基于网络处理器的高性能路由器转发面的研究与实现

论文摘要

随着互联网的快速发展,网络流量与通信需求急剧增长,随之带来的是网络技术的快速变革。路由转发设备,作为互联网中最主要的联网设备,其性能与网络的通信质量息息相关,高性能的高端路由器对于运营商、大型企事业单位、政府部门等来说已经是迫切的需求。转发处理技术是影响网络性能与成本最重要的部件,而包转发性能是路由器最基本的特性,也是高端路由器最关键的特性,因而对路由器数据面的快速转发成为网络设备研究的一大重点。作为第五代路由器标志的网络处理器（NP,network processor）,不但继承了RISC（reduced instruction set computer,精简指令集计算机）和ASIC（Application Specific Integrated Circuit,具体应用集成电路）分层处理的思想与优点,而且具有强大的可编程灵活性与数据处理能力,其已经成为高性能网络设备研究领域的热点技术之一。本文基于EZchip公司第三代网络处理器,展开对高性能路由器数据转发面的研究与实现,在详细学习研究了该网络处理器的基础上,研究讨论其在数据网络设备设计中的特点与优势,针对高性能路由器的特性,利用该处理器设计并实现了设备数据转发面的功能,重点是实现数据报文的快速转发,达到单端口10Gbps的线速转发速率和双向流量管理5Gbps线速速率。出于简化设计与可验证性考虑,提取数据转发面代表性的业务加以实现。具体而言,实现了OSI （Open System Interconnect）七层网络模型中二层与三层的数据转发面业务,二层业务分为单播、组播、泛洪和学习,主要内容有生成树协议实现,VLAN （Virtual Local Area Network）实现,QinQ实现,端口聚合实现,报文的快速复制等；三层业务分单播和组播,主要内容有路由表的快速查找,（?）RPF （Reverse-path Forwarding）检测,报文的快速复制等。在以上实现的此基础上,再利用网络处理器的TM （traffic management）模块对数据流进行分层的流量管理和镜像,以达到对网络流量的初步监管,通过相应的规则实现数据报文的过滤,对突发数据的调节和网络数据的监控等功能。最后通过实地搭建的网络,利用专门的测试工具进行测试验证。测试结果表明,基于网络处理器的路由器具有较高的性能,特别是对于数据转发面,能实现快速的路由转发,同时具有极强的灵活性与流量管理功能,能较好的满足各种复杂的应用需求,具有重要的现实意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 高性能路由器特性
• 1.4 本论文研究内容及章节安排
• 1.4.1 本论文研究内容
• 1.4.2 本论文章节安排
• 第2章 网络处理器的研究分析
• 2.1 网络处理器发展概况
• 2.2 硬件体系结构
• 2.2.1 芯片设备接口
• 2.2.2 TOPs
• 2.2.3 HOST模块
• 2.2.4 TM模块
• 2.3 软件体系结构
• 2.3.1 EZDRIVE功能分析
• 2.3.2 转发面微码结构
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于NP的路由器转发体系分析
• 3.1 路由器体系发展历程
• 3.2 路由器体系结构分析
• 3.2.1 NP与GPP、ASIC
• 3.2.2 集中式与分布式
• 3.2.3 集中分布式与mesh分布式
• 3.2.4 NP+ASIC与FPGA+ASIC+TCAM
• 3.3 NP体系优势总结
• 3.4 本章小结
• 第4章 数据转发面设计与实现
• 4.1 数据转发面业务分析与提取
• 4.1.1 数据转发面业务提取
• 4.1.2 数据报文结构
• 4.2 总体结构设计及数据流程
• 4.3 关键数据结构设计
• 4.3.1 关键表结构设计
• 4.3.2 环回报文头结构设计
• 4.3.3 跨板报文头结构设计
• 4.4 二层业务流程设计
• 4.4.1 单播转发业务
• 4.4.2 组播转发业务
• 4.4.3 泛洪业务
• 4.5 三层业务流程设计
• 4.5.1 单播业务
• 4.5.2 组播业务
• 4.6 学习业务
• 4.7 端口镜像
• 4.8 芯片配置
• 4.8.1 TM流控参数计算及配置
• 4.8.2 芯片基本工作模式配置
• 4.8.3 表项配置与初始化
• 4.9 微码示例
• 4.10 本章小结
• 第5章 测试结果及分析
• 5.1 性能估算
• 5.1.1 指令开销与性能估算方法
• 5.1.2 查表性能计算方法
• 5.1.3 本设计性能计算
• 5.2 测试方案设计
• 5.2.1 功能测试方案
• 5.2.2 性能测试方案
• 5.3 在实验板上的测试结果及分析
• 5.3.1 功能测试结果及分析
• 5.3.2 性能测试结果及分析
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果