CN1728683A - 支持IPv6单组播业务线速转发的方法及路由器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种支持IPv6单组播业务线速转发的方法，对线路接口模块输出的报文先进行缓存，之后输出控制单元读取缓存的报文，将该报文的报头写入报头检查单元，生成单播查表关键字进行单播查表，生成组播查表关键字进行组播查表，并将该报文写入报头处理缓存先入先出寄存器。组播RPF检查单元用单播查表结果或组播查表结果和该报文得出RPF检查结果；逻辑仲裁单元综合报头检查结果、单播查表结果、组播查表结果、组播RPF检查结果，生成内部上报报头或内部转发报头；由内部报文生成单元用该内部报头将该报文重新封装后，生成上报报文送入主控模块；生成转发报文送入交换网络。本发明同时提供了一种应用上述方法的IPv6路由器。

Description

支持IPv6单组播业务线速转发的方法及路由器

技术领域

本发明涉及一种IPv6(Internet Protocol Version 6，第6版因特网协议)路由器中基于硬件的线速转发方法，尤其涉及一种对IPv6单播和组播业务进行线速转发的方法。

背景技术

IPv6是下一代互联网的网际协议，与现在的IPv4网际协议相比，IPv6支持资源分配，具有更大的地址空间、更好的报头格式和更多的安全性等优势。IPv6除了支持传统的点到点的播送，即单播外，还通过定义范围实现了多点播送，即组播。这就要求IPv6网络中的路由器同时支持单播和组播，而如何用更少的资源和更简单的控制实现这一功能，便成为路由器设计的重要环节。

图1所示为路由器的典型结构。线路接口模块10接收进入路由器的IP(Internet Protocol，网际协议)报文，在报头添加供本路由器处理该报文所需的内部输入标签后，将报文转给转发引擎20。转发引擎20对该报文进行第三层查表和报头处理等操作，包括提取IP报头，根据报文类型分别进行单播查表、组播查表、安全过滤查表、优先级映射查表以及报头本身的报头检查，并根据操作结果生成对报文的处理方式，包括：只对报文进行转发，只对报文进行上报、转发并上报报文和丢弃当前报文等四种操作方式，其中对转发报文和上报报文还需要根据操作结果生成相应的内部转发标签和内部上报标签，贴于报文的头部，供交换网络30或主控模块40识别。之后，转发引擎20将上报报文发送到主控模块40；将转发报文发送到交换网络30，交换网络30根据报文的内部转发标签将该报文送到相应的输出调度模块50，输出调度模块50将报文封装为标准IP报文，并通过线路接口模块10输出。

可见，在路由器中最核心的部件为转发引擎20。对同时处理单播和组播报文的转发引擎20，现有的技术采用单播报头处理和组播报头处理两个独立的模块来实现转发引擎20对单组播业务线速转发的支持，典型结构如图2所示。

图2中，对经线路接口模块10输入到转发引擎20的报文首先进行缓存，然后由输出分路进行报文类型的判断。若当前处理的报文类型是单播报文，则生成单播查表关键字，向单播查表单元发送基于目的IP地址的单播查表请求，同时将报文读取后写入单播报头处理的单播缓存FIFO(First In First Out，先入先出寄存器)。

单播查表单元包括单播CAM(Content Addressable Memory，内容寻址存储器)和单播SRAM(Static Random Access Memory，静态随机访问存储器)，采用流水线结构。

在得出单播查表结果的同时，报头检查单元检查报头中的版本号、TTL(Time-to-Live，存活时间)超时、报文长度和地址范围等是否有错误。之后，逻辑仲裁单元根据报头检查和单播查表结果按照IPv6单播报文的相关RFC(Request for Comments)协议生成报文四种处理方式，包括只对报文进行转发、只对报文进行上报和转发同时上报报文以及丢弃报文。逻辑仲裁单元对于需转发的报文，生成内部转发报头；对于需上报的报文，生成内部上报报头。内部报文生成单元从单播缓存FIFO中读取报文的报头，用逻辑仲裁单元生成的新报头进行替换，并写入与报头相应的单播上报分组缓存FIFO或单播转发分组缓存FIFO。

若当前处理的报文类型是组播报文，在PIM-DM(Protocol IndependentMulticast-Dense Mode，协议无关组播协议-密集模式)组播协议模式下，需要首先进行组播RPF(Reversal Path Forwarding，反向路径转发)检查，即进行基于报文源IP地址的单播查表，比较查表结果和报文的源端口号和源接口号是否一致，产生RPF检查的结果，如果一致，RPF检查通过；否则，RPF检查失败，当前报文不进行转发，产生RPF检查失败的上报ICMP(InternetControl Message Protocol，Internet控制消息协议)报文。所以对于组播报文，需要同时生成组播查表关键字和单播查表关键字，分别送往单播查表单元和组播查表单元，同时将报文读取后写入组播报头处理的组播缓存FIFO。在PIM-SM(Protocol Independent Multicast-Sparse Mode，协议相关组播协议-松散模式)协议模式下，只需要生成组播查表关键字，可以利用PIM-SM组播查表结果的RPF项进行组播RPF检查。

组播查表单元也包括组播CAM和组播SRAM，同样采用流水线结构。

对于组播报头处理单元，将取出的单播查表结果进行组播RPF检查，在组播的报头检查中，除了进行单播报文中的检查外，还要进行组播直连检查，该检查就是将组播报文的源IP地址子网号和与当前报文源接口相连的子网号进行比较，如果一致，则当前报文为直连组播包，产生上报ICMP报文；否则，非直连组播包，不进行上报操作。之后，逻辑仲裁单元根据报头检查和组播查表结果按照IPv6组播报文的相关RFC协议生成报文的四种处理方式，内部转发报头和内部上报报头的生成，以及内部报文生成单元的工作方式和过程均与单播的处理机制相同。

转发分组合路完成单播转发分组和组播转发分组的合路操作，从两路数据中选择一路送入交换网络30，由交换网络30将其送到相应的输出端口。上报分组合路完成单播上报分组和组播上报分组的合路操作，从两路数据中选择一路送入主控模块40，由主控模块40进行相应的协议处理。

从以上对现有技术工作过程的介绍中可以看出，现有技术具有以下缺点：

首先，设计中对单播和组播报头处理要分别实现基于输入和输出的缓存，设计中一般每个缓存FIFO至少需要能够缓存一个最长的IP包，通常为2K字节，因而需要大量的RAM资源来实现对报文的缓存；

其次，报头检查等通用的功能单元需要在单播和组播报头处理中重复实现，同时由于单播和组播报头处理采用独立的单元进行实现，相当于各种逻辑资源需要两倍；

第三，需要实现基于报文类型(单播或组播)的分路操作，以及单播转发分组和组播转发分组的合路操作以及单播上报分组和组播上报分组的合路操作。

因此，现有技术对单组播线速转发的实现不仅需要更多元件，而且逻辑结构复杂，造成路由器逻辑控制复杂，在实际运行中稳定性不高，而且制造成本高。

发明内容

为了解决先前IPv6路由器元件功能重复、逻辑控制复杂的问题，本发明提供了一种支持IPv6单组播业务线速转发的方法及应用该方法的路由器，具有更低的成本和更高的稳定性。

本发明所述支持IPv6单组播业务线速转发的方法包括以下步骤：

a.对线路接口模块输出的报文先进行缓存，之后输出控制单元读取缓存的报文，将该报文的报头写入报头检查单元，生成单播查表关键字写入单播查表单元，生成组播查表关键字写入组播查表单元，并将该报文写入报头处理缓存先入先出寄存器；

b.单播查表单元对所述单播查表关键字进行查表得出单播查表结果，组播查表单元对所述组播查表关键字进行查表得出组播查表结果；

c.报头检查单元对所述报文的报头进行检查得出报头检查结果；

d.组播RPF检查单元根据单播查表结果或组播查表结果和从缓存先入先出寄存器读出的所述报文得出RPF检查结果；

e.逻辑仲裁单元根据报头检查结果、单播查表结果、组播查表结果、组播RPF检查结果，生成内部上报报头或内部转发报头；

f.内部报文生成单元用逻辑仲裁单元生成的所述内部报头将从缓存先入先出寄存器读入的所述报文重新封装后，生成上报报文写入上报分组缓存先入先出寄存器，之后送入主控模块；生成转发报文写入转发分组缓存先入先出寄存器，之后送入交换网络。

为了实现上述各个步骤，在步骤a之前应将线路接口模块设置为在所述输出报文上添加包含报文类型的内部标签。

在上述步骤c中，同时完成了IPv6协议中的组播直连检查。

步骤c中的组播直连检查的方式是：所述报头检查单元根据报头中的报文类型标签判断当前报文是单播报文还是组播报文，是单播报文则将组播直连检查的结果置为无效；是组播报文则进行组播直连检查。

上述步骤d中，所述组播RPF检查单元根据从缓存先入先出寄存器中读取所述报文报头中的报文类型标签，是单播报文则将RPF检查通过置为有效；是组播报文则用单播查表结果进行RPF检查。

上述步骤e可以进一步分解为以下各步：

e1.判断所述报文是单播报文还是组播报文，如果所述报文是单播报文，则进入步骤e2；如果所述报文是组播报文，则进入步骤e3；

e2.若报头检查未通过，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表未命中，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表命中，则生成内部转发报头；

e3.若报头检查未通过，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表未命中，则丢弃当前报文；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查失败，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为直连组播报文，则按照RFC相关协议生成内部上报报头，同时生成内部转发报头；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为非直连组播报文，则生成内部转发报头。

本发明同时提供了一种IPv6路由器，其基本结构与现有技术的路由器相同，包括线路接口模块、转发引擎、交换网络、主控模块、输出调度模块。本发明的特征在于转发引擎包括下列模块：

转发引擎输入缓存先入先出寄存器，用于缓存线路接口模块输入的报文；

输出控制模块，用于读取缓存的报文，将该报文的报头写入报头检查模块，生成单播查表关键字写入单播查表模块，生成组播查表关键字写入组播查表模块，并将该报文写入报头处理缓存先入先出寄存器；

单播查表模块，用于对所述单播查表关键字进行查表得出单播查表结果；

组播查表模块，用于对所述组播查表关键字进行查表得出组播查表结果；

报头检查模块，对所述报文的报头进行检查得出报头检查结果；

组播RPF检查模块，用于根据单播查表结果或组播查表结果和从缓存先入先出寄存器读出的所述报文得出RPF检查结果；

逻辑仲裁模块，用于根据报头检查结果、单播查表结果、组播查表结果、组播RPF检查结果，生成内部上报报头或内部转发报头；

内部报文生成模块，用于用逻辑仲裁模块生成的所述内部报头将从缓存先入先出寄存器读入的所述报文重新封装后，生成上报报文写入上报分组缓存先入先出寄存器，之后送入主控模块；生成转发报文写入转发分组缓存先入先出寄存器，之后送入交换网络。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

首先，设计中采用单一的处理单元来同时支持单播和组播报文的报头处理，输入缓存FIFO、转发分组FIFO和上报分组FIFO都只需要一个，节省了一倍的缓存资源；

其次，由于本发明中对报头检查等通用逻辑进行了提取，对单播和组播的操作进行了统一的支持，只是内部转发标签和内部上报标签按照单播和组播分别实现，大量节省了设计中的逻辑资源；

第三，本发明不需要基于报文类型的分路操作，读取的报文不经过任何判决，直接写入后级的报头处理输入缓存FIFO，控制更为简单；

第四，不需要实现单播转发分组和组播转发分组的合路以及单播上报分组和组播上报分组的合路，简化了设计复杂度。

综上，本发明由于使用了较少的元件降低了路由器的制造成本，同时采用更为简单的逻辑控制，从而提高了路由器的运行稳定性。

附图说明

附图1所示为典型的路由器结构；

附图2所示为现有技术中将单播和组播报头分路处理的方法；

附图3是本发明所述统一处理单组播报头的方法；

附图4是本发明所述报头处理的判决工作流程图；

附图5是本发明所述由线路接口模块10添加标签后的内部报文格式；

附图6是本发明所述报文类型的各比特位的表征意义；

附图7是本发明所述内部报头生成单元产生的单播转发分组封装格式；

附图8是本发明所述内部报头生成单元产生的组播转发分组封装格式；

附图9是本发明所述内部报头生成单元产生的上报分组封装格式；

附图10是附图9中分组标志的各比特位含义。

具体实施方式

下面我们将结合附图，对本发明的优选实施方案进行详细描述。

本发明提供了一种IPv6路由器，其基本结构与现有的路由器相同，如图1所示。本发明的创新之处在于转发引擎20的实现方法，对于进入转发引擎20的报文，本发明将现有技术中单播报头处理和组播报头处理两个独立的模块合成为一个统一的报头处理单元，来同时支持单播报文和组播报文的转发，参见图3。为了实现统一报头处理单元对单播和组播业务转发的支持，对单播和组播的转发行为分析如下。

转发引擎20对单播和组播业务处理的相同点：

1.提取IP报头，并将相应的关键字送往查表单元CAM+SRAM；

2.对报头的报头检查(包括版本号、报文长度、TTL超时和地址范围等)；

3.根据查表结果和报头检查结果进行逻辑仲裁判决，生成报文的处理方式；

4.在生成报文的处理方式以后，都要由内部报文生成单元将报文贴上相应的内部报头，送到相应的缓存单元。

转发引擎20对单播和组播业务处理的不同点：

1.送到查表单元的关键字不同；

2.对组播报文除了单播所要求的报头检查以外，还要进行组播直连检查和RPF检查；

3.在生成报文的处理方式时，对直连组播报文除了正常转发该报文外，要产生组播直连上报ICMP报文；对RPF检查失败的组播报文，对该报文丢弃的同时产生RPF失败上报ICMP报文；

4.对单播报文和组播报文所生成的内部报头不同。

基于以上分析，本实施例基于单个报头处理单元支持单组播业务线速转发的方案如图3所示。

本实施例中，首先将线路接口模块10设置为将输出报文贴上包含源端口、源接口以及报文类型等数据的内部标签。报文从线路接口模块10送入转发引擎20后写入转发引擎输入缓存FIFO中，转发引擎20的输出控制单元21从转发引擎输入缓存FIFO中读取当前报文，并将读出的报头写入报头检查单元22，生成单播查表关键字写入单播查表单元，生成组播查表关键字写入组播查表单元，同时将读取的完整报文写入报头处理缓存FIFO23。所以在本发明中，报头检查和单播查表、组播查表是并行操作的。

报头检查单元22、单播查表单元、组播查表单元、组播RPF检查单元23、逻辑仲裁单元25的总体工作及判断的详细流程如图4所示。

本实施例中组播直连检查功能在报头检查单元22实现。报头检查单元22根据线路接口模块10添加的报文类型标签判别当前处理的报文类型是单播报文还是组播报文，如果是单播报文则直接将组播直连检查的结果置为无效；如果是组播报文，则用该报文的源端口号和源接口号进行直连子网查表，并将查表结果与报文的源IP地址前64位进行比较。若一致，则产生直连组播有效；若不一致，则产生直连组播无效。

为了实现对单播和组播报文的统一处理，本实施例中有一个独立的组播RPF检查单元24，在单播查表结果送入时，组播RPF检查单元24从报头处理缓存FIFO23中读出当前报文由线路接口模块10添加的内部标签，该标签携带了报文的源端口号、源接口号和报文类型等信息。内部标签格式如图5所示。其中63～61位表示报文类型，具体含义如图6所示。

如果组播RPF检查单元24从报头处理缓存FIFO23中读出的当前报文为组播报文，则用单播查表结果中的目的端口号和目的接口号或组播查表结果的RPF项与当前组播报文的源端口号和源接口号进行比较。如果一致，则将RPF检查通过置为有效；如果不一致，则将RPF检查通过置为无效。如果读出的当前报文为单播报文，则直接将RPF检查通过的置为有效，因为单播报文不需要RPF检查，不可能产生RPF检查失败的结果。

逻辑仲裁单元25在收到报头检查结果、组播RPF检查结果、单播查表结果以及组播查表结果之后，按照如下方式生成报文的处理方式：

1.当前报文为单播报文：

a)如果报头检查未通过，即有版本号、TTL超时、报文长度和地址范围等错误，则按照RFC相关协议生成上报分组的内部报头(只上报)；

b)如果报头检查通过，单播查表未命中，则按照RFC相关协议生成上报分组的内部报头(只上报)；

c)如果报头检查通过，单播查表命中，则按照转发标签格式生成转发分组的内部报头(只转发)。

2.当前报文为组播报文：

a)如果报头检查未通过，即有版本号、TTL超时、报文长度和地址范围等错误，则按照RFC相关协议生成上报分组的内部报头(只上报)；

b)如果报头检查通过，单播查表未命中，则丢弃当前报文(丢弃)；

c)如果报头检查通过，单播查表命中，RPF检查失败，则按照RFC相关协议生成上报分组的内部报头(只上报)；

d)如果报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为直连组播报文，则按照RFC相关协议生成上报分组的内部报头，同时按照转发标签格式生成转发分组的内部报头(转发并上报)；

e)如果报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为非直连组播报文，则按照转发标签格式生成转发分组的内部报头(只转发)。

图4中的安检结果，由查安全过滤表获得，本实施例中为了支持对IP报文的安全过滤，在对报文进行单播查表、组播查表的同时还可以实现安检查表以及优先级查表。

内部报文生成单元按照逻辑仲裁单元25送入的结果，分别生成转发分组内部报头和上报分组内部报头，并从报头处理缓存FIFO23中读取报文，用新的内部报头对报文重新封装，生成上报报文、转发报文、版本号差错报文、地址范围差错报文、超时差错报文、单播查表不中差错报文、组播查表未中协议报文、组播RPF失败协议报文、组播直连检查协议报文等，对应转发的报文写入后级的转发分组缓存FIFO，对应上报的报文写入后级的上报分组缓存FIFO。

在本实施例中，数据宽度采用64比特，其中61到63的3个比特为报文类型控制位，64和65比特为头尾标志，方便路由器内部实现基于包的处理。内部报文生成单元生成的单播转发分组报文的封装格式如图7所示，组播转发分组报文的封装格式如图8所示，上报协议分组报文的封装格式如图9所示。图9中的分组标志由报头检查结果、组播RPF检查结果以及安全过滤查表结果等生成，可采用如图10所示的格式。

本实施例是基于FPGA(Field Programable Gate Array，现场可编程门阵列)来设计的，在实际的工程实现中还可以采用基于NP(Network Processor，网络处理器)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit，特定应用集成电路)等来实现。

本实施例中是以64位数据总线来进行论述，具体实现中可以采用128等其他总线宽度。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种支持IPv6单组播业务线速转发的方法，应用于IPv6路由器，其特征在于，包括以下步骤：

a.对线路接口模块输出的报文先进行缓存，之后输出控制单元读取缓存的报文，将该报文的报头写入报头检查单元，生成单播查表关键字写入单播查表单元，生成组播查表关键字写入组播查表单元，并将该报文写入报头处理缓存先入先出寄存器；

b.单播查表单元对所述单播查表关键字进行查表得出单播查表结果，组播查表单元对所述组播查表关键字进行查表得出组播查表结果；

c.报头检查单元对所述报文的报头进行检查得出报头检查结果；

d.组播RPF检查单元根据单播查表结果或组播查表结果和从缓存先入先出寄存器读出的所述报文得出RPF检查结果；

e.逻辑仲裁单元根据报头检查结果、单播查表结果、组播查表结果、组播RPF检查结果，生成内部上报报头或内部转发报头；

f.内部报文生成单元用逻辑仲裁单元生成的所述内部报头将从缓存先入先出寄存器读入的所述报文重新封装后，生成上报报文写入上报分组缓存先入先出寄存器，之后送入主控模块；生成转发报文写入转发分组缓存先入先出寄存器，之后送入交换网络。

2.按照权利要求1所述的支持IPv6单组播业务线速转发的方法，其特征在于：在所述步骤a之前，将线路接口模块设置为在所述输出报文上添加包含报文类型的内部标签。

3.按照权利要求2所述的支持IPv6单组播业务线速转发的方法，其特征在于：所述步骤c中还包括组播直连检查。

4.按照权利要求3所述支持IPv6单组播业务线速转发的方法，其特征在于：所述报头检查单元根据报头中的报文类型标签判断当前报文是单播报文还是组播报文，是单播报文则将组播直连检查的结果置为无效；是组播报文则进行组播直连检查。

5.按照权利要求2所述的支持IPv6单组播业务线速转发的方法，其特征在于：所述步骤d中，所述组播RPF检查单元根据从缓存先入先出寄存器中读取所述报文报头中的报文类型标签，是单播报文则将RPF检查通过置为有效；是组播报文则用单播查表结果进行RPF检查。

6.按照权利要求1所述的支持IPv6单组播业务线速转发的方法，其特征在于：所述步骤e具体包括：

e1.判断所述报文是单播报文还是组播报文，如果所述报文是单播报文，则进入步骤e2；如果所述报文是组播报文，则进入步骤e3；

e2.若报头检查未通过，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表未命中，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表命中，则生成内部转发报头；

e3.若报头检查未通过，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表未命中，则丢弃当前报文；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查失败，则按照RFC相关协议生成内部上报报头；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为直连组播报文，则按照RFC相关协议生成内部上报报头，同时生成内部转发报头；若报头检查通过，单播查表命中，RPF检查通过，同时为非直连组播报文，则生成内部转发报头。

7.一种IPv6路由器，包括线路接口模块、转发引擎、交换网络、主控模块、输出调度模块，其特征在于，所述转发引擎包括以下模块：

转发引擎输入缓存先入先出寄存器，用于缓存线路接口模块输入的报文；

输出控制模块，用于读取缓存的报文，将该报文的报头写入报头检查模块，生成单播查表关键字写入单播查表模块，生成组播查表关键字写入组播查表模块，并将该报文写入报头处理缓存先入先出寄存器；

单播查表模块，用于对所述单播查表关键字进行查表得出单播查表结果；

组播查表模块，用于对所述组播查表关键字进行查表得出组播查表结果；

报头检查模块，用于对所述报文的报头进行检查得出报头检查结果；

组播RPF检查模块，用于根据单播查表结果或组播查表结果和从缓存先入先出寄存器读出的所述报文得出RPF检查结果；

逻辑仲裁模块，用于根据报头检查结果、单播查表结果、组播查表结果、组播RPF检查结果，生成内部上报报头或内部转发报头；

内部报文生成模块，用于用逻辑仲裁模块生成的所述内部报头将从缓存先入先出寄存器读入的所述报文重新封装后，生成上报报文写入上报分组缓存先入先出寄存器，之后送入主控模块；生成转发报文写入转发分组缓存先入先出寄存器，之后送入交换网络。

Images