CN101505279B

CN101505279B - 一种路由查找方法和装置

Info

Publication number: CN101505279B
Application number: CN2009101294726A
Authority: CN
Inventors: 卜佑军; 黄慧群; 王滨; 刘勤让; 申涓; 张风雨; 王超
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2009-03-20
Filing date: 2009-03-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-03-20
Also published as: CN101505279A

Abstract

本发明公开了一种路由查找方法，包括：将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配；得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；从而确定多个下一跳路由转发的索引地址及相应流量分配比例；得到对应的多下一跳路由转发信息。本发明还提供了相应的路由查找装置。根据本发明一次路由查找可得出多个下一跳路由信息及每一条路由信息的流量分配比例；从而可以在数据平面上完成负载均衡的转发。

Description

一种路由查找方法和装置

技术领域

本发明涉及计算机网络及通信领域，具体地说，涉及路由查找方法及装置。

背景技术

互连网协议路由转发表线速查找技术是核心骨干路由器关键技术之一。路由查找是指对每个到达的IP报文根据其目的IP地址确定其应转发的输出端口号和下一跳地址。为提高IPv4地址空间的利用率，减缓路由表中表项的增长速度，提出的无类域间路由(Classless Inter-domainRouting，CIDR)技术，地址前缀长度可为不超过IPv4地址宽度的任意长度。CIDR技术的应用要求在进行地址查找时选择地址前缀长度最大的表项作为最终的查找结果，即进行最长前缀匹配(Longest Prefix Match，LPM)。传统的基于单一下一跳的高速查找方案大都是基于硬件三重内容可编址存储器(Ternary Content Addressable Memory，TCAM)来实现的，在基于TCAM的实现方案中引入流水线技术可以满足核心路由器查找速率和更新速率的要求。

传统的路由机制中，网络的中间节点到目的节点除按路由协议得到的最优路径外，还存在多条次优路径，但目前只选择最短路径来转发数据报文，网络资源没能得到充分利用。

随着因特网的快速发展，由于安全、费用和带宽等因素，路由器需要为某些数据流做负载平衡和策略路由，在路由表中为一些目的网络保存多个下一跳信息，因此路由器的路由表中存在着相当数量的多下一跳路由，目前很多拥塞避免机制就是利用次优路径承担网络中间节点的负载。多下一跳路由的存在是路由表的重要特征之一，它增加了路由查找方案设计的复杂度，而且支持多下一跳路由查找的方法很有限。

现有技术中提供的一种支持多下一跳路由的高速路由查找方案，通过建立两级索引表的方式组成高速查找结构，适宜于流水线查找。但只是从多下一跳地址中利用一定的策略选择一个下一跳，不适合路由器根据查找结果做负载平衡。

现有技术中提供的另一个基于TCAM的多下一跳路由并行查找的方法，将多下一跳的路由查找分为两个阶段：第一个阶段是进行路由前缀匹配，第二个阶段是进行匹配前缀的多下一跳路由查找。具体地，通过对路由表项增加长度标识，使前缀长度体现在表项中，实现了TCAM中表项免排序技术；使用前缀扩展，将前缀长度种类减少到只有四种(16、20、24、32)，采用4个TCAM并行查找，在查找周期内即可得到匹配表项；又通过对表项增加了多下一跳表示，第二阶段的多下一跳路由查找仍然通过TCAM来进行，提高了TCAM资源的利用率，降低了系统的复杂性。但该方法由于采用了前缀扩展技术以及在表项中增加前缀长度标识和下一跳序号标识，使得路由表项迅猛膨胀，致使TCAM芯片的成本和功耗加大，且由于IPv6的前缀长度种类比IPv4丰富，使前缀扩展变得复杂，因此该方法不适合扩展到IPv6的多下一跳路由信息扩展。同时，由于第一阶段和第二阶段均需对相同的4片TCAM进行操作，每次操作的周期数随多下一跳数目的不同而不同，无法引入流水线技术来提高查找速度。这些不足均限制了此并行查找方法的使用。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可支持多下一跳路由信息的路由查找方法及装置，可以一次查出多条下一跳路由信息，同时提供每条路由信息的流量分配比例，从而可以在数据平面上完成负载均衡的转发。

本发明实施例提供的一种路由查找方法，包括：

将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配；

得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；

获取所述多下一跳路由对应的基址，根据所述基址确定多个下一跳路由转发的索引地址并保存，具体包括：按照下一跳路由的数目确定相应的存储区域，根据多下一跳路由信息的数目，连续访问相应存储区，读出多个索引地址，将下一跳路由的数目对应的索引地址及相应流量分配比例保存到所述相应的存储区域；

根据所述索引地址得到对应的多下一跳路由转发信息；

其中，路由器根据所述路由转发信息和所述流量分配比例，完成负载均衡转发或策略路由。

本发明实施例提供的一种路由查找装置，包括：

匹配单元，用于将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配，得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；

路由处理单元，用于获取所述多下一跳路由对应的基址，并根据所述基址确定多个下一跳路由转发的索引地址；

路由信息获取单元，根据所述索引地址得到对应的多下一跳路由转发信息；

本发明实施例提供的技术方案中，通过将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配；得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；从而确定多个下一跳路由转发的索引地址及相应流量分配比例；得到对应的多下一跳路由转发信息。根据本发明一次路由查找可以得出多个下一跳路由信息及每一条路由信息的流量分配比例；而现有的支持多下一跳查找的路由查找方案要求依据一定的策略从多个下一跳信息中选择一跳信息作为查找结果，无法依据查找结果进行多下一跳并行传输，更不能为在多条路径上进行负载均衡提供帮助。本发明可以一次查出多条下一跳路由信息，同时提供每条路由信息的流量分配比例，从而可以在数据平面上完成负载均衡的转发。可查出一条路由表项对应的多条下一跳转发信息，路由查找可以支持流水线技术，连续查找性强。

由于本发明提供的路由查找方法及装置中与协议相关的仅是在TCAM和转发信息表中存储的单元数据宽度，只需将单元数据存储宽度加宽，就可以方便的从IPv4升级扩展到IPv6，可以支持IPv6的多下一跳路由信息查找，同时对IPv4和IPv6进行查找；这个操作对现有成熟的商用TCAM和SRAM芯片而言容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的路由查找装置的架构示意图；

图2为本发明实施例中提供的路由查找装置的具体构成示意图；

图3(a)、(b)和(c)为本发明实施例中路由转发信息存储架构示意图；

图4为本发明实施例中提供的路由查找方法流程图。

具体实施方式

鉴于现有技术提供的路由查找方法存在的缺陷，本发明的路由查找装置采用三级流水查找操作实现支持多下一跳路由信息的路由查找。

为了对路由查找策略进行研究，首先对Internet上一些典型路由器路由表中多下一跳路由的分布情况进行分析，如表1所示：

表1因特网五种BGP路由表的下一跳信息统计

表1中的统计是因特网5个BGP路由表的下一跳信息，由表1的BGP路由情况可以近似地反映出真实路由表的情况，其特点如下：

(1)路由器的路由表中存在着相当数量的多下一跳路由；Mae-West的多下一跳路由所占比例最大，接近50％；Aads的多下一跳路由所占比例最小，但也达到了19％。

(2)Internet路由器的路由表中的绝大部分多下一跳路由的下一跳个数都不大于4。

虽然路由器内用于转发的真实路由表的多下一跳路由所占比例可能达不到表中的比例，但多下一跳路由在路由表中的存在是不能忽视的。另外还可以看到路由表中不同的下一跳的总数比较少，这主要是因为路由器的硬件接口数相对较少，这使得路由器连接的下一跳路由器的个数也比较少，反映在路由表中就是不同的下一跳数目比较少。

基于因特网路由表的这些特点提出本发明的构思及解决方案。

为便于对本发明进一步理解，现在结合附图对本发明的方法进行详细的描述。

在本查找系统对输入的目的IP地址开始正常查找工作之前，需要进行初始化，即将相应的一些路由信息写入装置中。路由协议在初始化时将每条路由转发信息进行预处理组织，每条信息的不同部分存储在相应位置。

如图1所示，本发明的具体实施例中提供的路由查找装置100包括：

第一存储单元110，用于保存根据下一跳路由节点所在子网确定所述最长前缀；

参照图2，本实施例中第一存储单元采用三重内容可编址存储器TCAM，TCAM中存储路由前缀信息，；

匹配单元120，用于将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配，得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；

根据输入的待查找地址进行最长前缀匹配，然后输出第一级查找结果，即前缀对应的多下一跳的数目和偏移地址；

路由前缀所对应的下一跳的数目和偏移地址保存在静态随机存储器(SRAM，Static Random Access Memory)SRAM0中，SRAM0中的信息和TCAM中的前缀信息一一对应。

路由处理单元130，用于获取所述多下一跳路由对应的基址，并根据所述基址确定多个下一跳路由转发的索引地址及相应流量分配比例；

具体地，采用现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable GateArray)控制处理模块，此模块完成路由查找的逻辑运算处理，与匹配单元相连。根据匹配单元输出的下一跳路由信息的数目，确定对应的查找处理对应的SRAM的编号和相应的地址区间，及多下一跳路由信息在各片SRAM中的基址。根据前级送入的基址和偏移地址，确定多下一跳转发信息表的索引地址和流量分配比例。

路由信息获取单元140，根据所述索引地址得到对应的多下一跳路由转发信息；

下一跳路由转发信息包括下一跳的IP地址、目的MAC地址和出接口号。

第二存储单元150，用于保存所述索引地址及相应流量分配比例和所述路由转发信息。

本实施例中，第二存储单元包括三片SRAM，SRAM中存储着转发信息表的索引地址和每一条转发信息对应的分配比例，每一片SRAM中存储的索引地址和分配比例是连续存储的，比如某个路由表项有n个下一跳，第一个下一跳的转发信息表的索引地址和分配比例存储在SRAM中的第m个单元，则其余的n-1个下一跳的信息存储在m+1、m+2，...，m+n-1的n-1个连续单元里。各片SRAM中信息的存储采用预留空间的方式组织。以SRAM1为例，其中存储着单一下一跳和下一跳数目为七的索引地址，这些地址并不是交叉存储，而是在单一下一跳和下一跳数目为七之间有一定的地址空间剩余。

本实施例中，第二存储单元分别存储不同的多下一跳信息对应的转发信息表的索引地址和流量分配比例。单一下一跳在SRAM1中的结构如图3(a)所示，SRAM1中存储着下一跳路由信息数目为一条和七条的索引地址和每一条转发信息对应的分配比例。SRAM2中的结构如图3(b)所示，SRAM2中存储着下一跳路由信息数目为二条和四条的索引地址及对应的分配比例。SRAM3中的结构如图3(c)所示。SRAM3中存储着下一跳路由信息数目为三条、五条和六条的索引地址及对应的分配比例。各片SRAM中信息的存储采用预留空间的方式组织。在转发信息表存储转发信息，包括下一跳IP地址，目的MAC地址和出接口号。流量分配比例的信息及含义如表2所示：

表2流量分配比例信息和含义的对应关系

流量分配比例信息	000	001	010	011	100	101	110	111
									代表含义	0％	14％	28％	42％	56％	70％	84％	100％

本实施例中，第二存储单元中还包括一个转发信息表，内容为下一跳的IP地址、目的MAC地址和出接口号，设定转发信息表的深度为128。

在路由处理单元即现场可编程门阵列(FPGA)中存储有不同下一跳路由信息在各片SRAM中的基地址(BA，Base Address)，即每一块内第一个下一跳的首地址。以及不同下一跳路由信息的数目和SRAM编号的对应关系，如表3所示：

表3多下一跳路由的数目与存储在SRAM中位置的对应关系

下一跳路由信息数目	1	2	3	4	5	6	7
								SRAM的编号	1	2	3	2	3	3	1

第二存储单元可包括若干静态随机存储器SRAM，SRAM的数量和路由查找装置对多下一跳数目的支持程度相关，本方明中，可最多支持7个下一跳，采用三片SRAM芯片。若支持下一跳数目少，即可相应减少使用的SRAM数量。

SRAM中存储的索引地址及相应流量分配比例是按照下一跳路由的数目分配的。

SRAM中存储的索引地址及相应流量分配比例是连续存储的。

转发信息包括下一跳的IP地址、目的MAC地址和出接口号，所述第二存储单元中保存的每一条转发信息对应于确定的流量分配比例。

参照图4，本发明实施例提供的一种路由查找方法，包括：

S01，预先根据下一跳路由节点所在子网，确定所述最长前缀并保存；

具体地，可将所述最长前缀保存在存储单元TCAM中。

S02，将待查找IP地址与预定的最长前缀进行匹配；

输入IP数据包的目的IP地址即待查找IP地址到匹配单元，根据该目的IP地址查找TCAM芯片，得到最长匹配前缀所在单元m；访问SRAM0中单元m内的内容，输出下一跳的数目和偏移地址。

S03，根据匹配结果得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；

S04，获取所述多下一跳路由对应的基址，并根据所述基址确定多个下一跳路由转发的索引地址及相应流量分配比例并保存；

具体包括：

按照下一跳路由的数目确定相应的存储区域，根据多下一跳路由信息的数目，连续访问相应存储区，读出多个索引地址。

将下一跳路由的数目对应的索引地址及相应流量分配比例保存到所述相应的存储区域。

S05，根据所述索引地址得到对应的多下一跳路由转发信息。

根据索引地址，连续访问转发信息表，输出相应的路由转发信息到查找输出缓存。

路由器根据查找输出缓存的结果对输入报文分组作负载均衡处理或策略路由。

转发信息表中选其深度为128，下一跳转发信息的存储空间较少。同时在SRAM单元中数据宽度就可以采用7bit来存储转发索引地址，3bit来存储流量分配比例，有效的节省了存储容量。

应用实例

具体的路由查找过程

1、提取IP报头，并将相应的关键字送往一级查表结构TCAM+SRAM。若在TCAM中没有匹配前缀，多下一跳路由查找结束；若有匹配，则在SRAM中输出多下一跳路由的数目以及偏移地址。

2、路由处理单元即FPGA控制处理模块多下一跳路由的数目作相应的处理。

例如：送入的多下一跳路由的总数目为3，则在FPGA中对应地应该在SRAM3中完成，因为在SRAM3中存储着下一跳路由数目为3、5和6的转发信息，FPGA还存储着SRAM3中下一跳路由数目为3、5和6的基址，把基址和从送入的偏移地址相加(BA+offset)送到SRAM3中的对应位置开始的连续3个存储位置。

3、基于FPGA处理结果继续进行查找。

在上面的例子中，把这3个位置中存储的索引地址顺序读出后送入到转发信息表，同时把这3个位置存储的流量分配比例送入到查找输出缓存。

4、由转发信息表读出下一跳IP地址、目的MAC地址和出接口号，把这些转发信息送入查找输出缓存，这些转发信息在输出缓存中的存储位置与输出的流量分配比例是一一对应的。

路由器根据查找输出缓存中的转发信息和流量分配比例来做均衡转发或者是策略路由。

综上所述，本发明实施例提供的技术方案中，通过将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配；得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；从而确定多个下一跳路由转发的索引地址及相应流量分配比例；得到对应的多下一跳路由转发信息。根据本发明一次路由查找可以得出多个下一跳路由信息及每一条路由信息的流量分配比例；而现有的支持多下一跳查找的路由查找方案要求依据一定的策略从多个下一跳信息中选择一跳信息作为查找结果，无法依据查找结果进行多下一跳并行传输，更不能为在多条路径上进行负载均衡提供帮助。本发明可以一次查出多条下一跳路由信息，同时提供每条路由信息的流量分配比例，从而可以在数据平面上完成负载均衡的转发。可以查出一条路由表项对应的多条下一跳转发信息，路由查找可以支持流水线技术，连续查找性强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，本说明部分不应理解为对此项发明的限定对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种路由查找方法，其特征在于，包括：

将待查找地址与预定的最长前缀进行匹配；

得到所述最长前缀对应的多下一跳路由的数目及偏移地址；

根据所述索引地址得到对应的多下一跳路由转发信息；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

预先根据下一跳路由节点所在子网，确定所述最长前缀并保存。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述下一跳路由转发信息包括下一跳的IP地址、目的MAC地址和出接口号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述保存多个下一跳路由转发的索引地址，具体包括：

按照下一跳路由的数目确定相应的存储区域；

将下一跳路由的数目对应的索引地址保存到所述相应的存储区域。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括：

确定多个下一跳路由相应的流量分配比例并保存。

6.一种路由查找装置，其特征在于，包括：

路由处理单元，用于获取所述多下一跳路由对应的基址，并根据所述基址确定多个下一跳路由转发的索引地址，具体包括：按照下一跳路由的数目确定相应的存储区域，根据多下一跳路由信息的数目，连续访问相应存储区，读出多个索引地址，将下一跳路由的数目对应的索引地址及相应流量分配比例保存到所述相应的存储区域；

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

第一存储单元，用于保存根据下一跳路由节点所在子网确定所述最长前缀。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

第二存储单元，用于保存所述索引地址及相应流量分配比例和所述路由转发信息；

所述第二存储单元包括若干静态随机存储器SRAM：

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，

SRAM中存储的索引地址及相应流量分配比例是连续存储的。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述转发信息包括下一跳的IP地址、目的MAC地址和出接口号，所述第二存储单元中保存的每一条转发信息对应于确定的流量分配比例。