路由器中的硬件IP路由表查找技术
Internet的迅速发展给我们的生活带来了巨大的变化。随之而来的是网络流量的迅速增长。网络流量的增长对于Internet上的路由器来说是一个很大的挑战特别是核心路由器。它需要高速有效的包调度.转发和路由策略。本文针对路由器的路由查找提出了一种高效的.便于用硬件实现的技术。
1.路由器的体系结构
图1给出了一般路由器的逻辑体系结构。它主要由下面几部分组成路由引擎、转发引擎、 路由表、 网络适配器和相关的逻辑电路等。转发引擎负责把从一个网络适配器来的数据包转发到另一个网络适配器出去。 IP协议包括对路由表的查找构成了转发引擎中最主要的部分。由于每个通过路由器并需要其转发的数据包都要对路由表进行查找所以路由表的查找效率如何往往决定了整个路由器的性能。路由引擎则包括了高层协议特别是路由协议它负责对路由表的更新。由于路由引擎不涉及通过路由器的数据通路故它可用通用的CPU代替。
2硬件路由表的数据结构设计
一般路由器中路由表的每一项至少有这样的信息 目标地址、网络隐码、下一跳地址。如果对每一个IP地址都要一个表项那么需要占用很大的2323*4字节的存储器而且其中必定有很多的表项没有被使用这就会造成极大的资源浪费。
为了用硬件实现路由表的查找查找算法需要满足如下的条件
1 实时的实现路由表的查找
2 有效的实现路由表的插入和删除
3 提供有效的最长前缀匹配
4 具有良好的可扩展性
5 支持广播和组播
6 有效的对Memory进行利用
7 硬件上容易实现并具有良好的性能。
我们考虑如果在对路由表的查找中把子网隐码和IP地址结合起来对IP地址进行相应的分段并把它们相连。这样在路由表的表项中只有IP地址的一部分及其相应的隐码部分可以实现良好的可扩展性只要对Memory进行有效的管理可以灵活的动态的实现对路由的插入和删除。鉴于此我们设计该表的结构如下面的表一所示
它的思想是把32位IPv4地址主要分成4部分每部分8位。在该结构中Addre s s-part[0-4]是IP地址中的一部分Mask-part[0-4]是相应的掩码部分。Hit-next[0-4]是需要查找的目标IP地址与掩码部分相与后与Address-part一致时所要查找的下一路由项所在地址的指针。 ,Mis s-hit[0-4]则是相互不一致时下一路由项所在地址的指针。 Shift位则用于判断是否需要对IP地址中的下8位进行查找和判断。它只有在当前的8位IP地址与目标地址中相应的8位一致时才会被置位。 Stop位用于判断是否还需进行查找。它在IP地址查找结束时被置位或没有比当前项所对应的IP地址更长的路由表项时被置位。
图2就是一个表1的例子
在该例子中每一方框中上面一行表示相应的IP地址部分和隐码部分。下面一行表示相关的隐码部分的二进制表示。 相应的查找算法如下
查找算法开始*/search=TRUE;
WHILE( search) {masked_key=key&(entry->mask_part ) ;result=(entry->addres s_part )==mas ked_key
IF(result==TRUE) {
bes t_matc h=entry;entry=entry->hit_next;
}ELS E{entry=entry->mis s_next;
IF(entry->stop==TRUE) s earch=FALSE;
}
}
RETURN best_match
查找算法结束*/
为了实现有效的插入和删除我们还要在路由表的数据结构中再另外添加几个域parent指针指向本结点的父结点路由信息routeinfo等。它们的用途是在路由表的查找过程中特别是在指针的回溯pointer rever sal中可以大大的节省查找时间。 由于IP路由的插入和删除比较复杂。我们只是粗略得说明一下。
IP路由的插入
/* 插入算法开始*/
/*先用上面提到的查找算法找出best-match*/best_match=s earch(new_entry);
/*确定需要加入的路由中没有被best-match包括的那几位*/for (c ount=firs t_unmatched_bit ; c ount<=s izeo f(new_entry) ;c ount+=s izeof(addres s_part) {
/*创建新的结点*/create new node;
/*将该结点连入best_match的hit_next */link node into hit branc h of best_match;
}
/* 插入算法结束*/
IP路由的删除要分几种情况讨论。如best_match是叶子结点 best_match的hit_next指针为空,best_match的mis s_next指针为空和hit_next指针和mis s_next指针都不为空等四种情况。这里就不再讨论。
3路由表查找的硬件实现
图3就是对应与上面提及的路由表结构的IP路由表查找的硬件实现简称为路由卡的系统框图。
在路由卡中主要有IP地址状态机路由信息Memory译码器掩码器 比较器地址寄存器组成。 IP地址用于保存所要查找的目标地址。状态器用于控制IP路由表的查找。路由信息就是我们所要查找的信息。它的工作原理是这样的
当路由器从某一个网络适配器中接受到一个需要转发的数据包后在需要进行IP路由表的查找时把IP包的目的地址送到IP地址寄存器中 同时给状态机发一个指令。状态接到这一指令后从Memo ry中读出路由表的相应的表项并和IP地址寄存器中的相应几位经译码器掩码器后进行比较把比较的结果反馈给状态机。再由状态机来控制下一轮的比较。当比较结束后把比较的结果放在路由信息寄存器中供路由器如转发引擎读取。 同时状态机在特定的某一端口设置标志来通知CPU查找是否已经结束或还在进行当中。下面对其性能进行分析。
4性能分析
由于路由表项中地址掩码的引入使得路由结构变得非常灵活。但相应的 由此产生的内存的开销也相当的大。这是性能和硬件开销一对矛盾的必然体现。
该路由卡原型的实现是利用微机上的ISA总线采用存取时间为70ns的SRAM存储器所需容量为6*123k*8bit。除了使用ISA总线上提供的总线外本身还带了33M的晶振。对某一路由表项的查找最多只需32步查找。
在最坏情况下共需32次查找查找时间为
32* 1 /(33*106)≈9.7* 10-7秒
此时每秒可查找1/ 9.7* 10-7≈1.03 * 106次
虽然该路由卡是基于ISA总线但平均来说该路由卡的查找速率为每秒8百万次。这也从另一方面说明该路由卡的设计是可行的。
针对网络流量的增加及对路由器性能要求的提高本文从硬件的角度对IP路由查找算法用硬件实现做了一系列的分析并提出了相应的便于用硬件实现的IP路由表的数据结构。 同时对该路由卡的性能进行了分析。
同时也该看到为了更快的提高路由表的查找速率基于ISA总线是不可能满足要求的。由此使用FPGA芯片不可避免。由于VHD L语言固有的灵活性和可编程性可以更为灵活和高效的实现路由查找。所以使用FPGA芯片来实现路由查找是未来的趋势。因特网最短路径优先(O S PF)路由算法的实现
因特网中路由器中路由表的生成是非常关键的技术问题。 目前在因特网中的路由器中都支持开放最短路径优先OSPF路由生成算法。 OSPF算法生成速度快而且收敛快、性能稳定是目前已知的因特网中路由表生成的最好算法之一。
OSPF最重要的内容是路由器如何根据已接收到的本路由器所在的自治系统AS的路由器拓扑结构以及各路由器之间的传输费用代价、权 生成一条从本路由器到AS中各路由器的最短路径进而生成路由表。
本实验的目的是根据一个给定的网络拓扑结构及路由器之间的传输费用生成指定路由器到其它路由器的最短路径的实现方法并且根据求得的最短路径生成路由表。
最短路径算法是因特网 Internet路由算法中最重要的算法关系到因特网的网络交换性能以及网络的稳定性因此解决最短路径算法的实现问题具有非常重要的应用价值。本设计型实验紧密结合最短路径在因特网中的实际应用通过最短路径算法的程序实现过程和路由表的生成过程更深地领会最短路径在因特网中实现快速路由以及路由表生成的原理培养学生解决实际问题的能力。
二、实验要求
熟悉C语言编程,熟练使用C语言实现图形结构的说明、创建以及图的存储表示要求学生熟练应用图形数据结构编程实现最短路径的算法了解AS中路由器与网络、网络与路由器代价计算方法 了解根据OSPF生成路由表的原理。
三、实验内容
根据给定的网络拓扑图求某路由器到其它路由器的最短路径并生成路由表
下图为因特网中某自治系统AS路由器及网络连接拓扑图。
按照因特网的规定从网络到路由器的费用为0,因此上图无向图可表示为下图有向图形式。
求从某路由器如R1至其它路由器的最短路径。即从始点如R1开始逐步求始点如R1到其它可达的各路由器的最短路径直到所有路由器计算完成为止。
根据最短路径的求解结果可以生成路由表。
路由表主要由两个表项组成即目的网络目的路由器所在网络及下一路由器或下一跳即所求路由器相邻的某一路由器 如N5,R4表示到达N 5的最短路径通过R4
N3 R6 因此相对于路由器R1而言到达目的网络N5的下一跳为R4。
下表是R1到其它网络的最短路径
根据R1到其它网络的最短路径很容易得到R1的路由表下一跳是R1到达网络所经过的第一个路由器 详见下表
四、实验步骤
以下是最短路径算法的具体实现步骤。但是由于本实验为设计型实验且为解决实验问题而做因此以下的最短路径算法只能作参考还有若干步骤需要学生们自己独立完成如生成路由表而且除求R1路由器到其它路由器的最短路径外还可以求其它路由器如
R2 R3 …最短路径和生成路由表。
1输入e条弧生成AOE-网的存储结构。
2初始化 S←{v0 };dist[j]←Edge[0][j], j=1, 2,…, n-1; //n为图中顶点个数
3.求出最短路径的长度dist[k]←min { dist[i] }, i V-S ;
S←SU{ k};
4.修改从v0到V-S集合中各顶点的最短路径dist[i]←min{ dist[i], dist[k]+Edge[k][i] },
对于每一个i属于V-S;
5.判断若S=V,则算法结束否则转2。
OSPF路由协议中的核心算法实现
//Dijks tra算法.cpp:定义控制台应用程序的入口点。
//
#inc lude"stdafx.h"using namespace std;void Dijks tra(int n,int v,int dist[],int prev[],int**c)
{int maxint=//你认为不太可能取到的值;bool*s=new bool[n];//用于区分节点处于那个集合中for(int i=1; i<=n; i++)//这里是初始化
{dis t[i]=c[v][i];
s[i]=fals e;if(dis t[i]==maxint)
{prev[i]=0;
}els e
{prev[i]=v;
}
}dis t[v]=0;s[v]=true;for(int i=1; i<n; i++)//主要部分开始
{int temp=maxint;int u=v;for(int j=1;j<=n; j++)//找出集合2中的最小COST的枝和点{if((!s[j])&&(dis t[j]<temp))
{u=j;temp=dis t[j];
}
}s[u]=true;
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