專利名稱：支持路由壓縮的tcam高速更新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
支持路由壓縮的TCAM(三態(tài)內(nèi)容可尋址存儲器)高速更新方法屬于互聯(lián)網(wǎng)中高速IP地址查找領(lǐng)域。
Internet網(wǎng)絡(luò)中，拓撲是動態(tài)變化的，路由也是動態(tài)改變的。路由器為了保證分組的轉(zhuǎn)發(fā)正確，必須快速的對路由改變做出反映，及時的把新路由加入到路由表，并把過期路由從路由表中刪除。路由更新的處理速度成為路由查找方案的一個重要評價指標(biāo)。低效率的路由更新會大大影響TCAM的路由查找性能，增加路由查找的延遲。
對于TCAM技術(shù)的三個缺點，研究者提出了相應(yīng)的解決方案。對于缺點1、2，可以通過壓縮路由表的方法來解決。壓縮后的路由表對TCAM存儲空間的需求減少，使用較小容量的TCAM芯片就可滿足存儲要求，這就減少了TCAM技術(shù)的成本，同時使用小容量的TCAM芯片也減少了芯片內(nèi)部的功耗以及散熱。Liu基于Prunning(刪減)和Mask Extension(掩碼擴展)技術(shù)，提出一種TCAM的路由表壓縮算法。該算法對Internet網(wǎng)絡(luò)中實際路由表，可達到40％左右的壓縮比。但算法的更新過程復(fù)雜，更新速度很慢，難以滿足Internet網(wǎng)絡(luò)中路由更新的速度。
對于缺點3，Shah基于TCAM中前綴鏈約束的路由排序方式(Tries樹結(jié)構(gòu)中，從根結(jié)點到葉子結(jié)點的路徑稱為鏈，前綴鏈約束是指鏈上出現(xiàn)的路由前綴應(yīng)按照越靠近葉子的前綴存儲在越低的地址的規(guī)則在TCAM中存儲)，提出CAO_OPT路由更新算法。最差情況下，CAO_OPT算法的更新復(fù)雜度為O(D/2)(D為Tries樹中最大鏈長度)，平均情況下，CAO_OPT的更新復(fù)雜度可達O(AD/2)(AD為Tries樹中所有鏈的平均長度)。當(dāng)路由表中路由前綴比較少時，AD值也比較小，CAO_OPT算法性能很好。但隨著路由前綴的增加，Tries樹結(jié)點分布越來越密集，AD值也隨之增加，CAO_OPT算法性能相應(yīng)下降。尤其對IPv6協(xié)議，地址長度從32Bits擴展為128Bits，路由表中的路由前綴數(shù)目大大增加，CAO_OPT算法的性能會下降很多。
本發(fā)明提出的查找方法的特征在于，它是一種把都基于樹結(jié)構(gòu)的路由壓縮和建立在把TCAM(三態(tài)內(nèi)容可尋址存儲器)芯片內(nèi)的空間劃分為N個子空間的前綴鏈約束基礎(chǔ)之上的前綴更新這兩個步驟前后合在一起的TCAM高速更新方法，它依次含有以下步驟(1)在樹結(jié)構(gòu)中，找到代表更新路由的結(jié)點fn，更新路由是指增加路由或刪除路由；(2)判斷fn的前綴是否需要更新至TCAM中若需要更新，則執(zhí)行步驟(3)；若無需更新，則執(zhí)行步驟(4)；(3)把fn的前綴更新至TCAM；(4)判斷fn的子結(jié)點是否需要更新至TCAM中若需要更新，則執(zhí)行步驟(5)；若無需更新，則執(zhí)行步驟(6)；(5)把fn子結(jié)點的前綴更新至TCAM；(6)更新結(jié)點fn的數(shù)據(jù)成員；其中，所述的步驟(3)把fn的前綴更新至TCAM，它依次含有以下步驟3.1利用評價函數(shù)Tmin(W，N)把TCAM空間劃分為N子空間，其中Tmin(W,N)=Mini=NtoW(Tmin(i-1,N-1)+F(i,W))]]>W表示IP地址長度，也是最大路由前綴長度；N表示劃分子空間的個數(shù)；Tmin(W，N)表示
長度區(qū)間的前綴，在N子空間劃分下，移動操作和寫入操作總和的最小值；Tmin(i-1，N-1)表示
長度區(qū)間的前綴，在N-1子空間劃分下，移動操作和寫入操作總和的最小值；F(i，W)表示在區(qū)間[i，W]內(nèi)的前綴，在一個子空間內(nèi)更新所需操作的數(shù)目。
3.2根據(jù)前綴的長度找到TCAM中對應(yīng)的前綴子空間Lk＝[lk-1+1，lk]；3.3在子空間Lk內(nèi)，按照前綴鏈約束，對樹鏈上的路由前綴進行移動操作；3.4把fn的前綴更新至TCAM中；所述的步驟(2)，判斷fn的前綴是否需要更新至TCAM中的原則是，此路由前綴是否冗余，即此路由前綴若和其父結(jié)點具有相同的下一跳地址和出端口，也就是說，它們的轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果是一樣的，則此路由前綴在路由表中是冗余的，則不更新至TCAM；否則，就需要更新至TCAM中。
使用證明它有以下特點支持高速的路由更新，支持有效的路由表壓縮，對IPv6協(xié)議具有很好的擴展性。
圖2.刪除前綴時路由更新的程序流程框圖。
圖3.TCAM前綴增加的程序流程框圖(hcld-＞prefixlenhcld結(jié)點前綴的前綴長度)。
圖4.TCAM前綴刪除的程序流程框圖(P0子空間最靠近空閑區(qū)域的前綴結(jié)點)。
圖5.TCAM內(nèi)N子空間劃分。
圖6.子空間內(nèi)增加前綴示意圖。
圖7.子空間內(nèi)刪除前綴示意圖。
基于Tries樹的路由表結(jié)構(gòu)中，如果路由前綴P1為路由前綴P2的父結(jié)點，同時P1具有和P2相同的下一跳地址和出端口，那么路由查找結(jié)果為P1和P2，它們的轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果是一樣的。這時，P2在路由表中是冗余，我們可以對P2可以實行刪減，不把P2的路由前綴寫入到TCAM芯片中。基于這樣的思想我們進行路由壓縮。為了支持壓縮，我們需要對Tries結(jié)點增加一個標(biāo)記prun_flag，如果prun_flag為1則表示該結(jié)點代表的路由前綴是可刪減的，不用更新至TCAM芯片中，如果prun_flag為0則表示此結(jié)點代表的路由前綴是不可刪減的，應(yīng)更新至TCAM中。
路由壓縮在增加路由和刪除路由時，都需要進行。
圖1，圖2為增加路由和刪除路由時，路由壓縮過程的流程圖。圖中，tcam_add為圖3所示的TCAM增加前綴過程；tcam_delete為圖4所示的TCAM刪除前綴過程；parent為結(jié)點的父結(jié)點指針。
為了保證TCAM芯片可進行最長匹配查找，TCAM內(nèi)的路由前綴采用前綴鏈約束順序進行組織。前綴鏈約束基于Tries樹結(jié)構(gòu)，我們維護一個Tries樹結(jié)構(gòu)輔助TCAM的路由前綴更新。
我們把TCAM內(nèi)的空間劃分為N個子空間，分別為{S1，S2，S3，...，SN-1，SN}；每個子空間關(guān)聯(lián)一個前綴區(qū)間，分別為{L1＝
，L2＝[l1+1，l2]，...，LN-1＝[lN-2+1，lN-1]，LN＝[lN-1+1，W]}，其中l(wèi)1，l2，..，lN-1為
的整數(shù)，并且滿足l1＜l2＜...＜lN-1；這些區(qū)間把路由前綴長度區(qū)間
分成了連續(xù)的N段。(W為IP地址長度，也是最大路由前綴長度)。如果某個前綴它的前綴長度屬于前綴區(qū)間Lk，則該前綴在TCAM內(nèi)應(yīng)存儲在Sk子空間中。圖5為TCAM內(nèi)子空間劃分的示意圖。圖中灰色條框表示TCAM內(nèi)的一個地址單元。虛線表示前綴在Tries樹中的鏈關(guān)系。
子空間內(nèi)空閑的空間位于低地址端，這與把空閑空間放在高地址端相比，可以有效減少更新時移動的次數(shù)。鏈中越靠近葉子的結(jié)點，結(jié)點的密度越大，如果空閑空間放在高地址端，添加靠近葉子結(jié)點時，它們的父結(jié)點需要頻繁的進行移動操作，這大大增加了更新的開銷。進行前綴更新時，首先根據(jù)前綴的長度判斷前綴所屬的子空間，然后在對應(yīng)的子空間內(nèi)進行對該前綴進行添加和刪除操作。下面對子空間內(nèi)前綴的添加和刪除做進一步說明?！褡涌臻g內(nèi)前綴增加圖6為子空間內(nèi)前綴增加示意圖。為了基于鏈完成前綴更新，我們需要為每個前綴結(jié)點p在Tries樹結(jié)點增加兩個變量tcam_index、hcld。tcam_indx為p結(jié)點前綴在TCAM芯片中的位置。hcld為指針，它指向p結(jié)點多個前綴子結(jié)點中，在TCAM中存儲位置最低的子結(jié)點。圖6中p為新加入的前綴結(jié)點。按照圖中箭頭所示，首先把hcld(hcld(p))的前綴移至空閑空間，然后hcld(p)的前綴移至hcld(hcld(p))所在位置，最后把p結(jié)點寫入hcld(p)所在位置。
圖3為在TCAM內(nèi)進行前綴增加整個過程的流程圖。對流程圖的步驟解釋如下1.設(shè)fn為增加的前綴結(jié)點，置當(dāng)前結(jié)點pn＝fn，找到結(jié)點fn對應(yīng)的前綴子空間Lk；2.如果pn-＞hcld的前綴屬于Lk子空間，跳至3；否則跳至4；3.把pn-＞hcld加入到hcld_array數(shù)組中，置pn＝pn-＞hcld，至2；4.按照圖6所示的方法，順序移動hcld_array數(shù)組中的結(jié)點前綴；圖3中的變量i，為臨時計數(shù)變量?！褡涌臻g內(nèi)前綴刪除圖7子空間內(nèi)前綴刪除的示意圖。為了基于鏈進行前綴的刪除，我們需要為Tries樹中每個結(jié)點p增加一個變量parent。它為指針，指向p結(jié)點的Tries樹中的前綴父結(jié)點，同時我們還需要記錄子空間中最靠近空閑空間的前綴結(jié)點。如圖4所示，結(jié)點p為要刪除的結(jié)點，q0為最靠近空閑空間的結(jié)點，parent(q0)的位置低于結(jié)點p，parent(parent(q0))的位置高于p。我們按照下面的步驟刪除結(jié)點p首先把parent(q0)的前綴移至p結(jié)點位置，然后把q0的前綴移至parent(q0)的位置，最后釋放q0所占的TCAM空間。
圖4為在TCAM內(nèi)進行前綴刪除整個過程的流程圖。對流程圖的步驟解釋如下1.設(shè)fn為刪除的前綴結(jié)點，所屬子空間為Lk，p0為Lk中最靠近空閑空間的結(jié)點，置當(dāng)前結(jié)點pn＝p0；2.如果pn-＞parent的前綴位置低于fn結(jié)點，跳至3；否則跳至4；3.把pn-＞parent加入到parent_array數(shù)組中，置pn＝pn-＞parent，跳至2；
4.按照圖7所示方法，順序移動parent_array數(shù)組中的結(jié)點；假設(shè)Tries樹中最大鏈長為D，最好情況下，更新算法的復(fù)雜度為(D/N)；最差情況下，更新復(fù)雜度為D。如果我們把子空間的空閑區(qū)間放在中間，更新算法的性能會近一步提高，最好情況下為D/2N，最差情況下為D/2。
N個子空間前綴區(qū)間的劃分直接影響著TCAM的更新性能，不合適的劃分將導(dǎo)致TCAM更新性能的下降。為了量化影響，我們用子空間劃分評價函數(shù)T(W，N)對劃分進行評價。T(W，N)表示給定一個路由表，在劃分N情況下，更新前綴長度在
之間的路由，TCAM芯片內(nèi)移動操作和寫入操作的總數(shù)目。當(dāng)T(W，N)達到最小時，我們認(rèn)為此時劃分N是最優(yōu)的。
為了計算T(W，N)，我們采用遞規(guī)的思想。假設(shè)N個子空間中第N個子空間的前綴區(qū)間為LN＝(i，W)，把
區(qū)間的前綴更新，分為兩個部分
區(qū)間和[i，W]區(qū)間。[i，W]區(qū)間前綴在子空間LN內(nèi)更新，
區(qū)間的前綴在L1到LN-1N-1個子空間內(nèi)更新。由此我們可以得到T(W，N)的遞規(guī)表達式。
T(W，N)＝T(i-1，N-1)+F(i，W) (1)當(dāng)T(W，N)最小時，我們會進一步得到(2)式Tmin(W,N)=Mini=NtoW(Tmin(i-1,N-1)+F(i,W))---(2)]]>式(1)和(2)中，F(xiàn)(i，W)表示在區(qū)間[i，W]內(nèi)的前綴，在LN子空間內(nèi)更新所需操作的數(shù)目。T(i-1，N-1)表示在區(qū)間
內(nèi)的前綴，在L1到LN-1(N-1)個子空間內(nèi)更新時所需的操作。Tmin(W，N)為T(W，N)的最小值，Tmin(i-1，N-1)為T(i-1，N-1)的最小值。
對于(2)式，我們可以推廣得到更一般的表達式(3)Tmin(y,x)=Mini=xtoy(Tmin(i-1,x-1)+F(i,y))]]>式(3)中，y屬于區(qū)間[1，W]，x屬于區(qū)間[1，N]。Tmin(y，x)表示對給定的路由表，在劃分x情況下，更新前綴長度在
之間的路由，TCAM芯片內(nèi)所需的最小移動和寫入操作數(shù)。Tmin(i-1，x-1)表示在區(qū)間
內(nèi)的前綴，在L1到Lx-1(x-1)個子空間內(nèi)更新時所需的操作。F(i，y)表示在區(qū)間[i，y]內(nèi)的前綴，在Lx子空間內(nèi)更新所需操作的數(shù)目。
實際計算過程中，為了避免遞規(guī)，我們可以先計算初始值Tmin(k1，1)(k1＝1 to W)，然后再利用(2)式計算Tmin(k2，2)(k2＝2 to W)，依次類推，最后計算Tmin(W，N)，計算過程共需要計算((2*W-N+2)×(N-1)/2+1)個T值。
對F(i，W)值的計算除了考慮路由前綴在Trie樹中位置之外，還要考慮路由前綴插入的順序。比如Tries樹中某條鏈上有兩個路由前綴，如果先加入靠近根節(jié)點的前綴，再加入遠離根節(jié)點的前綴則不需要移動操作，只需要寫入操作，所用操作數(shù)為2；如果先加入遠離根結(jié)點的前綴，再加入靠近根結(jié)點的前綴則需要1次移動操作，所用總操作數(shù)為3。為了方便計算，F(xiàn)(i，W)為左子結(jié)點鏈中可能的最大操作數(shù)。所謂左子結(jié)點鏈?zhǔn)侵赣上旅娼Y(jié)點組成的鏈某個結(jié)點fn，fn的左子結(jié)點fn-＞l_child，fn-＞l_child的左子結(jié)點fn-＞l_child-＞l_child，...，依次類推，鏈中最后-個結(jié)點為fn的最左葉子結(jié)點。
計算得到Tmin(W，N)同時，我們也可以得到N個子空間的前綴區(qū)間。計算Tmin(W，N)以及確定最佳K子空間劃分的算法偽碼，表示如下<pre listing-type="program-listing">N_Partition(){ 初始化T[W+1][N+1]數(shù)組；∥劃分評價函數(shù)Tmin(y，x) 初始化bound[W+1][N+1]數(shù)組；∥前綴區(qū)間的邊界 for(i＝1；i＜＝W；i++) 計算T[i][1]； for(x＝2；x＜＝N；x++)∥x循環(huán) { for(y＝x；y＜＝W；y++)∥y循環(huán) { ∥利用遞推公式(3)計算T[y][x] for(i＝x；i＜＝y(tǒng)；i++) { tempT＝T[i-1][x-1]+F(i，y)；∥tempT和tempBound為臨時變量 tempBound＝i； if(tempT＜T[y][x])∥判斷T[y][x]是否達到最小 { bound[y][x]＝tempBound； T[y][x]＝tempT； } }}∥得到N個子空間的前綴區(qū)間劃分N_Bound[N-1]＝bound[W][N]；∥N_Bound數(shù)組為子空間前綴區(qū)間的邊界for(i＝N-2；i＜＝1；i--){N_Bound[i]＝bound[N_Bound[i+1]][i+1]；}}∥RT為已知路由表的Tries結(jié)構(gòu)的根結(jié)點F(i，j){fn＝RT；count＝0；∥所有操作計數(shù)while(fn?。絅ULL){if(fn的前綴長度＞＝i&amp;&amp;fn的前綴長度＜＝j(luò))∥判斷fn的前綴是否在[i，j]區(qū)間{ ∥按照左子結(jié)點鏈計算操作數(shù)目 child＝fn-＞l_child；∥l_child為fn的左子結(jié)點 while(child?。絅ULL) { if(child的前綴長度＜＝j(luò))∥判斷child是否在區(qū)間[i，j]內(nèi) count++；∥一次移動操作 child＝child-＞l_child；<!-- SIPO <DP n="6"> --><dp n="d6"/> } count++；∥一次寫入操作 } fn＝fn的下一個結(jié)點；∥利用fn的下一個結(jié)點遍歷整個Tries樹結(jié)構(gòu)}}</pre>函數(shù)F(i，j)表示長度在區(qū)間[i，j]內(nèi)的路由前綴，在TCAM中更新時所用操作的數(shù)目。T數(shù)組中的T[W+1][K+1]元素為最后的Tmin(W，K)值，N_bound[i](i＝1到N-1)為N個子空間的N-1個邊界。
得到N個子空間的劃分后，為了保證空間的充分利用，N的子空間大小的分配可以依據(jù)各自空間內(nèi)部路由前綴數(shù)目的多少來進行分配。
路由壓縮部分也是基于Tries結(jié)構(gòu)，它可以兼容后面的TCAM前綴更新，并且壓縮的操作很簡單，不會影響路由更新速度。用我們的壓縮方法對Internet中實際的路由表進行壓縮，可以達到平均20％的壓縮比。
由于路由壓縮部分與TCAM路由前綴更新部分都是基于Tries樹結(jié)構(gòu)，Tries結(jié)構(gòu)對IPv6路由表具有很好的擴展性，所以我們的更新算法對IPv6路由表的更新也具有很好的擴展性。
權(quán)利要求
1.支持路由壓縮的TCAM高速更新方法含有路由壓縮的步驟，其特征在于它是一種把都基于樹結(jié)構(gòu)的路由壓縮和建立在把TCAM(三態(tài)內(nèi)容可尋址存儲器)芯片內(nèi)的空間劃分為N個子空間的前綴鏈約束基礎(chǔ)之上的前綴更新這兩個步驟前后合在一起的TCAM高速更新方法，它依次含有以下步驟(1)在樹結(jié)構(gòu)中，找到代表更新路由的結(jié)點fn，更新路由是指增加路由或刪除路由；(2)判斷fn的前綴是否需要更新至TCAM中若需要更新，則執(zhí)行步驟(3)；若無需更新，則執(zhí)行步驟(4)；(3)把fn的前綴更新至TCAM；(4)判斷fn的子結(jié)點是否需要更新至TCAM中若需要更新，則執(zhí)行步驟(5)；若無需更新，則執(zhí)行步驟(6)；(5)把fn子結(jié)點的前綴更新至TCAM；(6)更新結(jié)點fn的數(shù)據(jù)成員；其中，所述的步驟(3)把fn的前綴更新至TCAM，它依次含有以下步驟3.1利用評價函數(shù)Tmin(W，N)把TCAM空間劃分為N子空間，其中Tmin(W,N)=Mini=NtoW(Tmin(i-1,N-1)+F(i,W))]]>W表示IP地址長度，也是最大路由前綴長度；N表示劃分子空間的個數(shù)；Tmin(W，N)表示
長度區(qū)間的前綴，在N子空間劃分下，移動操作和寫入操作總和的最小值；Tmin(i-i，N-1)表示
長度區(qū)間的前綴，在N-1子空間劃分下，移動操作和寫入操作總和的最小值；F(i，W)表示在區(qū)間[i，W]內(nèi)的前綴，在一個子空間內(nèi)更新所需操作的數(shù)目。3.2根據(jù)前綴的長度找到TCAM中對應(yīng)的前綴子空間Lk＝[lk-1+1，lk]；3.3在子空間Lk內(nèi)，按照前綴鏈約束，對樹中鏈上的路由前綴進行移動操作；3.4把fn的前綴更新至TCAM中；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的支持路由壓縮的TCAM高速更新方法，其特征在于所述的步驟(2)，判斷fn的前綴是否需要更新至TCAM中的原則是，此路由前綴是否冗余，即此路由前綴若和其父結(jié)點具有相同的下一跳地址和出端口，也就是說，它們的轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果是一樣的，則此路由前綴在路由表中是冗余的，則不更新至TCAM；否則，就需要更新至TCAM中。
全文摘要
支持路由壓縮的TCAM高速更新方法屬于互聯(lián)網(wǎng)IP地址高速查找技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它是一種把都基于樹結(jié)構(gòu)的路由壓縮以及建立在三態(tài)內(nèi)容可尋址存儲器(TCAM)芯片內(nèi)的空間劃分為N個子空間的前綴鏈約束基礎(chǔ)上的前綴更新這兩個步驟前后合在一起的TCAM高速更新方法，其中，判斷前綴是否需更新的原則是該結(jié)點是否冗余，冗余則不更新，反之，則更新；在判斷N個子空間的劃分是否影響TCAM更新性能時，使用了子空間劃分評價函數(shù)。它具有支持高速的路由更新，支持有效的路由表壓縮，對IPv6協(xié)議具有很好的擴展性的優(yōu)點。
文檔編號G06F9/00GK1447223SQ0310912
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者梁志勇, 徐恪 申請人:清華大學(xué)