基于FIS的路由器体系结构关键技术研究

Internet网络流量、规模和应用的快速发展对互联网核心路由器设计提出了重大挑战。随着光纤传输带宽和入网主机数目的日益增长，路由器交换容量及端口密度难以适应网络流量的增长需求；随着网络规模的急剧扩张尤其是多宿主技术的广泛应用，路由器转发能力难以适应FIB（Forwarding Information Base）表容量的指数级增长。现有路由器包含转发和交换两个连续的处理阶段，它们在硬件实现上是分离的，报文转发与交换的串行执行不利于路由器并行性的开发。本课题原创性地提出一种同时开发转发与交换平行度的报文处理机制FIS（Forwarding In Switch），并深入研究其设计实现中的关键技术，主要包括：基于FIS处理机制的新型路由器体系结构、FIB表的分解与均衡映射、IPv6独立转发机制、自给交换调度算法等。本课题的研究为未来低成本的转发交换可扩展的核心路由器设计奠定坚实的理论和技术基础。

Internet网络流量、 规模和应用的快速发展对互联网核心路由器设计提出了重大挑战：路由器交换容量及端口密度难以适应网络流量的增长需求；随着网络规模的急剧扩张尤其是多宿主技术的广泛应用，路由器转发能力难以适应FIB表容量的指数级增长。本课题原创性地提出一种同时开发转发与交换平行度的报文处理机制FIS（Forwarding In Switch），对FIS实现关键技术展开了深入的研究，主要包括：基于FIS处理机制的新型路由器体系结构；基于片上网络的转发交换单元互连通信技术；FIS功耗评估模型与能耗调整机制；IPv6独立转发机制、自给交换调度算法等方面。在基于FIS处理机制的新型路由器体系结构方面，首先提出了一种基于FIS的多级转发和交换架构，针对该架构设计了FIB表分解与均衡映射算法、分布式IPv6独立转发算法，实现了FIB表的分布式存储与转发，报文转发与交换操作的流水执行。进一步提出一种基于FSN集群的FIS体系结构，提出了多维可扩展FSN互连拓扑结构、层次化路由、FSN多级路由表前缀聚合等关键技术，该体系结构解决了多级流水转发与交换架构由于体系结构上的固有缺陷导致的FIB表分布不均衡、报文乱序、可扩展性差等问题。为实现线速转发与交换，需要在单个芯片内集成多个FSN，在基于片上网络的转发交换单元互连通信技术方面，提出一种基于置换网络的单周期高性能无缓冲片上网络；在FSN互连通信可靠性设计方面，提出了一种可容错多播机制、一种自动请求重传与前向纠错相混合的容错流控策略，基于强化学习的可重构容错偏转路由算法等多项关键技术，发表了多篇SCI。在FIS能耗分析方面，建立了FIS多级映射路由查找结构的功耗模型，提出了基于多分支树的路由表动态映射算法，仿真结果表明FIS机制可将路由查表中存储开销降低为传统FBS（Forwarding Before Switching）机制的50%，并且可节省查表过程中30%的能耗。在FSN转发交换关键技术方面，提出了基于CAM和TCAM实现的可扩展并行IPv6 路由查找算法、基于前缀范围表示的IPv6独立查找算法，具有易更新、并行度高、FIB容量易扩展等优势；一种基于区域均等的自给交换调度算法，可获得100%吞吐率并能够保证报文的顺序。上述研究可以为未来低成本的转发交换可扩展的核心路由器设计奠定坚实的理论和技术基础，具有重要的理论意义和应用价值。