CN110708251B - 一种三态内容寻址存储器tcam转发单播查表方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法，涉及高速路由查找技术领域。本发明基于TCAM和SRAM设计实现了转发处理引擎，同时支持IPv4和IPv6报文的转发，引入流水线机制，采用高速硬件路由查表的方式实现高速查找、线速转发，缩短了路由查表时间，提高了转发引擎的转发处理效率。

Description

一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法
技术领域
本发明涉及高速路由查找技术领域，具体涉及一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法。
背景技术
TCAM(ternary content addressable memory)是一种三态内容寻址存储器，主要用于快速查找ACL、路由等表项。TCAM中每个bit位有三种状态，除掉“0”和“1”外，还有一个“don’t care”状态，所以称为“三态”，它是通过掩码来实现的，正是TCAM的这个第三种状态特征使其既能进行精确匹配查找，又能进行模糊匹配查找。从而能够适应路由表中的最长匹配以及ACL中的MASK操作，从而成为高速路由器路由表和ACL表硬件实现的不二选择。TCAM具有查找速度快、操作简单的优点。
高性能路由器作为网络互联的主要设备，它的体系结构、转发速度和交换网络的容量是三大主要瓶颈。为了提高路由器的性能，需要进行线速查找转发处理技术的研究，即基于TCAM的转发表管理。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现一种高速查找、线速转发的路由查表方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法，包括以下步骤：
(1)逻辑仲裁
根据报头处理的查表请求和处理机接口单播输入FIFO的状态确定当前应执行的工作是搜索查表还是表项更新，当报头处理有查表请求时，进入步骤(3)的搜索查表流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；当前查表结束且报头处理没有新的查表请求时，判断处理机接口单播输入FIFO是否己有一条表项，有则先进入步骤(2)的表项更新流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；
(2)表项更新
完成单播表项更新的过程，使得TCAM表项与SRAM表项一致；
(3)搜索查表
完成单播搜索查表。
优选地，步骤(2)中，首先根据单播表项更新指令判断是读表项还是写或删除表项，然后根据报头格式判断是IPv4表项还是IPv6表项，若是IPv4表项，则按照第一种情况设计的表项结构进行表项更新，否则按照第二种情况设计的表项结构进行表项更新；若为读表项，还将读出的数据按照设计的格式写到单播输出FIFO中；
优选地，第一种情况为：对于IPv4表项，配置方法为一个IPv4地址配置一个TCAM表项，如表1所示：
表1 IPv4配置TCAM表项
71：32 31：0
40位填充 32位IPv4地址
优选地，将第一种情况替换为：在一条TCAM表项中存储两个IPv4单播转发表，表项结构设计如表2所示：
表2 IPv4地址表项结构
Figure BDA0002212493600000021
Figure BDA0002212493600000031
优选地，第二种情况为：对于IPv6单播表项，按照目的IP地址查表，对于IPv6组播表项，按照源IP地址查表，二者统称为IPv6查表地址，单播表项宽度72比特，表项结构如表3所示，64位前缀Index[63:0]的IPv6转发表构造为：
表3 IPv6地址表项结构
Figure BDA0002212493600000032
优选地，写到单播输出FIFO中的格式设计方法如下：SRAM中表项更新结果的表项构成为：IPv4/IPv6的表项更新结果均为由目的端口、目的接口、目的机架和目的MAC地址组成，其格式相同，如表4所示：
表4 SRAM查表结果表项结构
Figure BDA0002212493600000033
单播查表结果共60位，存储在数据总线宽度为36位的SRAM中。
优选地，步骤(3)中，对同一个IPv4查表关键字搜索2次，分别搜索TCAM的前36位和后36位，以搜索到一个TCAM表项中的两个IPv4目的地址。
优选地，步骤(3)中，首先将输入报文的32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的前一半，送给TCAM进行搜索，得到一个搜索结果；然后再将该32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的后一半送给TCAM进行搜索，得到另一搜索结果；比较这二个结果，取出其中的最长的结果作为SRAM的查表地址。
优选地，步骤(3)中，在TCAM进行搜索之前还要完成对TCAM的初始化配置。
优选地，执行步骤(3)的搜索查表流程或步骤(2)的表项更新流程之后，再进入步骤(4)的数据选择流程：由TCAM存储搜索查表流程输出的查表地址，SRAM存储表项更新输出的表项。
(三)有益效果
本发明基于TCAM和SRAM设计实现了转发处理引擎，同时支持IPv4和IPv6报文的转发，引入流水线机制，采用高速硬件路由查表的方式实现高速查找、线速转发，缩短了路由查表时间，提高了转发引擎的转发处理效率。
附图说明
图1为本发明的实现原理图；
图2为本发明的IPv4/IPv6查表流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法，包括以下步骤：
(1)逻辑仲裁
根据报头处理的查表请求和处理机接口单播输入FIFO的状态确定当前应执行的工作是搜索查表还是表项更新，当报头处理有查表请求时，进入步骤(3)的搜索查表流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；当前查表结束且报头处理没有新的查表请求时，判断处理机接口单播输入FIFO是否己有一条表项，有则先进入步骤(2)的表项更新流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；
(2)表项更新
完成单播表项更新的过程，使得TCAM表项与SRAM表项一致：首先根据单播表项更新指令判断是读表项还是写或删除表项，然后根据报头格式判断是IPv4表项还是IPv6表项，若是IPv4表项，则按照情况①设计的表项结构进行表项更新，否则按照情况②设计的表项结构进行表项更新；若为读表项，还将读出的数据按照步骤③设计的格式写到单播输出FIFO中；
①对于IPv4表项，由于其IP地址为32位，TCAM的最小位宽72位，这样最直接的配置方法为一个IPv4地址配置一个TCAM表项，如表1所示：
表1 IPv4配置TCAM表项
71：32 31：0
40位填充 32位IPv4地址
这样方法的优点在于使用简单，缺点是浪费了TCAM的存储空间，因为事实上一个72位的TCAM表项可容纳2个IPv4地址。深入研究TCAM的特点之后发现，可以在一条TCAM表项中存储两个IPv4单播转发表，表项结构设计如表2所示。
表2 IPv4地址表项结构
Figure BDA0002212493600000061
②对于IPv6单播表项，按照目的IP地址查表，对于IPv6组播表项，按照源IP地址查表，二者统称为IPv6查表地址，单播表项宽度72比特，表项结构如表3所示，64位前缀(Index[63:0])IPv6转发表构造为：
表3 IPv6地址表项结构
Figure BDA0002212493600000062
③SRAM中表项更新结果的表项构成
IPv4/IPv6的表项更新结果均为由目的端口、目的接口、目的机架和目的MAC地址组成，其格式相同，如表4所示：
表4 SRAM查表结果表项结构
Figure BDA0002212493600000063
单播查表结果共60位，存储在数据总线宽度为36位的SRAM中，因而读取结果的时间为2个时钟周期。
(3)搜索查表
完成单播搜索查表的过程如图2所示。为了能搜索到一个TCAM表项中的两个IPv4目的地址，对同一个IPv4查表关键字搜索2次，分别搜索TCAM的前36位和后36位，具体地，首先将输入报文的32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的前一半，送给TCAM进行搜索，得到一个搜索结果；然后再将该32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的后一半送给TCAM进行搜索，得到另一搜索结果；比较这二个结果，取出其中的最长的结果作为SRAM的查表地址。在TCAM进行搜索之前还要完成对TCAM的初始化配置。
采用该方法，IPv4单播查表的时间为4个周期，仍能满足单播线速查表要求。
(4)数据选择
由TCAM存储搜索查表流程输出的查表地址，SRAM存储表项更新输出的表项。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三态内容寻址存储器TCAM转发单播查表方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)逻辑仲裁
根据报头处理的查表请求和处理机接口单播输入FIFO的状态确定当前应执行的工作是搜索查表还是表项更新，当报头处理有查表请求时，进入步骤(3)的搜索查表流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；当前查表结束且报头处理没有新的查表请求时，判断处理机接口单播输入FIFO是否己有一条表项，有则先进入步骤(2)的表项更新流程，然后再进入步骤(4)的数据选择流程；
(2)表项更新
完成单播表项更新的过程，使得TCAM表项与SRAM表项一致；
(3)搜索查表
完成单播搜索查表；
步骤(2)中，首先根据单播表项更新指令判断是读表项还是写或删除表项，然后根据报头格式判断是IPv4表项还是IPv6表项，若是IPv4表项，则按照第一种情况设计的表项结构进行表项更新，否则按照第二种情况设计的表项结构进行表项更新；若为读表项，还将读出的数据按照设计的格式写到单播输出FIFO中；
第一种情况中：对于IPv4表项，配置方法为一个IPv4地址配置一个TCAM表项，如表1所示：
表1 IPv4配置TCAM表项
71：32 31：0 40位填充 32位IPv4地址
第一种情况中，在一条TCAM表项中存储两个IPv4单播转发表，则表项结构设计如表2所示：
表2 IPv4地址表项结构
Figure FDA0003246257510000021
第二种情况为：对于IPv6单播表项，按照目的IP地址查表，对于IPv6组播表项，按照源IP地址查表，二者统称为IPv6查表地址，单播表项宽度72比特，表项结构如表3所示，64位前缀Index[63:0]的IPv6转发表构造为：
表3 IPv6地址表项结构
Figure FDA0003246257510000022
写到单播输出FIFO中的格式设计方法如下：SRAM中表项更新结果的表项构成为：IPv4/IPv6的表项更新结果均为由目的端口、目的接口、目的机架和目的MAC地址组成，其格式相同，如表4所示：
表4 SRAM查表结果表项结构
Figure FDA0003246257510000023
单播查表结果共60位，存储在数据总线宽度为36位的SRAM中；
步骤(3)中，对同一个IPv4查表关键字搜索2次，分别搜索TCAM的前36位和后36位，以搜索到一个TCAM表项中的两个IPv4目的地址；
步骤(3)中，首先将输入报文的32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的前一半，送给TCAM进行搜索，得到一个搜索结果；然后再将该32位IPv4目的地址作为72位查表关键字的后一半送给TCAM进行搜索，得到另一搜索结果；比较这二个结果，取出其中的最长的结果作为SRAM的查表地址。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，在TCAM进行搜索之前还要完成对TCAM的初始化配置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，执行步骤(3)的搜索查表流程或步骤(2)的表项更新流程之后，再进入步骤(4)的数据选择流程：由TCAM存储搜索查表流程输出的查表地址，SRAM存储表项更新输出的表项。
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