流水技術(shù)用于提升路由器性能的分析與研究論文

流水技術(shù)用于提升路由器性能的分析與研究學(xué)生：（指導(dǎo)老師：）（淮南師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院）摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和各種類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn)，使得網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量受到了巨大的挑戰(zhàn)和關(guān)注，許多研究人員發(fā)現(xiàn)單純的加大帶寬并不能解決這個(gè)問題。由此觀之，路由設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)首要連接器件。它的性能將即刻反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。本文是在流水技術(shù)方面做了探究的。其最重要的目標(biāo)是來增加路由器的性能。在路由器的高速轉(zhuǎn)發(fā)過程中，著重研究流水技術(shù)的應(yīng)用。關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)引擎在速度進(jìn)展方面，它對其進(jìn)行了透徹的研究。提升轉(zhuǎn)發(fā)引擎必須面對困境。通過應(yīng)用多種方法（多種辦法里包括TCAM等方法），為高速轉(zhuǎn)發(fā)引擎指出了新的思想——流水線機(jī)制的高速轉(zhuǎn)發(fā)引擎。這種方法能增多路由器的性能。從而能夠解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的問題，讓路由器不再成為是制約網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)口和約束。關(guān)鍵字：路由器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量高速轉(zhuǎn)發(fā)引擎流水技術(shù)并行流水技術(shù)WatertechnologyisusedtoimprovetheperformanceofrouteranalysisandresearchStudent:(FacultyAdviser：)(Huainannormaluniversitycomputercollege)Abstract:WiththeadventofInternettechnologyandvarioustypesofnetworkapplications,sonetworkqualityofservicehasbeenahugechallengeandconcern,manyresearchershavefoundasimpleincreasebandwidthdoesnotsolvethisproblem.Fromthisperspective,theroutingdeviceistheprimarynetworkconnectiondevices.Itsperformancewillbeimmediatereactionnetworkqualityofservice.Thisarticleismadeinquiryinwatertechnology.Itsmostimportantgoalistoincreasetheperformanceoftherouter.Inthehigh-speedrouterforwardingprocess,focusingonapplicationofwatertechnologies.Aboutforwardingenginespeedprogress,itwascarriedoutthoroughresearch.Enhancetheforwardingenginemustfacedifficulties.Byusingavarietyofmethods(avarietyofapproachesinothermethodsincludingTCAM),high-speedforwardingenginepointedoutnewideas-pipeliningofhigh-speedforwardingengine.Thismethodcanincreasetheperformanceoftherouter.Itispossibletosolvetheproblemofnetworkqualityofservice,sothattherouterisnolongerabarrierrestrictingnetworkdevelopmentandconstraints.Keywords:TherouterNetworkqualityofserviceHigh-speedforwardingengineWatertechnologyParallelflowtechnology前言路由器是整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的樞紐，它是相互之間有差別的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行彼此聯(lián)接的核心，路由器是Internet的全部框架的組成者，它的處理速度在網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展中是一大制約因素。因此，在未來整個(gè)因特網(wǎng)研究領(lǐng)域，路由器技術(shù)處于并且將長時(shí)間的出去要害地位，它的發(fā)展過程也將成為整個(gè)因特網(wǎng)研究的一個(gè)重要寫照?，F(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)發(fā)展速度，不可小觀。隨著網(wǎng)絡(luò)快速成長，它在路由器的性能方面，提出了愈來愈高的要求。為了適合于下一代網(wǎng)絡(luò)的高速度的需求，路由器正在被挑釁。為了對路由器的性能加以提升，許多先行者會有很多在路由器上研究。對于路由器高速轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，他們是研究的方向之一。高速轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)中引入流水線技術(shù)。這是現(xiàn)今提升路由器的一個(gè)重要探究方向。流水線技術(shù)可謂是很好一種方法。它將串行處理轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿刑幚?。簡單在運(yùn)行操作期間，多條指令一起執(zhí)行。流水技術(shù)能夠提升指令的運(yùn)行功效。其利用的方法是對各個(gè)部件的使用來兌現(xiàn)的。路由器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)重要組成部分，流水技術(shù)在路由器中應(yīng)用也將在提升路由器性能發(fā)揮巨大作用。本文對路由器的工作原理、轉(zhuǎn)發(fā)過程、體系結(jié)構(gòu)等理論進(jìn)行了簡要的概述，對于流水線進(jìn)行了基本概念的敘述和有關(guān)問題的說明，并且流水技術(shù)在路由器中的應(yīng)用。1路由器的概述1.1路由器產(chǎn)生網(wǎng)上的最重要的設(shè)備是路由器。它用于連接不同的網(wǎng)絡(luò)的。傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，簡稱TCP/IP)是在美國國防部ARAPNET基礎(chǔ)上發(fā)展過來，時(shí)間為上世紀(jì)70年代。美國軍方期望能夠在它幫助下，使得不同廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)能夠互相通信。讓路由器稱為一種不能夠被交換機(jī)所替換的設(shè)備，這樣可以確保網(wǎng)絡(luò)即使在遭受戰(zhàn)爭打擊后也能夠相互連接通信。在這種歷史背景下，路由器的產(chǎn)生就稱為了必然結(jié)果。1.1．1路由器基本結(jié)構(gòu)和發(fā)展歷程網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口路由引擎路由表轉(zhuǎn)發(fā)引擎內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)接口控制路徑路由更新控制路徑路由查找數(shù)據(jù)路徑圖1路由器基本結(jié)構(gòu)圖據(jù)圖1，路由器的基礎(chǔ)構(gòu)造能夠從圖1中看出，網(wǎng)絡(luò)接口、引擎模塊（包括轉(zhuǎn)發(fā)和路由的引擎）和內(nèi)部互換模塊這四個(gè)功能模塊構(gòu)造了路由設(shè)備。從圖1中可以看到物理鏈路和網(wǎng)絡(luò)接口。它們是直接連接的。處理互相對應(yīng)的物理傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文模塊、將網(wǎng)絡(luò)報(bào)文接收和發(fā)送任務(wù)完成，都是有網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)的。高速路由查找需要一種特種設(shè)備。路由器轉(zhuǎn)發(fā)引擎是其所需的。轉(zhuǎn)發(fā)引擎是具有數(shù)據(jù)包發(fā)送途徑?jīng)Q策的任務(wù)。路由設(shè)備由內(nèi)部處理模塊實(shí)現(xiàn)，其對高層協(xié)議操作。路由引擎有很多工作。它對高層協(xié)議進(jìn)行操作，特別是路由協(xié)議。整個(gè)路由設(shè)備穩(wěn)定工作也是由路由器來負(fù)責(zé)。整個(gè)路由器穩(wěn)工作包括維護(hù)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間狀態(tài)的一致性，監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)等工作。這些工作任務(wù)都是經(jīng)由路由設(shè)備引擎來實(shí)現(xiàn)的。路由引擎模塊和網(wǎng)絡(luò)接口連接。它們之間進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。其傳輸過程中提供高速數(shù)據(jù)路徑。這是內(nèi)部交換模塊的任務(wù)。另外，從圖1中能夠看出路由設(shè)備提供哪一種路徑是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文來確定。數(shù)據(jù)路徑處理的目標(biāo)地址是需要轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，路由器的整體性能都受到它的影響。固然處理的目標(biāo)地址（在控制路徑上的）不處于路由器的要害途徑，然而它在路由器報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)提供了準(zhǔn)確訊息。身為互聯(lián)網(wǎng)關(guān)卡的路由器現(xiàn)在正向著運(yùn)行速度不斷增加、服務(wù)在質(zhì)量的更好以及更便于管理的方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不段發(fā)展，路由器也在幾個(gè)方面快速發(fā)展著，這個(gè)幾個(gè)方面主要是：引擎模塊劃分為路由引擎和轉(zhuǎn)發(fā)引擎，它們之間相互獨(dú)立、在路由表上，對全局路由表和局部轉(zhuǎn)發(fā)表的劃分、硬件設(shè)備上，我在對于網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（InternetProtocol，簡稱IP）的報(bào)文，要實(shí)現(xiàn)報(bào)頭的快速處理、對于路徑，要進(jìn)行搜索和發(fā)送、轉(zhuǎn)變中央處理器為中央處理控制器。將接口卡模式轉(zhuǎn)變?yōu)樵S多個(gè)單元。這個(gè)單元是分布式的接口，這樣，新的方式將上述的方式替換、提高數(shù)據(jù)通信速度使用的交換結(jié)構(gòu)。路由器在成長的歷程中，走過了兩個(gè)過渡階段。一個(gè)是歷經(jīng)了單個(gè)處理器階段向并行處理器的過渡階段。另外一個(gè)由總線的同享向結(jié)構(gòu)的交換的過渡階段。目前路由器又提出在大規(guī)模并行工作處理技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上，路由器性能在路由器結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展下不斷提高。1.1．2路由器研究現(xiàn)狀現(xiàn)有的高性能路由器技術(shù)基快速發(fā)展。高端路由器的成長方向和探究方向基本上都關(guān)注在四個(gè)方面：首先是硬件將在并行工作處理技能中廣泛采用的；第二方面是協(xié)議處理將專注于分布式處理技術(shù)；第三方面是在網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)多粒度路由提供流量控制和管理技術(shù)。最后的是路由協(xié)議在算法的改進(jìn)。而且智能路由技術(shù)（這種技術(shù)有約束條件）將基于距離準(zhǔn)則替代。思科，Juniper，華為，上海貝爾艾爾卡特、中興等企業(yè)是目前的高水準(zhǔn)路由器的來源。主流的高端設(shè)備都有很強(qiáng)的能力。例如，高于360G的交換能力、G比特每秒單端口速率等。許多制造商走的是中低端路由器路線。在上文中提到的制造商之外，比威，神州數(shù)碼，邁普等制造商也從事制作中低端路由器。具有強(qiáng)大的適用范圍中低端設(shè)備，在定位和功能形態(tài)上都各有不同，差距很大，這里也不再對它們詳細(xì)闡述了。1.2路由器體系結(jié)構(gòu)從上文所述的路由器的發(fā)展歷程，我們可以看出路由器體系機(jī)構(gòu)的變化。一般路由器的結(jié)構(gòu)體系可以分為三種類型：在同享總線方面，單個(gè)處理設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)和多個(gè)處理設(shè)備結(jié)構(gòu)以及互換機(jī)制的多個(gè)處理設(shè)備體系結(jié)構(gòu)。下面對于上文中提到體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)闡述單個(gè)處理總線體系結(jié)構(gòu)CPUCPUmemorybusLineCardLineCardLineCard圖2單個(gè)處理器結(jié)構(gòu)體系圖2呈現(xiàn)的是經(jīng)典的路由器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。它是基于總線的路由器結(jié)構(gòu)體制。整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程是：數(shù)據(jù)報(bào)文首先抵達(dá)接口卡，然后將報(bào)文發(fā)送給中央處理器（CentralProcessingUnit，簡稱CPU），CPU對路由表進(jìn)行搜索，然后根據(jù)搜索結(jié)果做出下一步的地址的選擇，最后通過其他的接口卡將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去。從上述報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程中，可以看要通過兩次才能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。這成為了制約整個(gè)系統(tǒng)因素。在路由器的傳統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)中央處理器是要完成很多工作的。例如包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由協(xié)議等。整個(gè)系統(tǒng)都依賴于路由器的CPU，從而可以得出這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)有：1）路由設(shè)備的報(bào)文都由中央處理設(shè)備來進(jìn)行執(zhí)行操作，中央處理設(shè)備成為制約因素。2）報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)涉及存儲器訪問，CPU處理不能成線性處理，訪問存儲器時(shí)間成為主要的制約者；3）總線結(jié)構(gòu)的交換方式對高速轉(zhuǎn)發(fā)無法支持。多個(gè)處理共享總線體系結(jié)構(gòu)CPUCPUmemoryLinecardProcessMemoryLinecardProcessMemoryLinecardProcessmemoryProcessmemoryProcessmemoryProcessmemoryCPUMemoryLinecardLinecardLinecard圖3多個(gè)處理共享總線結(jié)構(gòu)這種體系結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的路由器結(jié)構(gòu)中的改進(jìn)，其主要的理論是用多個(gè)處理部件來分解處理報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所展示的一樣，圖中有在多處理共享總線體系結(jié)構(gòu)有存在兩種。其分別為分布體系結(jié)構(gòu)和并行式體系結(jié)構(gòu)。其中，分布式體系結(jié)構(gòu)的工作原理是一個(gè)線卡上報(bào)文要由對應(yīng)其線卡的處理器來進(jìn)行操作。另一種的原理是將相互獨(dú)立的線卡和轉(zhuǎn)發(fā)處理器在共享總線的上連接。并行體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)初步有了流水線操作的模式，它在處理過程同時(shí)對數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行路由查找和數(shù)據(jù)緩存的操作，完成報(bào)文的更新和發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)部分。從總線帶寬上看，這種方法節(jié)約了花費(fèi)。多個(gè)處理互換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系LineLineCardLineCardLineCardForwordEngineForwordEngineForwordEngineCPUmemoryLineCardLineCardLineCardCPUmemoryForwordEngineForwordEngineForwordEngine圖4多處理互換機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系這種體系結(jié)構(gòu)在第二代路由器的基礎(chǔ)上，使用了交換機(jī)構(gòu)方式作為背板傳輸?shù)姆绞?，而且使用集成電路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,簡稱ASIC）替換了通用CPU，使得路由器的性能大大提高。通過對路由體系研究與分析，我們可以看出傳統(tǒng)路由工作模式依然是串行模式，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能的不到提高，因此，本文中將引入流水線機(jī)制，在路由轉(zhuǎn)發(fā)的過程中改變傳統(tǒng)路由器的工作模式，使得路由器作業(yè)流水化、并行化，從而提高路由器性能。本次論文將論文的第二部分和第三部分對流水技術(shù)和如何使用流水技術(shù)提升路由器性能做詳細(xì)闡述。1.3路由器的工作原理在開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OpenSystemInterconnection，簡稱OSI）七層協(xié)議中，它位于網(wǎng)絡(luò)層，并且在其中工作。每當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)，路由器對其接收和做直線前進(jìn)，給自己連接到網(wǎng)絡(luò)或轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)路由器或丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)的決定。路由器使用的源地址和目的地址的網(wǎng)絡(luò)層的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的信息。據(jù)此確定將信息轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)。假如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含了源網(wǎng)絡(luò)和目的網(wǎng)絡(luò)號，則傳遞到該網(wǎng)絡(luò)所指定主機(jī)。。一個(gè)信息包在抵達(dá)路由器以后立即進(jìn)入隊(duì)列，然后路由器遵從以下順序進(jìn)行處理：獲取數(shù)據(jù)信息包的目標(biāo)地址，對路由表進(jìn)行檢查，若是抵達(dá)目標(biāo)地有超過一條以上途徑，那么路由設(shè)備在對選擇道路途徑的中，他會選擇最佳路徑，路由器的選擇時(shí)除了上面說的，在互聯(lián)網(wǎng)上的路由器的延長時(shí)間，分組長度和指定的服務(wù)類型等因素來綜合分析的數(shù)據(jù)集，然后根據(jù)這些做出決定，在道路途徑上選擇最優(yōu)的一個(gè)的決定。下面對路由設(shè)備對于路由的選擇算法說明（以IP路由器為例）：保存目的地網(wǎng)絡(luò)號碼于路由表中，當(dāng)路由器接收到IP數(shù)據(jù)信息報(bào)文之時(shí)，首先找到IP數(shù)據(jù)信息報(bào)文的目標(biāo)站點(diǎn)的地址（即IP地址），由IP路由設(shè)備將其獲取，計(jì)算出目的站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)號（網(wǎng)絡(luò)號是屬于目標(biāo)站點(diǎn)所在的網(wǎng)），然后依據(jù)計(jì)算出的網(wǎng)絡(luò)號查找路由，最后決定該IP數(shù)據(jù)報(bào)要通過哪個(gè)接口發(fā)送出去。在TCP/IP協(xié)議控制下，數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器后，對于數(shù)據(jù)包，路由器將進(jìn)行拆除報(bào)頭（報(bào)頭屬于數(shù)據(jù)鏈路層）操作，查找到目標(biāo)地址（其屬于網(wǎng)絡(luò)層）。當(dāng)目的地址被獲取。路由器就會對路由表進(jìn)行查看。通過路由表搜索到目標(biāo)地址。最后獲取目標(biāo)地址的路由。整個(gè)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程為：第一：數(shù)據(jù)包的報(bào)頭先進(jìn)入路由器的入站口，通過多路訪問控制(MultipleAccessControl,簡稱MAC)過程找到可用的硬件的目的地址，如若MAC過程中找到目的地址，就會使用循環(huán)冗余校驗(yàn)（CyclicalRedundancyCheck，簡稱CRC）來對數(shù)據(jù)信息包的幀來確認(rèn)這個(gè)幀沒有被破壞。通過CRC校驗(yàn)，拆包，丟棄該幀。在由路由設(shè)備的內(nèi)存中將數(shù)據(jù)信息包保存后結(jié)束。第二：路由器運(yùn)行搜索的操作。這個(gè)操作在路由表中運(yùn)行。其后獲取匹配地址（該地址為最長的數(shù)據(jù)信息包報(bào)頭的目標(biāo)地址）。如若符合，該路由將由路由器為其搜索到下一跳的地址或者是直連的接口上（其中，若是存在一個(gè)直接連接的接口，它被指向路由，我們可以就可以跳過下一步而沒有執(zhí)行遞歸查找）。反之，匹配不符，路由也未發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)包會被丟棄，并且會發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制信息協(xié)議（InternetControlMessageProtocol，簡稱ICMP）不可達(dá)到的消息給原設(shè)備。第三：當(dāng)下一跳地址被獲取，遞歸查找操作被路由器執(zhí)行。這么做的目的便于直連的接口（在路由器上），找到表項(xiàng)（位于流出接口的），然后把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。如若遞歸操作被運(yùn)行后未獲取到IP地址(在表項(xiàng)的上的），也沒有默許的網(wǎng)關(guān)，那么路由器會出現(xiàn)兩種操作：一是將該數(shù)據(jù)包扔掉，二是利用ICMP發(fā)消息給數(shù)據(jù)包源。第四：出站口緩沖器有自己的作用。它接收被交換的數(shù)據(jù)包。其交換過程主要通過ARP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。第五：路由器根據(jù)直連接口和下一跳的連接類型。將合適的數(shù)據(jù)鏈路幀封包裝入數(shù)據(jù)包。在傳輸線上有出站接口。其放置攜帶下一跳地址的幀（該幀屬于數(shù)據(jù)鏈路層）。在數(shù)據(jù)信息包到達(dá)目標(biāo)地之前，這個(gè)包的轉(zhuǎn)而發(fā)送過程都要被路由設(shè)備控制運(yùn)行。1.4路由器的基本功能和特點(diǎn)路由器有一個(gè)最重要的功能。它就是“路由”的作用。簡單的來說就是“方向?qū)Ш健惫τ?，基本上是用來對?shù)據(jù)信息包的轉(zhuǎn)而發(fā)送時(shí)為其指清楚方向的功能。若是詳細(xì)的劃分，路由器的“路由”作用可以區(qū)別為以下兩個(gè)方面：（1）路由選擇根據(jù)地址（由網(wǎng)絡(luò)層提供的），使用路由表為IP數(shù)據(jù)包選擇到達(dá)目標(biāo)地的最好途徑，換句話說就是通過路由器的選擇算法選擇一條最佳的途徑到目的地。為了目標(biāo)的完成，每個(gè)路由設(shè)備都會建成并保護(hù)路由表，在路由表中，其包涵蓋了能夠被本地連接的所有的網(wǎng)絡(luò)。在路由表的基礎(chǔ)上路由設(shè)備查找數(shù)據(jù)信息包所要選取的最好的途徑。路由表中包括路由的有關(guān)信息。路由器利用這些信息轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包使達(dá)到非直連遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。一條路由蘊(yùn)含了目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址、掩碼、網(wǎng)關(guān)或者接口地址、路由開銷或度量等訊息。（2）存儲轉(zhuǎn)發(fā)路由設(shè)備首先讓自己的以連接端口獲取一個(gè)IP包，然后，在經(jīng)由路由設(shè)備另一個(gè)連接端口發(fā)送出去。如果我們想?yún)^(qū)分關(guān)于路由的算法是動態(tài)算法和靜態(tài)算法，我們可以通過網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信的應(yīng)變能力來判斷。靜態(tài)路由算法又稱為非自適應(yīng)路由選擇算法。其特征是更加簡潔，花費(fèi)少，結(jié)構(gòu)簡單，但無法立即適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)的改變。動態(tài)路由算法又稱為自適應(yīng)路由選擇算法，其優(yōu)點(diǎn)是迅速在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化并做出相應(yīng)的反應(yīng)，缺點(diǎn)是更復(fù)雜的完成，成本也比較大。路由器的主要特點(diǎn)是：（1）路由器，不一樣的MAC協(xié)議，不一樣的傳輸介質(zhì)，不相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和不一樣的網(wǎng)絡(luò)不同的傳輸速率是相互連接的，具有很強(qiáng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力。（2）路由器是一種設(shè)備。它的功能體現(xiàn)在存儲轉(zhuǎn)發(fā)上。它在相互連通的遠(yuǎn)程網(wǎng)上，有著很強(qiáng)大的使用性。在遠(yuǎn)程網(wǎng)上，它具有強(qiáng)大相互連接能力。它被較大范圍的使用在遠(yuǎn)網(wǎng)和局域網(wǎng)之間互聯(lián)互接情況里。（3）在邏輯上相互不相同的的子網(wǎng)絡(luò)可以憑借路由器連接在一起，其中每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)全部看一個(gè)單一的子網(wǎng)廣播域，因此在子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與子網(wǎng)路之間，廣播信息在路由器中不會流通。因此，路由器有這個(gè)能力。它可以去阻隔廣播信息。（4）路由器具備很多能力，例如流量控制、擁塞控制的能力，可以對異種速率網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行速度匹配，用來確保數(shù)據(jù)包可以準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸。（5）路由器忙碌于OSI的第三層。OSI第三層也就是網(wǎng)絡(luò)層。它是與網(wǎng)絡(luò)層的各種協(xié)議都有著緊密聯(lián)系。多種協(xié)議路由設(shè)備可以支撐許多不同種網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議（例如：IPX，DECnet，TCP/IP協(xié)議），數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)在異種網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議之間。（6）路由設(shè)備對于網(wǎng)絡(luò)層面的地址進(jìn)行檢查，從而發(fā)送數(shù)據(jù)的分組（Packet）。當(dāng)然，該該數(shù)據(jù)分組來自網(wǎng)絡(luò)層。出于這個(gè)原因，路由設(shè)備能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址來進(jìn)行數(shù)據(jù)包的過濾,路由設(shè)備使用訪問控制列表(AccessControlList,簡稱ACL)根據(jù)各種協(xié)議封包裝入的數(shù)據(jù)信息包并且對封包裝入過程加以掌控。同樣，TCP、UDP端口號也會被實(shí)施數(shù)據(jù)過濾。（7）首先對較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)劃分為微小段化，然后將劃分為微小段后的網(wǎng)段運(yùn)用路由設(shè)備互連在一起。這方法不僅達(dá)到在網(wǎng)絡(luò)上提高性能，提升網(wǎng)絡(luò)的帶寬的目標(biāo)。另外，這種方法有利于管理網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。其亦是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)同享的方法通常是帶寬問題解決方案。（8）路由設(shè)備即可以在中、小規(guī)模分級集中網(wǎng)中進(jìn)行運(yùn)用。同樣適合在大規(guī)模、情況多變的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。（9）路由器有很好的分離效果。它具體體現(xiàn)沖突域和廣播域中。2流水技術(shù)的研究2.1流水技術(shù)的基本概念2.1.1什么是流水線技術(shù)流水線（pipelining）是一種將串行工作的方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄ぷ鞯募夹g(shù)，在程序運(yùn)行期間，若干條指令在時(shí)間上重疊進(jìn)行并行操作的。關(guān)于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能上，流水線技術(shù)是一種十分好方法。它可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。重復(fù)的過程，它將流程進(jìn)行了重新規(guī)劃，把原本該是順序執(zhí)行的流程，重新劃分成相對獨(dú)立的流程，但在耗時(shí)上卻相當(dāng)步驟，提高資源途徑等方法來，在時(shí)間方面或者資源方面，讓這些步驟之間相關(guān)性解除，這樣他們就可以實(shí)現(xiàn)并行到一定程度，從而達(dá)到優(yōu)化性能的目的。在最初的時(shí)，CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中最先運(yùn)用到流水線技術(shù)，它被分為兩種：一是部件級別的流水，二是處理設(shè)備級別的流水。2.1.2流水線的特點(diǎn)在處理器方面，讓兩種方式進(jìn)行對比，這二者是：一是傳統(tǒng)的串行方式，二是流水線方式。它們特征如下：（1）持續(xù)不斷地操作是流水線處理的前提。在這種前提下，才能將流水線的效率發(fā)揮出來。若斷流，則會效率會變差。。（2）在流水線過程中，運(yùn)行一個(gè)操作過程可以分解成多個(gè)子操作（它們之間有互聯(lián)關(guān)系），并分別讓專門的功能組件運(yùn)行。（3）緩沖寄存器位于在每個(gè)功能組件之后，作用是緩沖本步驟的執(zhí)行之后所得到結(jié)果的，這是因?yàn)樵诿恳欢伍g延遲不平等，因此必須使用緩沖寄存器解決。（4）同時(shí)有多個(gè)操作在執(zhí)行。每一個(gè)子操作的功能組件工作在并行狀態(tài)，但各個(gè)功能組件上正在運(yùn)行的是不一樣的操作。（5）各個(gè)子任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間應(yīng)盡量相等，如果延時(shí)過長將造成“斷流”問題。2.2流水技術(shù)的主要性能指標(biāo)與許多其他的計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，流水技術(shù)作為計(jì)算機(jī)的技術(shù)也有著自己的性能指標(biāo)。流水技術(shù)的性能指標(biāo)不僅僅關(guān)系著流水技術(shù)的好壞，而且對于使用流水技術(shù)的路由器也有著十分重要的影響，所以下面我們來對流水技術(shù)的性能指標(biāo)加以分析。指標(biāo)一：吞吐率流水線的吞吐量是單位時(shí)間內(nèi)其流水線處理指令數(shù)，或者說是從流水線中，我們能夠獲取輸出的結(jié)果數(shù)量。流水線的最大吞吐率是一個(gè)關(guān)于吞吐的數(shù)量。這個(gè)吞吐量僅僅當(dāng)流水線來到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)后，才會發(fā)生。若各個(gè)功能階段的時(shí)間相等，那么Δti=Δt0TPmax=1/Δt0，若各功能段時(shí)間不相等，TPmax=1/max（Δti）由花費(fèi)時(shí)間最多的功能段所決定。計(jì)算吞吐率的公式為：在這個(gè)公式中，操作數(shù)是n，是完成全部操作的時(shí)間。為了對流水線的最大吞吐率進(jìn)行提升，首先要找出阻礙吞吐率的制約因素，然后想辦法解除制約因素。解除這種因素有兩種方案：一是將制約因素子過程再次逐一劃分，二是多次設(shè)立多個(gè)制約因素區(qū)讓它們并聯(lián)在一起，允許它們交叉進(jìn)行。第二種方法，首先要把在各并行子過程之間的任務(wù)分配合同步控制解決好，其與把制約因素子過程再細(xì)分控制過程相比，它更加要復(fù)雜、需要的設(shè)備量更多。指標(biāo)二：加速比有一條流水線采用串行模式。然后將它更改為流水模式，流水速度兩者比值被稱為加速比。加速比通常用來衡量流水線的工作安排合理程度。則流水線的加速比為：公式中是在順序執(zhí)行期間所要花費(fèi)的時(shí)間，是采用用流水線方式后執(zhí)行花費(fèi)的時(shí)間，其就是加速比的公式。指標(biāo)三：效率在時(shí)間上，流水線中的設(shè)備實(shí)際使用的花費(fèi)和整體運(yùn)行的花費(fèi)比稱為流水線效率。簡單來說流水線效率就是流水線中設(shè)備的使用率。如圖5所示，流水線的效率是在時(shí)空區(qū)進(jìn)行定義的，具體來說：n個(gè)操作任務(wù)在現(xiàn)實(shí)中使用的時(shí)空區(qū)和多個(gè)（公式中用k表示）功能階段的總的數(shù)量的的比值。一個(gè)段線效率用公式表示為：它就是是計(jì)算流水線的效率的基本公式。1234512345S5S4S3S20m△t(n-1)△tS1(段號)sttn-1tntn+4t1t2t3t4t5n-1nn-1nn-1nn-1nn-1n12345123451234512345填入填滿（正常）排空圖5流水線的各區(qū)間構(gòu)成和時(shí)空圖2.3流水線技術(shù)的相關(guān)問題流水線中會出現(xiàn)流水相關(guān)現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是指令流（流水線上的工作），受到某種緣故的影響，在指令的一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，流水部件無法完成應(yīng)該完成的的操作，這種現(xiàn)象我們就稱為流水線相關(guān)。流水線相關(guān)現(xiàn)象促使了流水線性能滑落，使得加速比大大的小于理想情況。下面就流水線相關(guān)的三個(gè)方面開始分個(gè)討論。2.2.1資源相關(guān)多指令進(jìn)入流水線，在同一個(gè)機(jī)器周期，在對相同的組件資源的競爭引起沖突。有一些不能夠完全流水化生產(chǎn)功能部件的根本原因就是造成了資源相關(guān)。流水沖突產(chǎn)生的另一個(gè)關(guān)鍵原因就在于系統(tǒng)中，對流水線中的組合所有指令的情況分析，使硬件資源數(shù)量充足。解決的方法有1）完全流水化功能部件；2）根據(jù)流水線中指令組合，設(shè)置足夠多的資源。2.2.2數(shù)據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)相關(guān)就是指在一個(gè)程序中，在前面的一條條指令執(zhí)行完成情況下，后面的一條的指令才能被執(zhí)行，因此，我們可以知道這兩條指令就是數(shù)據(jù)相關(guān)。數(shù)據(jù)相關(guān)可以劃分三種，它們是指令相關(guān)、主存空間數(shù)相關(guān)和通用寄存器組相關(guān)。解決數(shù)據(jù)相關(guān)的方案有：一就是退后分析法，在碰到數(shù)據(jù)沖突時(shí)候，暫不對本條指令進(jìn)行分析，等到本條指令所需數(shù)據(jù)寫入，才開始分析本條指令的操作。二是建立一個(gè)專門的路徑，原理是操作必要數(shù)據(jù)直接從專用路徑中獲取，不需要再等待操作需要的數(shù)據(jù)寫入該指令存儲單元中。2.2.3控制相關(guān)由于程序在運(yùn)行過程中，也許其運(yùn)行方向發(fā)生變化造成的沖突，這種相關(guān)叫做控制相關(guān)。它亦被稱為局部性相關(guān)。解決的方法有：（1）延遲轉(zhuǎn)移法延遲轉(zhuǎn)移法的理論是讓前面少數(shù)不相關(guān)的指令和轉(zhuǎn)系指令互換位置，使得成功轉(zhuǎn)移指令在少數(shù)指令執(zhí)行后才開始執(zhí)行，這種方法可以減少轉(zhuǎn)移造成的性能損失。這種方法用軟件實(shí)現(xiàn)。（2）轉(zhuǎn)移預(yù)測法在指令過去行為的基礎(chǔ)上，我們可以來預(yù)先猜想指令未來可能出現(xiàn)的行為。我們要達(dá)到預(yù)定猜想，在指令預(yù)取隊(duì)列器和目標(biāo)指令緩存的幫助下，可以在取指階段提前進(jìn)行轉(zhuǎn)移預(yù)測。其中這種方法用硬件來實(shí)現(xiàn)。3路由器的轉(zhuǎn)發(fā)引擎分析3.1路由器的轉(zhuǎn)發(fā)引擎的概述3.1.1轉(zhuǎn)發(fā)引擎概述伴隨路由器結(jié)構(gòu)體系的改進(jìn)，它的內(nèi)部的轉(zhuǎn)發(fā)引擎也在持續(xù)的高速發(fā)展著。現(xiàn)今路由器中最典型的路由器結(jié)構(gòu)就是如圖6呈現(xiàn)的。它是一種分布式的并行多處理結(jié)構(gòu)。從圖6中我們可以直觀的看見轉(zhuǎn)發(fā)引擎在路由器中處于什么位置。外部外部接口線路接口模塊線路接口模塊線路接口模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎模塊高速交換網(wǎng)絡(luò)主控處理模塊轉(zhuǎn)發(fā)引擎的任務(wù)是對輸入報(bào)文的IP層進(jìn)行處理完成。它的任務(wù)內(nèi)容有許多，例如報(bào)文完整性檢查、地址路由查找等。另外，轉(zhuǎn)發(fā)引擎的實(shí)現(xiàn)基本上憑借它的功能模塊。這些功能模塊是它的重要組成部分，其包括有報(bào)頭處理、安全檢測等。轉(zhuǎn)發(fā)引擎工作過程如下：首先，外部IP包進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)引擎，轉(zhuǎn)發(fā)引擎就對其緩存，第二，在緩存中IP包，處理邏輯將其取出，再由處理邏輯對IIP包的報(bào)頭進(jìn)行分析，將錯(cuò)誤的報(bào)文挑出來并且丟掉。依據(jù)查轉(zhuǎn)發(fā)表的結(jié)果得出其輸出的接口，在確保QoS的基礎(chǔ)上查流的分類。當(dāng)?shù)诙酵瓿珊?，依?jù)第二步操作的結(jié)果來修改報(bào)頭，完成報(bào)頭修改后IP包被輸出到交換網(wǎng)絡(luò)。最后完成轉(zhuǎn)引擎的交換功能。3.1.2轉(zhuǎn)發(fā)引擎的的功能上文中對轉(zhuǎn)發(fā)引擎的工作過程有一個(gè)清晰的分析，下面對轉(zhuǎn)發(fā)引擎需要實(shí)現(xiàn)的功能做一個(gè)分析：（1）輸入處理：信號轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)和線路接口模塊之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，得到IP包，使得IP數(shù)據(jù)包報(bào)頭和報(bào)文緩存孤立（2）報(bào)頭的有效性檢測處理：分析報(bào)頭，對版本域、負(fù)載長度等檢測其合法性和有效性以及檢測IP包是否有擴(kuò)展項(xiàng)。（3）安全策略檢查處理：在五元組信息基礎(chǔ)上對IP包進(jìn)行安全過濾（五元組信息是源地址、目標(biāo)地址源端口、源接口和協(xié)議域）。在安全過濾的基礎(chǔ)上記錄和轉(zhuǎn)發(fā)IP包。（4）單播地址查表處理：發(fā)現(xiàn)完整輸出接口，控制邏輯的IPV6單播目的地址查找表部。（5）直連檢查處理：組播報(bào)文被檢查，看其是否與對應(yīng)的路由器相連。（6）RPF檢查處理：組播報(bào)文的反向地址檢測。（7）組播地址查表處理：找到輸出接口列表，對組播地址查表完成部分控制邏輯。(8)性能統(tǒng)計(jì)處理：完成對每個(gè)線口發(fā)到本模塊IP包的統(tǒng)計(jì)。（9）QoS（英文全稱QualityofService，中文全稱服務(wù)質(zhì)量，下文中都以QoS簡稱）查表處理：在DiffServ協(xié)議幫助下完成PHB相互對應(yīng)，提供QoS給高性能路由器。3.2轉(zhuǎn)發(fā)引擎系統(tǒng)級流水線上文已經(jīng)提出了要運(yùn)用流水技術(shù)于路由轉(zhuǎn)發(fā)過程，為了更清晰的了解流水技術(shù)如何在路由器的轉(zhuǎn)發(fā)過程中應(yīng)用，我們需要對路由器的轉(zhuǎn)發(fā)引擎的轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)發(fā)過程進(jìn)行全面的分析。如圖7所示，轉(zhuǎn)發(fā)引擎的處理過程包括了接口的轉(zhuǎn)發(fā)、提取報(bào)頭、路由查表、報(bào)文的修改和處理以及輸出控制等的五個(gè)方面。這是轉(zhuǎn)發(fā)引擎系統(tǒng)級的流水。以下文中將對它們進(jìn)行一一剖析其作用。接口的接口的轉(zhuǎn)換提取報(bào)頭路由查表報(bào)頭的修改和處理輸出控制圖7輸入緩存：接收和緩存線路接口輸出的報(bào)文。提取報(bào)頭：先對所接收到的報(bào)文進(jìn)行分析，提取報(bào)頭，在把所提取的報(bào)頭發(fā)送到路由表模塊。路由查表：表關(guān)鍵字根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭生成，再依據(jù)生成的表關(guān)鍵來路由查表。報(bào)頭處理：檢查報(bào)頭的有效性，報(bào)文的TTL、地址范圍的有效性也要檢查。若是報(bào)文為組播報(bào)文，除了上述的操作外，還要對直連和RPF檢查。輸出控制：操縱報(bào)文的輸出。這個(gè)報(bào)文由報(bào)頭處理。有一些的轉(zhuǎn)發(fā)引擎的系統(tǒng)級功能模塊的知識，我們來分析在系統(tǒng)級別上流水線的工作過程：外部接口的輸入數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)引擎，轉(zhuǎn)發(fā)引擎接收寫存儲在輸入緩沖器，然后報(bào)頭提取模塊從輸入緩存中的數(shù)據(jù)包提取報(bào)頭，提取出來的報(bào)頭被送給查表模塊后開始查表操作。然后在查表后的結(jié)果和關(guān)于報(bào)頭有效性結(jié)果的基礎(chǔ)上，報(bào)頭處理模塊對報(bào)文如何處理做抉擇，如丟棄等。最后輸出控制模塊把報(bào)文(按照報(bào)文處理方式重新封裝好的)輸出去。上述的論文重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)發(fā)引擎，并對其系統(tǒng)流水線做了詳細(xì)的分析，從而我們得到在系統(tǒng)流水線中，路由查表的過程時(shí)間最長。路由查表也就成了制約整個(gè)系統(tǒng)流水線的一大因素，因此，本文將在下一章節(jié)中提出一個(gè)基于TCAM流水線查找方案，從而提高路由器性能。4流水線在路由查表中的應(yīng)用分析4.1基于TCAM的路由查找由一次三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器（ternarycontentaddressablememory，簡稱TCAM）操作和一次靜態(tài)隨機(jī)存儲器（英文全稱為StaticRandomAccessMemory，簡稱SRAM）操作構(gòu)成了典型的TCAM路由查找方案。TCAM的結(jié)構(gòu)又是構(gòu)建在存儲陣列和優(yōu)先編碼器的基礎(chǔ)上。那么，TCAM的存儲陣列作用就是存儲前綴，前綴對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信息卻在SRAM上進(jìn)行存儲。TCAM查找結(jié)構(gòu)圖如圖8所展示的。TCAM的查找過程是：目標(biāo)地址被拿來與存儲陣列的各個(gè)掩碼做與運(yùn)算，其與運(yùn)算的結(jié)果用來和同樣存儲在TCAM中前綴做比對，比對結(jié)果相等，匹配向量為1，反之，匹配向量為。另外，匹配符合的項(xiàng)可能有多個(gè)，因此讓優(yōu)先編碼器作為結(jié)果進(jìn)行輸出的是保存于地址匹配項(xiàng)最低的地址。然后在此基礎(chǔ)上，在SRAM中取得與之相對的轉(zhuǎn)發(fā)信息（轉(zhuǎn)發(fā)信息值得是輸出端口號和下一跳的地址）。據(jù)上所述，我們可以看出TCAM查表過程中由TCAM查表搜索過程和TCAM讀出表項(xiàng)兩個(gè)操作組成，這兩個(gè)操作是串行執(zhí)行的并且無法進(jìn)行流水操作，因此，整個(gè)路由器的路由表查表過程需要的時(shí)間是TCAM查表搜索過程和TCAM讀出表項(xiàng)兩個(gè)操作的和，這個(gè)過程通常需要十幾個(gè)時(shí)鐘周期甚至更多存存儲陣列321010N目的地址P9P8前綴長度匹配向量優(yōu)先編碼器轉(zhuǎn)發(fā)信息存儲器匹配表項(xiàng)轉(zhuǎn)發(fā)信息地址轉(zhuǎn)發(fā)消息TCAMSRAM圖8TCAM查找結(jié)構(gòu)為了解決這個(gè)現(xiàn)象，本論文設(shè)計(jì)了一個(gè)將流水技術(shù)引入路由查表的方案來解決路由查表周期時(shí)間長的問題，其方案由TCAM和SRAM一起完成路由查表流水線，使得路由查表區(qū)分為兩個(gè)層次來完成:首先查表的搜索過程是通過TCAM完成，然后查表結(jié)果從SRAM里取出。將流水技術(shù)引入路由查表可使得減少到2個(gè)時(shí)鐘周期或者是4個(gè)時(shí)鐘周期。4.2路由查表的流水線方案設(shè)計(jì) 路由查表是路由轉(zhuǎn)發(fā)過程中的重要組成部分。它的處理過程耗費(fèi)的時(shí)間也是最長的。表項(xiàng)搜索和結(jié)果讀取兩個(gè)過程構(gòu)成了實(shí)際上的路由查表過程，如同上文所說的一樣，要將兩個(gè)操作通過TCAM和SRAM分別來實(shí)現(xiàn)，我們就需要引入流水技術(shù)，盡可能的減少路由查表的時(shí)間，憑借這種來提高轉(zhuǎn)發(fā)引擎在轉(zhuǎn)發(fā)處理過程中的效率，提升路由器的整體性能。流水查表方案具體為：TCAM表用來將關(guān)鍵字（在路由查表時(shí)需要的）保存起來，SRAM則是用與之相對某個(gè)的地址將查表后得到結(jié)果存貯起來，從單播查表看，TCAM地址保存為一個(gè)查表的關(guān)鍵字目標(biāo)IP地址，在SRAM中的相應(yīng)的一地址空間將保存，然后用作查表結(jié)果的目的接口號，從而形成了一條完整的單播表項(xiàng)。當(dāng)報(bào)文來到時(shí)，第一是由FPGA將查表關(guān)鍵字從報(bào)頭中提出，隨后發(fā)送給TCAM查表來搜索，當(dāng)TCAM搜索到與關(guān)鍵字相匹配的表項(xiàng)時(shí)，RBUS就會發(fā)送該表項(xiàng)的地址，SRAM獲取該表項(xiàng)的地址即獲得這次路由查表操作后得到結(jié)果——轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文的目標(biāo)接口，通過SRAM發(fā)送到FPGA。如圖8所示。FPGAFPGATCAMDBUSRBUSAddrDQSRAM第1步：送查表關(guān)鍵字第2步：輸出匹配地址第3步：讀出查表結(jié)果FPGATCAMDBUSRBUSAddrSRAMDQ第1步：送查表關(guān)鍵字第2步：輸出匹配結(jié)果第3步：讀SRAM操作第4步：讀出查表結(jié)果（1）（2）圖9圖9中有兩種關(guān)于流水線的設(shè)計(jì)方案，其兩者不同就在于TCAM中的RBUS是直連到SRAM的地址總線上還是不直連到SRAM的地址總線上若將TCAM的RBUS讓SRAM直接讀取地址，如圖9（1），好處是電路板的制作較為簡單，降低了現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(Field－ProgrammableGateArray，簡稱FPGA)中的UserIO的資源緊張問題。不足的是記錄表項(xiàng)的用時(shí)較長，原因在于記錄SRAM表項(xiàng)必須經(jīng)過相應(yīng)的TCAM操作才能實(shí)現(xiàn)，即需要通過TCAM才能完成記錄TCAM表項(xiàng)和SRAM表項(xiàng)。因此，記錄一條完整的表項(xiàng)所用的時(shí)間是二者之和：方法（1）記錄表項(xiàng)的時(shí)間等于是寫TCAM表項(xiàng)的時(shí)間和經(jīng)由TCAM記錄SRAM表項(xiàng)的時(shí)間之和。反過來說，若是TCAM的結(jié)果總線RBUS和SRAM的地址相連方式是要FPGA做中間人，如圖9（2）所示，電路板的制作難度是加大了，但是寫一條完整表項(xiàng)的時(shí)間卻降低了（其時(shí)間為寫TCAM表項(xiàng)和SRAM表項(xiàng)二者之間最大值）。原因是可以同時(shí)進(jìn)行寫TCAM表項(xiàng)和SRAM表項(xiàng)，而且一般來說TCAM的讀寫時(shí)間大于SRAM的讀寫時(shí)間。即：方法（2）記錄表項(xiàng)時(shí)間就是等于記錄TCAM表項(xiàng)的時(shí)間。然而，若是SRAM表項(xiàng)是由TCAM寫的，那么它的時(shí)間常常和獨(dú)自寫TCAM表項(xiàng)時(shí)間是差不多，因此圖9中的方法（2）寫表項(xiàng)的時(shí)間與圖9方法（1）寫表項(xiàng)的時(shí)間大大的不同，圖9中方法（2）寫表項(xiàng)的時(shí)間有了大幅度的降低了。所以方法（2）更有利于發(fā)揮轉(zhuǎn)發(fā)性能，這篇論文選用的就是方法（2）的流水線的路由查表方案。4.3基于TCAM的具體并行處理研究通過上文中我們對轉(zhuǎn)發(fā)引擎系統(tǒng)流水線的分析，提出了對路由查表也引入流水線機(jī)制，并且給出了路由查表流水線設(shè)計(jì)方案，那么我們在這里根據(jù)TCAM的特點(diǎn)，提出一種路由查找的并行工作方式，下文中將詳細(xì)闡述。根據(jù)已有的資料，我們可以知道TCAM在查表方面具有很快的速度，在存儲方面也很靈活。當(dāng)然，它也有不足之處，其不足之處在價(jià)格昂貴，功能消耗大而且表項(xiàng)更新方面速度很慢。據(jù)此，本文提出一種將TCAM空間進(jìn)行多個(gè)分區(qū)處理，且這些分區(qū)是相互獨(dú)立的，我們稱這些分區(qū)為block。根據(jù)TCAM的特性，這些分區(qū)中，每一個(gè)都可以在獨(dú)立的情況下對查表任務(wù)完成，而且為分區(qū)供電只在其工作時(shí)。這種方法的具體實(shí)現(xiàn)過程是：第一要將TCAM空間進(jìn)行分區(qū)，劃分為m個(gè)獨(dú)立的分區(qū)。將特征想同的表項(xiàng)存放在同一個(gè)分區(qū)中，那么路由查表時(shí)，現(xiàn)根據(jù)目標(biāo)地址的特點(diǎn)，判斷它是哪個(gè)分區(qū)的。然后再使用該分區(qū)，對路由表進(jìn)行再次查表操作。SRAM用來存放下一條的地址，讀取TCAM分區(qū)查表的結(jié)果。那么它的并行流水處理過程如圖10所呈現(xiàn)的。一次一次查表邏輯Block1Block2.....Blockm-1BlockmSRAM下一跳地址Hash值TCAM1TCAM2圖10基于TCAM并行處理流水工程4.4轉(zhuǎn)發(fā)查表外部結(jié)構(gòu)和FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4．1轉(zhuǎn)發(fā)查表的外部結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)上述的路由查表，我們需要如下器件:FPGA、CAM和SRAM，它們組成的外部結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。SRAMSRAMFPGATCAM1TCAM2圖11轉(zhuǎn)發(fā)查表的外部結(jié)構(gòu)圖4.4．1轉(zhuǎn)發(fā)查表的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)由邏輯仲裁、搜索查表、表項(xiàng)更新、數(shù)據(jù)選擇和TCAM的初初始化等功能構(gòu)成了轉(zhuǎn)發(fā)查表FPGA模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其圖如圖12所示。這些功能每一個(gè)都有自己的功用，在這里就不一一詳述了。TCAM初始化報(bào)頭處理TCAM初始化報(bào)頭處理單播入FIFO（處理機(jī)接口邏輯仲裁FWP2FWP51搜素查表表項(xiàng)更新單元單播入FIFO（處理機(jī)接口FWP51查表結(jié)果輸出FWP2數(shù)據(jù)選擇TCAMSRAM圖12FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖路由查表過程采用流水技術(shù)設(shè)計(jì)后，轉(zhuǎn)發(fā)引擎的等效流水線就如圖13所示。SRAMSRAM查表結(jié)果讀取ＴCAM查表結(jié)果輸出ＴCAM查關(guān)鍵字生成輸入接口轉(zhuǎn)換報(bào)頭提取輸出控制報(bào)頭處理和合成路由查表圖13轉(zhuǎn)發(fā)引擎等效流程圖5路由器轉(zhuǎn)發(fā)性能提升小結(jié)高端的路由器其轉(zhuǎn)發(fā)引擎都要支持G比特的線速轉(zhuǎn)發(fā)能力。本文將流水技術(shù)引入到路由器轉(zhuǎn)發(fā)引擎。路由器的轉(zhuǎn)而發(fā)送能力有了很大的增長。路由器報(bào)文發(fā)送處理過程中速度最慢就是路由查表。那么，解決路由查表問題就是掃除了路由器的性能問題。本次論文首先詳細(xì)介紹了流水技術(shù)、路由器和轉(zhuǎn)發(fā)引擎。在路由設(shè)備的角度中，主要敘述的是路由設(shè)備的概念。工作過程、路由器的特點(diǎn)、基本構(gòu)成以及研究現(xiàn)在的狀態(tài)也進(jìn)行了描述。通過對路由器的分析，讓我明白了如何工作原理和如何提升路由器性能以及為什么要提升路由器性能。流水技術(shù)主要闡述了基本思想、特征，流水線的相關(guān)現(xiàn)象、性能指標(biāo)和其影響因素。在轉(zhuǎn)發(fā)引擎上闡述了它的基本概念、系統(tǒng)流水的瓶頸以及基于TCAM的路由查表方法。在對流水技術(shù)的細(xì)致研究中，我們可以更好的讓流水技術(shù)應(yīng)用于提升路由性能。本文在設(shè)計(jì)中采用的TCAM方案搜索和搜索的結(jié)果從SRAM中獲取。用這種方法實(shí)現(xiàn)路由查找流水線。與傳統(tǒng)的路由查表方案相比，使用該路由查表方案可以使得路由查表從原先的十幾個(gè)以上周期時(shí)間降低到只有2個(gè)周期或者是4個(gè)周期。在設(shè)計(jì)路由查表流水線時(shí)，本文也提出了兩種方案。一種是TCAM的RBUS被SRAM當(dāng)作存取地址之處。另一種是是通過FPGA連通在一起。第二種方法其優(yōu)點(diǎn)是表項(xiàng)維護(hù)需要的時(shí)間比較短。我們的目的是大幅度增加轉(zhuǎn)發(fā)效率，本論文取用了第二種方法。在基于TCAM的分析的基礎(chǔ)，提出了局部并行工作的流水。它具體的展示了流水線應(yīng)用過程。本論文對流水技術(shù)的性能指標(biāo)做了詳述。然后在此基礎(chǔ)，論述了轉(zhuǎn)發(fā)引擎的性能指標(biāo)。使得我們可以更直觀認(rèn)識到路由查表速度慢問題解決后，對于路由器轉(zhuǎn)發(fā)引擎的影響以及對于提升路由器性能的作用。伴隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的連續(xù)不段增加，對路由器的能力也提出了相應(yīng)的高要求，因此，提升路由器性能是大勢所趨。那么，本次論出于這個(gè)原因，通過對于流水技術(shù)和路由器知識的分析與研究，通過分析流水線設(shè)計(jì)理論以及TCAM技術(shù)，提出了一種新的流水轉(zhuǎn)發(fā)引擎。讓本文不僅理論層面上分析了流水技術(shù)應(yīng)用于提升路由器性能的實(shí)現(xiàn)方法，而且提出了一種用流水技術(shù)提升路由器性能的新思想。這個(gè)方法的提出為解決路由器性能成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展瓶頸的問題提供了新思路。參考文獻(xiàn)[l]汪斌強(qiáng),王建東.高性能路由器技術(shù)體系、關(guān)鍵問題及發(fā)展趨勢[J].電信科學(xué),2003,19(10):23—27.[2]劉麗娜,曾興雯,熊韜.Intemet實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS機(jī)制[J].中國數(shù)據(jù)通信,2004:73一76[3]黃驪聲NAT網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)7碩士學(xué)位論文]成都:電子科技大學(xué)2003[4]冀鑫泉,桂志波.PIQoS路由算法研究綜述[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