CN1708959A - 软件和硬件包流转发的方法、路由器或交换机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在宽带网络中通过包流转发工作的路由器或交换机。根据分层流转发(HFF)通过利用划分为至少硬件部分(22)、中间部分(24)和软件部分(26)的交互流表(20)，路由器提供了CPU交换软件流(12)和硬件交换加速流(10)，用于流转发。基于由时间周期确定的定期检查该表，并按照每个时间周期包数的比率对该表进行分类。在它的硬件部分(22、22a)中填充最高比率、中间部分(24、22a、26a)中填充中间比率以及软件部分(26)中填充最低比率。如果在先前检查中符合中间流(22a、26a)的那些包流仍然符合中间部分(24)，则将它们保留在其存储空间中。这防止了在表中间部分内存储空间(22a、26a)之间的交换，减轻了CPU的工作负荷。

Description

软件和硬件包流转发的方法、路由器或交换机
                      技术领域
本发明涉及在宽带网络中通过包流转发工作的具有中央处理器(CPU)交换软件流和硬件交换加速流的路由器或交换机及其方法。
                      背景技术
特定类型的接入交换路由器(ASR)利用专用集成电路(ASIC)用于宽带网络中的包转发，即硬件解决方案。ASIC在用于包流的其硬件加速转发表存储器中的条目数方面有所限制。这构成了关注具有复杂网络拓扑结构同时保持线速包转发的宽带路由器设计中的主要原因。
当设计例如用于Broadcom 56xx层交换转发ASIC的驱动器时，所有过滤规则都被静态地插入ASIC中。由于只有1024条规则可用，这显示出严重的限制，特别是在网络中运用高级策略和服务时。
用于包转发的较早版本规定路由器CPU通过RAM存储器控制该转发。这种解决方案传达了相对低的传输速度，并且对于CPU不通用，因为CPU经常忙于处理路由器的其它任务。
用于流转发的新一代路由器通过专门为了流转发而设计的ASIC引进了硬件加速流转发，以便将CPU从大量的工作负荷中解脱出来。这些ASIC仍然必须将具有内容可寻址存储器(CAM)表列表的CAM存储器(例如多达150000个地址条目)运用到诸如路由器、交换机、服务器等其它主要设备，用于在万维网中的流转发。这些存储器是非常昂贵的，因此增加了路由器的成本。
当代的路由器被提供了具有存储能力降低到例如200个地址的小CAM存储器的ASIC。因此，如果有许多通信量，则只有在硬件存储器中的那些地址会受益于硬件加速流转发，并且其它的受益于CPU软件控制的。
在具有有限硬件加速转发资源的系统中，不能获得完整的流交换，仅仅因为在硬件中没有足够的可用空间用于流条目。由于流的硬件加速对CPU转发包具有明显的性能优势，所以硬件资源的缺乏可能导致性能问题或限制硬件结构的可用性，导致有限的加速能力。
                      发明内容
本发明目的在于通过引进分层流转发(HFF)交换(这是用于本发明的工作名称)来提高现有硬件流转发。
为了实现其目的和目标，本发明提出了在宽带网络中通过包流转发工作的路由器或交换机。因此它包括中央处理器交换软件流和硬件交换加速流。它还包括：
硬件装置和软件装置，用于通过路由器或交换机外出端口对包进行流转发交换；
连接到硬件装置用于存储具有有限存储能力的硬件流转发表的存储装置；
连接到中央处理器装置并通过中央处理器工作的用于存储相关存储能力的软件流转发表的存储装置；
用于存储装置的交互表条目列表，具有用于存储装置中存储器空间的至少硬件部分指定、中间部分指定和软件部分指定中的交互表的分区，用于条目的流转发，由此中间部分以存储空间的预定分配指定两个存储装置中的可用存储空间；
用于基于由时间周期确定的定期检查交互表，并按照每个时间周期包数的比率进行分类，在交互表的硬件部分中填充最高比率、中间部分中填充中间比率以及软件部分中填充最低比率，并且如果在先前检查中符合中间流的那些包流仍然符合中间部分，则让它们保留在其存储空间中，从而防止在表的中间部分内的存储空间指定之间的交换来减轻中央处理器的工作负荷的装置；以及
用于将交互表条目列表分别存储在用于存储硬件流转发表的存储装置和用于存储软件流转发表的存储装置中的装置。
在一个实施例中，交互表被提供了下部的刷新部分，指定要从所述表中删除的存储空间占用。
另一实施例包括：设置根据系统配置或其它原因总是应该硬件加速的预定特定流，以匹配要被如此识别的包标题信息。
又一实施例包括：相对于系统路由表检验每个流条目，以确定是否在除创建流条目时所用的路由以外的别处存在到终点的新路由。
再一实施例包括：如果到目的地的路由已经改变，则刷新流条目，确保当所述流中的下一个包出现时重新学习它，这使得能够为新的包路径正确处理包过滤器、重新优先化或类似操作。
本发明还提出了一种方法，用于在宽带网络中通过包流转发工作的具有中央处理器交换软件流和硬件交换加速流的路由器或交换机。所述方法包括如下步骤：
提供用于通过路由器或交换机外出端口对包进行流转发交换的硬件装置和软件装置；
提供连接到硬件装置用于存储具有有限存储能力的硬件流转发表的存储装置；
提供连接到中央处理器装置并通过中央处理器工作的用于存储相关存储能力的软件流转发表的存储装置；
提供用于存储装置的交互表条目列表，具有用于存储装置中存储空间的至少硬件部分指定、中间部分指定和软件部分指定中的交互表的分区，用于条目的流转发，由此中间部分以存储空间的预定分配来指定两个存储装置中的可用存储空间；
基于由时间周期确定的定期检查交互表，并按照每个时间周期包数的比率进行分类，在交互表的硬件部分中填充最高比率、中间部分中填充中间比率以及软件部分中填充最低比率，并且如果在先前检查中符合中间流的那些包流仍然符合中间部分，则让它们保留在其存储空间中，从而防止表的中间部分内的存储空间指定之间的交换，减轻中央处理器的工作负荷；以及
将交互表条目列表分别存储在用于存储硬件流转发表的存储装置和用于存储软件流转发表的存储装置中。
在所附独立方法权利要求中阐述了本发明方法的其它实施例，这些权利要求对应于所描述的路由器或交换机实施例。
                     附图说明
之后，在以下的描述中，参考附图以便用其给出的示例和实施例更好地理解本发明，附图中：
图1示意性地说明了根据本发明的流转发硬件路径和CPU软件路径；以及
图2示意性地说明了根据本发明划分的流转发表。
                     具体实施方式
为了能够更容易地理解本发明的分层流转发(HFF)交换的概念，有必要理解流交换的原理。
在TCP/IP通信中，通信以流的方式进行。流是在两个通信主机之间以单向流过网络的相关包的序列。词语“相关”是关键词，即传输的包彼此相关。
用IP通信的最常用形式是利用开放系统互连(OSI)传输层协议用户数据报协议(UDP)或传输控制协议(TCP)。这两个协议包含唯一标识符(称为端口号)，其标识两个通信主机的每一个中的通信软件。找到用于两个主机之间任何特定通信的标识符的唯一元组，连同在IP标题中找到的源和目的IP地址和协议号，以及在UDP或TCP标题中的源和目的端口。即使两个主机具有两个用同一协议的同时通信，至少源或目的端口也不同。
这个信息可用于对转发硬件(诸如ASIC或ASIC所用的CAM表或网络处理器)编程以执行包转发。基本思想是：无论包何时进入，都检查用于该包的由五元组组成的流条目是否存在，并且如果存在，则使硬件能够转发该包，无需在CPU中处理它。如果流条目不存在，则将该包转发到CPU，用于进一步分析。在本发明的一个实施例中，五元组是IP src(源)端口、IP dst(目的)端口、协议类型(诸如TCP、UDP、ICMP等)、协议src端口和协议dst端口。
分析可包括用于记帐和/或统计目的的核算信息的收集、确定许可、防火墙过滤器和包检查、包类型的再分类、包的优先化和其它操作。一旦CPU已经确定应该怎样处理包，它就可以或不可以对转发硬件重新编程以接受该包。在更强大的系统中，这可以包括硬件对流中的随后包的其它自动化操作。
重要的结果是，在大多数情况下只有属于同一流的任一包序列中的第一个包才必须由CPU检查。所有其它包由硬件处理，从而为其它任务节省了CPU中有价值的处理周期。该结果不仅在核算、过滤和转发上是线速质量，而且即使能力差的硬件解决方案也能够用于高速通信。
在具有有限硬件加速转发资源的系统中，不能获得完整的流交换，仅仅因为在硬件中没有足够的可用空间用于流条目。由于流的硬件加速对CPU转发包具有明显的性能优势，所以硬件资源的缺乏可能由于有限的加速能力导致性能问题或限制硬件结构的可用性。
对于在网络环境中有效工作的系统，应该将最有效的流(具有最大通信量的流)优先列入硬件中，而较少通信量或重要性的其它流(例如次优先的)应该由CPU处理。
根据本发明的HFF中的基本概念是让CPU转发所有包并将硬件用作加速器。
根据本发明在交换ASIC中具有有限硬件转发条目的路由器中的线速转发问题的解决方案，是典型的IPv4五元组多层流交换算法的修改版，这里称为分层流转发(HFF)交换。
图1示意性地说明了根据本发明的路由器或交换机中的流转发硬件路径10和CPU软件路径12。如图1所示，包(P)在“开始”处进入系统。该包P通过硬件接收并到达判定点A。在判定点A，对于P的流条目查阅硬件转发表(未示出)。如果不存在条目，则默认该包转发到CPU1。在CPU1，查阅软件流缓存(未示出)以确定该包是否为CPU交换流的一部分。如果流条目存在，则将该包转发到CPU2。如果不存在用于该包的软件流条目，则将该包确定为新流的第一个包。包P必须与任何配置的过滤器或其它策略匹配，以确定该包是否应该被转发。如果要转发该包，则在将该包转发到CPU2之前创建适当的软件流条目。否则丢弃该包。
在CPU2，为外出(出口)队列准备包P。执行任何适当的标题操作，并将该包在外出端口上排队。增加流表中用于流的包计数器。相反，如果在表中存在硬件转发条目，则将该包转发到硬件1(HW1)。在HW1，在将该包转发到硬件2(HW2)之前，该包可能受任何硬件特征诸如过滤、优先化、再着色、路由表/CAM、查找表、标题操作或其它活动的影响。在HW2，在将该包在外出端口上排队之前，分析该包用于硬件流表中的流计数器更新。增加流表中用于流的包计数器。
再着色类似于优先化，并且是用于改变包的优先值的技术术语。
在B处，硬件运行端口的外出队列，并传输任何等待的包。诸如速率限制、包过滤、核算、再着色、优先化等操作的顺序，可取决于所用的硬件结构，但那并不改变允许流根据流的当前通信量速率在硬件和软件流缓存之间移动的算法的基本原理。
根据本发明在宽带网络中的路由器或交换机被提供了CPU交换软件流12和硬件交换加速流10。该路由器或交换机包括硬件装置和软件装置，用于通过路由器的外出端口对包进行流转发交换。硬件装置具有连接的存储装置，用于存储具有有限存储能力的硬件流转发表。存储软件流转发表的存储装置连接到CPU装置。
现在参考图2，图2示意性地说明了根据本发明划分的交互流转发表20或流缓存。在本发明的这个实施例中，保留了如图2的流表20，该表记住了用于硬件和软件的流条目。表的上部被指定用于通过硬件流表部分22的硬件流路径10。这个部分下面是软件流表部分26和刷新区部分28。
根据本发明，创建表20的中间部分24(图2中的虚线矩形)。这个中间部分24交叠了表20的硬件部分22和软件部分26。交叠的硬件部分22a指定用于流转发的硬件存储条目，并且交叠的软件部分26a指定用于流转发的软件存储条目。从图2中可以看出，中间部分24的引进具有相对于硬件和软件流转发存储空间指定的交互部分22a和26a。
利用刷新部分28删除没有呈现任何正在进行的通信量的条目。如果没有删除在刷新部分28中的条目，则流表20会无限增长，因为可能的流组合数是到对于所有可能协议的所有数十亿可能的端口号组合的所有可能的IP地址。因此，可用的存储空间不充分足够，并且必须将在一段时间内没有呈现任何通信量的存储流从表中清除，以使它们不分配整个存储器。
当本发明用在具有有限硬件资源的系统中时，硬件流表部分22、22a不大于可用硬件允许的，而软件流表部分26、26a可以是可用硬件允许的许多倍，只受所用路由器或交换机的系统性能的限制。
表20指定CPU控制存储空间28、26、26a(诸如RAM存储器)从表的底部到指向硬件和软件指定存储空间之间的界线的实线箭头，该界线位于中间部分24内将中间部分24分为两个不同类型的存储指定部分22a和26a，一部分26a指定软件存储空间，以及另一部分22a指定硬件存储空间。图2还用向上指的虚线箭头和字母HW指示了硬件存储指定空间22的方向，并用向下指的虚线箭头和字母SW指示了图2中表20的软件指定空间26。
例如，硬件指定存储空间22、22a可以是CAM型，并且软件指定空间26、26a可以是RAM型。因此，从图2中可以看出，中间部分24指定了硬件22a和软件26a存储空间。
要理解，应该设计中间部分24，以使路由器根据流转发的通信量情况执行最佳可能的，由此在中间部分内硬件和软件指定存储空间22a、26a之间的比率可随应用的不同而不同。
例如，如果在例如ASIC中用于流转发的硬件加速存储器表可保持200个条目，则整个流表存储器可能是5000个条目那么大。中间部分24的大小以及刷新部分28的大小都取决于路由器系统的实际状态。为了使性能最大化，硬件指定流表22、22a应该包含最有效的流，从而将最强的包转发移到硬件HW1、HW2。这是通过定期例如每秒(或另一个合适的时间周期)一次检查现有交互流表20并基于在每个流中确定的每秒(或其它时间周期)的包数对表20进行分类而获得的。
本发明应用基于由时间周期确定的定期检查交互表20的装置。根据每个时间周期包数的比率实现分类，并在表20的硬件部分22、22a中填充最高比率。从图2中显而易见，中间部分24中的一部分中间比率也被指定了硬件存储空间，中间部分的另一部分被指定了软件存储空间26a，以及最低比率被指定了中间部分24中的软件部分26a下面的软件存储空间26。
如果根据本发明在先前检查中符合中间部分24流的包流仍然符合中间部分24，则将它们保留在其指定存储空间中，这防止了在表20的中间部分24内存储空间指定22a和26a之间的交换，从而减轻了CPU的工作负荷。这意味着在中间部分24中的软件指定部分26a中将有用于包转发的存储空间指定，其具有比指定给硬件存储空间22a的那些更高的比率，用于包转发，但是由于它们仍取得中间比率的资格，所以它们会保留在软指定存储部分26a中。通过不必在表20的中间部分24中的存储指定空间22a和26a之间移动包流指定，本发明的这种方法减轻了路由器或交换机中CPU的工作负荷。
在检验表之后，通过用于存储交互表20条目列表的装置，将交互表20条目列表分别存储在用于存储硬件流转发表的存储装置(例如CAM)和用于存储软件流转发表的存储装置(例如RAM)中。
因此，将最有效的流分类在表20的顶部，而最无效的流分类在表的底部。在分类表中填充表22的硬件流部分可用的空位/空间的那些条目会被安装在硬件中。不改变匹配指定为中间部分24流的空位的流。如果它们在硬件部分22a中，则它们保留在硬件中。如果它们在软件部分26a中，则它们保留在软件中。这使根据图1的硬件和软件路径之间来回移动的条目的摆动/交换最小化。
中间部分以下的流被安装在表20的软件流部分中，并且最后，位于刷新部分28中的底部条目会从路由器中删除。这些条目表示没有活性的流。
如果根据系统配置或其它原因特定流总是应该硬件加速，则当加速时匹配控制标题信息用于识别。为了能够为特定包流建立永久硬件流，它涉及在应该匹配用于永久流建立的包标题中定义字段，例如二进制或十六进制。所用的字段例如可以是协议源/目的地址、特定协议标志等。
还相对于系统路由表检查每个流条目，以确定是否在除创建流条目时所用的路由以外的别处存在到终点的新路由。如果到目的地的路由已经改变，则刷新流条目以确保当流中的下一个包出现时它被重新学习。这允许为新的包路径正确处理任何包过滤器、重新优先化或类似操作。
要理解，整个发明描述中所提到的装置如果没有特别命名则是软件装置、硬件装置或它们的结合。
根据所附的权利要求项，本发明的进一步实施例会显而易见。

Claims (10)

1.一种在宽带网络中通过包流转发工作的路由器或交换机，具有中央处理器交换软件流(12)和硬件交换加速流(10)，其特征在于：包括：
硬件装置(HW1、HW2)和软件装置，用于通过路由器外出端口对包进行流转发交换(10、12)；
连接到所述硬件装置(HW1、HW2)用于存储具有有限存储能力的硬件流转发表的存储装置；
连接到中央处理器装置(CPU1、CPU2)并通过中央处理器工作的用于存储相关存储能力的软件流转发表的存储装置；
用于所述存储装置的交互表(20)条目列表，具有用于所述存储装置中存储空间的至少硬件部分指定(22)、中间部分指定(24)和软件部分指定(26)中的所述交互表的分区，用于条目的流转发，由此所述中间部分(24)以存储空间的预定分配来指定两个所述存储装置中的可用存储空间(22a、26a)；
用于基于由时间周期确定的定期检查所述交互表(20)，并按照每个时间周期包数的比率进行分类，在所述交互表(20)的所述硬件部分(22、22a)中填充最高比率、所述中间部分(24、22a、26a)中填充中间比率以及所述软件部分(26)中填充最低比率，并且如果在先前检查中符合中间流(24)的那些包流仍然符合所述中间部分(24)，则让它们保留在其存储空间中，从而防止在所述表(20)的所述中间部分(24)内存储空间指定(22a、26a)之间的交换来减轻所述中央处理器的工作负荷的装置；以及
用于将所述交互表(20)条目列表分别存储在用于存储硬件流转发表的所述存储装置和用于存储软件流转发表的所述存储装置中的装置。
2.如权利要求1所述的路由器，其特征在于：所述交互表被提供了下部的刷新部分(28)，指定要从表(20)中删除的存储空间占用。
3.如权利要求1或2所述的路由器，其特征在于：设置根据系统配置或其他原因总是应该硬件加速(10)的预定特定流，以匹配要被如此识别的包标题信息。
4.如权利要求1-3所述的路由器，其特征在于：相对于系统路由表检验每个流条目，以确定是否在除创建所述流条目时所用的路由以外的别处存在到终点的新路由。
5.如权利要求4所述的路由器，其特征在于：如果到目的地的所述路由已经改变，则刷新所述流条目，确保当所述流中的下一个包出现时重新学习它，这使得能够为新的包路径正确处理包过滤器、重新优先化或类似操作。
6.一种用于在宽带网络中通过包流转发工作的具有中央处理器交换软件流(12)和硬件交换加速流(10)的路由器的方法，其特征在于：包括如下步骤：
提供用于通过路由器外出端口对包进行流转发交换(10、12)的硬件装置(HW1、HW2)和软件装置；
提供连接到所述硬件装置(HW1、HW2)用于存储具有有限存储能力的硬件流转发表的存储装置；
提供连接到中央处理器装置(CPU1、CPU2)并通过中央处理器工作的用于存储相关存储能力的软件流转发表的存储装置；
提供用于所述存储装置的交互表(20)条目列表，具有用于所述存储装置中存储空间的至少硬件部分指定(22)、中间部分指定(24)和软件部分指定(26)中的所述交互表的分区，用于条目的流转发，由此所述中间部分(24)以存储空间的预定分配来指定两个所述存储装置中的可用存储空间(22a，26a)；
基于由时间周期确定的定期检查所述交互表(20)，并按照每个时间周期包数的比率进行分类，在所述交互表(20)的所述硬件部分(22、22a)中填充最高比率、所述中间部分(24、22a、26a)中填充中间比率以及所述软件部分(26)中填充最低比率，并且如果在先前检查中符合中间流(24)的那些包流仍然符合所述中间部分(24)，则让它们保留在其存储空间中，从而防止在所述表(20)的所述中间部分(24)内的存储空间指定(22a、26a)之间的交换，减轻所述中央处理器的工作负荷；以及
将所述交互表(20)条目列表分别存储在用于存储硬件流转发表的所述存储装置和用于存储软件流转发表的所述存储装置中。
7.如权利要求6所述的用于路由器的方法，其特征在于：所述交互表被提供了下部的刷新部分(28)，指定要从表(20)中删除的存储空间占用。
8.如权利要求6或7所述的用于路由器的方法，其特征在于：设置根据系统配置或其他原因总是应该硬件加速(10)的预定特定流，以匹配要被如此识别的包标题信息。
9.如权利要求6-8所述的用于路由器的方法，其特征在于：相对于系统路由表检验每个流条目，以确定是否在除创建所述流条目时所用的路由以外的别处存在到终点的新路由。
10.如权利要求9所述的用于路由器的方法，其特征在于：如果到目的地的所述路由已经改变，则刷新所述流条目，确保当所述流中的下一个包出现时重新学习它，这使能够为新的包路径正确处理包过滤器、重新优先化或类似操作。
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