[发明专利]基于TCAM的高速低功耗IP路由表查找方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络通信设备，特别涉及基于TCAM的高速低功耗IP路由表查找方法。

背景技术

Internet的迅速发展给我们的生活带来了巨大的变化，随之而来的是网络流量的迅速增长及路由表的不断膨胀，这对于Internet上的网络处理设备来说是一个很大的挑战，特别是核心网络设备。此外，随着光纤通信技术的不断发展，网络处理设备对于线速的要求变得越来越高，留给设备进行单个数据包处理转发的时间越来越短，这对于Internet上的网络处理设备来说同样是一个极大的挑战。路由器和交换机是在网络中对数据分组转发的典型设备，路由表是其进行数据分组转发的基础。路由器和交换机在转发数据分组时，需要根据目的IP地址及最长前缀匹配原则，查找路由表从而确定正确的下一跳出口。因此，如何在巨大的路由表中快速找到最佳匹配的表项是路由器和交换机迫切需要解决的一个问题。

传统的基于软件算法的路由查找策略，如树或哈希算法，其执行过程都是相当慢的，而且与路由表的大小相关联。所以，这些方法只能用于规模小的、性能较低的包转发应用。使用路由表压缩技术，将路由表按特定的分布规律压缩后存放在处理器的高速缓存中，这样可以大大提高查询速度。但是数据结构的高度优化和压缩使得路由表的更新需要花费更多的寄存器访问和处理器周期，当路由表增大时，这个值还会增加。此外，当路由表需要更新时，需要重新建立整个查找结构，严重降低了路由器和交换机的性能。随着IPv6的出现和不断推广，这些软件算法更是捉襟见肘。

三态内容寻址存储器(Ternary Content Addressable Memory，简称TCAM)技术是一种能完成快速路由表查找的有效硬件方法，它是从CAM发展而来的。一般的CAM存储器中的每个bit位的状态只有“0”或者“1”两种，而TCAM还有一种“don’t care”状态，又记作“*”，所以称为三态。正是TCAM的这种三态特征使其既能够进行精确匹配查找，又能够进行模糊匹配查找，而由于IP地址可以表示为前缀型数值，因此TCAM被广泛应用于IP路由表查找中。TCAM方案的高性能源于其高度的并行查找能力，但是正是由于这种高度的并行查找能力，使得TCAM方案消耗了大量的能源，这些能源既包括TCAM自身并行查找所消耗的，也包括辅助的散热设备所消耗的。在能源紧缺的今天，节能环保越来越被IT界重视，如何降低TCAM方案的能耗成为业界关注的一个话题。正是在这样的背景下，TCAM提供商提出了一种块(block)机制，即将整大块的TCAM划分为某干个小的TCAM块，即TCAM block，这样可以有选择的激活其中部分TCAM块进行查找而不是原始的整大块TCAM从而达到降低能耗。此外，TCAM提供商还提供了TCAM块的并行查找能力，例如Cisco catalyst4500系列就允许同时进行四个TCAM块的并行查找。这两种新机制可参见Yadi Ma等人的“A Smart Pre-Classifier to Reduce Power Consumption of TCAMs for Multi-dimensional Packet Classification”(ACM SIGCOMM2012)论文。如何有效利用这种块的机制是当前的一个热点和难点。最长共同前缀匹配的概念在Samar Sharma等人的“Sorting and Searching using Ternary CAMs”(1EEE HOTI2002)论文中被提出，并在Yeim-Kuan Chang的“A2-Level TCAM Architecture forRanges”(IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS.VOL.55，NO.12)论文中得到扩展。但两者都仅用于解决基本段定位问题，没有能够解决IP路由表的查找问题，更没有能够解决TCAM的低功耗设计问题及动态更新设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于TCAM的高速低功耗路由表查找方法，并且要求该方法具有可动态增量更新的特点，能够解决现有软件算法的低速问题及现有TCAM方案的高能耗问题。

为了解决上述问题，本发明提供是通过以下技术方案实现的：

a：将IP路由表查找转化为一维坐标轴上的基本段的点定位问题；

b：根据各基本段所覆盖的IP路由表项数量进行等容量聚合，形成等容量区间段，根据等容量区间段建立索引表，构建索引项与TCAM 块间的对应关系；