IPv6 的快速路由查找算法研究

第22卷第10期 计算机应用与软件 Vol.22, No.102005年10月Computer Applications and SoftwareOct. 2005IPv6的快速路由查找算法研究王 燕(浙江警官职业学院 浙江 杭州 310018）摘 要 TCAM 被广泛用于执行快速路由查找，不管前缀的数量和长度，它能在极短时间内解决最佳前缀问题。

与基于软件解决方法相比较，TCAM 能提供持续吞吐量和简单系统体系，这对IPv6路由查找来说是很有吸引力的。

然而，它也有一些缺点，例如入口数量有限，价格昂贵和能源消耗。

因此，本文提出一种有效、能减少所需TCAM 的算法，该算法通过增加微DRAM 来消除98%的TCAM 入口。

实验证明，该算法效果良好，可以大大提高IPv6路由查找性能。

关键词IPv6 路由查找 TCAMRAPID ROUTING LOOKUP ALGORITHM RESEARCH ON IPv6Wang Yan(Department of Information Technology and Management, Zhejiang Police Vocation Academy, Hangzhou Zhejiang 310018, China)AbstractTernary content-addressable memory has been widely used to perform fast routing lookups. It is able to accomplish the best matching prefix problem in(1)O time without considering the number of prefixes and its lengths. As compared to the software-based solutions, the Ternary content-addressable memory can offersustained throughput and simple system architecture. It is attractive for IPv6 routing lookup. However, it also comes with several shortcomings, such as the limited number of entries, expansive cost and power consumption. Accordingly, an efficient algorithm is proposed in the paper to reduce the required size of Ternary content-addressable memory. The proposed scheme, which has a good effect, can eliminate 98 percentages of Ternary content-addressable memory entries by adding tiny DRAM. KeywordsIPv6 Routing Lookup TCAM1 引 言由于国际互联网和电子商务的飞速发展、网络接入需求呈指数级增长、国际互联网正面临着IPv4地址损耗问题，所以网络管理员必须越来越多地依赖NAT(网络地址转换)技术来配置网络。

但这会使网络管理变得更加复杂，还会中断网络首尾相连的规则。

一些应用程序越过NAT 设备就不能运行，例如IPsec 。

而且网络主机不再是计算机，而是一个全新的需要大量IP 地址的信息设备范围。

所有这些事实是发展IPv6主要驱动力量，因为IPv6拥有大量地址空间。

例如，目前IPv6的推荐地址分配策略是分配一个48位前缀给国际互联网每个站点，不管它是国内，小办公室，还是大企业站点。

48位前缀允许每个站点中65,000子网，每个子网能容纳实质上无数台主机。

IPv6也带来了这样一些好处：无国家限制的自动配置，更有效的移动管理和完整的IPsec 。

高速路由设计的主要障碍是相对较慢的IP 查找算法。

为了将数据包转发到目的地址，一台路由器必须执行转发决定，输入数据包下一跳地址取决于路由协议收集到的信息。

随着1993年CIDR [1]的发展，(路由前缀，前缀长度)确定了IP 路由，这里前缀长度在1位到32位之间变化。

对一台有大量路由表入口的骨干路由器来说，可变前缀长度进行的BMP(最佳匹配前缀)搜索可能会花很长时间，国际互联网主机的指数级增长也给路由系统增加更大的压力。

数据包转发速度很难跟上日益增长的通信量需求，地址查找操作更是当今路由器转发性能的主要瓶颈。

TCAM 是执行快速IP 查找的流行硬件设备，与基于软件解决方法相比较，TCAM 能提供持续吞吐量和简单系统体系结构，因此对IPv6路由查找来说是很有吸引力的。

然而，它也有一些缺点，例如入口数量有限，价格昂贵和能源消耗。

更有甚者，用同样的IPv4入口处理IPv6的128位地址需要4倍的TCAM 。

本文提出了一种有效算法，该算法通过增加微DRAM 来消除98%TCAM 入口。

2 已有算法近年来，在创建路由表方面已有大量的研究，包括硬件和软件解决方法。

在[2]中，Degermark et al.使用一个类似Trie 树结构，其主要观点是量化前缀长度到几个级别：16位、24位和32位，然后将路由表中每个前缀扩充到下一个更高级别。

该方法能将一个有40,000入口的路由表压缩成大小只有150~160K ，用硬件实现一个路由查找需要访问存储器的最小和最大次数分别为2和9。

在[3]中，Gupta et al.提出了基于巨型DRAM 的快速路由查找方案，该方案采用最多2次存储器访问实现33MB 转发路由表的路由查找。

通过增加一张中间长度路由表，使转第10期王燕：IPv6的快速路由查找算法研究 29发路由表能减少到9MB ，但是，实现查找需要进行存储器访问最大数量增加到3次。

当用硬件管道实现时，每次存储器访问能获得一次路由查找，这样能提供每秒大约20,000万数据包。

Huang et al.则是通过使转发路由表适合SRAM 从而进一步提高性能[4]。

至于基于软件的解决办法，有基于树、哈希或者二进制搜索的算法。

Scrinivasan et al.[5]提出一种基于多分支二进制树数据结构，使用一个有子指针数组的标准trie 树表示法，支持增加和删除前缀。

然而，为了减少树的大小，动态程序是必需的。

在参考文献[6]中，Karlsson et al.通过LC tries 和线性搜索解决BMP 问题。

Waldvogel et al.提出一种基于二进制搜索机制的查找方案[7]。

该方案随着地址和路由表增长测量效果更好。

在最差情况下，需要2log ()地址位数次哈希查找。

因此，IPv4需要5次哈希查找，IPv6需要7次哈希查找。

基于软件的解决方案性能可以通过用多路、多层搜索技术得到进一步提高，尽管这些方法均具有某些优点，但它们或使用复杂的数据结构[1,3,5,8]，或对IPv6是不可量测的[2,3,6]，这些均不是最优的。

3 TCAM 入口减少算法即使TCAM 技术应用逐渐增长，它仍然带来一些限制。

很明显，与SRAM 相比，TCAM 时钟频率较低，能源消耗和价格更高，数据包更大。

在NGN （Next Generation Network ）中，TCAM 将会导致入口数量有限。

路由表管理也是TCAM 的另一个问题。

如上所述，TCAM 前缀以排序方式列表，然而路由器中转发路由表是动态的，前缀可能会因为网络状态变化被插入或删除，这些变化以每秒1,000前缀高速速率出现，因此，目前很需要能获得快速TCAM 更新，并保持尽可能小的增加更新时间的解决方案。

TCAM 入口的减少在能源消耗、价格和主板使用方面能提高TCAM 性能，由此，本文介绍一种新TCAM 入口减少算法。

该方案能减少TCAM 入口，也可以使目前TCAM 能支持巨大IPv6路由表。

其基本思想是将多个路由前缀合并成一个替代前缀，生成的前缀被插入到TCAM 中，原始多个前缀被记录在DRAM 这样的外存中。

路由查找由一次TCAM 和一次DRAM 访问组成，尽管还需要外存访问一次，但可以利用管道设计减轻性能退化。

这样，由于DRAM 便宜得多，并且节约能源，系统设计花费大大减少。

在开始所提算法之前，必须利用路由前缀创建一个二进制树。

假设在路由表中有10个前缀，包括默认路由，TCAM 将需要10个入口来记录完全的路由信息。

根据路由前缀的数据位流创建二进制树，如图1所示。

从二进制树可以看出，可以将该树分成多个子树。

让子树高度等于2，二进制树可以被分成4个子树，如图2所示，每个路由前缀将被包含在至少一个子树中。

因此，与子树根结点相应，有4个数据位流而不是初始前缀被插入到TCAM 中。

生成子树是从二进制树叶子中选择子树，因为每片叶子(即路由前缀)必须被覆盖。

这种自底向上的创建能获得最小子树数。

路由查找：路由查找过程分成2部分。

第一步是发现子树最佳匹配，第二步是在子树中抽取最佳匹配。

因为子树很小，可以完全展开放进DRAM 。

本例中，每个子树将被展开为4个入口。

TCAM 入口意味着它们相应的子树地址，见图3。

因此，继匹配位长度之后两位被用于选择符合的入口。

例如，这里执行对0101执行一次搜索。

首先匹配长度为2且相应子树是S 2的TCAM 中的P 3。

结果，第3和第4位(分别为‘0’和‘1’)显示了S 2中的第2个入口，最佳匹配前缀是P 2。

图1 用二进制树表示路由前缀图2 高度为2位的4个子树图3 二进制树重组成4个高度为2位的子树路由更新：既然原始路由前缀已被压缩到子树中，每次路由更新必须询问最佳子树，检查是否该已更新前缀能被覆盖。

如果是，DRAM 相关入口将被修改，否则，路由前缀被直接插入到TCAM 中。

当积累了一定数量这样的入口后，就可以重建子树以保持TCAM 入口数量较少。

最差情况更新时间为Max(W /2,2子树高度)。

4 性能分析通过实验，证明了本文所提算法的优点是用更少的额外DRAM 实现较少的TCAM 入口。

目前，IPv6路由表只包括几百个前缀，为了实现所提算法的可量测性，作者使用从IPMA 和NLANR 项目得到的真实数据作为比较，这些数据提供了一个用于一些NAPs(Network Access Points)的路由表日常快照。

主要性能权值包括生成TCAM 入口数量和所需DRAM 存储容量。

30 计算机应用与软件 2005年图4显示了对不同路由表的处理结果，其中，子树高度设为4和8。