CN1172493C - 网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对网络交换设备第三层交换芯片进行优化设置的方法。在第三层协议交换设备中，硬件转发通常利用主机路由表和网段路由表两个硬件转发表来进行三层交换，硬件表的大小和检索速度是影响三层交换性能的主要因素。本优化方法将原来放在网段路由表中的路由，选择一部分放进主机路由表中，让主机路由表承担一部分网段路由表的工作，让路由可以均衡地分布在两个硬件转发表中，使转发表的总体有效容量更大，从而提高交换系统性能。该方法适用于各种使用第三层协议交换的设备，比如多层交换机，高端路由器等IP转发设备。

Description

网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法

所属技术领域：

本发明涉及一种网络交换设备第三层交换芯片的优化设置方法，属于网络通信技术领域。

背景技术：

目前在互联网络协议(IP)网络中，高端路由器和三层交换机等IP转发设备通常通过硬件转发表来进行第三层协议的数据交换。美国专利5,898,689“Packetnetwork interface”就提出了ATM实现中的硬件转发机制，可以实现ATM的高速交换服务。参考网络交换设备硬件转发和软件转发的关系图，可以看到目前软件转发只有在硬件转发失败时才采用(参见图1)；而且软件转发将试图设置硬件转发表，使得下一次发送到同一目的数据包可以由此通过硬件进行转发；即硬件转发表起了相当于高速缓存的作用。

硬件转发表通常有两个，其中一个表按主机路由进行查询，称为主机路由表；另一个表按网段路由进行查询，称为网段路由表。如果硬件转发表中没有适当的路由信息，报文将无法通过硬件进行转发，必须将报文交软件做进一步处理。这时软件可能将必要的路由信息提交给硬件转发表，重新设置硬件转发表；也可能由于同样缺乏路由信息而抛弃这个报文。

在上述过程中，硬件转发表的大小和检索速度是影响第三层协议交换性能的主要原因之一，同时也在很大程度上影响了交换机的成本。从性能角度讲，不同级别的交换机对两个硬件转发表(主机路由表和网段路由表)容量的要求是不一样的：硬件转发表容量较大的设备可以运行在更大规模的网络上，更加接近核心层，但是这样的设备通常也较昂贵；相反如果硬件转发表的容量不能满足网络的要求，将会有很多无法通过硬件转发的报文提交软件处理，而由于硬件转发引擎的报文处理能力远远高于运行在中央处理器上的软件报文处理能力，所以如果硬件转发表容量不够，就会出现大量的报文涌入中央处理器的情况，导致其负载超出处理能力，影响整个设备的正常运行。

因此对不同级别的设备，需要选择不同的方案来设置硬件转发表，目前通常是由软件来自动实现对设置方案的优化。实际上，在具体应用中，对优化的要求十分复杂，而利用软件选择优化方案常常不能达到很好的效果。本方法是对网络交换设备第三层协议硬件转发表设置的一种优化方法，让管理员可以通过命令行指定对硬件转发表的优化方法，减少对表项的占用。

发明内容：

本发明针对硬件转发表容量不够的某些情况提出了一种优化方法。该方法可以在不改变硬件的情况下妥善解决因硬件转发表容量不够而造成中央处理器过载的情况。

在第三层协议网络交换设备中，两个硬件转发表(主机路由表和网段路由表)有各自的分工：主机路由表一般存放和本设备直接相连的第二层网络设备(如集线器，二层交换机)的路由；而网段路由表一般存放缺省路由或者某个网段的出口路由，因为这些路由表项往往涵盖整个广域网的所有设备，相当于数量很大的主机路由表项。在常见的几种芯片中主机路由表的规模都在几千到几万条之间；但是由于接入层设备的路由通常不是很多，所以网段路由表的规模通常在几十到几百条之间。

本优化方法的提出基于下面的事实：在实际使用中，转发设备的两个硬件转发表往往不会同时达到全满的状态；通常会有一个较空，而另一个可能已经超过负荷了。这包含下面两种情况：

1)主机路由表满了，但是网段路由表没有满；

2)网段路由表满了，但是主机路由表没有满。

其中第1)种情况不经常出现：因为主机路由表容量通常为几千个表项，而很少会有部门或企业的联网设备会超过千台的。如果这种情况真的出现，也不会都通过二层交换设备直接相连，因为这样的网络不但不易管理，而且物理连接也较难实现，性能也会因为广播包很多而比较差。

实际上一般大型的网络通常会按照部门或地理位置采取分而治之的方法，把邻近的设备划分在一起成为多个子网，这是比较合理的解决方式。在这种联网方式中比较容易产生第2)种情况：因为目前某些交换芯片(比如一些低端芯片)的硬件转发表中只包含16条网段表项，而在部门比较多的企业中划分的子网数目常常会超过这个数量，此时由于网段路由表的容量不够，就会有大量报文涌入中央处理器，从而导致其负载超出处理能力，影响整个设备的正常运行。

本方法针对第2)种情况，提出一种优化方法：

硬件转发引擎的设计不做修改；将原来放在网段路由表的路由，选择一部分放进主机路由表中；让主机路由表承担一部分网段路由表的工作，让路由可以均衡地分布在两个硬件转发表中。

提供一个命令行接口，让用户可以指定一组网段，将其作为优化设置的依据。在这些网段范围内的路由，都存放在主机路由表里。因为当指定的网段范围是本地网段时，效果较好，所以称保存这部分优化信息的结构为本地表。

当需要重新设置硬件转发表时，会按下面的方法进行优化：

对网段路由表的操作(参见图3网段路由表添加表项流程图)：

●本地表指定的网段都会设置到网段路由表中，并且指明这些网段不进行硬件转发，而是由软件处理。

●当向网段路由表添加路由时对目的路由地址进行检查，如果这些路由在本地表某个网段的范围内，则不添加到网段路由表，否则添加到网段路由表。

●网段路由表一般是和路由表同步更新的，当本地表更新时，也应该清空网段路由表中相关的表项，不添加本地表指定网段范围内的路由，同时添加本地表路由。

对主机路由表的操作(参见图1网络交换设备硬件转发和软件转发的关系图)：

●对主机路由表的维护通常是在IP数据包硬件转发没有命中时完成的，软件会按照IP报文应有的下一跳来设置主机路由表，让以后到这个目的IP的通讯可以通过主机路由表转发。

●本优化方法指明，如果报文的目的地址在本地表指明的网段内，就会占用主机路由表的表项，所以会比优化前多占用一些主机路由表。

●主机路由表一般采用老化机制删除表项。它的另一个更新方式是在网段路由表内容改变时，应该把主机路由表中相关的表项删除，以免产生主机路由表和网段路由表不一致的情况。当本地表的修改引起网段路由表的变化时，也同样要删除主机路由表中的相关表项。比如增加或删除10.0.0.0/8的网段路由表表项时，应该删除主机路由表中所有属于10.0.0.0/8网段的表项，这样当报文匹配了主机路由表中的已有表项时，就不会再匹配网段路由表表项。

本方法通过均衡使用主机路由表和网段路由表，有效地减少了网段路由表的路由数量，从而让这类网段路由表容量较小的三层交换设备可以适用在更加广泛的地方。

该优化方法容易使用，可以应用于IPV4和IPV6网络设备，可应用的设备形态包括IP网络内的各种使用三层交换芯片的设备，如三层交换机、高端路由器、IP网关等。

说明书附图说明：

图1网络交换设备硬件转发和软件转发的关系图

图2本地表添加表项流程图

图3网段路由表添加表项流程图

图4常见的组网方式例图

图5一个具体的网络组网图

具体实施方式：

下面结合实施例进一步说明本方法。

图4是接入层常见的一种组网方式。其中(1)代表广域网，(2)代表出口路由器，它的下行端口IP地址是89.5.24.2。(3)代表需要优化的接入设备，它下连了许多网段。(4.1)、(4.2)等代表196.168.0.0/24网段下面的子网，(5.1)、(5.2)等代表10.0.0.0/8网段下面的子网。在这个网络中，第三层接入设备下面连接了很多子网，并且通过一个缺省路由和广域网通信。子网的数量可以超过网段表的容量很多，在这种情况下本优化方法就比较适用。

如果我们把这台设备上的路由分一下类，可以分为3类：一类是到广域网的缺省路由，一类是192网段的直连路由，另一类是到10网段的直连路由。后两者又可以看成本地接入终端的集合，数量不会很多。如果这时的路由数量超过了网段路由表的容量，就可以采用本文描述的方法进行优化。优化方法是由管理员指定一部分网段，这些网段内的路由将放在主机路由表里。在这里，管理员可以指定192网段或10网段，或者两者同时指定。这样，网段路由表的表项数将降到3条，所有的转发都可以通过硬件完成。软件基本不进行转发工作，处理器占用率维持在一个比较低的水平上，网络速度十分稳定，局域网内部达到线速交换。

具体操作过程如下：

1)管理员通过命令指定两个网段：

10.0.0.0/8

192.168.0.0/24

2)按照上面描述的优化方案，优化后的网段路由表将只包含下面3条路由：

10.0.0.0/8，提交软件处理

192.168.0.0/24，提交软件处理

0.0.0.0/0，缺省路由，指向下一跳89.5.24.2

在某个具体网络中，参见图5，它描述了一个因为网段表容量不够而性能下降的网络实例。其中(1)代表广域网；(4)代表性能达不到要求的三层交换设备；(2)和(3)是和该交换机直连的服务器，它们各自占用一个网段；(5)是一个路由信息协议(RIP)域；(6)是另一个三层交换设备，(4)通过(6)学习并添加RIP路由；(7)、(8)、(9)代表交换机下面连接的子网。(4)的网段表最大容量为16条。这样如果在一个需要22条网段路由的环境下，则会大量使用软件转发，处理器的占用率很高，性能不稳定，用户经常反应无法登录。通常这种情况的解决方法是追加投资，更换一个更高级别的设备。而在采用本优化方法后，两个硬件转发表都会有空余，软件基本不进行转发工作，处理器占用率维持在一个比较低的水平上，网络速度十分稳定，局域网内部达到线速交换。

Claims (7)

1.一种对网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，交换芯片根据硬件转发表中的表项对报文进行路由；硬件转发表包含主机路由表和网段路由表两个，通常主机路由表存放和本设备直接相连的第二层网络设备的路由，网段路由表存放缺省路由或其它网段的出口路由；当两个硬件转发表中都没有相关的路由信息即硬件转发没有命中时，将报文提交软件进行处理；当软件中有相关的路由信息时，则按照该报文应有的下一跳来增添硬件转发表表项，让以后到这个目的地的报文都可以通过硬件转发表进行转发，否则因缺乏路由信息而抛弃这个报文；本方案的特征在于：将原来放在网段路由表的路由，优先选择一部分放进主机路由表，让主机路由表承担一部分网段路由表的工作，让路由可以均衡地分布在两个硬件转发表中。

2.根据权利要求1所述的网络设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于：提供一个命令行接口，让用户通过该命令行接口指定一组网段，将其作为优化设置的依据；在这些网段范围内的路由，都存放在主机路由表中。

3.根据权利要求2所述的网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于：用户根据特定网络的需求指定网段范围，称为本地网段，保存这部分信息的结构称为本地表。

4.根据权利要求3所述的网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于对主机路由表的操作增加：将本地表指定的网段的路由都按照主机路由处理，设置到主机路由表中。

5.根据权利要求4所述的网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于对网段路由表的操作增加：当向网段路由表添加路由时对目的路由地址进行检查，如果这些路由在本地表某个网段的范围内，则不添加到网段路由表，否则添加到网段路由表。

6.根据权利要求5所述的网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于对网段路由表的更新：当本地表更新时，清空网段路由表中相关的表项。

7.根据权利要求6所述的网络交换设备第三层交换芯片优化设置方法，其特征在于对主机路由表的更新：在网段表内容改变时，把主机路由表中相关的表项删除，以免产生主机路由表和网段表不一致的情况；当本地表的修改引起网段路由表的变化时，也同样要删除主机路由表中的相关表项。

Images