CN102299971A - 基于fpga的快速地址查找算法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种基于FPGA的快速地址查找算法，可以内嵌在任何以太网交换网或传输系统中，适用于点到点、点到多点链接来传送多协议数据报文的通信方式，适用于局域网、广域网等以太网技术领域。算法基于FPGA硬件平台，包括：地址表、地址老化模块、地址学习模块、地址查找模块和配置接口。采用动态存储结构，将任意长度的二进制值映射为固定长度的较小关键字，并以关键字为地址区间中的偏移地址，作为记录在表中的存储位置。算法不需要其它外部软件或处理器的干预，程序加载后自动完成地址的学习/查找过程，可以支持单播、组播、广播多种通信方式。

Description

基于FPGA的快速地址查找算法

技术领域

本发明涉及局域网、广域网等以太网技术领域，可以内嵌在任何以太网交换网或传输系统中，适用于点到点、点到多点链接来传送多协议数据报文的通信方式，也涉及其它数据格式完成源端到目的端建立信息交换的应用模式。

背景技术

以太网技术是当今现有局域网最通用的通信协议标准，以IP为代表的数据业务的迅速发展，都给网络传输提出了更高的容量和功能要求，为了减少数据交换和查找表带来的延迟，必须建立有效而且快速的地址查找算法。

FLA算法采用动态存储结构，将任意长度的二进制值映射为固定长度的较小二进制值，这个小的二进制值称为关键字，关键字是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。如果输入数据中有变化，则关键字也会发生变化。而且把数据的存储和查找消耗的时间大大降低，几乎可以看成是常数时间，代价仅仅是消耗比较多的存储空间，然而在当前可利用内存越来越多的情况下，用空间换时间的做法是值得的。另外，编码比较容易也是它的特点之一。因此作为线性数据结构，与逐条的比较算法相比，FLA算法无疑是查找速度比较快、经济实用的一种算法。

但按照关键字为每一个输入值″分类″，然后将这个元素存储在相应″类″所对应的地方，因此不能保证每个关键字与输入值是一一对应的，极有可能出现对于不同的输入值，却计算出了相同的关键字，这样就产生了″冲突″。可以采用重新FLA算法来解决该问题，简单的说就是每次产生碰撞，都会根据关键字用另一个FLA函数重新算一个关键字，直到探寻到一个不冲突的关键字。

发明内容

根据设定的FLA函数(使用好的函数公式，在输入数据中所做的更改就可以更改结果关键字中的所有位)和处理冲突方法将网络地址映射到一个有限的地址区间上，并以关键字为地址区间中的偏移地址，作为记录在表中的存储位置。本算法基于FPGA的硬件逻辑开发，不需要其它外部软件或处理器的干预，程序加载后自动完成地址的学习/查找过程，可以支持单播、组播、广播多种通信方式。

本发明的技术方案如下：

模块组件包括：

1.地址表，用来存储地址信息及接收数据的端口号；

2.地址学习模块，学习IP数据流中源地址信息，通过计算得到源地址的关键字，并把地址信息写入地址表中；

3.地址查找模块，查找IP数据流中目的地址，得到目的地址的关键字(也就是对应其它IP数据流中源地址信息)，查找地址表，由此知道IP数据流的输出端口；

4.地址老化模块，可由外置的处理器模块来配置老化的参数(使能、老化时间等级、老化时间周期等)和静态地址。

5.配置接口，提供标准的通信总线，连接外置的处理器芯片。

注1：为了满足其它的以太网通信协议，地址表中可以增加其它信息来实现，如增加VLANID实现虚拟局域网技术。

注2：地址表的空间大小由FPGA芯片内嵌或外扩的RAM来决定。

注3：静态地址不受老化时间的影响。

任何一个端口的接收到IP数据流通过FLA算法，对新发现的地址信息加入到地址表中，最终形成整个交换网或传输系统的地址表项，一旦源端口需发送数据，可以快速从地址表中查找到目的地址信息和输出端口，再由交换网或传输系统建立源端口到目的端口的传送路径，完成数据的可靠传输。

为了节省地址空间，实现地址表的重复利用，开启地址老化模块，删除地址表中超时不再使用的地址信息。

附图说明

图1所示为FLA算法在系统中的模型图

具体实施方式

下面根据附图和实例对本发明做进一步详细说明：

实例系统简化模型如图1所示，以二个端口间单播数据为例，主机A(连接端口1，IP地址192.168.1.1，MAC地址00-aa-00-62-c6-01)向主机B(端口2，IP地址192.168.1.2，MAC地址00-aa-00-62-c6-02)发送数据。

1.当发送数据时，主机A会在自己的ARP缓存表中寻找是否有目标IP地址。如果找到了，也就知道了目标MAC地址，直接把目标MAC地址写入帧里面发送就可以了；如果在ARP缓存表中没有找到目标IP地址，主机A就会在网络上发送一个广播，A主机MAC地址是“主机A的MAC地址”，这表示向同一网段内的所有主机发出这样的询问：“我是192.168.1.1，我的硬件地址是″主机A的MAC地址″.请问IP地址为192.168.1.2的MAC地址是什么？”，这时FLA算法就从端口1学到了00-aa-00-62-c6-01，写入地址表中。

2.网络上其他主机并不响应ARP询问，只有主机B接收到这个帧时，才向主机A做出这样的回应：“192.168.1.2的MAC地址是00-aa-00-62-c6-02”，从端口2同样学到了00-aa-00-62-c6-02，写入地址表中。

3.主机A知道了主机B的MAC地址，而且地址表中也存储了二条地址信息，主机A向主机B发送数据时，交换网或传输系统立即查到了主机A的输入端口1，发送到主机B输出端口2，建立硬件逻辑通路，主机B就接收到了主机A的数据。

以上所述，仅为本发明典型的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于FPGA的快速地址查找算法，包括：地址表、地址老化模块、地址学习模块、地址查找模块和配置接口。本发明涉及的系统，其特征是：算法由FPGA逻辑程序自动完成，不需要其它外部软件或处理器的干预。

2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，作为地址提取和查找模块，地址信息的多少不影响地址查找的时间，可以认为是恒定的时间周期内。

3.根据权利要求1所述的算法，其特征在于，作为快速查找算法，运算过程不影响数据流的信号，不会产生数据交换的时延。

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