《计算机工程与科学》论文排版样稿
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一种支持高速IPv6转发的路由器体系结构FIS*
A Router Architecture—FIS Facilitating High-speed IPv6
Forwarding
***,***
D** Y**-b**,S* J**-s**
(国防科技大学计算机学院,湖南长沙410073)
(School of Computer Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073,
China)
摘要:本文提出了一种在交换网络中执行转发操作的路由器体系结构(Forwarding In Switch, FIS),采用多个低速的具有独立转发和交换功能的转发交换结点FSN(Forwarding and Switching Node),组成多级流水线结构,以流水的方式执行报文转发和交换。本文对FIS中实现IPv6转发的关键技术—IPv6转发表的分解、转发表到FSN结点的映射、IPv6转发引擎的设计及报文调度算法进行了深入的研究,基于FIS体系结构,提出了易于硬件实现的IPv6查找机制和基于hash老化的报文调度算法,为下一步FIS原型系统的实现提供了切实可行的方案。
Abstract: A router architecture performing forwarding in switch (FIS) is proposed that consists of multi-stage, lower speed nodes called FSN performing IP-lookups and switching independently, thus IP-lookups and switching for multiple packets being pipelined. We investigate the key technologies of IPv6 forwarding for this architecture including the partition of IPv6 forwarding table, the logical mapping from forwarding table to FSN nodes, the design of IPv6 forwarding engine as well as the packet scheduling algorithm. Consequently based on FIS architecture a scalable IPv6 lookup mechanism and a packet scheduling algorithm based on hash miss are proposed which provide a practical way to implement FIS prototype.
关键词:FIS路由器体系结构;转发表分解;转发表映射;IPv6转发
Keywords:FIS router architecture; partition of forwarding table; mapping of forwarding table; IPv6 forwarding
中图分类号:TP393 文献标识码:A
1.引言
目前IPv4 地址枯竭问题日益凸显,以IPv6为核心的下一代互联网随之提上日程。IPv6采用128位地址长度,地址资源极其丰富,有人形容,世界上的每一粒沙子都会有一
个IP地址。与IPv4相比,除了丰富的地址空间,IPv6还兼具QoS、组播、安全和IP移动
性等方面的优势。IPv6核心路由器是用于下一代互联网建设的关键技术设备,IPv6路由器
设计的主要障碍是相对较慢的IP 查找算法。目前路由器采用精确转发、集中式交换的体*基金资助:国家自然科学基金资助项目(******)
系结构,即首先由转发部件对报文进行精确查表确定其转发决策,然后由集中式的交换网络将报文交换至目的端口。在这种传统的路由器体系结构中,转发部件难以满足FIB表容量增长和线速转发的需求,而集中式的交换网络难以满足端口速率和端口密度的需求。
本文提出一种基于部分转发和流水交换的并行路由器体系结构,路由器由多个结点构成,每个结点是独立的具有一定转发和交换能力的功能部件,称之为转发交换结点FSN (Forwarding and Switching Node)。每个FSN结点仅保存转发表的一部分,完成报文的部分转发操作,直至出口FSN结点才得到报文的最终转发决策,称之为部分转发技术。FIS 体系结构的优势在于通过分解路由表,降低了单个转发部件的查找复杂度;报文流被分派到多个FSN结点并行处理,降低了高速报文缓冲对存储器带宽的需求。FIS通过同时开发报文转发和交换操作的并行度,缓解了高链路速率和FIB处理极限在路由器体系结构设计中的尖锐矛盾。
2.FIS关键技术
IPv6路由查找仍然是最长前缀匹配,在FIS中实现IPv6转发有着得天独厚的优势:部分查找技术通过分解IPv6转发表降低了查找复杂度,流水处理方式有利于执行IPv6更长位宽(128bits)的查找。本节基于FIS体系结构,突破了IPv6转发表的分解、转发表到FSN结点的映射及FSN结点转发引擎设计一系列关键技术,提出了一种可扩展的流水化IPv6查找机制。该方案硬件实现简单,以低成本的执行部件FSN获得更高的交换性能和IPv6查找性能。
2.1F IS体系结构
在如图1所示基于FIS的并行路由器体系结构实例中,3级3×3的转发交换结点FSN 构成3级流水线, 到达报文被分派到3个FSN结点并行处理。每个FSN结点保存路由转发表的一部分,执行部分IP查找,降低了报文转发操作的硬件实现复杂度;FSN结点直接对变长报文进行交换,消除了对报文的分割和重组操作(Segmentation and Reassembly,简称SAR),报文调度过程简单,避免了系统加速,易于低成本的硬件实现并获得较高性能。FIS 体系结构的实现取决于以下三大关键技术:
(1)IP路由表的分解算法:如何合理地分解IP查找树,有效降低报文转发复杂度。
(2)子树到FSN结点的映射算法:研究分解后的路由转发表在多个FSN结点的映射算法,保证报文部分转发的正确性和路由转发表在FSN结点分布的均衡性。
(3)FSN结点的IP查找和交换机制:设计单个FSN结点的报文转发和交换策略,以高效的查表和简单的报文调度机制实现多路径负载均衡及报文流的顺序。