CN100452732C - 路由查找方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信系统的路由系统，公开了一种路由查找方法及其系统，使得路由表不再发生级间扩散现象，提高路由表更新的效率。这种路由查找系统包含多级路由表，所述路由表包含表示路由表项是否被扩展到下一级的跨级标志字段，和用于指向下一级路由表的指针字段，所述系统还包含一个上一级命中结果寄存器，用于锁存上一级命中的路由表项的路由信息；所述路由表还包含路由信息字段，用于存放每一个路由表项的路由信息。本发明结合当前的硬件可实现的分段IP路由查找方法，通过改进其表项数据结构以及增加硬件可实现的查找方法，提高路由表项的更新性能，同时不影响同等条件下的查找速率。

Description

路由查找方法及其系统

技术领域

本发明涉及通信系统的路由系统，特别涉及路由器中路由查找的方法和系统。

背景技术

近十年来，随着计算机网络规模的不断扩大，大型互联网络(如Internet)的迅猛发展，路由技术在网络技术中已逐渐成为关键部分，路由器也随之成为最重要的网络设备之一。

路由器工作在开放系统互联(Open System Interconnection，简称“OSI”)模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址，即网间互联协议(Internet Protocol，简称“IP”)地址，来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。路由器有多个端口，用于连接多个IP子网。每个端口的IP地址的网络号要求与所连接的IP子网的网络号相同。不同的端口为不同的网络号，对应不同的IP子网，这样才能使各子网中的主机通过自己子网的IP地址把要求出去的IP分组送到路由器上。

路由器的功能包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。转发即沿寻径好的最佳路径传送信息分组。

在寻径和转发过程中，最重要的步骤之一就是对路由表的查找。在绝大多数路由器中，采用最长前缀匹配查找。

在最长前缀匹配查找中，一般组成路由表的每个表项可以用{p，a}来表示，p代表网络前缀地址，它的长度最大为W，对于网间互联协议第4版(Internet Protocol version 4，简称“IPv4”)地址，W＝32，对于网间互联协议第6版(Internet Protocol version 6，简称“IPv6”)地址，W＝128。a代表下一跳地址(或输出端口号)。当一份报文到达路由器之后，路由器要根据报文头部携带的目的地址找到对应的表项(p，a)，其中p为被目的地址包含的最长前缀。举例来说，在路由表中包含三个路由表项，即P1{10.54/16，A}，P2{10.54.34/24，B}，P3{10.54.34.192/26，C}，路由表项中16、24、32分别表示该路由表项前缀的长度，以比特为单位。当有一份目的地址为10.54.34.2报文进来时，查找路由表，发现它与表项P1(10.54/16，A)以及表项P2(10.54.34/24，B)的前缀均匹配，根据最长前缀匹配查找的原则选取对应的表项P2(10.54.34/24，B)。

最长前缀匹配查找能够降低路由表的大小，并且有利于路由表的管理，并缓和IP地址枯竭问题。最长前缀匹配查找所消耗的时间，将限制路由器转发报文的速率。在高速路由查找中，要求在尽可能短的时间里完成最长前缀匹配查找。这就要求算法应尽可能用硬件来实现。在算法的硬件实现中，存储器的性质、大小、和容量直接与算法的可实现性相关。另外，核心路由器中，路由表的更新比较快，通常更新速率在每秒几百条，甚至上千条以上。因此，算法必须能够以足够快的速率更新路由表。

为了对降低存储器的需求，可以采用进一步采用分级查找的方式，即把路由表中的IP地址分成若干级，并采用前缀扩展的方法。如果当网络前缀比当前分级长度小，就在本级进行扩展，若超过本级长度就扩展到下一级，利用基本的存储表项数据结构，通过前缀扩展进行读写存储器来完成路由表项配置、更新和查找。

举例来说，在如图3所示的路由表中，路由表中的IP地址被分成24-8两级，即第一级路由表保存前24位的路由信息，第二级路由表扩展后8位的路由信息。每一级路由表包含入口地址和表项内容两个部分，其中表项内容又分为跨级标志和出口信息字段。当跨级标志是0时表示命中本级，结束查找，出口信息字段中是匹配的路由信息；当跨级标志是1时表示需要根据继续查找下一级路由表，出口信息字段中是指向下一级路由表的指针。

如果路由表中只存在P1{10.54/16，A}，P2{10.54.34/24，B}两个路由表项，则在第一级路由表中就可以完全覆盖，如图5所示。如果路由表中还存在一个路由表项P3{10.54.34.192/26，C}，因为该路由表项的前缀为26位，超过了第一级路由表24位限制，所以不得不扩展到第二级路由表。扩展的方法是先对第一级路由表的前缀为10.54.34/24的路由表项进行处理，将该路由表项的跨级标志置为1，并在该路由表项的出口信息字段中填写第二级路由表的入口地址，然后在第二级路由表中添加256个路由表项，分别对应前缀从10.54.34.0到10.54.34.255的情况，在每一个二级路由表项的出口信息字段中填写相应的路由信息。在实际应用中，上述方案存在以下问题：路由表更新速率低。

造成这种情况的一个主要原因在于，多级分段路由查找的级间扩散，导致整个路由表表项扩展级数增长，当路由表更新时会引起其性能的急剧下降。举例来说，在如图3所示的路由表中，当P2(10.54.34/24，B)路由表项更新时，需要扩展到第二级路由表，逐一更新在第二级路由表中的256个表项，大大降低了其更新速度，路由器的整体性能也受到严重影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种路由查找方法及其系统，使得路由表不再发生级间扩散现象，提高路由表更新的效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种路由查找方法，配置路由表使其包括：表示路由表项是否被扩展到下一级的跨级标志字段、用于指向下一级路由表的指针字段和用于存储每一个路由表项路由信息的路由信息字段，所述路由信息字段用于标识本级命中结果，设置寄存器以用于保存上一级命中结果，所述方法包括以下步骤：

A根据目的地址在路由表中进行匹配查找，找出匹配的路由表项；

B根据所述路由信息字段中的本级命中结果，判断找到的路由表项是否本级命中，如果是则将该路由表项的路由信息保存到上一级命中结果寄存器；

C根据所述跨级标志字段判断所述找到的路由表项是否被扩展到下一级，如果是则根据所述指向下一级路由表的指针字段在下一级路由表中继续进行匹配查找，并进入步骤B，否则进入步骤D；

D将所述上一级命中结果寄存器中的路由信息输出。

其中，还包含以下步骤：当在第一级路由表匹配查找到路由表项无效时，在所述上一级命中结果寄存器中保存表示路由信息无效的值。

在所述步骤A之前还包含以下步骤：在所述上一级命中结果寄存器中预先保存表示路由信息无效的值。

所述步骤B中，根据所述路由信息字段为0，判断所述找到的路由表项本级不命中。

所述匹配查找采用最长前缀匹配查找的方法进行。

所述目的地址为网间互联协议第4版或网间互联协议第6版。

本发明还提供了一种路由查找系统，包括多级路由表，所述路由表包括表示路由表项是否被扩展到下一级的跨级标志字段，和用于指向下一级路由表的指针字段，所述系统还包括一个上一级命中结果寄存器，用于锁存上一级命中的路由表项的路由信息；

所述路由表还包括路由信息字段，用于存放每一个路由表项的路由信息，所述路由信息字段用于标识本级命中结果。

其中，所述系统还包含目的地址寄存器，用于保存待匹配查找的目的地址。

所述路由信息字段中以0表示相应的路由表项无效。

通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，在存储表项中增加了一个路由信息字段，表示本级路由表命中的路由信息，并增加了一个上一级命中结果寄存器，用来保存上一级命中结果的路由信息，在此基础上增加了硬件可实现的查找方法。

这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，可进行下面普遍的比较分析：

假设对长度为W的IP地址进行最长前缀匹配查找，我们把这W位比特分为n段，各个分段的长度为S₁，S₂，.........，S_n， $W=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Si}.$

需要更新的路由前缀P长度为k，位于第j个分段，即k满足：

$\underset{r=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Sr}<k\&le;\underset{t=1}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{St},(1\&le;j\&le;n)$

采用未经改进的分段式查找树，更新会扩散到与P相关的所有后续分级节点中，最恶劣情况下，需要更新的表项个数Q₁为2^(W-k)个。

采用本发明提出的方案，更新不会扩散到后续的分级之中，在本级之中，需要更新的表项数目Q₂为个。

因此，我们得到最恶劣情况下，对于更新路由P，更新性能的改善情况：

$Q_2/Q_1=1/\left(2\left(\underset{i=j+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Si}\right)\right),$ (1≤j≤n)

对于IPV4的查找，由于前缀长度小于8的路由很少，前缀长度大于24的路由一般来说不超过4k条，更新的路由前缀大部分是长度8到24之间的前缀。在表1中，以步长最小的4-4-4-4-4-4-4-4的8分段式查找算法的基本和改进情况进行比较，以及DIR-24-8算法，16/24-8算法为例对更新性能进行比较：

表1算法性能比较

	是否存在更新扩散	最坏情况下更新操作所需要更新的表项数目
			DIR-24-8	是	2<sup>20</sup>

16/24-8	是	2<sup>16</sup>
			4/4/4/4/4/4/4/4(基本)	是	2<sup>20</sup>
4/4/4/4/4/4/4/4(改进)	否	16

总而言之，本发明的技术方案无论在硬件还是在软件上，对解决表项的级间扩散问题，提高路由表的刷新速率，都有极大的帮助。并且在软、硬件实现上完全可行。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的路由查找系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的路由查找方法的流程图；

图3是未经改进的24-8二级分段路由表的一个具体结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的改进后的24-8二级分段路由表的一个具体结构示意图；

图5是未发生级间扩散时的一个第一级路由表具体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，根据本发明一个实施例的路由查找系统由目的地址寄存器10，第一级路由表20，第二级路由表30，以及上一级命中结果寄存器(LastLevel Route，简称“LLR”)40组成。

其中目的地址寄存器10包括两段，前24位数据段11，后8位数据段12。

第一级路由表20中每一个路由表项包括跨级标志21，路由信息22，以及指针23三个部分。

第二级路由表30中每一个路由表项包括跨级标志31，路由信息32，以及指针33三个部分。

需要进一步分说明的是，目的地址寄存器10所包含的目的地址的前24位数据段11用于对前24位前缀进行匹配，目的地址后8位数据段12用于超过24位前缀进行匹配。

第一级路由表20所包含的跨级标志21和第二级路由表30所包含的跨级标志31用于标识本级命中情况，其值为0时表示命中本级结束查找，为1时需要根据指针继续查找下一级路由表。

第一级路由表20所包含的路由信息22和第二级路由表30所包含的路由信息32用于标识本级命中情况以及所命中的端口号，其值为特殊值如0时，表示本本路由是无效的，本级不命中。

第一级路由表20所包含的指针23和第二级路由表30所包含的指针33用于指向下一级路由表。

上一级命中结果寄存器40用于锁存上一级命中的路由表项的路由信息。

熟悉本领域的技术人员能够理解，根据本实施例的路由查找系统，对于诸如16-8-8，16-5-3-8，4-4-4-4-4-4-4-4其他多级分段路由查找，系统1中的基本表项结构，以及上一级命中结果寄存器仍然适用。同时系统不限于IPv4，对IPv6也适合。

下面结合流程图说明根据本发明的一个实施例的路由查找方法。

该方法是对普通分段路由最长前缀匹配查找方法的改进，在该方法中，每一级的查找可能会出现以下4种情况：

(1)命中本级表(路由信息有效)，同时需要查找下一级表；

(2)仅命中本级表，不需要查找下一级表；

(3)本级未命中，但需要查找下一级表；

(4)本级未命中，同时也不需要查找下一级。

本发明中根据路由信息是否为0来区分本级是否命中，根据跨级标志判断是否需要查找下一级表。

如图2所示，路由查找时，在步骤110，进行第一级匹配查找。取出目的地址寄存器的前24位数据段进行前缀匹配，查出第一级路由表匹配的路由表项。例如在图4所示的路由表中，对目的地址为10.54.34.2的报文进行查找时，取出前24位10.54.34进行前缀匹配，可以找到一项匹配的路由表项{10.54.34/24，1，B，123}。

需要说明的是，在本实施例中，因为每一条路由表项的长度是固定的，因此当查找路由表时，可以根据目的地址的前缀和路由表项的长度直接计算出可以匹配的路由表项在本级路由表中的偏移地址，再加上本级路由表的起始地址，直接找到本级路由表中匹配的表项。

此后进入步骤120，判断匹配的第一级路由信息是否命中本级，如果是则进入步骤130，否则进入步骤140。判断路由信息是否命中本级的方法是看该路由信息的值是否为0。例如在图4所示的路由表中，对目的地址为10.54.34.2的报文，由于当前匹配的第一级路由信息为B，是有效值，表示命中本级，故进入140。

在步骤130中，把第一级路由信息的值保存到LLR。LLR中一般预先保存有无效值，如果在步骤120中判断匹配的第一级路由信息是命中本级的，则用第一级路由信息的值覆盖掉原先的无效值。

在步骤140中，根据跨级标志判断是否需要查找下一级，如果是则经步骤150，否则进入步骤190。具体来说是判断匹配的第一级跨级标志是否为1。跨级标志可能有0和1两个值，为0时代表不需要查找下一级路由表，可以结束查找，直接以本级所命中的路由表项中的路由信息为命中的端口号即可，为1时代表需要查找下一级路由表。例如在图4所示的路由表中，查出前缀10.54.34的路由信息为B，进一步判断发现跨级标志为1，表示需要查找下一级路由表，根据第一级路由表中所匹配的路由表项的指针找到第二级路由表，进入步骤150。

在步骤150中，进行下一级匹配查找。在本实施例中，就是进行第二级匹配查找。第二级匹配查找的方式和第一级类似，区别仅在于所查找的路由表是第二级路由表，并且所依据的目的地址是后8位。例如在图4所示的路由表中，对于目的地址为10.54.34.2的报文进行查找时，取出后8位，即2，进行前缀匹配，可以找到一项匹配的路由表项{123*256+2，--，0，--}。这里“--”代表任意的一个数值，因为该表项的路由信息是0，因此是无效的，本级不命中，跨级标志和指针无论取什么值效果是一样的。

此后进入步骤160，根据路由信息判断是否命中本级如果是则进入步骤170，否则进入步骤180。具体来说是判断第二级路由信息的值是否为0。如果该路由表项是本级命中的，则需要以第二级路由信息作为最终命中的端口号，如果该路由表项是本级不命中的，则需要取出存放在LLR中的第一级路由表项的路由信息，以该路由信息作为最终命中的端口号。例如在图4所示的路由表中，对于目的地址为10.54.34.2的报文，因为找到的路由表项{123*256+2，--，0，--}是无效的，因此不再把第二级路由信息的值保存到LLR中，使得LLR中所存贮的依然是第一级路由信息的值。

在步骤170中，把当前级别路由信息的值保存到LLR，然后进入步骤180。因为在步骤160中，判断找到的第二级路由信息是本级命中的，因此在这一步骤把第二级路由信息的值保存到LLR，覆盖掉原先的值。例如在图4所示的路由表中，对于目的地址为10.54.34.192的报文，在第二级查找时可以找到匹配的路由表项{123*256+2，0，C，NULL}，(这里NULL代表空指针)，因为其第二级路由信息是“C”，非0，因此将“C”保存到LLR，覆盖掉原先的第一级路由信息的值“B”。

在步骤180中，根据跨级标志判断是否需要查找下一级，如果是则进入步骤150，否则进入步骤190。在本实施例中，因为只有两级路由表，因此第二级路由表的跨级标志都是0，即无下一级。如果是更多级别的路由表，则有可能需要根据跨级标志重复150至180的步骤。

在步骤190中，将LLR中的值取出。所取出的LLR中的值就是目标地址所最终命中的端口号。

另外需要指出的是，本实施例所揭示的路由查找方法流程只是一种具体的实现形式，该流程可以有许多变化，例如可以把对第一级路由表的处理过程和其他级路由表的处理过程整合起来，因为这两个过程都可以含有匹配查找、路由信息判断、路由信息保存到LLR和跨级标志判断四个步骤，而且这四个步骤的处理方法十分类似，区别仅在于用于查找的目的地址段不同和查找的路由表不同。如果把这四个步骤整合起来，在用计算机程序实现时，可以使用相同的程序实现对每一级路由表的查找，从而使得计算机程序更短小，执行效率更高。

熟悉本领域的技术人员能够理解，本实施例路由查找方法对于诸如16-8-8，16-5-3-8，4-4-4-4-4-4-4-4其他多级分段路由查找，仍然适用。同时本方法不限于IPv4，对IPv6也适合。

以上详细描述了本发明的路由查找系统和路由查找方法，下面举例说明为什么采用了本发明的路由查找系统和路由查找方法后可以达到提高路由表刷新效率的效果。

产生积极效果的关键在于本方法防止了路由的级间扩散，以图3所示的路由表和图4所示的路由表为例，图3代表了传统的路由表，图4代表了本发明的路由表。如果前缀为10.54.34的路由表项需要刷新，在图3所示的路由表，需要逐条刷新地址“123”所指向的256个二级路由表中的路由表项，而在图4所示的路由表中，只需要刷新一级路由表中的一个路由表项即可。

需要指出的是，为了能够讲清楚本发明的原理，本实施例是针对较简单的24-8的分级方式的，实际系统中可能会采用16-8-8，16-5-3-8，4-4-4-4-4-4-4-4等其他分级方式，熟悉本发明领域的技术人员会理解，在这些分级方式中路由表刷新效率的提高会更明显。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种路由查找方法，其特征在于，配置路由表使其包括：表示路由表项是否被扩展到下一级的跨级标志字段、用于指向下一级路由表的指针字段和用于存储每一个路由表项路由信息的路由信息字段，所述路由信息字段用于标识本级命中结果，设置寄存器以用于保存上一级命中结果，所述方法包括：

A根据目的地址在路由表中进行匹配查找，找出匹配的路由表项；

B根据所述路由信息字段中的本级命中结果，判断找到的路由表项是否本级命中，如果是则将该路由表项的路由信息保存到上一级命中结果寄存器；

C根据所述跨级标志字段判断所述找到的路由表项是否被扩展到下一级，如果是则根据所述指向下一级路由表的指针字段在下一级路由表中继续进行匹配查找，并进入步骤B，否则进入步骤D；

D将所述上一级命中结果寄存器中的路由信息输出。

2.根据权利要求1所述的路由查找方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当在第一级路由表匹配查找到路由表项没有本级命中时，在所述上一级命中结果寄存器中保存表示路由信息无效的值。

3.根据权利要求1所述的路由查找方法，其特征在于，在所述步骤A之前还包含以下步骤：

在所述上一级命中结果寄存器中预先保存表示路由信息无效的值。

4.根据权利要求1所述的路由查找方法，其特征在于，所述步骤B中，根据所述路由信息字段为0，判断所述找到的路由表项本级不命中。

5.根据权利要求1所述的路由查找方法，其特征在于，所述匹配查找采用最长前缀匹配查找的方法进行。

6.根据权利要求1所述的路由查找方法，其特征在于，所述目的地址为网间互联协议第4版或网间互联协议第6版。

7.一种路由查找系统，其特征在于，包括多级路由表，所述路由表包括表示路由表项是否被扩展到下一级的跨级标志字段，和用于指向下一级路由表的指针字段，所述系统还包括上一级命中结果寄存器，用于锁存上一级命中的路由表项的路由信息；

所述路由表还包括路由信息字段，用于存放每一个路由表项的路由信息，所述路由信息字段用于标识本级命中结果。

8.根据权利要求7所述的路由查找系统，其特征在于，所述系统还包括目的地址寄存器，用于保存待匹配查找的目的地址。

9.根据权利要求7所述的路由查找系统，其特征在于，所述路由信息字段中以0表示相应的路由表项无效。

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