本文關(guān)鍵詞：支持快速啟動(dòng)和協(xié)議識(shí)別的路由器線卡的研究

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【摘要】：路由器作為信息溝通的“橋梁”,自互聯(lián)網(wǎng)誕生起一直發(fā)揮著基礎(chǔ)性的作用。隨著互聯(lián)網(wǎng)日新月異的發(fā)展,傳統(tǒng)路由器的設(shè)計(jì)逐漸無法滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和用戶的需求。一方面,為了保持鏈路的可達(dá)性,傳統(tǒng)路由器通常以24/7的方式持續(xù)工作,消耗巨大的電能。如何設(shè)計(jì)支持省電的路由器成為亟待解決的問題。另一方面,盡管互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用日益豐富,傳統(tǒng)路由器因遵循“核心簡(jiǎn)單、邊緣復(fù)雜”的設(shè)計(jì)原則,無法為不同應(yīng)用提供定制的服務(wù)。如何使路由器能夠根據(jù)流量承載的應(yīng)用作針對(duì)性的包轉(zhuǎn)發(fā)也成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。針對(duì)路由器的這兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì),我們對(duì)路由器線卡的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究。論文的主要研究成果如下:1.提出了路由器線卡快速啟動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。目前學(xué)術(shù)界提出的核心路由器省電方案均假設(shè)路由器線卡可以在零時(shí)間切換工作狀態(tài),然而本文在真實(shí)路由器上的測(cè)量結(jié)果顯示,核心路由器線卡需要花費(fèi)五分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間完成啟動(dòng)。為了使學(xué)術(shù)界的省電方案可以“無縫”的運(yùn)用到現(xiàn)役路由器上,本文提出了線卡快速啟動(dòng)的方案。具體而言,本文給出了路由表項(xiàng)優(yōu)先下載的策略,并利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求得滿足最長(zhǎng)前綴匹配約束的最優(yōu)路由表項(xiàng)下載次序。在路由器線卡原型系統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,基于我們的設(shè)計(jì),線卡的啟動(dòng)時(shí)間可以從40.8s縮短到127ms。2.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的高速應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別系統(tǒng)。有別于基于多核通用處理器的軟件系統(tǒng),本文基于FPGA搭建了面向高速骨干網(wǎng)的硬件應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別系統(tǒng)。本文利用骨干網(wǎng)流量傳輸層的時(shí)間局部性特性,設(shè)計(jì)了基于兩級(jí)存儲(chǔ)的硬件結(jié)構(gòu);利用DRAM存儲(chǔ)器的突發(fā)特性,設(shè)計(jì)了基于固定桶長(zhǎng)的哈希表作為流表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);為了減少流老化操作對(duì)DRAM的帶寬消耗,提出了惰性老化機(jī)制;為了屏蔽底層細(xì)節(jié),設(shè)計(jì)了設(shè)備無關(guān)抽象層和流水線命令處理單元。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以達(dá)到70Mpps的吞吐率,滿足OC-768骨干網(wǎng)的性能要求。3.研究了高速網(wǎng)絡(luò)中可容納100M規(guī)模并發(fā)流的流表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有效解決哈希沖突是提高流表性能的關(guān)鍵。基于多哈希的方法可以較好解決哈希沖突,但當(dāng)并發(fā)流數(shù)目很高時(shí),會(huì)造成巨大的片上緩存開銷。為此,本文提出了對(duì)存儲(chǔ)器帶寬貪婪的哈希方法,只為一部分哈希表項(xiàng)按需分配片上緩存,在保證性能的前提下,大大降低片上緩存開銷。實(shí)驗(yàn)表明,該方法可以在16GB的DRAM中容納100M并發(fā)流,并保證片上緩存開銷不超過16MB,同時(shí)達(dá)到122Mpps的吞吐率。
【關(guān)鍵詞】：路由器 綠色互聯(lián)網(wǎng) 路由表 協(xié)議識(shí)別 哈希表
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN915.05
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-13
• 主要符號(hào)對(duì)照表13-14
• 第1章 引言14-26
• 1.1 研究背景14-19
• 1.1.1 傳統(tǒng)路由器的角色和功能14-15
• 1.1.2 現(xiàn)代路由器的發(fā)展趨勢(shì)15-16
• 1.1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2 主要研究?jī)?nèi)容和難點(diǎn)19-22
• 1.2.1 主要研究?jī)?nèi)容19-21
• 1.2.2 研究難點(diǎn)21-22
• 1.3 主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)22-25
• 1.4 論文組織結(jié)構(gòu)25-26
• 第2章 相關(guān)工作綜述26-39
• 2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備省電方法26-31
• 2.1.1 基于非協(xié)作式休眠的路由器省電方法27-29
• 2.1.2 基于協(xié)作式休眠的路由器省電方法29-31
• 2.2 應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別系統(tǒng)31-34
• 2.2.1 基于軟件的系統(tǒng)31-32
• 2.2.2 采用硬件加速的系統(tǒng)32-34
• 2.3 高速流表設(shè)計(jì)34-39
• 2.3.1 基于單一的存儲(chǔ)介質(zhì)的多哈希方法34-36
• 2.3.2 基于片上片外兩級(jí)存儲(chǔ)介質(zhì)的多哈希方法36-38
• 2.3.3 本章小結(jié)38-39
• 第3章 高速路由器的功耗測(cè)量和線卡啟動(dòng)過程分析39-53
• 3.1 路由器體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介39-42
• 3.1.1 路由器的集中式轉(zhuǎn)發(fā)模型和分布式轉(zhuǎn)發(fā)模型39-41
• 3.1.2 高性能路由器體系結(jié)構(gòu)41-42
• 3.2 被測(cè)路由器的型號(hào)和測(cè)量方法42-45
• 3.3 路由器及其線卡的功耗剖析45-46
• 3.4 路由器的省電效率46-49
• 3.5 線卡的啟動(dòng)過程分析49-51
• 3.6 節(jié)能路由器的設(shè)計(jì)思路51-52
• 3.7 本章小結(jié)52-53
• 第4章 支持快速啟動(dòng)的路由器線卡設(shè)計(jì)53-83
• 4.1 路由表查找過程中的長(zhǎng)尾分布現(xiàn)象53-55
• 4.2 路由器線卡快速啟動(dòng)的設(shè)計(jì)思路55-59
• 4.2.1 使嵌入式處理器始終處于工作狀態(tài)55-56
• 4.2.2 數(shù)據(jù)平面硬件快速初始化56-57
• 4.2.3 優(yōu)先下載活躍度高的路由表項(xiàng)57-58
• 4.2.4 對(duì)現(xiàn)有的TCP協(xié)議和路由協(xié)議的影響58-59
• 4.3 路由表項(xiàng)優(yōu)先下載算法59-71
• 4.3.1 問題描述59-60
• 4.3.2 歸約為生成拓?fù)渑判蛉帕械膯栴}60-62
• 4.3.3 近似算法62-66
• 4.3.4 精確算法66-71
• 4.4 路由表項(xiàng)優(yōu)先下載硬件實(shí)現(xiàn)71-74
• 4.4.1 批處理下載路由表71
• 4.4.2 采用緩存解決查找和更新的沖突71-73
• 4.4.3 緩存一致性問題73-74
• 4.5 性能評(píng)價(jià)74-81
• 4.5.1 性能評(píng)價(jià)方法74-75
• 4.5.2 路由表項(xiàng)優(yōu)先下載算法的性能評(píng)價(jià)75-77
• 4.5.3 基于緩存硬件結(jié)構(gòu)的離散事件仿真77-79
• 4.5.4 支持快速啟動(dòng)的線卡原型系統(tǒng)79-81
• 4.6 本章小結(jié)81-83
• 第5章 支持應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別的路由器線卡設(shè)計(jì)83-99
• 5.1 骨干網(wǎng)流量特征83-84
• 5.2 基于FPGA的應(yīng)用層協(xié)議識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)84-90
• 5.2.1 基于兩級(jí)存儲(chǔ)的硬件結(jié)構(gòu)85-86
• 5.2.2 流表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)86-88
• 5.2.3 流老化處理88
• 5.2.4 流狀態(tài)維護(hù)內(nèi)部邏輯88-89
• 5.2.5 設(shè)備無關(guān)抽象層89-90
• 5.3 理論分析90-93
• 5.3.1 開放排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型90-92
• 5.3.2 系統(tǒng)吞吐率和隊(duì)列長(zhǎng)度92
• 5.3.3 識(shí)別正確率92-93
• 5.4 性能評(píng)價(jià)93-98
• 5.4.1 性能評(píng)價(jià)方法93-94
• 5.4.2 流表性能94-96
• 5.4.3 FPGA的頻率和資源利用率96-97
• 5.4.4 系統(tǒng)功耗97
• 5.4.5 系統(tǒng)整體性能97-98
• 5.5 本章小結(jié)98-99
• 第6章 對(duì)存儲(chǔ)器帶寬貪婪的哈希表設(shè)計(jì)99-120
• 6.1 存儲(chǔ)器近年來發(fā)展趨勢(shì)99-101
• 6.2 適用于高速網(wǎng)絡(luò)的哈希表設(shè)計(jì)思路101-102
• 6.3 基于固定桶長(zhǎng)的哈希表的不足102-103
• 6.4 對(duì)存儲(chǔ)器帶寬貪婪的哈希表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 布隆過濾器誤報(bào)處理106-107
• 6.4.4 與快速哈希表本質(zhì)上的區(qū)別107
• 6.4.5 一種考慮負(fù)載均衡的變種107-108
• 6.5 理論分析108-112
• 6.5.1 問題描述108
• 6.5.2 采用泊松分布近似求解108-110
• 6.5.3 小球投擲次數(shù)的期望110-111
• 6.5.4 片上存儲(chǔ)開銷111
• 6.5.5 布隆過濾器的誤報(bào)率111-112
• 6.6 性能評(píng)價(jià)112-118
• 6.6.1 性能評(píng)價(jià)方法112
• 6.6.2 對(duì)泊松分布近似結(jié)果的驗(yàn)證112-113
• 6.6.3 小球投擲次數(shù)的分布113
• 6.6.4 片上存儲(chǔ)開銷113-114
• 6.6.5 布隆過濾器的誤報(bào)率114-115
• 6.6.6 哈希桶長(zhǎng)度對(duì)性能的影響115
• 6.6.7 考慮負(fù)載均衡對(duì)性能的影響115-117
• 6.6.8 與其它哈希方法的比較117-118
• 6.6.9 基于現(xiàn)有DRAM芯片的設(shè)計(jì)實(shí)例118
• 6.7 本章小結(jié)118-120
• 第7章 總結(jié)和進(jìn)一步的研究展望120-124
• 7.1 研究工作總結(jié)120-122
• 7.2 進(jìn)一步研究計(jì)劃122-124
• 參考文獻(xiàn)124-131
• 致謝131-133
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果133-134

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