v 6 技术体系基本框架已经确定。i p v 6 作为i p v 4 唯一的替代者，其在下一 代网络的地位已经得到国际承认，i p v 4 网络必定向i p v 6 网络过渡的趋势已经非常明朗。 作为面向新一代互联网的核心网络路由器，t 比特路由器必须在i p 协议的支持上实现i p v 4 、 i p v 6 的双协议栈支持。 另一方面，m p l s 将第三层路由技术和第二层交换技术相结合，发挥了第三层路由的 灵活性和第二层交换的高速性，是应用前景非常广阔的高速网络技术。采用m p l s 的动因 之一就是避免逐跳的路由决策，减少对数据分组的高层协议分析，借助标记建立第二层的 快速路径，使得数据沿着这条预先建立的路径快速移动。m p l s 把用户数据流根据需求和 流量特性分成转发等价类进行聚集转发，提高了可扩展性与资源利用率。m p l s 技术在骨 干网络的流量工程、v p n 和服务质量等方面也得到了应用，并显示出强大的技术生命力。 近年来，m p l s 技术规范不断走向成熟，技术体系逐渐完善，正日益成为一种较为理想的 骨干网络构建技术。 因此，t 比特路由器应当是支持i p v 4 、i p v 6 、m p l s 基本功能的多协议交换路由器。 t 比特路由器的核心作用是提供高速的数据包转发能力。转发予系统是t 比特路由器 的核心单元，负责i p 包的第三层处理，如报文的分类、过滤、查表、修改、缓冲和调度等。 t 比特路由器的关键技术之一，就是研制具有自主知识产权的“i p v 4 v 6 m p l s 硬件1 0 g 线 速转发引擎”。 1 - 2 高速转发引擎的研究现状及存在问题 1 2 1 t 比特路由器转发引擎的研究现状 截至2 0 0 5 年，国外著名的t 比特路由器生产厂商包括：j u n i p e r 旧、a v i c i “、c i s e o t s j 、 和l u c e n t 嘲等，国内只有华为和港湾两家公司拥有t 比特路由器“叭“1 。其t 比特路由器的 关键技术指标如表1 所示。 第2 页 信息1 = 程大学硕士学位论文 表l 国内外t 比特路由器的产品现状 公司 接口类型最高接口速率交换容篮路由表容量转发性能 ( g b p s )( g b p s ) 支持协议 c i s c o 0 c - 1 9 2 c s t m - 6 4 cp o s 基于a s i c 的 0 c - 4 8 c s t m - 1 6 cp o s1 03 2 0 i p v 4 。m p l s ， 1 m 思科c e f ( g s r l 2 4 1 6 ) p i m - i u s m o c 一1 2 s t m - 4a t m 0 c 一1 2 c s t m - 4 c a v i c i0 c - 4 8 c s t n 一1 6 c 1 04 0 0 i p m p l s ，组播 2 5 0 k 2 5 0 m p p s ( t s r ) 0 c - 1 9 2 c s n _ 一6 4 c 1 0g i g e j u n i p e r o c _ 1 2 1 5 0 m p p s 0 c - 4 81 03 2 0 i p m p l s ，组播 2 m s i c 埘一3 2 0 ) o c - 1 9 2 c s t m 一6 4 c l u c e n t 0 c - 4 8 删 0 c - 4 8p o s1 01 6 0 0 i p m p l s ，纽播5 m n a ( 眦6 4 0 0 0 ) 0 c - 1 9 2 c s t m - 6 4 cp o s n d s c0 c - 1 9 2 c s t m 一6 4 cp o s 1 6 7 m p p s ， ( s r l 8 8 0 - t ，l o g b p sl a n w a n 1 01 6 0 i p v 4 v 6 m p l s ， 2 mf p 6 研制中)1 0g i g e p i m - d m s m 华为o c - 1 9 2 c s w 一6 4 cp o s i p v 4 v 6 ，1 6 0 0 m p p s ， ( n e t e n g i n e 0 c _ 4 8 c s t i 卜1 6 cp o s1 01 2 8 0 6 p l sv 州t e i f r r a s i c + 网络处理 5 0 0 0 )1 0g i g - e 组播器 港湾1 0 gl n m n 9 3 4 m p p s ， p o w e r h a m m e r 0 c 1 9 2 s w 一6 4 cp o s 1 06 4 0 i p v 4 v 6 m p l sv p n ，组插 2 mf p g + a s i c p 6 4 0o c a s s n i - 1 6 cp o s 比较国内外的t 比特路由器产品在转发性能上的支持现状，可以看出： 作为面向下一代网络应用的t 比特路由器，支持1 0 g 接口速率下的i p v 4 、i p v 6 、 m p l s 处理已成为各大公司追求的热点，同时也成为t 比特路由器竞争市场的重 要砝码。 在t 比特路由器这样的高速网络节点中，高速多协议转发引擎的实现主要是依靠 a s i c 或网络处理器实现具有各自特色的转发技术。 采用a s i c 或网络处理器实现转发引擎，无法兼顾转发引擎的接口速率和业务灵活性， 而且不利于形成具有自主知识产权的转发“芯”，无法满足t 比特路由器在3 t n c t 承担核心 节点设备的应用环境的安全性需求。 1 2 2 1 0 g 多协议转发引擎的实现难点 要在t 比特路由器中实现可支持i p v 4 v 6 m p l s 的1 0 g b p s 线速转发引擎，存在以下几 个主要难点： 1 0 g b p s 高速数据的线速处理 转发引擎要求支持1 0 g b p s 接i = 1 的线速处理。对于长度仅为4 0 字节的i p v 6 超短包来 第3 页 堕皇三壁盔堂堡主堂堡丝奎 说，转发引擎的线速处理时间只有3 2 n s ： ( i p 报文长度) 4 0 x g b i t ( 端口速率) 1 0 g b p s = 3 2 潞( 式1 ) 即使转发引擎的工作频率达到1 0 0 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对数据包的所有i p 层处理，无疑对转发引擎的结构设计是一大挑 战。 对i p v 4 v 6 m p l s 的支持 t 比特路由器要求转发引擎在1 0 g 线速处理的基础上，可支持i p v 4 、i p v 6 、m p l s 三 种协议类型。这给转发引擎的结构设计和查表设计都带来了极大的困难。 一方面，协议类型的复杂意味着转发引擎处理流程的复杂。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。 协议类型的复杂也增加了对转发引擎内部存储资源的需求。在转发引擎的处理流程上 增加任何一处的缓存，都可能需要针对每种报文类型增加一处缓存。 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 v 6 单播、i p v 4 v 6 组播、m p l s 单组播等类型的查 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。如 何在支持线速查表的基础上，合理高效安排各种转发表，提高查表资源的利用率，是1 0 0 转发引擎的一个难点。 基于以上对本课题的研究现状和实现难点的考虑，本文提出了对1 0 g 转发引擎的多协 议支持策略的研究。旨在通过研究，设计并实现一种支持i p v 4 v 6 m p l s 协议的1 0 g 线速 转发引擎。 1 3 本文的主要工作 本文所做的主要工作如下： 针对转发引擎的1 0 g 线速处理要求，在研究了转发引擎的处理流程的基础上，引 入并行处理和流水线技术，设计了一种基于f p g a 实现的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主要性能。 为提供对i p v 4 v 6 m p l s 的支持，总结了转发引擎的单播、组播、m p l s 报文处理 流程，指出了基于多通道处理的转发引擎结构的缺点。在此基础上，提出了一种 基于单通道处理的多协议转发引擎流水线结构。该结构节省了f p g a 的逻辑资源 和存储资源。 基于上述转发引擎结构，对转发引擎的线速转发性能进行了深入分析，得出了转 发引擎在不同接口类型( 包括p o s ，l a n w a n ) 下的线速转发能力。这也为后面 的工程测试提供了理论依据。 第4 页 信息工稗大学硕士学位论文 为解决i p 、r 4 v 6 m p l s 的线速查表问题，在分析了目前较流行的t c a m 流水线查 表结构的基础上，针对组播和安检查表，提出了一种组播安检并行查表方案；针 对单播查表，提出了一种基于i p v 4 软配置的单播查表方案。该方案在满足转发引 擎的线速查表要求的同时，对t c a m 存储空间的需求降低了一半。 给出了t 比特路由器中1 0 g 转发引擎的性能测试结果，验证了转发引擎的良好性 能。实验结果表明，基于本文设计方案实现的转发引擎能够支持i p v 4 v 6 m p l s 报 文在1 0 gp o s 和1 0 g l a n ，、) l ，a n 接口下的线速转发。 1 4 本文的结构和安排 本文的主要内容安排如下： 本文第二章首先根据1 0 g 转发引擎的功能要求，分析了1 0 g 转发引擎的实现方案。在 此基础上，针对转发引擎的1 0 g 线速处理要求，提出了一种基于f p g a 的并行流水线转发 引擎结构。最后，从理论上分析了转发引擎的流水线性能，得出了转发引擎流水线的频率、 吞吐率和效率。 第三章研究了1 0 0 转发引擎的i p v 4 v 6 m p l s 多协议处理机制。首先总结了转发引擎 的单播、组播、m p l s 报文处理流程。分析了基于多通道处理的转发引擎结构，指出了该 结构存在的缺点。在此基础上，本章提出了一种基于i p v 4 v 6 m p l s 单通道处理的转发引 擎结构。最后，本章对基于上述结构实现的转发引擎的转发性能进行了深入分析，得出了 转发引擎在l o g p o s 和1 0 g i n 懈硝n 接口下的线速转发能力。 第四章研究了1 0 0 转发引擎的i p v 4 v 6 m p l s 线速查表问题。首先介绍了1 0 g 多协议 转发引擎的查表特点，分析了查表方案的实现难点。然后介绍了目前比较流行的一种硬件 查表方案一基于t c a m 的流水线查表方案。在t c a m 查表流水线的基础上，针对组播和 安检查表，本章提出了一种组播安检并行查表方案。针对单播查表，本章提出了一种基于 i p v 4 软配置的单播查表方案。最后给出了上述查表方案的线速查表能力分析。 第五章给出了基于上述方案实现的转发引擎在t 比特路由器中的性能测试结果，并对 测试结果进行了分析。 第5 页 信息工稃大学硕士学位论文 第二章基于f p f i a 的并行流水线10 g 转发引擎结构 2 11 0 g 多协议转发引擎功能分析 2 1 1 转发引擎概述 目前，典型的路由器结构为分布式并行多处理器结构“小蜘“。转发引擎在路由器中的 位置如图1 所示。 图1路由器结构图 转发引擎主要完成路由器对输入报文的第三层处理，即对i p 层的处理，主要包括：i p 报文完整性检查、m 报头各个域的处理、i p 地址路由查找等。转发引擎的具体实现分为报 文接收、报头处理、路由查表、输出控制等功能模块。 首先，转发引擎对外部进入的报文进行接收缓存。然后，报头处理模块从缓存中取出 报文进行完整性检查，检查报文的版本号( v e r s i o n ) 、生存时间( t i m e t o l i v e ，r r l ) 、校 验和( c h e c k s u m ) 、地址范围、负载长度( p a y i o ml e n g t h ) 等，滤掉各种类型的错误报文。 路由查表模块根据报文的i p 地址查找转发表，确定报文的输出接口。完整性检查和路由查 表完成后，报头处理模块根据完整性检查结果和查表结果对报文进行修改、封装，并将封 装后的报文输出。根据网管的要求，转发引擎还需要对相关的业务性能进行监测，统计各 类信息，并定时将统计结果上报路由器的主控单元。 2 1 2l o g 多协议转发引擎功能 t 比特路由器中，转发引擎完成的主要功能是将经过本路由器的i p 分组或m p l s 分组 按照路由表转发。转发引擎接收外部接口输入的i p v 4 v 6 或m p l s 报文，经过报文检查、 路由查表、报头修改等一系列处理后，将完成处理的报文输出到交换网络。 转发引擎本身的配置和运行管理由路由器的主控处理模块来完成，因此转发引擎还必 第6 页 信息工稃大学硕+ 学位论文 须完成与板级处理机的通信。主控处理模块通过板级处理机对转发引擎进行配置和运行管 理，如下发路由表、配置本板i p 地址等。主控模块还通过板级处理机将i c m p a s j 报文发送 到转发引擎，再由转发引擎将i c m p 报文送给交换网络模块；转发引擎产生的协议报文、 统计信息、差错信息以及记录报文均由板级处理机上报到主控处理模块。 具体地，t 比特路由器要求1 0 g 转发引擎对外部线路接口发送过来的报文进行以下操 作： 报文接收：接收由线路接口输入的i p v 4 v 6 或m p l s 报文，写入f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ， 先入先出寄存器) 缓存。 报头检查：对输入报文进行分析，检测i p v 4 v 6 报头的版本域、报文生存时间、校验 和、地址范围、负载长度域等是否有效；检查m p l s 栈顶标记是否合法。报头检查不通过 时，需按照相关r f c 协议要求做出相应处理，例如向路由器的主控单元发送相应的i c m p 报文。 直连检查“町“”：对于i p v 4 或i p v 6 组播包，需要检查该组播报文是否来自与该路由器 相连的主机。 组播r p f ( r e v e r s ep a t hf o r w a r d ，反向路径转发) 检查“州：检查组播报文是否通 过组播源与本路由器之间的最短路径过来。 单播查表：完成对i p v 4 和i p v 6 单播包的目的地址查表，查找输出接口。单播表根据 处理机指令动态更新。 组播查表；完成对i p v 4 和i p v 6 组播包的目的地址查表，查找输出接口列表。组播表 根据处理机指令动态更新。 m p l s 查表：完成对m p l s 报文的入口标记查表“州”1 ，查找标记转发表。m p l s 转发 表根据处理机指令动态更新。 安全检测：根据进入路由器的i p v 4 v 6 包信息( 例如源地址、目的地址、源端口、源 接口等) 对数据包进行安全过滤。路由器禁止转发未能通过安全检测的数据包。 报头处理：根据单播查表结果、组播查表结果、安全检测结果、m p l s 查表结果、报 头检查结果、组播直连检查结果、组播r p f 检查结果，生成报文的处理方式。报文的处理 方式包括以下几种：正常转发方式、仅对报文记录方式、转发并记录方式、丢弃报文方式、 m p l s 二次查表方式。根据报文的处理方式和各模块的处理结果修改报文，将重新封装的 报文送往输出控制模块。 性能统计：统计主控单元需要的各类信息，如各个线路接口模块发给转发引擎的包数 目、报头检查不通过的包数目等。 输出控制：一方面，将需要转发的报文和i c m p 报文依据一定的原则进行合路输出， 送往交换网络模块。另一方面，将性能统计模块的统计结果和需要上报的报文按照一定的 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 原则进行合路输出至板级处理机，交给主控处理模块。 2 2 l o g 转发引擎的实现方案研究 2 2 1 高速转发引擎的实现方案 转发引擎在实现以上复杂功能的同时，还要达到较高的性能指标。转发引擎的性能指 标包括包转发率、丢包率等多个方面。其中，包转发率是转发引擎性能的主要体现。包转 发率对应于转发引擎的处理速度，表示在不丢包的情况下转发引擎单位时间内所处理的最 多包数。例如，i p v 6 最短包长度为4 0 字节。对速率达到1 0 g b p s 的o c 1 9 2 p o s 按n ，转 发引擎每秒至少需要能够处理3 1 2 5 兆个i p v 6 包，即： ( 端口速率) 1 0 g b p s ( i p 报文长度) 4 0 x 8 b r = 3 1 2 5 m p p s ( 式2 ) 如此高的包转发率远远超过了当前包括一些核心节点路由器在内的路由设备的处理 能力。 由此可以看出，高速转发引擎的实现平台，一方面要求能够支持较高的接口速率；另 一方面，功能上必须具备良好的灵活性和可扩展性，以支持对报文的一系列复杂处理功能， 同时能够适应网络技术进步带来的转发引擎功能升级。 基于上述两点考虑，目前技术条件下，业内可供选择的器件可分为固定功能器件和可 编程器件两种，其中固定功能器件主要指专用集成电路a s l c ( a p p l i e a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 嘲，可编程器件以f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 乜1 1 和n p ( n e t w o r kp r o c e s s o r ，网络处理器) 。”为代表。下面对这三种方案的优缺点进行分析 比较。 基于a s i c 的高速转发引擎 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，例 如速度优化。由于具有较强的针对性，因此对于特定的业务，a s i c 芯片能够同时提供极 高的转发性能和较低的成本。但由于a s i c 的固定特性，使得a s i c 一旦产出后无法添加 新功能，缺乏对未来业务的灵活支持，例如不断改进的路由查表技术和日益多样化的业务 报文。另外，a s i c 的开发周期也很长，通常需要2 3 年的时间。由此看出，a s i c 可以 为任何固定功能提供高性能，但却几乎没有灵活性和可扩展性。 基于n p 的高速转发引擎 n p 通常由若干微处理器和一些硬件协处理器组成。多个微处理器并行处理，通过软 件来控制处理流程。对于一些复杂的标准的操作( 如内存操作、路由表查找算法、q o s 的 拥塞控制算法、流量调度算法等) 采用硬件协处理器来提高处理性能。这样实现了业务灵 活性和高性能的有机结合。网络处理器在强大的编程能力之后，却往往无法在速度上做到 最好。 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 基于f p g a 的高速转发引擎 f p g a 具有可编程能力，灵活性较高，便于实现多业务支持。同时，由于其可编程性 是通过硬件实现的，因此可以提供较高的数据处理性能。考虑到硬件的可编程性没有软件 灵活，所以最新的f p g a 加上一个微处理器的核心( 哟，在可编程性上变得“软硬兼备”。 除了加上微处理器的核心，f p g a 芯片公司还大力开发芯片的高速i o 。目前，两大f p g a 供应商a l t e m 。、x i l i n x 啪都分别推出了相关产品：s t r a t i xg x 汹1 系列和v i r t e x - i ip r o 系 列，可支持1 0 g b p s 的高速接口。灵活的编程能力和高速的数据处理能力，加上较短的开发 周期，使f p g a 成为高速数据处理的一种理想器件。 2 2 2l o g 多协议转发引擎的实现方案 经过对上述三种方案的仔细比较，兼顾多协议转发引擎的可扩展性和具有自主知识产 权，我们选择了f p g a 作为1 0 g 转发引擎的核心器件。与其它两种方案相比，基于f p g a 实现的1 0 g 多协议转发引擎具有以下主要优点； 1 t 比特路由器要求转发引擎支持i p v 4 、i p v 6 、m p l s 协议，这给转发引擎的设计带 来了两个问题： 转发引擎需要完成的处理功能非常复杂。与单纯的i p v 6 转发引擎相比，多协议转 发引擎对芯片资源的需求更大。 目前许多相关的i p v 6 、m p l s 协议仍然处在草案阶段，还需要不断地完善和改进， 这需要转发引擎具有较强的灵活性和扩展性，以适应未来协议变化带来的转发引 擎升级。 显然，f p g a 丰富的逻辑资源和灵活的可编程能力可以解决以上两个问题。 2 t c a m ( t c n a r yc o n t e n t a d d r e s s a b l em e m o r y ，三重内容寻址存储器) 嘲芯片制造技 术的迅速发展，使得高速转发引擎的实现瓶颈由查表速度转为查表控制嘲啪1 和报头处 理，而利用f p g a 的可编程性可以方便地实现用户的查表算法和控制逻辑。 3 利用f p g a 实现转发引擎，有利于我国高性能路由器核心技术的自主知识产权化， 这也符合t 比特路由器作为3 t n e t 核心节点设备的安全性需求。 2 3 基于f p g 的并行流水线1 0 g 转发引擎结构 转发引擎要求支持1 0 g b p s 的数据线速处理。对于本设计而言，要在数据速率高达 1 0 0 b p s 的条件下，实现i p v 6 最短包( 长度为4 0 字节) 的线速处理，则f p g a 处理一个数 据包的最长时间为： 。 ( i p 报文长度) 4 0 8 b i t ( 端口速率) 1 0 g b p s = 3 2n s( 式3 ) 表2 给出l o o b p s 接口速率下，转发引擎对不同长度i p 报文的线速处理时间。 第9 页 信息工稃大学硕士学位论文 表2 转发引擎线速处理时间袭 报文长度( b y t e ) 处理时间( i l s ) 4 03 2 4 83 9 6 45 2 9 67 7 1 2 81 0 3 对f p g a 程序设计而言，不能仅靠提高时钟频率和总线宽度来提高处理速度。时钟频 率的提高和总线宽度的增加使得数据总线上有效数据的保持时间缩短，加大了数据采样的 难度，不可避免的也就会增大f p g a 的设计难度。而且，受f p g a 器件水平和国内可购置 的高速大舰模f p g a 技术参数的限制，目前转发引擎f p g a ( 速度等级为- 4 ) 内部系统时 钟设置为1 5 0 m h z 以下能够保证稳定工作，超过2 0 0 m h z 则实现难度很大。从表2 可以看 出，报文最短处理