CN104639443A - 一种报文快速转发的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种报文快速转发的方法，第二转发表基于第一转发表中热点目的网际协议(IP)地址对应的转发表项构建，该方法包括：在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。本发明还公开了一种报文快速转发的装置。

Description

一种报文快速转发的方法和装置

技术领域

本发明涉及路由转发技术领域，尤其涉及一种报文快速转发的方法和装置。

背景技术

不同网络之间通常使用网络层地址、即IP(Internet Protocol，互联网协议)地址，来进行通信。以路由器为例，当路由器收到一个IP报文后，根据目的地址查找转发表，指导IP报文进行转发，所述转发表即FIB(ForwardingInformation Base，转发信息库)，路由器通过路由表选择路由，把优选路由下发到FIB表中，通过FIB表指导IP报文转发。FIB表中每条转发表项都指明了要到达某子网或某主机的下一跳IP地址以及出接口。设备收到一个报文后，根据报文的目的地址寻找路由表中与之匹配的路由，然后确定一条最佳路由，同时将报文按照数据链路层上使用的协议进行封装，最后进行报文转发。

在现实的环境中，路由量可以达到百万级，因此FIB表数量巨大，基于FIB进行转发的效率较低。而一般普通的转发表是使用radix树组织的。Radix树的最坏复杂度是O(log(N))，其中，N表示转发表中的转发表项数量，对IPV4协议(即互联网协议第4版)而言，最坏需要查32次才能找到对应表项；而对IPV6协议(即互联网协议第6版)而言，最坏需要查128次才能找到对应表项。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种数据快速转发的方法和装置，用于提高IP报文转发设备转发数据报文的效率。

基于本发明实施例的一方面，本发明提供了一种报文快速转发的方法，该方法在IP报文转发设备的内存高速缓存中建立用于快速转发报文的第二转发表，第二转发表基于第一转发表中热点目的网际协议IP地址对应的转发表项构建，该方法包括：

在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；

当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

进一步地，采用以下方式构建所述第二转发表：

监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点目的IP地址对应的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点目的IP地址对应的转发表项；

根据从所述第一转发表中提取的热点目的IP地址对应的转发表项，构建所述第二转发表。

进一步地，所述第一预设条件为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

进一步地，在查找所述第二转发表之前，所述方法还包括：

在接收到报文时，查找流加速转发表，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，则查找所述第二转发表。

进一步地，所述方法还包括：根据预设的统计周期对所述第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，定时遍历所述第二转发表，并根据统计的命中次数对所述第二转发表中的转发表项进行老化处理。

基于本发明另一方面，本发明还提供一种报文快速转发的装置，所述装置包括：

第一转发表单元，用于保存第一转发表；

第二转发表单元，用于基于第一转发表中热点目的网际协议IP地址对应的转发表项构建第二转发表；

报文转发单元，用于在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

进一步地，所述第二转发表单元包括：

热点监控子单元，用于监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点目的IP地址对应的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点目的IP地址对应的转发表项；

第二转发表构建子单元，用于根据从所述第一转发表中提取的热点目的IP地址对应的转发表项，构建所述第二转发表。

进一步地，所述第一预设条件为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

进一步地，所述报文转发单元进一步用于，在接收到报文时，查找流加速转发表，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，则查找所述第二转发表。

进一步地，所述装置还包括：老化处理单元，用于根据预设的统计周期对所述第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，定时遍历所述第二转发表，并根据统计的命中次数对所述第二转发表中的转发表项进行老化处理。

本发明实施例提供的一种数据快速转发的方法和装置，通过创建由第一转发表即普通转发表中到达同一目的IP地址的热点转发表项组成的第二转发表，当设备收到报文时，先查找第二转发表，如果能匹配到第二转发表则根据第二转发表进行报文转发，如果不能匹配第二转发表再查找第一转发表，根据第一转发表进行报文转发。通过本发明实施例，能够加速热点目的IP地址的查找，提高到热点目的IP地址新建连接的转发效率，从而提高整体新建连接的转发效率。

附图说明

图1是本发明一种实施方式中数据快速转发方法的流程示意图；

图2是本发明一种实施方式中第二转发表的内部数据结构示意图；

图3是本发明另一种实施方式中数据快速转发方法的流程示意图；

图4是本发明一种实施方式中数据快速转发装置的结构示意图。

具体实施方式

为提升IP报文转发效率，一种方案是基于流的快速转发方案，即采用基于数据流热点，结合高速缓存技术来实现报文的快速转发。在基于流的转发方案中，转发设备(例如物理交换机、路由器等)或虚拟转发实体(例如虚拟机、虚拟交换机或虚拟路由器等)在高速缓存中建立快速转发表，快速转发表使用五元组来标识一条数据流，所述五元组包括：源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号、协议号。当一条数据流的第一个报文通过查找普通转发表(如FIB)表项转发后，在高速缓存中生成相应的快速转发表项，该数据流后续报文的转发就可以通过直接查找快速转发表项进行转发。这样便大大缩减了IP报文的排队流程，减少了报文的转发时间，提高了IP报文的转发速率。然而，基于流的快速转发只对匹配五元组的同一条数据流起作用，而针对某个热点目的地而言，在访问的连接数很多且大量不同的数据流发往同一目的地址的情况下，当一个新连接建立时，在快速转发表中没有相应的转发表项被建立，还只能通过普通转发表查找，转发效率仍然很低。

为提高IP报文的转发效率，本发明一实施例提供了一种报文快速转发的方法，该方法中，在高速缓存中建立第二转发表，第二转发表基于现有的普通转发表中热点目的IP地址的转发表项构建的快速转发表，在转发报文时，基于报文的目的地址在第二转发表中进行匹配，从而加速到热点目的IP地址的报文转发速度，提高新建连接的转发效率。该方法流程参考图1的示例，包括：

步骤101，在接收到报文时，查找所述第二转发表，判断所述第二转发表中是否有匹配的转发表项，在所述第二转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

本发明实施例中，所述第一转发表为普通转发表，所述普通转发表中包括设备(如路由器)的完整转发表项；所述第二转发表即为在所述第一转发表基础上构建的快速转发表，所述快速转发表中只包括所述普通转发表中的部分转发表项。

本发明实施例中，可以采用以下方式构建所述第二转发表：

监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点的转发表项；

根据从所述第一转发表中提取的热点的转发表项，构建所述第二转发表。

其中，所述第一预设条件可以为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

在一种具体实施方式中，所述第一预设条件为：第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值，相应的，基于所述第一预设条件的第二转发表构建的举例如下：

在第一转发表中增设对每个转发表项的命中计数，用于统计每个转发表项被命中的次数，所述命中次数即为第一转发表中的转发表项被命中用于转发报文的次数；根据所述命中次数的统计，将命中次数达到预设的第一阈值(如100次)的转发表项提取出来用于构建第二转发表，或者，根据所述命中次数的统计，将命中次数高的前一定比例的转发表项提取出来用于构建第二转发表。

实际实施过程中，可以在第一转发表中每当转发表项被命中时，相应转发表项的计数加1，并同时判断该被命中的转发表项是否满足所述第一预设条件，并在判断满足时将所述转发表项提取出来用于构建第二转发表。

在另一种具体实施方式中，所述第一预设条件为：按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中，相应的，基于所述第一预设条件的第二转发表构建的举例如下：

在监控所述第一转发表时，按第一采样率(如20％)将命中的第一转发表中的转发表项提取出来用于构建第二转发表；那么，如果某转发表项的命中的次数越多，则该转发表项被采样提取到的概率就越大。

如：20％的采样率，这就意味着每10次的第一转发表中的转发表项命中，就会提取其中的2次加入到第二转发表中。

在一种具体实施方式中，基于从第一转发表中提取的转发表项构建第二转发表的操作可以为：

第二转发表以hash进行组织，以目的IP作为hash key。桶深(可以理解为第二转发表中的转发表项的数量)可根据实际热点规模设定，推荐为第一转发表的表项数量的1％。如：普通转发表的转发表项为10万，那么桶深为1千。每个hash链的长度不能太长，推荐为1，即hash要足够离散使得每条hash链上只有一个转发表项，以达到热点快速转发的O(1)查找效率。

第二转发表的转发表项中需要有命中次数字段(in used number)，用于记录各转发表项匹配的次数。

当一个转发表项需要加入到第二转发表时，通过目的IP做hash计算，找到对应的hash链，如果对应的hash链长度已到达设定值，那么先摘除命中次数最少的表项节点，再把新的表项添加到hash链里。这么做的目的是为了始终保证热点表项能加入到第二转发表里。

本发明实施例中，第二转发表的一种内部数据结构示意如图2所示。

在构建了第二转发表后，用于转发报文的设备内部既保存有第一转发表，也保存有第二转发表；当所述设备接收到报文时，首先查找第二转发表，即根据报文的目的IP地址与所述第二转发表中的转发表项进行匹配，如果第二转发表中存在匹配的转发表项，则判断所述报文匹配第二转发表成功，从而根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

步骤102，在所述第二转发表中没有匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

本发明实施例中，在第二转发表中没有与报文匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，即根据报文的目的IP地址与所述第一转发表中的转发表项进行匹配，如果第一转发表中存在匹配的转发表项，则判断所述报文匹配第一转发表成功，从而根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；而如果第一转发表中也不存在匹配的转发表项，则丢弃该报文。

在一具体实施方式中，设备中还可以维护有流加速转发表，所谓流加速转发表即为背景技术中提到的基于数据流的技术转发报文所用到的流加速转发表，该流加速转发表中的转发表项使用五元组来标识一条数据流，所述五元组包括：源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号、协议号。

那么，如果设备中维护有流加速转发表，则设备在接收到报文之后、查找第二转发表之前，可以先查找所述流加速转发表，即根据报文的目的IP地址与所述流加速转发表中的转发表项进行匹配，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，再查找第二转发表并执行前述的后续处理。

从而，本发明实施方式中基于流加速转发表、第一转发表、第二转发表查找的一种报文快速转发的方法，如图3所示，该方法主要包括：

步骤301，设备接收到报文。

步骤302～303，根据所接收的报文查找流加速转发表，即根据报文的目的IP地址与所述流加速转发表中的转发表项进行匹配，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，执行步骤306；否则，执行步骤304。

步骤304～305，根据所接收的报文查找第二转发表，即根据报文的目的IP地址与所述第二转发表中的转发表项进行匹配，判断所述第二转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，执行步骤306；否则，执行步骤307。

步骤306，根据匹配的转发表项进行报文转发。

如果报文匹配的是流加速转发表中的相应转发表项，则根据流加速转发表中的相应转发表项进行报文转发；如果报文匹配的是第二转发表中的相应转发表项，则根据第二转发表中的相应转发表项进行报文转发。

步骤307～308，根据所接收的报文查找第一转发表，即根据报文的目的IP地址与所述第一转发表中的转发表项进行匹配，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，执行步骤310；否则，执行步骤309。

步骤309，丢弃所述报文并结束流程。

步骤310，根据第一转发表中的相应转发表项进行报文转发。

步骤311，判断所述第一转发表中匹配的转发表项是否需要加入到第二转发表中，即判断所述第一转发表中匹配的转发表项是否满足加入第二转发表的第一预设条件，如果满足，执行步骤312；如果不满足，结束流程。

关于第一预设条件的判断在前述实施例中已经介绍，此处不再赘述。

步骤312，在判断所述第一转发表中匹配的转发表项否满足加入第二转发表的第一预设条件时，将所述转发表项从第一转发表中提取出来并加入到第二转发表中。

另外，本发明实施例中，还可以对第二转发表进行老化处理，这样能始终保证第二转发表中保存的是热点的转发表项。具体实施时，可以对第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，并根据统计的命中次数对第二转发表中的转发表项进行老化处理。

例如：通过定时遍历第二转发表，查看各转发表项在最近一段时间(时间可以根据实际需要设定)内是否曾经命中，如果表项中命中次数字段(in usednumber)的计数为0，则删除对应的表项；如果命中次数字段(in used number)的计数不为0，则保留表项并把计数清零。

对应本发明实施例中的报文快速转发的方法，本发明的另一实施例中还提供了一种报文快速转发的装置，该装置应用于报文转发设备中，该装置的硬件环境通常至少包括有CPU、内存以及非易失性存储器，当然还可能包括各种转发芯片、I/O接口等硬件。请参考图4，以软件实现为例，本实施例通过该设备的CPU将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行，使所述装置400包括有：第一转发表单元10、第二转发表单元20、报文转发单元30。在本发明的一种实施方式中：

第一转发表单元10，用于保存第一转发表；

第二转发表单元20，用于基于第一转发表中热点的IP地址对应的转发表项构建第二转发表；

报文转发单元30，用于在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

其中，所述第二转发表单元20可以包括：

热点监控子单元21，用于监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点目的IP地址对应的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点目的IP地址对应的转发表项；

第二转发表构建子单元22，用于根据从所述第一转发表中提取的热点目的IP地址对应的转发表项，构建所述第二转发表。

进一步的，所述第一预设条件可以为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

进一步的，所述报文转发单元30可用于，在接收到报文时，查找流加速转发表，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，则查找所述第二转发表。

进一步的，所述装置400还可包括：老化处理单元40，用于根据预设的统计周期对所述第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，定时遍历所述第二转发表，并根据统计的命中次数对所述第二转发表中的转发表项进行老化处理。

综上所述，本发明实施例通过创建由第一转发表中的热点转发表项组成的第二转发表，当设备收到报文时，先查找第二转发表，如果能匹配到第二转发表则根据第二转发表进行报文转发，如果不能匹配第二转发表再查找第一转发表，根据第一转发表进行报文转发。通过本发明实施例，能够加速热点目的IP地址的查找，提高到热点目的IP地址新建连接的转发效率，从而提高整体新建连接的转发效率。

以IPv6为例，假设第一转发表的转发表项数量为100万，总连接数为N(其中90％为热点)。则引入热点快转前后的平均查找次数比为：(0.9N+0.1N*log(100万))/(N*log(100万))＝(0.9N+1.38N)/(13.8N)＝16.5％。也就是说，查找效率提高80％以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种报文快速转发的方法，其特征在于，第二转发表基于第一转发表中热点目的网际协议IP地址对应的转发表项构建，该方法包括：

在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；

当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

2.根据权利要求1所述报文快速转发的方法，其特征在于，采用以下方式构建所述第二转发表：

监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点目的IP地址对应的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点目的IP地址对应的转发表项；

根据从所述第一转发表中提取的热点目的IP地址对应的转发表项，构建所述第二转发表。

3.根据权利要求2所述报文快速转发的方法，其特征在于，所述第一预设条件为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

4.根据权利要求1至3任一项所述报文快速转发的方法，其特征在于，在查找所述第二转发表之前，所述方法还包括：

在接收到报文时，查找流加速转发表，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，则查找所述第二转发表。

5.根据权利要求1至3任一项所述报文快速转发的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据预设的统计周期对所述第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，定时遍历所述第二转发表，并根据统计的命中次数对所述第二转发表中的转发表项进行老化处理。

6.一种报文快速转发的装置，其特征在于，所述装置包括：

第一转发表单元，用于保存第一转发表；

第二转发表单元，用于基于第一转发表中热点目的网际协议IP地址对应的转发表项构建第二转发表；

报文转发单元，用于在接收到报文时，根据报文的目的IP地址在所述第二转发表进行转发表项的匹配，当存在匹配的转发表项时，根据所述第二转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；当不存在匹配的转发表项时，查找所述第一转发表，判断所述第一转发表中是否有匹配的转发表项，并在所述第一转发表中有匹配的转发表项时，根据所述第一转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发。

7.根据权利要求6所述报文快速转发的装置，其特征在于，所述第二转发表单元包括：

热点监控子单元，用于监控所述第一转发表，确定所述第一转发表中满足第一预设条件的转发表项为所述热点目的IP地址对应的转发表项，并从所述第一转发表中提取所述热点目的IP地址对应的转发表项；

第二转发表构建子单元，用于根据从所述第一转发表中提取的热点目的IP地址对应的转发表项，构建所述第二转发表。

8.根据权利要求6所述报文快速转发的装置，其特征在于，所述第一预设条件为：

所述第一转发表中的转发表项的命中次数达到预设的第一阈值；或，

按预设的第一采样率对所述第一转发表中的转发表项进行采样时被选中。

9.根据权利要求6至8任一项所述报文快速转发的装置，其特征在于，所述报文转发单元进一步用于，在接收到报文时，查找流加速转发表，判断所述流加速转发表中是否有匹配的转发表项，如果有，则根据所述流加速转发表中匹配的转发表项进行所述报文的转发；如果没有，则查找所述第二转发表。

10.根据权利要求6至8任一项所述报文快速转发的装置，其特征在于，所述装置还包括：老化处理单元，用于根据预设的统计周期对所述第二转发表中的各转发表项的命中次数进行统计，定时遍历所述第二转发表，并根据统计的命中次数对所述第二转发表中的转发表项进行老化处理。