CN105959224A - 基于比特向量的高速路由查找装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于比特向量的高速路由查找装置及方法，主要解决现有路由查找方法数据结构与查找操作复杂，硬件实现困难，查找速度低的问题。其装置包括路由表编码模块、路由查找模块和优先编码器模块。其方法的步骤包括：将路由表中存放的所有路由表项按网络前缀长度降序排序；将路由表分割成多个路由表块；将路由表块转换为比特向量阵列存放在存储器中；从存储器中读出对应子地址中的比特向量按位相“与”；找出最长前缀匹配的路由表项。本发明具有数据结构与查找操作简单，易于硬件实现，查找速度高的优点。

Description

基于比特向量的高速路由查找装置及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及通信网络技术领域中的一种基于比特向量的高速路由查找装置及方法。发明适用于通信网络中网络节点路由表的高速查找。
背景技术
随着通信技术的日益发展和广泛应用，人们对数据传输速率的要求越来越高。路由器作为重要的网络设备，主要负责互联网协议(Internet Protocol，简称为IP)的处理和路由查找。IP查找既要实现最长前缀匹配，又要实现分组的线速转发，软件查找方法已经完全不能满足要求，多种硬件查找方法中以三态内容寻址寄存器(Ternary Content Addressable Memory，简称为TCAM)和Trie树结构最为流行。由于TCAM价格昂贵，功率消耗大，存储芯片的容量小，不适用于大规模路由表的查找。
中兴通信股份有限公司申请的专利“路由查找方法及装置、B-Tree树结构的构建”(申请日：2013年9月9日，申请号：201310408340.3，公开号：104426770A)中公开了一种路由查找方法。该方法的实施步骤是：第一，定义B-Tree树结构的阶数M和最大高度N、每层最大节点数目和结果表条目数，进而确定硬件相应的流水级数、每层节点占用空间和结果表占用空间，进而构建B-Tree树结构；第二，基于上述B-Tree树结构，执行路由查找操作。该发明的方法存在的不足之处是：生成树数据结构与查找操作复杂，硬件实现困难，并且与路由表的前缀分布相关，使得路由查找硬件设计的路由表容量存在较大起伏，在比较坏的路由分布的情况下，存储空间利用率很低。该发明的装置包括路由查找算法软件模块、路由更新接口模块和路由查找硬件模块，其中，路由查找算法软件模块，用于执行对路由条目的软件计算和更新条目指令的下发；路由更新接口模块，用于在接收到路由查找算法软件模块下发的更新条目指令后，根据路由查找硬件模块的实际工作状态，控制路由查找硬件模块的数据流，并将更新条目写入路由查找硬件模块的存储器中；路由查找硬件模块，用于响应硬件系统的路由查找请求，并将最长前缀匹配的查找结果返回至硬件系统；其中，路由查找硬件模块为流水线型架构。该发明的装置存在的不足之处在于：查找硬件模块采用流水操作有利于提升路由查找的吞吐率，但会带来较大的查找时延。
发明的内容：
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种查找速度更高的基于比特向量的高速路由查找装置及方法，以解决生成树方法数据结构与查找操作复杂、硬件实现困难、且与路由表的前缀分布相关的问题。
本发明的路由查找装置，包括路由表编码模块，路由查找模块和优先编码器模块三个模块，其中，
所述路由表编码模块，用于将路由表中的所有路由表项按前缀长度降序排序，将排序后的路由表分割为路由表块，采用比特向量编码方法，将每个路由表块转换为比特向量阵列，写入到路由查找模块的存储器中；
所述路由查找模块，用于将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到结果比特向量，输出给优先编码器模块；
所述优先编码器模块，用于找到结果向量中第一个为“1”的位置对应的路由表项，该路由表项为匹配前缀最长的路由表项。
本发明的路由查找方法，包括如下步骤：
(1)路由表排序；
在路由表编码模块中，将路由表中存放的所有的路由表项，按照目的网络地址的网络前缀长度进行降序排序，得到排序后的路由表；
(2)分割路由表；
(2a)在路由表编码模块中，将路由表中的所有路由表项均匀地分割为N/m组，将N/m组中的每一组路由表项作为一行，得到N/m行的路由表，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数；
(2b)在路由表编码模块中，将N/m行的路由表中每一组中包含的每一个路由表项以32位表示的目的网络地址，均匀地分割为32/d个子地址，将所有路由表项中同一位置的子地址作为一列，得到N/m行、32/d列的路由表块，其中，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数；
(3)生成比特向量阵列；
在路由表编码模块中，采用比特向量方法，分别为每一个路由表块编码，每一个路由表块生成2d个比特向量，构成一个比特向量阵列，其中，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数；
(4)存储比特向量阵列；
将比特向量阵列中待查找的目的网络地址的子地址对应的比特向量，写入路由查找模块中存储器对应的地址中；
(5)路由查找；
(5a)将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入路由查找模块中对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量；
(5b)在路由查找模块中，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到N/m个结果比特向量，输出给优先编码模块，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数；
(6)找出前缀最长的路由表项；
在优先编码模块中，找到N/m个结果比特向量中第一个为“1”的位置对应的路由表项，该路由表项为匹配前缀最长的路由表项。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
第一，由于本发明装置中的路由查找模块将待查找的网络地址同时送入到所有存储器中，输出比特向量，克服了现有技术中查找硬件模块采用流水操作带来较大的查找时延的问题，使得本发明具有查找时延小，查找速率高的优点。
第二，由于本发明的方法中采用比特向量的方法编码，将路由表转换为多个比特向量阵列，克服了现有技术中路由查找硬件设计的路由表容量存在较大起伏，在比较坏的路由分布的情况下，存储空间利用率很低的问题，使得本发明能够对任意路由表进行路由查找，具有硬件结构简单，路由表规模大，空间利用率高的优点。
第三，由于本发明采用基于比特向量的方法进行路由查找，克服了现有技术中数据结构与查找操作复杂，硬件实现困难的问题，本发明的数据结构与查找操作简单，具有很好的可实现性，可利用FPGA等硬件平台实现高性能的路由查找。
附图说明：
图1为本发明装置的结构框图。
图2为本发明方法的流程图；
图3为路由表块生成比特向量阵列实施例的示意图；
图4为存储比特向量阵列实施例的示意图；
图5为路由查找实施例的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1，本发明的装置包括：路由表编码模块、路由查找模块和优先编码器模块，各模块之间通过总线连接，路由表编码模块的输出端与路由查找模块的输入端相连，路由查找模块的输出端与优先编码器模块的输入端相连。其中：
路由表编码模块，用于将路由表的路由表项按前缀长度降序排序，将排序后的路由表按地址分割为多个子地址，按路由表项分割为多个组，每个路由表块包含一个组的一个子地址，采用比特向量编码方法，将每个路由表块转换为比特向量阵列，写入到路由查找模块的存储器中。
路由查找模块，用于将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到结果比特向量，输出给优先编码器模块。
优先编码器模块，用于找到所有匹配的路由表项中，网络地址前缀最长的路由表项，该路由表项就是最终的匹配结果。
参照附图2，对本发明基于比特向量的高速路由查找方法做进一步的描述。
步骤1，路由表排序。
在路由表中，每一条路由最主要的是以下两个信息：(目的网络地址，下一跳地址)，路由查找的过程就是根据目的网络地址来确定下一跳路由器，其中，目的网络地址以32位二进制数表示，由“0”、“1”和“*”构成，一个前缀长度为/23的目的网络地址203.183.224.0/23表示为二进制数11001011_10110111_1110000*_********，将路由表中存放的所有的路由表项，按照目的网络地址的网络前缀长度进行降序排序，得到排序后的路由表。
步骤2，分割路由表。
将路由表中的所有路由表项均匀地分割为N/m组，将N/m组中的每一组路由表项作为一行，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数。
将N/m行的路由表进一步分割，将每一个路由表项中的目的网络地址，均匀地分割为32/d个子地址，将所有路由表项中同一位置的子地址作为一列，得到N/m行、32/d列的路由表块，其中，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数。
步骤3，生成比特向量阵列。
每个路由表块包含m个子地址，子地址的位宽为d比特，将每一个路由表块分别用比特向量方法编码生成2d个比特向量，构成一个比特向量阵列，其中，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数。
其中，比特向量编码方法的具体步骤如下：
第1步，待查找的目的网络地址以32位二进制数表示，由“0”和“1”构成，一个前缀长度为/23的待查找的目的网络地址203.183.225.225/23表示为二进制数11001011_10110111_11100001_11100001，待查找的目的网络地址的子地址与路由表块中子地址的位宽相等，取值范围为二进制数全“0”到全“1”，将待查找的目的网络地址的子地址取值为二进制数全“0”；
第2步，判断路由表块中的子地址与待查找的目的网络地址的子地址之间是否满足匹配条件，若是，则执行本步骤的第3步，否则，执行本步骤的第4步；
第3步，将生成的比特向量中与路由表块中的子地址对应位置上的比特值置为“1”，执行本步骤的第5步；
第4步，将生成的比特向量中与路由表块中的子地址对应位置上的比特值置为“0”，执行本步骤的第5步；
第5步，判断路由表块中的子地址是否为最后一个子地址，若是，则完成了该目的网络地址的子地址对应的比特向量生成的过程，执行本步骤的第6步，否则，执行本步骤的第2步；
第6步，判断待查找的目的网络地址的子地址是否为全“1”，若是，完成了路由表块采用比特向量方法生成2d个比特向量的过程，否则，将待查找的目的网络地址的子地址的值加1，执行本步骤的第2步。
其中，路由表块中子地址与待查找的目的网络地址的子地址之间的匹配条件是指：待查找的目的网络地址的子地址与路由表中的子地址对应位全部匹配，待查找的目的网络地址的子地址其中一位为“0”时，与路由表块中子地址对应位置的“0”和“*”匹配，待查找的目的网络地址的子地址其中一位为“1”时，与路由表块中子地址对应位置的“1”和“*”匹配。
参照附图3，路由表块生成比特向量阵列实施例的示意图，对步骤3做进一步的说明。
本发明的实施例中，m＝4，d＝2，BV阵列表示比特向量阵列，其中，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数，每一个路由表块中包含4个2比特的子地址，第0组第0个子地址的路由表块通过编码生成BV阵列[0,0]，第0组第1个子地址的路由表块通过编码生成BV阵列[0,1]，依次类推。
第0组第0个子地址的路由表块通过比特向量方法编码生成BV阵列[0,0]的具体实施方法如下：
待查找的目的网络地址的子地址，与路由表块中的子地址位宽相等，可能的取值为“00”、“01”、“10”和“11”，共22＝4个，每一个查找的目的网络地址的子地址对应一个比特向量，因此，BV阵列[0,0]中包含4个比特向量。
待查找的目的网络地址的子地址的取值为“00”时生成对应比特向量的过程为：依次判断“00”与路由表块中的子地址是否满足匹配条件，“00”与第0个子地址“01”不匹配，因此比特向量的第0位置为“0”；“00”与第1个子地址“01”不匹配，因此比特向量的第1位置为“0”；“00”与第2个子地址“00”匹配，因此比特向量的第2位置为“1”；“00”与第3个子地址“11”不匹配，因此比特向量的第3位置为“0”，最终待查找的目的网络地址的子地址的取值为“00”时生成对应比特向量为“0010”。
同理，依次为待查找的目的网络地址的子地址的取值“01”、“10”和“11”，生成对应的比特向量。
步骤4，存储比特向量阵列。
将比特向量阵列中待查找的目的网络地址的子地址对应的比特向量，写入路由查找模块中存储器对应的地址中。
参照附图4，存储比特向量阵列实施例的示意图，对步骤4做进一步的说明。
本发明的实施例中，BV阵列表示比特向量阵列，将附图3中生成的BV阵列[0,0]存储在存储器中，“00”对应的比特向量写入到存储器地址为00的存储单元中，“01”对应的比特向量写入到存储器地址为01的存储单元中，“10”对应的比特向量写入到存储器地址为10的存储单元中，“11”对应的比特向量写入到存储器地址为11的存储单元中。
步骤5，路由查找。
将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入路由查找模块中对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量；
在路由查找模块中，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到N/m个结果比特向量，输出给优先编码模块，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数；
参照附图5，路由查找实施例的示意图，对步骤5做进一步的说明。
本发明的实施例中，32/d＝4，N/m＝4，BV阵列表示比特向量阵列，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数。
将待查找的网络地址的第31位到第24位作为存储器的地址，同时送入BV阵列[0,0]、BV阵列[1,0]、BV阵列[2,0]和BV阵列[3,0]的存储器中，读取该地址中的比特向量，同理，将待查找的网络地址的第23位到第16位作为存储器的地址，同时送入BV阵列[0,1]、BV阵列[1,1]、BV阵列[2,1]和BV阵列[3,1]的存储器中，读取该地址中的比特向量，依次类推。
将从BV阵列[0,0]、BV阵列[0,1]、BV阵列[0,2]和BV阵列[0,3]读出的比特向量按位相“与”，得到结果比特向量BV0，将从BV阵列[1,0]、BV阵列[1,1]、BV阵列[1,2]和BV阵列[1,3]读出的比特向量按位相“与”，得到结果比特向量BV1，依次类推。
步骤6，找出前缀最长的路由表项。
在优先编码模块中，找到N/m个结果比特向量中第一个为“1”的位置对应的路由表项，该路由表项为匹配前缀最长的路由表项。

Claims (4)

1.一种基于比特向量的高速路由查找装置，包括路由表编码模块，路由查找模块和优先编码器模块三个模块，其中，
所述路由表编码模块，用于将路由表中的所有路由表项按前缀长度降序排序，将排序后的路由表分割为路由表块，采用比特向量编码方法，将每个路由表块转换为比特向量阵列，写入到路由查找模块的存储器中；
所述路由查找模块，用于将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到结果比特向量，输出给优先编码器模块；
所述优先编码器模块，用于找到结果向量中第一个为“1”的位置对应的路由表项，该路由表项为匹配前缀最长的路由表项。
2.一种基于比特向量的高速路由查找方法，包括如下步骤：
(1)路由表排序；
在路由表编码模块中，将路由表中存放的所有的路由表项，按照目的网络地址的网络前缀长度进行降序排序，得到排序后的路由表；
(2)分割路由表；
(2a)在路由表编码模块中，将路由表中的所有路由表项均匀地分割为N/m组，将N/m组中的每一组路由表项作为一行，得到N/m行的路由表，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数；
(2b)在路由表编码模块中，将N/m行的路由表中每一组中包含的每一个路由表项以32位表示的目的网络地址，均匀地分割为32/d个子地址，将所有路由表项中同一位置的子地址作为一列，得到N/m行、32/d列的路由表块，其中，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数；
(3)生成比特向量阵列；
在路由表编码模块中，采用比特向量方法，分别为每一个路由表块编码，每一个路由表块生成2d个比特向量，构成一个比特向量阵列，其中，d表示子地址的位宽，d的取值为被32整除的任意正整数；
(4)存储比特向量阵列；
将比特向量阵列中待查找的目的网络地址的子地址对应的比特向量，写入路由查找模块中存储器对应的地址中；
(5)路由查找；
(5a)将待查找的目的网络地址的子地址作为存储器的地址，送入路由查找模块中对应的存储器中，读出存储器在该地址中存放的比特向量；
(5b)在路由查找模块中，将同一组路由表项对应的比特向量按位相“与”，得到N/m个结果比特向量，输出给优先编码模块，其中，N表示路由表中路由表项的总数，m表示每组包含的路由表项的个数，m的取值为被N整除的任意正整数；
(6)找出前缀最长的路由表项；
在优先编码模块中，找到N/m个结果比特向量中第一个为“1”的位置对应的路由表项，该路由表项为匹配前缀最长的路由表项。
3.根据权利要求2所述的基于比特向量的高速路由查找方法，其特征在于，步骤(3)中所述的比特向量编码方法的具体步骤如下：
第1步，待查找的目的网络地址的子地址与路由表块中子地址的位宽相等，取值范围为二进制数全“0”到全“1”，将待查找的目的网络地址的子地址取值为二进制数全“0”；
第2步，判断路由表块中的子地址与待查找的目的网络地址的子地址之间是否满足匹配条件，若是，则执行第3步，否则，执行第4步；
第3步，将生成的比特向量中与路由表块中的子地址对应位置上的比特值置为“1”，执行第5步；
第4步，将生成的比特向量中与路由表块中的子地址对应位置上的比特值置为“0”，执行第5步；
第5步，判断路由表块中的子地址是否为最后一个子地址，若是，则完成了该目的网络地址的子地址对应的比特向量生成的过程，执行第6步，否则，执行第2步；
第6步，判断待查找的目的网络地址的子地址是否为全“1”，若是，完成了路由表块采用比特向量方法生成2d个比特向量的过程，否则，将待查找的目的网络地址的子地址的值加1，执行第2步。
4.根据权利要求3所述的基于比特向量的高速路由查找方法，其特征在于，所述的路由表块中子地址与待查找的目的网络地址的子地址之间的匹配条件是指：待查找的目的网络地址的子地址与路由表中的子地址对应位全部匹配，待查找的目的网络地址的子地址由“0”和“1”构成，路由表块中的子地址由“0”、“1”和“*”构成，待查找的目的网络地址的子地址其中一位为“0”时，与路由表块中子地址对应位置的“0”和“*”匹配，待查找的目的网络地址的子地址其中一位为“1”时，与路由表块中子地址对应位置的“1”和“*”匹配。
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