支持快速启动和协议识别的路由器线卡的研究

发布时间：2017-08-24 10:18

  本文关键词：支持快速启动和协议识别的路由器线卡的研究

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【摘要】：路由器作为信息沟通的“桥梁”,自互联网诞生起一直发挥着基础性的作用。随着互联网日新月异的发展,传统路由器的设计逐渐无法满足网络运营商和用户的需求。一方面,为了保持链路的可达性,传统路由器通常以24/7的方式持续工作,消耗巨大的电能。如何设计支持省电的路由器成为亟待解决的问题。另一方面,尽管互联网上的应用日益丰富,传统路由器因遵循“核心简单、边缘复杂”的设计原则,无法为不同应用提供定制的服务。如何使路由器能够根据流量承载的应用作针对性的包转发也成为当下的研究热点。针对路由器的这两个发展趋势,我们对路由器线卡的体系结构进行了深入的研究。论文的主要研究成果如下:1.提出了路由器线卡快速启动的设计方案。目前学术界提出的核心路由器省电方案均假设路由器线卡可以在零时间切换工作状态,然而本文在真实路由器上的测量结果显示,核心路由器线卡需要花费五分钟甚至更长时间完成启动。为了使学术界的省电方案可以“无缝”的运用到现役路由器上,本文提出了线卡快速启动的方案。具体而言,本文给出了路由表项优先下载的策略,并利用动态规划求得满足最长前缀匹配约束的最优路由表项下载次序。在路由器线卡原型系统上的实验结果显示,基于我们的设计,线卡的启动时间可以从40.8s缩短到127ms。2.设计并实现了基于FPGA的高速应用层协议识别系统。有别于基于多核通用处理器的软件系统,本文基于FPGA搭建了面向高速骨干网的硬件应用层协议识别系统。本文利用骨干网流量传输层的时间局部性特性,设计了基于两级存储的硬件结构;利用DRAM存储器的突发特性,设计了基于固定桶长的哈希表作为流表数据结构;为了减少流老化操作对DRAM的带宽消耗,提出了惰性老化机制;为了屏蔽底层细节,设计了设备无关抽象层和流水线命令处理单元。实验结果表明,该系统可以达到70Mpps的吞吐率,满足OC-768骨干网的性能要求。3.研究了高速网络中可容纳100M规模并发流的流表数据结构。有效解决哈希冲突是提高流表性能的关键。基于多哈希的方法可以较好解决哈希冲突,但当并发流数目很高时,会造成巨大的片上缓存开销。为此,本文提出了对存储器带宽贪婪的哈希方法,只为一部分哈希表项按需分配片上缓存,在保证性能的前提下,大大降低片上缓存开销。实验表明,该方法可以在16GB的DRAM中容纳100M并发流,并保证片上缓存开销不超过16MB,同时达到122Mpps的吞吐率。
【关键词】：路由器 绿色互联网 路由表 协议识别 哈希表
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.05
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 主要符号对照表13-14
• 第1章 引言14-26
• 1.1 研究背景14-19
• 1.1.1 传统路由器的角色和功能14-15
• 1.1.2 现代路由器的发展趋势15-16
• 1.1.3 国内外研究现状16-19
• 1.2 主要研究内容和难点19-22
• 1.2.1 主要研究内容19-21
• 1.2.2 研究难点21-22
• 1.3 主要研究成果和创新点22-25
• 1.4 论文组织结构25-26
• 第2章 相关工作综述26-39
• 2.1 网络设备省电方法26-31
• 2.1.1 基于非协作式休眠的路由器省电方法27-29
• 2.1.2 基于协作式休眠的路由器省电方法29-31
• 2.2 应用层协议识别系统31-34
• 2.2.1 基于软件的系统31-32
• 2.2.2 采用硬件加速的系统32-34
• 2.3 高速流表设计34-39
• 2.3.1 基于单一的存储介质的多哈希方法34-36
• 2.3.2 基于片上片外两级存储介质的多哈希方法36-38
• 2.3.3 本章小结38-39
• 第3章 高速路由器的功耗测量和线卡启动过程分析39-53
• 3.1 路由器体系结构简介39-42
• 3.1.1 路由器的集中式转发模型和分布式转发模型39-41
• 3.1.2 高性能路由器体系结构41-42
• 3.2 被测路由器的型号和测量方法42-45
• 3.3 路由器及其线卡的功耗剖析45-46
• 3.4 路由器的省电效率46-49
• 3.5 线卡的启动过程分析49-51
• 3.6 节能路由器的设计思路51-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 支持快速启动的路由器线卡设计53-83
• 4.1 路由表查找过程中的长尾分布现象53-55
• 4.2 路由器线卡快速启动的设计思路55-59
• 4.2.1 使嵌入式处理器始终处于工作状态55-56
• 4.2.2 数据平面硬件快速初始化56-57
• 4.2.3 优先下载活跃度高的路由表项57-58
• 4.2.4 对现有的TCP协议和路由协议的影响58-59
• 4.3 路由表项优先下载算法59-71
• 4.3.1 问题描述59-60
• 4.3.2 归约为生成拓扑排序全排列的问题60-62
• 4.3.3 近似算法62-66
• 4.3.4 精确算法66-71
• 4.4 路由表项优先下载硬件实现71-74
• 4.4.1 批处理下载路由表71
• 4.4.2 采用缓存解决查找和更新的冲突71-73
• 4.4.3 缓存一致性问题73-74
• 4.5 性能评价74-81
• 4.5.1 性能评价方法74-75
• 4.5.2 路由表项优先下载算法的性能评价75-77
• 4.5.3 基于缓存硬件结构的离散事件仿真77-79
• 4.5.4 支持快速启动的线卡原型系统79-81
• 4.6 本章小结81-83
• 第5章 支持应用层协议识别的路由器线卡设计83-99
• 5.1 骨干网流量特征83-84
• 5.2 基于FPGA的应用层协议识别系统设计84-90
• 5.2.1 基于两级存储的硬件结构85-86
• 5.2.2 流表数据结构86-88
• 5.2.3 流老化处理88
• 5.2.4 流状态维护内部逻辑88-89
• 5.2.5 设备无关抽象层89-90
• 5.3 理论分析90-93
• 5.3.1 开放排队网络模型90-92
• 5.3.2 系统吞吐率和队列长度92
• 5.3.3 识别正确率92-93
• 5.4 性能评价93-98
• 5.4.1 性能评价方法93-94
• 5.4.2 流表性能94-96
• 5.4.3 FPGA的频率和资源利用率96-97
• 5.4.4 系统功耗97
• 5.4.5 系统整体性能97-98
• 5.5 本章小结98-99
• 第6章 对存储器带宽贪婪的哈希表设计99-120
• 6.1 存储器近年来发展趋势99-101
• 6.2 适用于高速网络的哈希表设计思路101-102
• 6.3 基于固定桶长的哈希表的不足102-103
• 6.4 对存储器带宽贪婪的哈希表103-108
• 6.4.1 基本思想103-104
• 6.4.2 插入、查找和更新算法104-106
• 6.4.3 布隆过滤器误报处理106-107
• 6.4.4 与快速哈希表本质上的区别107
• 6.4.5 一种考虑负载均衡的变种107-108
• 6.5 理论分析108-112
• 6.5.1 问题描述108
• 6.5.2 采用泊松分布近似求解108-110
• 6.5.3 小球投掷次数的期望110-111
• 6.5.4 片上存储开销111
• 6.5.5 布隆过滤器的误报率111-112
• 6.6 性能评价112-118
• 6.6.1 性能评价方法112
• 6.6.2 对泊松分布近似结果的验证112-113
• 6.6.3 小球投掷次数的分布113
• 6.6.4 片上存储开销113-114
• 6.6.5 布隆过滤器的误报率114-115
• 6.6.6 哈希桶长度对性能的影响115
• 6.6.7 考虑负载均衡对性能的影响115-117
• 6.6.8 与其它哈希方法的比较117-118
• 6.6.9 基于现有DRAM芯片的设计实例118
• 6.7 本章小结118-120
• 第7章 总结和进一步的研究展望120-124
• 7.1 研究工作总结120-122
• 7.2 进一步研究计划122-124
• 参考文献124-131
• 致谢131-133
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果133-134

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