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高性能IP路由查找和分组分类技术的研究

2020-11-22阅读(493)

高性能IP路由查找和分组分类技术的研究

论文摘要

研究表明,Internet持续迅猛的发展对支撑起其数据转发平面功能的两种关键技术——路由查找和分组分类提出了越来越高的性能要求,并对其实现构成了巨大的挑战。本论文系统的调研和分析了这两类技术的共同特点与相关数据分布特征,给出了合并课题研究的可行性分析与相关的算法设计理论指导。在此基础上,分别针对超高吞吐量性能和各种新型应用的需求,如对嵌入式环境应用的支持、对IPv6的良好扩展性以及对多核并行网络处理器架构的支持等,提出了一系列新颖的高性能算法和相应的实现方案,并给出了完备的性能评价:1.提出了一种基于三态内容可寻址存储器（TCAM）的高性能路由查找算法T-DPRLA,该算法根据一系列启发式规则将路由表分布式的存放在多个并行设置的TCAM芯片中,通过引入高效的自适应任务量均衡机制,仅需少量的冗余存储就能提供多倍且稳定的查找性能加速比。理论分析表明,采用现有的技术,该方案即可满足相当于160Gbps甚至更高的线速转发需求。2.提出了一种基于TCAM的分组分类算法DPPC-RE,它充分的利用了并题研究的优势,在继承分布式并行提高吞吐量的思想的基础上,采用TCAM本身来做范围编码解决其范围匹配问题;同时巧妙的利用范围编码和分组分类匹配任务之间的不相关性,提出了一种自适应任务量均衡的机制,实现了稳定的高吞吐量。3.将对相关数据的系统调研分析以及多项启发式原理巧妙的运用到算法设计中,结合CAM技术和基于Trie算法各自的优势,分别提出了一种可供嵌入式环境使用的高性能路由查找方案CCAM-OBC和一种基于变步长位图压缩Trie技术、适合IPv6环境下使用的路由查找算法DVSBC-PC,都在较小存储容量需求的前提下,实现较高的吞吐量,均能满足当前的高端运用需求。4.根据对分类问题的深入理解,以及结合当前多核并行网络处理器架构,提出了一种基于规则集去耦分存的高性能分组分类算法PPCvRP。该算法不但能有效提高传统软件算法的性能,而且有着确定的性能和需求估算公式。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 引言
  • 1.1 研究背景
  • 1.1.1 应用需求及其发展趋势
  • 1.1.2 供应支持情况及近期发展趋势
  • 1.2 研究内容和主要技术难点
  • 1.2.1 研究问题的描述
  • 1.2.2 研究问题面临的技术难点
  • 1.3 论文的主要研究成果和创新点
  • 1.4 论文结构
  • 第2章 相关工作和文献调研
  • 2.1 IP 路由查找算法综述
  • 2.1.1 路由查找算法总览
  • 2.1.2 线性查找
  • 2.1.3 基于Trie的查找
  • 2.1.4 二分/多分查找
  • 2.1.5 基于哈希表的查找
  • 2.1.6 规避查找技术
  • 2.1.7 路由查找算法性能比较小结
  • 2.2 IP分组分类算法综述
  • 2.2.1 IP分组分类算法总览
  • 2.2.2 线性分组分类
  • 2.2.3 基于Trie分割的分组分类
  • 2.2.4 规则集几何分割分组分类
  • 2.2.5 元组空间分割分组分类
  • 2.2.6 维度分解叉乘分组分类
  • 2.2.7 分组分类技术性能比较小结
  • 第3章 问题的数学模型和实际数据调研分析
  • 3.1 泛匹配问题的形式化表达
  • 3.1.1 泛匹配问题的几何直观
  • 3.1.2 泛匹配问题的形式化数学模型
  • 3.2 泛匹配问题的现实数据分布特征调研
  • 3.2.1 IP路由查找问题的特征调研
  • 3.2.2 分组分类问题的特征调研
  • 3.3 本章小结
  • 第4章 分布式并行路由查找算法
  • 4.1 分布式并行路由查找框架DPRLF
  • 4.1.1 DPRLF的算法思想
  • 4.1.2 DPRLF的算法描述
  • 4.1.3 DPRLF的体系结构
  • 4.1.4 DPRLF的性能评价
  • 4.1.5 DPRLF的算法小结
  • 4.2 基于TCAM 的分布式并行路由查找算法T-DPRLA
  • 4.2.1 T-DPRLA的算法思想
  • 4.2.2 T-DPRLA问题的数学模型和算法描述
  • 4.2.3 T-DPRLA的体系结构
  • 4.2.4 T-DPRLA的性能评价
  • 4.2.5 T-DPRLA算法小结
  • 第5章 基于TCAM的分布式并行分组分类算法
  • 5.1 DPPC-RE 的算法思想
  • 5.1.1 分类规则库的分割方案
  • 5.1.2 分布式存储结构的生成算法
  • 5.1.3 DPPC-RE 的范围编码解决方案
  • 5.1.4 DPPC-RE 的自适应任务量均衡机制
  • 5.2 DPPC-RE 的体系结构
  • 5.2.1 DPPC-RE 分配器的工作原理
  • 5.2.2 DPPC-RE 子处理器的工作原理
  • 5.2.3 DPPC-RE 编码返回器的工作原理
  • 5.2.4 DPPC-RE 的工作流程小结
  • 5.3 DPPC-RE 的性能评价
  • 5.3.1 DPPC-RE 的吞吐量性能估算
  • 5.3.2 DPPC-RE 分组分类操作延时估算
  • 5.3.3 DPPC-RE 的试验仿真结果
  • 5.4 DPPC-RE 算法小结
  • 第6章 基于CAM、Trie 结合的高性能路由查找算法
  • 6.1 CCAM-OBC 的算法思想
  • 6.1.1 CCAM-OBC 根据前缀长度分治处理的思想
  • 6.1.2 采用BCAM 实现主体部分的第一级查找
  • 6.1.3 采用优化的位图压缩Trie 算法实现第二级查找
  • 6.2 CCAM-OBC 的体系结构
  • 6.3 CCAM-OBC 算法的性能评价
  • 6.3.1 查找吞吐量
  • 6.3.2 存储需求和比较
  • 6.3.3 CCAM-OBC 的更新性能
  • 6.4 CCAM-OBC 算法小结
  • 第7章 动态可变步长位图压缩Trie 路由查找算法
  • 7.1 DVSBC-PC 的算法思想
  • 7.1.1 采用宽位存储器的思想
  • 7.1.2 动态可变步长位图压缩技术
  • 7.1.3 结合路径压缩Trie 算法思想
  • 7.1.4 IPv6 环境下的CAM、Trie 结合思想
  • 7.2 DVSBC-PC 的体系结构和具体实施方案
  • 7.2.1 DVSBC-PC 对主体部分查找的体系结构
  • 7.2.2 DVSBC-PC 宽位字数据结构的设计
  • 7.2.3 DVSBC-PC 子Trie 系统分割算法
  • 7.3 DVSBC-PC 的性能评价
  • 7.3.1 存储需求对比
  • 7.3.2 查找性能的对比
  • 7.4 DVSBC-PC 算法小结
  • 第8章 基于规则集去耦分存的并行分组分类算法
  • 8.1 PPCvRP 的算法思想
  • 8.2 PPCvRP 的具体实现方案
  • 8.2.1 PPCvRP 对规则库进行分存的方案
  • 8.2.2 PPCvRP 对规则子集的“优化多分树”分组分类算法
  • 8.2.3 PPCvRP 基于NP 的体系结构
  • 8.3 PPCvRP 的性能评价
  • 8.3.1 存储器需求
  • 8.3.2 分组分类操作延时
  • 8.4 PPCvRP 算法小结
  • 第9章 结论与进一步的研究工作
  • 9.1 结论
  • 9.2 进一步的研究工作
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

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