路由器中的硬件IP路由表應(yīng)用解析
1. 路由器的體系結(jié)構(gòu)
圖1給出了一般路由器的邏輯體系結(jié)構(gòu)。它主要由下面幾部分組成 ：路由引擎、轉(zhuǎn)發(fā)引擎、 路由表、網(wǎng)絡(luò)適配器和相關(guān)的邏輯電路等。轉(zhuǎn)發(fā)引擎負(fù)責(zé)把從一個網(wǎng)絡(luò)適配器來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到另一個網(wǎng)絡(luò)適配器出去。IP協(xié)議，包括對路由表的查找，構(gòu)成了轉(zhuǎn)發(fā)引擎中最主要的部分。由于每個通過路由器并需要其轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包都要對路由表進行查找，所以路由表的查找效率如何往往決定了整個路由器的性能。路由引擎則包括了高層協(xié)議，特別是路由協(xié)議，它負(fù)責(zé)對路由表的更新。由于路由引擎不涉及通過路由器的數(shù)據(jù)通路，故它可用通用的CPU代替。
2．硬件路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計
一般路由器中路由表的每一項至少有這樣的信息：目標(biāo)地址、網(wǎng)絡(luò)隱碼、下一跳地址。如果對每一個IP地址都要一個表項，那么需要占用很大的2323*4字節(jié)的存儲器，而且其中必定有很多的表項沒有被使用，這就會造成極大的資源浪費。
為了用硬件實現(xiàn)路由表的查找，查找算法需要滿足如下的條件：
1） 實時的實現(xiàn)路由表的查找；
2） 有效的實現(xiàn)路由表的插入和刪除；
3） 提供有效的最長前綴匹配；
4） 具有良好的可擴展性；
5） 支持廣播和組播；
6） 有效的對Memory進行利用；
7） 硬件上容易實現(xiàn)，并具有良好的性能 。
我們考慮，如果在對路由表的查找中，把子網(wǎng)隱碼和IP地址結(jié)合起來，對IP地址進行相應(yīng)的分段，并把它們相連。這樣在路由表的表項中，只有IP地址的一部分及其相應(yīng)的隱碼部分，可以實現(xiàn)良好的可擴展性，只要對Memory進行有效的管理，可以靈活的動態(tài)的實現(xiàn)對路由的插入和刪除。鑒于此，我們設(shè)計該表的結(jié)構(gòu)（如下面的表一所示 ）：
它的思想是：把32位IPv4地址主要分成4部分，每部分8位。在該結(jié)構(gòu)中，Address-part[0-4]是IP地址中的一部分，Mask-part[0-4]是相應(yīng)的掩碼部分。Hit-next[0-4]是需要查找的目標(biāo)IP地址與掩碼部分相與后，與Address-part一致時所要查找的下一路由項所在地址的指針。,Miss-hit[0-4]則是相互不一致時，下一路由項所在地址的指針。Shift位則用于判斷是否需要對IP地址中的下8位進行查找和判斷。它只有在當(dāng)前的8位IP地址與目標(biāo)地址中相應(yīng)的8位一致時，才會被置位。Stop位用于判斷是否還需進行查找。它在IP地址查找結(jié)束時被置位，或沒有比當(dāng)前項所對應(yīng)的IP地址更長的路由表項時被置位。
圖2就是一個表1的例子 ：
在該例子中，每一方框中上面一行表示相應(yīng)的IP地址部分和隱碼部分。下面一行表示相關(guān)的隱碼部分的二進制表示。 相應(yīng)的查找算法如下：
- ／＊查找算法開始 */
- search = TRUE ;
- WHILE ( search ) {
- masked_key = key & ( entry ->mask_part ) ;
- result = ( entry ->address_part ) = = masked_key
- IF ( result = = TRUE ) {
- best_match = entry ;
- entryentry = entry ->hit_next;
- }ELSE{
- entryentry = entry ->miss_next;
- IF ( entry ->stop = = TRUE ) search = FALSE;
- }
- }
- RETURN best_match ；
- ／＊查找算法結(jié)束 */
為了實現(xiàn)有效的插入和刪除，我們還要在路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中再另外添加幾個域 ：parent指針（指向本結(jié)點的父結(jié)點），路由信息（routeinfo）等。它們的用途是在路由表的查找過程中，特別是在指針的回溯（pointer reversal）中，可以大大的節(jié)省查找時間。由于IP路由的插入和刪除比較復(fù)雜。我們只是粗略得說明一下。
IP路由的插入：
- /*插入算法開始 */
- /* 先用上面提到的查找算法找出best-match */
- best_match = search ( new_entry );
- /* 確定需要加入的路由中沒有被best-match包括的那幾位 */
- for ( count = first_unmatched_bit ; count <= sizeof ( new_entry) ;
- count+= sizeof ( address_part ) {
- /* 創(chuàng)建新的結(jié)點 */
- create new node ;
- /* 將該結(jié)點連入best_match的hit_next */
- link node into hit branch of best_match ;
- }
- /*插入算法結(jié)束 */
IP路由的刪除要分幾種情況討論 。如 best_match 是葉子結(jié)點 ，best_match的hit_next指針為空, best_match的miss_next指針為空 和hit_next指針和miss_next指針都不為空等四種情況。這里就不再討論。
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3．路由表查找的硬件實現(xiàn)：
圖3就是對應(yīng)與上面提及的路由表結(jié)構(gòu)的IP路由表查找的硬件實現(xiàn)（簡稱為路由卡）的系統(tǒng)框圖。
在路由卡中，主要有IP地址，狀態(tài)機，路由信息，Memory，譯碼器，掩碼器，比較器，地址寄存器組成。IP地址用于保存所要查找的目標(biāo)地址。狀態(tài)器用于控制IP路由表的查找。路由信息就是我們所要查找的信息。它的工作原理是這樣的：
當(dāng)路由器從某一個網(wǎng)絡(luò)適配器中接受到一個需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包后，在需要進行IP路由表的查找時，把IP包的目的地址送到IP地址寄存器中，同時給狀態(tài)機發(fā)一個指令。狀態(tài)接到這一指令后，從Memory中讀出路由表的相應(yīng)的表項，并和IP地址寄存器中的相應(yīng)幾位經(jīng)譯碼器，掩碼器后，進行比較，把比較的結(jié)果反饋給狀態(tài)機。再由狀態(tài)機來控制下一輪的比較。當(dāng)比較結(jié)束后，把比較的結(jié)果放在路由信息寄存器中，供路由器（如轉(zhuǎn)發(fā)引擎）讀取。同時狀態(tài)機在特定的某一端口設(shè)置標(biāo)志，來通知CPU查找是否已經(jīng)結(jié)束或還在進行當(dāng)中。下面對其性能進行分析。
4．性能分析
由于路由表項中，地址掩碼的引入，使得路由結(jié)構(gòu)變得非常靈活。但相應(yīng)的，由此產(chǎn)生的內(nèi)存的開銷也相當(dāng)?shù)拇蟆＿@是性能和硬件開銷一對矛盾的必然體現(xiàn)。
該路由卡原型的實現(xiàn)是利用微機上的ISA總線，采用存取時間為70ns 的SRAM存儲器（所需容量為6*123k*8bit）。除了使用ISA總線上提供的總線外，本身還帶了33M的晶振。對某一路由表項的查找，最多只需32步查找。
在最壞情況下，共需32次查找，查找時間為：
32* 1 /(33*106) ≈ 9.7 * 10 -7秒
此時每秒可查找 1/（9.7 * 10 -7）≈ 1.03 * 106次
雖然該路由卡是基于ISA總線，但平均來說，該路由卡的查找速率為每秒8百萬次。這也從另一方面說明該路由卡的設(shè)計是可行的。
針對網(wǎng)絡(luò)流量的增加，及對路由器性能要求的提高，本文從硬件的角度對IP路由查找算法用硬件實現(xiàn)做了一系列的分析，并提出了相應(yīng)的便于用硬件實現(xiàn)的IP路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同時對該路由卡的性能進行了分析。
同時也該看到：為了更快的提高路由表的查找速率，基于ISA總線是不可能滿足要求的。由此，使用FPGA芯片不可避免。由于VHDL語言固有的靈活性和可編程性，可以更為靈活和高效的實現(xiàn)路由查找。所以，使用FPGA芯片來實現(xiàn)路由查找，是未來的趨勢。
路由器中的硬件IP路由表應(yīng)用的全部內(nèi)容就呈現(xiàn)給了大家，文章內(nèi)容較多，但是敘述比較詳細(xì)，方便讀者理解和閱讀，希望你能從中學(xué)習(xí)到你想要的知識。
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