专用高性能分组转发引擎及其关键技术研究

论文摘要

Internet技术和应用的迅速发展对核心路由交换设备提出了更高的要求:第一,路由交换设备需要支持越来越高的接口速率;第二,路由交换设备需要支持IPv4、IPv6、MPLS等多种协议;第三,路由交换设备需要提供丰富的QoS保证。转发引擎是路由交换设备实现IP层分组处理的核心部件之一,是各类报文高速转发的关键。本文结合国家“十一五”某重大研究课题,以专用高性能路由交换设备转发引擎及其关键技术研究为课题目标,深入地研究了专用高性能分组转发引擎多协议转发策略和相关实现技术。本文首先对高性能分组转发引擎进行了详细的技术分析。结合课题需求,阐述了专用高性能分组转发引擎的基本实现途径。然后,本文系统描述了专用高性能分组转发引擎的应用需求、设计原理和报文处理流程。在此基础上,设计了一种并行流水线转发引擎原型结构,用FPGA实现了基于单通道一体化处理的专用高性能分组转发引擎,并从理论上进行了性能设计和分析论证。另外,本文还实现了基于TCAM的多协议路由转发查找技术以及基于分类和基于业务流相结合的多级QoS调度策略,较好地满足了课题需求。最后,论文介绍了基于FPGA的转发引擎硬件实现方案、系统测试方法和测试环境,并列出了测试结果。测试结果表明,基于本文设计实现的专用高性能分组转发引擎支持IPv4、IPv6和MPLS多协议报文在10G POS和10G以太网接口的线速转发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本课题研究目的及意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作及创新点
• 1.5 论文结构及安排
• 第二章 高性能分组转发引擎的技术分析
• 2.1 路由交换设备概述
• 2.1.1 路由交换设备组成
• 2.1.2 路由交换设备主要信息流程
• 2.2 高性能分组转发引擎相关技术分析
• 2.3 专用高性能分组转发引擎实现途径
• 2.4 本章小结
• 第三章 专用高性能分组转发引擎的系统设计方案
• 3.1 专用高性能分组转发引擎需求分析
• 3.1.1 功能需求分析
• 3.1.2 性能需求分析
• 3.2 专用高性能分组转发引擎的设计原理
• 3.2.1 转发引擎的基本处理操作
• 3.2.2 流水线转发处理技术原理
• 3.2.3 并行转发处理技术原理
• 3.2.4 转发引擎的并行流水线设计
• 3.3 基于FPGA 的专用高性能分组转发引擎设计实现
• 3.3.1 多协议转发引擎的报文处理流程
• 3.3.2 基于FPGA 的专用高性能分组转发引擎设计实现
• 3.3.3 专用高性能分组转发引擎线速转发性能设计
• 3.4 专用高性能分组转发引擎性能分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于TCAM 的路由转发查找技术实现
• 4.1 路由转发查找面临的问题
• 4.1.1 IP 地址结构变化
• 4.1.2 网络协议由IPv4 向IPv6 过渡
• 4.1.3 网络链路速率迅速提高
• 4.2 路由转发查找算法分析
• 4.2.1 路由转发查找算法分类
• 4.2.2 路由转发查找算法的评价体系
• 4.3 基于TCAM 的路由转发查找技术实现
• 4.3.1 基于TCAM 的路由转发查找设计原理
• 4.3.2 基于TCAM 的路由转发查找流水线设计方案
• 4.3.3 基于TCAM 的多协议路由转发查找设计方案
• 4.4 本章小结
• 第五章 支持QoS 的转发处理技术实现
• 5.1 QoS 技术概述
• 5.1.1 QoS 的基本概念
• 5.1.2 QoS 的服务模型
• 5.2 路由交换设备QoS 实现原理
• 5.2.1 路由交换设备的通用QoS 结构
• 5.2.2 路由交换设备QoS 实现技术
• 5.3 专用高性能分组转发引擎的QoS 实现
• 5.3.1 基于QoS 的转发处理设计思想
• 5.3.2 专用高性能分组转发引擎QoS 实现结构
• 5.3.3 报文分类的实现
• 5.3.4 报文调度的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 专用高性能分组转发引擎的系统实现
• 6.1 转发引擎系统的硬件实现结构
• 6.1.1 转发引擎模块
• 6.1.2 STM-48 POS 接口模块
• 6.1.3 10G 以太网接口模块
• 6.1.4 交换预处理模块
• 6.1.5 CPU 控制模块
• 6.2 路由交换设备测试分析
• 6.2.1 数据转发层面相关测试指标
• 6.2.2 控制层面相关测试指标
• 6.3 转发引擎硬件系统测试评估
• 6.3.1 转发引擎系统测试环境
• 6.3.2 转发引擎系统测试结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间所发表的学术论文