一种支持高速IPv6转发的路由器体系结构FIS

本文提出了一种在交换网络中执行转发操作的路由器体系结构,采用多个低速且具有独立转发和交换功能的转发交换结点FSN,组成多级流水线结构,以流水的方式执行报文转发和交换。本文对FIS中实现IPv6转发的关键技术—IPv6转发表的分解、转发表到FSN结点的映射、IPv6转发引擎的设计及报文调度算法进行了深入的研究,并基于FIS体系结构提出了易于硬件实现的IPv6查找机制和基于Hash老化的报文调度算法,为下一步FIS原型系统的实现提供了切实可行的方案。     

一种基于并行处理的IPv6组播包高速转发实现方法

总结PIM-SM协议要求的IPv6组播包转发处理流程，并在可靠性不变的前提下改进了该流程。提出了一种IPv6组播包高速转发实现的平台结构-分布式并行多处理器交换结构和一种基于并行处理的IPv6组播包高速转发实现方法——高速组播包并行转发处理方法。     

高性能IPv6转发引擎的FPGA实现

高速转发引擎是高性能IPv6路由器的关键技术,文章设计了一种IPv6高速转发引擎的硬件结构,编写了硬件结构的VerilogHDL模型,进行了仿真和逻辑综合,并成功用XILINX的FGPA对转发引擎进行了验证。测试结果表明,该文设计的转发引擎的结构正确,可以达到2.5G端口线速转发,满足了设计要求。     

转发控制分离的IPv6路由器控制体系结构研究

路由器体系结构是决定路由器性能和功能的主导因素。一方面,路由器的功能需求越来越复杂;另一方面,为了满足转发性能需求,普遍采用硬件进行转发。为此,转发控制分离成为一种全新的路由器体系结构。本文在研究分析转发控制分离体系结构的基础上,提出了一种针对IPv6的转发控制分离路由器控制体系结构,并重点研究了转发与控制制分离后所带来的问题,最后设计和实现了一个原型系统。     

层次型移动IPv6优化方案

移动且不需要改变IP地址是移动IPv6的关键所在,而移动IPv6的关键技术就在移动过程中的切换。如何降低切换延时是衡量移动IPv6切换性能的标准。为此,针对移动主机在外地网络内的频繁切换已提出层次移动IPv6,用以降低时延,针对二层网络触发的切换预期已提出移动IPv6快速切换。本文提出一种以层次型移动IPv6快速切换协议(FHMIPv6)为基础的改进方案,首先针对快速切换的链路层时延引入缓存机制,然后主要针对域间切换MAP无法减少注册时延的问题,引入功能路由概念,提出最优功能路由算法,以减少切换时延和丢包率。实验分析表明,相比层次型移动IPv6快速切换方法,该方法有很大程度的改进。     

快速更新IPv4/IPv6双栈路由查找算法与实现

IPv4/IPv6双栈核心路由器需要一体化高效路由查找．但常用的单步TCAM路由查找方案要求转发表的存储必须按前缀长度相对地址降序排列，这种与地址关联的排序操作影响表项的更新速度和路由查找流程的连续性．提出并实现了一种独特的对前缀范围对分搜索的IPv4／IPv6双栈一体化多步TCAM流水查找方法．突出特点是转发表不需排序、查找速率高、表项更新快、查表连续性好．可满足IPv4／IPv6双协议栈核心路由器OC-768（40Gbps）端口、48B包的线速转发．     

面向应用的可编程报文转发技术研究

Internet正从单一服务形式的网络逐步向多服务、智能化网络发展。根据应用的需求和特征,通过可编程机制动态形成适应应用的报文转发机制,是未来路由器发展的趋势。该文提出了一种面向应用转发的多服务虚拟交换路由器结构:PVSMR,并对其主要构成及其关键实现技术进行了深入的探讨。PVSMR基于资源分割形成的虚拟转发结构,它能够提供与多类应用相适应的、灵活的报文处理和转发控制能力。     

面向ForCES路由器结构的BGP Graceful Restart技术研究

本文在介绍转发控制分离体系结构和网络高可用性相关技术的基础上,系统地介绍了BGP Graceful Restart扩展技术.在Graceful Restart技术的支持下,路由器能够在控制系统故障重启后,在重新建立网络邻接关系的过程中保持转发平台继续转发数据,从而避免了暂时性的路由振荡.最后,文章重点描述了基于转发控制分离结构IPv6路由器平台环境的BGP Graceful Restart实现方案.     

CR:基于一类新型结构的可扩展路由器

互连网络,例如3-D torus拓扑结构,已成功应用于可扩展路由器的设计中.但是,3-D torus结构在实际应用时存在设计缺陷,扩展规模受到了限制.提出了一类新型的交换架构,称为蜂巢式路由器.基本蜂巢结构存在一些问题,通过引入镜像点可以有效解决,还给出线卡的具体设计方案.最后介绍了该架构下几类路由算法的设计.蜂巢结构表现出优秀的扩展能力和容错性,非常适合可扩展路由器的设计.     

基于混合式分级流标签的IPv6组播通信

IPv6网络协议引入流标签概念,在路由器转发提供QoS支持。针对IPv6多媒体组播通信的需要,提出一种混合式流标签分级定义方案实现IPv6组播通信的QoS支持,在IPv6实验网上进行多媒体组播通信模拟测试,结果表明该方案能够提供满意的QoS支持。     

超高速转发引擎的多协议报文处理机制

随着IP网上各种业务的不断增加,要求转发引擎同时支持IPv4、IPv6、组播、MPLS多种协议报文的转发,传统的路由器无法支持此项功能。为使转发引擎支持多协议报文处理,提出一种采用单通道进行多协议报头处理与多表并行查表处理相结合的多协议报文处理机制,该机制极大地节省了以往处理方式对芯片逻辑和存储资源所造成的浪费,分析表明该设计方案保持线速转发能力。     

利用直连网络实现可扩展路由器

Internet的迅速发展直接表现为用户流量的迅速增长,这就要求路由器必须提供更大的容量.传统的路由器由线卡和集中式交换网络构成.集中式交换网络只能支持有限的端口数目,而且随着端口数目的增加,调度算法也变得越来越复杂,所以交换网络正成为整个路由器的性能瓶颈.集中式交换网络还是路由器的单一失效点,无法提供令人满意的容错性能.直连网络具有良好的扩展性和容错性.其中,3-D Torus拓扑结构已被成功应用到可扩展路由器的设计当中.但是在实际应用中,3-D Torus结构受到等分带宽的约束,限制了扩展规模.介绍了一种新型的直连网络结构,称为蜂巢式结构.将对蜂巢结构作简单的改动,修改后的拓扑表现出很好的拓扑属性.基于该结构,提出了两类最短路径路由算法.其中,负载均衡的最短路径路由算法较好地利用了直连网络路径多样性的特点,针对均匀随机和Tornado两种类型的流量都表现出较低的分组延时和较高的吞吐量.另就队列长度和单节点调度算法等方面对路由算法的影响进行了讨论.蜂巢结构为可扩展路由器的设计提供了新的选择.     

一种改进的二分法IPv6路由查找算法

随着IPv6协议的广泛应用，传统的IPv4路由表查找算法不再适应IPv6网络环境中路由转发的需要。该文在基于hash表的二分查找算法基础之上，提出了一种改进算法，该算法应用于超大规模路由表时能表现出较好、稳定的运行效率。为了减小内存消耗，还针对该算法提出了优化方案，并通过实验数据进行了对比分析。     

A terabit multiservice switch

This article describes a terabit multiservice switch architecture. Because of its multiterabit switching speed, quality of service (QoS) support capability, multiprotocol capability including TDM, and scalability, the Cyclone switch architecture is directly applicable in the following areas and many more: multiterabit switching at the Internet core, terabit routers and carrier-class ATM or MPLS switches; aggregation for all optical networks; unified packet/circuit switching platform; and high-end enterprise applications. The Cyclone switch architecture enables a scalable switching platform from multiple Gbits to multiple Tbits per second in five custom 0.18-micron CMOS ICs. A wire-speed scheduling capability supports eight quality of service classes and a million flows     

一种基于CICQ的动态重路由交换机制

多径路由交换机制能够通过改变到达网络交换节点的流量分布缓解交换系统的端口争用.本文深入探讨了多下一跳交换机制在核心交换网实施的可能性,提出了一种支持动态重路由的交换结构MHRS和支持多下一跳流量均衡的转发表管理结构HMFT.MHRS算法根据交换系统当前拥塞度实施交换系统内部的动态重路由,实现网络流量的实时动态均衡.HMFT对多下一跳交换节点进行QoS度量和区分,从而为不同业务需求提供不同转发路径.理论分析和仿真结果表明:以MHRS和HMFT算法为构件的网络交换系统能够获得良好的时延和吞吐量保障.     

TCAM architecture for IP lookup using prefix properties

In modern IP routers, Internet protocol (IP) lookup forms a bottleneck in packet forwarding because the lookup speed cannot catch up with the increase in link bandwidth. Ternary content-addressable memories (TCAMs) have emerged as viable devices for designing high-throughput forwarding engines on routers. Called ternary because they store don't-care states in addition to 0s and 1s, TCAMs search the data (IP address) in a single clock cycle. Because of this property, TCAMs are particularly attractive for packet forwarding and classifications. Despite these advantages, large TCAM arrays have high power consumption and lack scalable design schemes, which limit their use. We propose a two-level pipelined architecture that reduces power consumption through memory compaction and the selective enablement of only a portion of the TCAM array. We also introduce the idea of prefix aggregation and prefix expansion to reduce the number of routing-table entries in TCAMs for IP lookup. We also discuss an efficient incremental update scheme for the routing of prefixes and provide empirical equations for estimating memory requirements and proportional power consumption for the proposed architecture.     

Optimal State Allocation for Multicast Communications With Explicit Multicast Forwarding

In this paper, we propose a scalable and adaptive multicast forwarding mechanism based on explicit multicast (Xcast). This mechanism optimizes the allocation of forwarding states in routers and can be used to improve the scalability of traditional IP multicast and source-specific multicast. Compared with previous work, our mechanism needs fewer routers in a multicast tree to store forwarding states and therefore leads to a more balanced distribution of forwarding states among routers. We focus on two problems and formulate each of them as an optimization problem. The first problem, referred to as minstate, minimizes the total number of routers that store forwarding states in a multicast tree. The second problem, referred to as balancestate, minimizes the maximum number of forwarding states stored in a router for all multicast groups, which is proved to be an NP-hard problem. We design a distributed algorithm that obtains the optimal solution to the first problem and propose an approximation algorithm for the second problem. We also prove that the approach adopted by most existing works to allocate forwarding states in the branching routers of a multicast tree is a special case of our mechanism. The simulation results show that the forwarding state allocation provided by previous work is concentrated on the backbone routers in the Internet, which may cause the scalability problem. In contrast, our mechanism can balance forwarding states stored among routers and reduce the number of routers that store the forwarding states for a multicast tree.     

线路速率缓存的重端口交换机方案及行为分析

现今Internet中的交换机/路由器面临着高交换速率和提供QoS保证的双重挑战.前者要求交换机/路由器的缓冲存储器尽可能地以链路速率工作,后者要求交换机能够完全模仿OQ(output queuing)交换机的行为.而目前的CIOQ(combined input-output queuing)设计方案需要交换机内部加速2倍.提出了采用并行技术的重端口交换机(duplicated ports switch,简称DPS)设计方案.该方案可以使交换机工作于输入链路的速率且其行为与OQ交换机的行为等价,并证明了为完全模仿OQ交换机行为,端口重数为2是充分必要的.     

基于宽带交换式路由器体系结构的综合研究

随着Internet的飞速发展和宽带技术的不断发展,组建主干网的路由器必然需要以千兆比特以上的速率转发分组,而基于总线和中央处理器的路由器具有无法克服的局限,这就对传统的路由器体系结构提出了严峻的挑战。论文全面综合研究了近年来在宽带IP路由器方面的最新进展,详细分析了用于主干网互连的宽带IP交换式路由器的体系结构设计。最后,给出了对这些体系结构发展的综合评价。     

Research on Next-Generation Internet Architecture

The primary problem during the evolvement of next-generation Internet is the contradiction between growing requirements for Internet and the insufficient development of network theory and technology. As the fundamental principles to guide the developing direction of Internet, the study of Internet architecture is always a focus in the research community. To address the core issue of network scalability, we propose multi-dimension scalable architecture of next-generation Internet, the main idea of which is to extend the single-dimension scalability of traditional Internet on interconnection to multi-dimension scalability of next-generation Internet. The multi-dimension scalability is composed of scale-scalability, performance-scalability, security-scalability, function-scalability, and service-scalability. We suggest five elements, namely, IPv6, authentic IPv6 addressing, scalable processing capacity of routers, end-to-end connectionless Quality-of-Service control, and 4over6 mechanism to realize the multi-dimension scalability. The current research results show that the multi-dimension scalable architecture composed of these five elements will bring great influence on next-generation Internet.