Internet的迅速發(fā)展給我們的生活帶來了巨大的變化。隨之而來的是網絡流量的迅速增長。網絡流量的增長對于Internet上的路由器來說是一個很大的挑戰(zhàn)，特別是核心路由器。它需要高速有效的包調度.轉發(fā)和路由策略。本文針對路由器的路由查找，提出了一種高效的.便于用硬件實現(xiàn)的技術。
1. 路由器的體系結構
圖1給出了一般路由器的邏輯體系結構。它主要由下面幾部分組成 ：路由引擎、轉發(fā)引擎、 路由表、網絡適配器和相關的邏輯電路等。轉發(fā)引擎負責把從一個網絡適配器來的數(shù)據(jù)包轉發(fā)到另一個網絡適配器出去。IP協(xié)議，包括對路由表的查找，構成了轉發(fā)引擎中最主要的部分。由于每個通過路由器并需要其轉發(fā)的數(shù)據(jù)包都要對路由表進行查找，所以路由表的查找效率如何往往決定了整個路由器的性能。路由引擎則包括了高層協(xié)議，特別是路由協(xié)議，它負責對路由表的更新。由于路由引擎不涉及通過路由器的數(shù)據(jù)通路，故它可用通用的CPU代替。
2．硬件路由表的數(shù)據(jù)結構設計
一般路由器中路由表的每一項至少有這樣的信息：目標地址、網絡隱碼、下一跳地址。如果對每一個IP地址都要一個表項，那么需要占用很大的2323*4字節(jié)的存儲器，而且其中必定有很多的表項沒有被使用，這就會造成極大的資源浪費。
為了用硬件實現(xiàn)路由表的查找，查找算法需要滿足如下的條件：
1） 實時的實現(xiàn)路由表的查找；
2） 有效的實現(xiàn)路由表的插入和刪除；
3） 提供有效的最長前綴匹配；
4） 具有良好的可擴展性；
5） 支持廣播和組播；
6） 有效的對Memory進行利用；
7） 硬件上容易實現(xiàn)，并具有良好的性能 。
我們考慮，如果在對路由表的查找中，把子網隱碼和IP地址結合起來，對IP地址進行相應的分段，并把它們相連。這樣在路由表的表項中，只有IP地址的一部分及其相應的隱碼部分，可以實現(xiàn)良好的可擴展性，只要對Memory進行有效的管理，可以靈活的動態(tài)的實現(xiàn)對路由的插入和刪除。鑒于此，我們設計該表的結構（如下面的表一所示 ）：
#p#副標題#e#
它的思想是：把32位IPv4地址主要分成4部分，每部分8位。在該結構中，Address-part[0-4]是IP地址中的一部分，Mask-part[0-4]是相應的掩碼部分。Hit-next[0-4]是需要查找的目標IP地址與掩碼部分相與后，與Address-part一致時所要查找的下一路由項所在地址的指針。,Miss-hit[0-4]則是相互不一致時，下一路由項所在地址的指針。Shift位則用于判斷是否需要對IP地址中的下8位進行查找和判斷。它只有在當前的8位IP地址與目標地址中相應的8位一致時，才會被置位。Stop位用于判斷是否還需進行查找。它在IP地址查找結束時被置位，或沒有比當前項所對應的IP地址更長的路由表項時被置位。
圖2就是一個表1的例子 ：
在該例子中，每一方框中上面一行表示相應的IP地址部分和隱碼部分。下面一行表示相關的隱碼部分的二進制表示。 相應的查找算法如下：
�。〔檎宜惴ㄩ_始 */
search = TRUE ;
WHILE ( search ) {
masked_key = key & ( entry ->mask_part ) ;
result = ( entry ->address_part ) = = masked_key
IF ( result = = TRUE ) {
best_match = entry ;
entry = entry ->hit_next;
}ELSE{
entry = entry ->miss_next;
IF ( entry ->stop = = TRUE ) search = FALSE;
}
}
RETURN best_match ；
�。〔檎宜惴ńY束 */
為了實現(xiàn)有效的插入和刪除，我們還要在路由表的數(shù)據(jù)結構中再另外添加幾個域 ：parent指針（指向本結點的父結點），路由信息（routeinfo）等。它們的用途是在路由表的查找過程中，特別是在指針的回溯（pointer reversal）中，可以大大的節(jié)省查找時間。由于IP路由的插入和刪除比較復雜。我們只是粗略得說明一下。
IP路由的插入：
/* 插入算法開始 */
/* 先用上面提到的查找算法找出best-match */
best_match = search ( new_entry );
/* 確定需要加入的路由中沒有被best-match包括的那幾位 */
for ( count = first_unmatched_bit ; count <= sizeof ( new_entry) ;
count+= sizeof ( address_part ) {
/* 創(chuàng)建新的結點 */
create new node ;
/* 將該結點連入best_match的hit_next */
link node into hit branch of best_match ;
}
/* 插入算法結束 */
IP路由的刪除要分幾種情況討論 。如 best_match 是葉子結點 ，best_match的hit_next指針為空, best_match的miss_next指針為空 和hit_next指針和miss_next指針都不為空等四種情況。這里就不再討論。
3．路由表查找的硬件實現(xiàn)：
圖3就是對應與上面提及的路由表結構的IP路由表查找的硬件實現(xiàn)（簡稱為路由卡）的系統(tǒng)框圖。
在路由卡中，主要有IP地址，狀態(tài)機，路由信息，Memory，譯碼器，掩碼器，比較器，地址寄存器組成。IP地址用于保存所要查找的目標地址。狀態(tài)器用于控制IP路由表的查找。路由信息就是我們所要查找的信息。它的工作原理是這樣的：
當路由器從某一個網絡適配器中接受到一個需要轉發(fā)的數(shù)據(jù)包后，在需要進行IP路由表的查找時，把IP包的目的地址送到IP地址寄存器中，同時給狀態(tài)機發(fā)一個指令。狀態(tài)接到這一指令后，從Memory中讀出路由表的相應的表項，并和IP地址寄存器中的相應幾位經譯碼器，掩碼器后，進行比較，把比較的結果反饋給狀態(tài)機。再由狀態(tài)機來控制下一輪的比較。當比較結束后，把比較的結果放在路由信息寄存器中，供路由器（如轉發(fā)引擎）讀取。同時狀態(tài)機在特定的某一端口設置標志，來通知CPU查找是否已經結束或還在進行當中。下面對其性能進行分析。
4．性能分析
由于路由表項中，地址掩碼的引入，使得路由結構變得非常靈活。但相應的，由此產生的內存的開銷也相當?shù)拇�。這是性能和硬件開銷一對矛盾的必然體現(xiàn)。
該路由卡原型的實現(xiàn)是利用微機上的ISA總線，采用存取時間為70ns 的SRAM存儲器（所需容量為6*123k*8bit）。除了使用ISA總線上提供的總線外，本身還帶了33M的晶振。對某一路由表項的查找，最多只需32步查找。
在最壞情況下，共需32次查找，查找時間為：
32* 1 /(33*106) ≈ 9.7 * 10 -7秒
此時每秒可查找 1/（9.7 * 10 -7）≈ 1.03 * 106次
雖然該路由卡是基于ISA總線，但平均來說，該路由卡的查找速率為每秒8百萬次。這也從另一方面說明該路由卡的設計是可行的。
針對網絡流量的增加，及對路由器性能要求的提高，本文從硬件的角度對IP路由查找算法用硬件實現(xiàn)做了一系列的分析，并提出了相應的便于用硬件實現(xiàn)的IP路由表的數(shù)據(jù)結構。同時對該路由卡的性能進行了分析。
同時也該看到：為了更快的提高路由表的查找速率，基于ISA總線是不可能滿足要求的。由此，使用FPGA芯片不可避免。由于VHDL語言固有的靈活性和可編程性，可以更為靈活和高效的實現(xiàn)路由查找。所以，使用FPGA芯片來實現(xiàn)路由查找，是未來的趨勢。
關鍵詞標簽：路由器,路由表
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