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一種分布式的高性能PIM-SM組播實現方案

2008-06-05
作者:馮 淵1,,趙 琳2

  摘 要: 提出了一種分布式的PIM-SM" title="PIM-SM">PIM-SM組播" title="組播">組播實現方案" title="實現方案">實現方案,。將PIM-SM控制平面與數據平面功能分離,數據平面功能利用TCAM+FPGA的硬件方式實現,,達到快速數據轉發(fā)的目的,,控制平面功能由軟件在主控完成,數據平面與控制平面之間通過高速內部網絡進行通信,。經過實際的測試表明,,該方案在保證協(xié)議功能一致性的前提下,能夠大大提高組播數據轉發(fā)性能,,使數據達到10G接口的線速轉發(fā)能力,,是一種高效可行的PIM-SM組播實現方案,。
  關鍵詞: 分布式 PIM-SM組播 TCAM+FPGA 線速轉發(fā)


  在寬帶網絡的建設和運營中,,業(yè)務是先導和核心。其中組播業(yè)務作為最具潛力的未來業(yè)務之一,,已經得到了前所未有的重視。IP組播技術具有獨特的優(yōu)越性:在組播網絡中,,即使用戶數量成倍增長,,主干帶寬也不需要隨之增加。隨著寬帶技術的不斷發(fā)展,,FTP,、HTTP,、SMTP等傳統(tǒng)的數據業(yè)務已無法滿足人們對信息的需求,而視頻點播,、遠程教學,、新聞發(fā)布、網絡電視等將成為各大運營商爭相發(fā)展的新型業(yè)務,,這些業(yè)務都可以利用組播實現,,使得IP組播技術成為當前網絡技術中的研究熱點之一,。為此,,人們開發(fā)了多種組播路由協(xié)議" title="路由協(xié)議">路由協(xié)議來支持組播的應用,而PIM-SM是目前應用最廣泛,、功能最強大的一種,,適合廣域網環(huán)境下用戶比較分散的組播業(yè)務的開展。美國UC-Berkeley最早于1990年初開始在MBone上研究基于組播的協(xié)同環(huán)境,,國內也于20世紀90年代后期開始研究和應用組播視頻會議,。2004年4月,在CERNET主干網絡8個城市10個地區(qū)主節(jié)點之間成功配置了全程組播(Native multicast),。2003年SARS之后,,開始向38個省級主節(jié)點擴展,其中主要實現了基于PIM-SM的組播視頻會議業(yè)務,。實現高性能PIM-SM組播將會對未來實現大規(guī)模組播應用產生深遠而重要的影響,。
  PIM-SM組播通常采用純軟件或者利用ASIC、NP等硬件方式轉發(fā),。純軟件方式常用于中低端路由器,,在轉發(fā)性能上難以滿足核心路由器的要求;由于PIM-SM協(xié)議還未完全定型,,ASIC轉發(fā)方式難以更新升級,,并且開發(fā)周期長不適合在研發(fā)階段采用;而NP方式雖然開發(fā)效率高但技術成熟度低,。為此,,本文提出了一種PIM-SM分布式實現方案。該方案以筆者研發(fā)的T比特級路由器為平臺,,將PIM-SM控制平面與數據平面分離,控制平面在路由器的主控上利用軟件方式實現,,而數據平面利用TCAM+FPGA的方式在路由器的轉發(fā)子系統(tǒng)上實現,。考慮到路由查表" title="查表">查表的特性,,將轉發(fā)表存放在商用TCAM芯片中,,可以充分利用TCAM的關鍵字查找優(yōu)勢,,利用FPGA程序實現轉發(fā)處理邏輯。這樣的設計方式開發(fā)簡單,,成本較低,,靈活性強。其實現模型如圖1所示,。


1 實現難點分析
  考察近幾年的路由器技術發(fā)展,,單播路由協(xié)議采用硬件轉發(fā)、軟件維護已經不是新的方案,。這是因為單播路由表類型比較單一,,存放的是下一跳、網絡度量,、出接口等固定長度的信息,,而且協(xié)議控制平面與數據平面功能劃分清晰。數據平面只用來轉發(fā)而不影響協(xié)議機制的運行,,它使用的轉發(fā)表只需要簡單的目的地址和出接口信息(只有一個),,其工作就是對到來的數據包進行目的地址的匹配,然后根據匹配結果直接轉發(fā)即可,。因此,,單播協(xié)議的轉發(fā)功能采用硬件方式實現較容易,只需簡單的硬件轉發(fā)表和判定邏輯對數據進行處理,,然后交給調度模塊直接輸出即可,。
  PIM-SM實現方案的設計可以借鑒單播路由協(xié)議的硬件轉發(fā)模式。但是,,它實現硬件轉發(fā)比單播協(xié)議硬件轉發(fā)困難得多,。其主要困難如下:
  (1)組播轉發(fā)過程較為復雜,輸入輸出項多且輸出項不定長,。PIM-SM組播路由協(xié)議的路由表項類型不單一,,多達四種且有匹配優(yōu)先順序,數據包的匹配查找邏輯相當復雜,。
  (2)組播轉發(fā)表容量龐大,,表項寬。受器件水平的限制,,硬件實現方案中可能根據可用器件的情況設計多級轉發(fā)表,,而多級查表又限制了硬件實現方案速度優(yōu)勢的發(fā)揮。
  (3)與單播轉發(fā)相比,,數據包需要硬件復制和交換轉發(fā),。組播轉發(fā)不僅大大增加了路由器轉發(fā)模塊的復雜度,而且還增加了調度模塊和接口模塊的復雜度,。
  (4)一些利用軟件容易解決的問題,,可能利用硬件實現就比較困難,,例如轉發(fā)查表、RPF檢查,、數據驅動報文處理等。
  (5)組播路由協(xié)議尚不完善,,組播應用還未普及,,可以預見在未來的幾年中,隨著組播應用的發(fā)展,,IPv4組播路由協(xié)議還要不斷改進和完善,。目前IPv6組播路由協(xié)議還未有標準,但是轉發(fā)設計必須考慮基于IPv6的實現方式,。
  這些由協(xié)議特性造成的與單播路由協(xié)議硬件轉發(fā)的不同之處,,也是PIM-SM實現硬件轉發(fā)的復雜之處。這種復雜性在具體設計和實現時雖然在一定程度上會增加硬件轉發(fā)設計的復雜度,,但是只要合理設計,,采用正確的技術手段和策略,硬件轉發(fā)的性能優(yōu)勢是很明顯的,。
2 方案設計
  經過分析,,不難得出關于PIM-SM分布式實現方案的大致輪廓。方案總體上可以分為數據平面轉發(fā)設計,、控制平面實現方式設計和平面間通信方式設計三個部分,。其中,數據平面轉發(fā)部分的設計是整個方案的關鍵和難點,,影響著PIM-SM組播的轉發(fā)性能,,其主要難點是轉發(fā)表格式和轉發(fā)邏輯的設計,在T比特路由器的轉發(fā)子系統(tǒng)上實現,。協(xié)議軟件部分負責控制平面的協(xié)議行為,,應該在T比特路由器的主控子系統(tǒng)上實現,主要工作是維護協(xié)議狀態(tài)機的運行,,與其他模塊進行交互,,以及對路由表項的更新管理。平面間通信部分包括兩方面的工作:路由表下發(fā)和數據驅動報文上報,。這兩部分包括判定,、封裝、上報和處理等操作,,涉及到主控和轉發(fā)兩方面的工作,,也是比較復雜的一部分,需要通過高速內部網絡進行通信,??紤]到在T比特路由器上的實現,,PIM-SM實現方案的總體框圖如圖2所示。


  圖2中只描繪了一個轉發(fā)的框圖,,對于多個轉發(fā)的情況可以類推,。
  協(xié)議控制平面以及路由表管理部分在主控板上以軟件形式實現,數據平面部分在T比特路由器的轉發(fā)板上利用硬件實現,,數據報文經查表后直接轉發(fā),。主控與轉發(fā)之間通過高速網絡互聯(lián),數據驅動報文在轉發(fā)生成后通過該網絡上報給主控的協(xié)議軟件處理,。
  值得注意的是,,協(xié)議報文必須上交給主控進行處理。因此,,為減少轉發(fā)邏輯的復雜度可以將協(xié)議報文在線路接口部分判斷后直接通過內部網絡上交給主控協(xié)議棧處理,。這樣既可減少了硬件轉發(fā)部分的負擔,又使協(xié)議報文的處理不會與數據報文的處理相混淆,。
  前面已經提到過,,影響數據高速轉發(fā)的關鍵因素是轉發(fā)表格式和查表轉發(fā)算法的設計。因此,,必須從保證協(xié)議一致性的角度出發(fā)考慮哪些功能可以用硬件完成,,哪些需要經軟件計算后下發(fā)。這部分設計的正確與否不僅會影響協(xié)議一致性,,而且會對轉發(fā)性能產生影響,。經過對協(xié)議轉發(fā)規(guī)則的細致分析以及針對本路由器體系結構特點,提出了以下PIM-SM轉發(fā)表格式,,如表1所示,。該格式支持PIM-SM三種轉發(fā)項。


  查表轉發(fā)算法包括三部分:查表,、結果判別和轉發(fā)上報,。查表部分負責數據包轉發(fā)表項的匹配,方式是針對數據包利用TCAM中存放的轉發(fā)表進行關鍵字匹配,,輸出查表結果,,如果失敗則丟棄數據包;結果判別部分包括RPF檢查,、數據驅動報文判定,、查表成敗判定等邏輯,根據查表結果信息進行判定,;轉發(fā)上報部分包括正常數據包的轉發(fā)和數據驅動報文封裝上報等操作,。其中查表部分相對復雜,時間耗費較多,,利用FPGA程序實現時需要考慮如何進行性能優(yōu)化,,否則容易導致數據不能及時查表轉發(fā),,達不到線速轉發(fā)的要求。數據驅動報文的封裝上報等操作可以采用硬件或者軟件實現,。在路由器中硬件對組播的支持包括兩個方面:一是完成硬件查表轉發(fā),,二是在硬件上支持組播復制。在組播復制的硬件實現中,,將組播復制功能放到調度模塊實現,。調度模塊收到轉發(fā)送來的組播報文后,根據轉發(fā)所貼標簽標識的目的端口號及復制數目進行相應的復制,,并直接送到相應端口的FIFO,。
3 線速轉發(fā)可行性分析
  該分布式設計方案的目的是實現高速數據轉發(fā),,目標是達到10G接口的線速轉發(fā),。根據以上設計需要估算一下能否達到線速轉發(fā)能力和主要限制因素??紤]到查表過程的時間耗費對轉發(fā)性能的影響最大,,從這方面展開對線速轉發(fā)限制因素的分析。
3.1 線速轉發(fā)條件
  線速轉發(fā)要求數據包的吞吐率在達到線路接口的最高值時不會丟包,,即必須能及時處理所有的數據包,,那么衡量的標準為查表的時間應低于單個數據包的線速轉發(fā)時間。數據包越長,,對應的查表時間就越長,,因此對短數據包的要求更為苛刻。要在數據速率高達10Gbps的條件下,,實現常見最短組播數據包(長度為40字節(jié))的線速轉發(fā),,則轉發(fā)處理一個數據包的最長時間為:
  (IP報文長度)40×8bit/(端口速率)10Gbps=32ns。
  表2給出了不同長度數據包的轉發(fā)最長時間,。


  假定商用TCAM芯片的時鐘為100MHz,,每個時鐘周期長10ns,也就是說必須在4個時鐘周期內完成查表轉發(fā),,才能實現最短數據包的線速轉發(fā),。根據轉發(fā)表格式的設計,源地址和目的地址作為查表關鍵字存放于TCAM中,,針對IPv4關鍵字長64bit,,IPv6關鍵字長256bit,使用的TCAM為Netlogic公司的NSE5512,,其容量為512k×72bit(即:若表項寬度為72位,,則該容量(包括掩碼)為512k×72bit,事實上表項為256k條),。該器件的表項寬度可配置為72位,、144位,、288位和576位,表項配置為144位時,,容量為128k條,;配置為288位時,容量即為64k條,。根據筆者設計的轉發(fā)表格式,,組播表的查表關鍵字設為288位寬。
  利用TCAM實現查表所需的總時間T可分為兩部分,。一部分為查表關鍵字的輸入時間T1,,例如對數據總線為72位的TCAM而言,288位查表關鍵字的輸入時間需要4個FPGA時鐘周期,;另一部分為查表關鍵字搜索TCAM內部表項從而得出查表結果所需的時間,,也可以稱之為查表結果等待時間T2,目前業(yè)界比較先進的TCAM的等待時間通常為10個FPGA時鐘周期,。因此,,有:T=T1+T2=14。這說明,,采用通常的查表方案在4個時鐘周期內無法處理完最短包,,10G接口的線速轉發(fā)無法得到。
3.2 優(yōu)化查表策略
  為了實現10G接口的線速轉發(fā),,必須設法使得轉發(fā)查表能在4個時鐘周期內完成,。而純粹的TCAM查表不能在4個時鐘周期內完成,這就要求必須采用流水查表技術對查表實現方案進行優(yōu)化,。這樣,,一種由TCAM和SRAM共同完成的路由查表流水線方案在此處可以得到應用。該流水查表方案中,,TCAM表項僅存儲查表關鍵字,,查表結果則存儲在相應地址的SRAM中。組播查表過程被分解成為三級流水級,。其中,,一級關鍵字是組播查表關鍵字,該關鍵字格式應為(S,,G),,一級關鍵字的查表利用TCAM實現;二級關鍵字是TCAM中表項最低匹配地址,,二級關鍵字的查表利用SRAM實現,;二級關鍵字查表結果為最終結果,即出接口等信息。則查表流水線如圖3所示,。


  流水線的功能段完成該段任務所需的時間即為功能段延遲時間,,表3列出了IPv4/IPv6組播數據包查表時各功能段的時間延遲。由該表可知,,該查表流水線中延遲時間最長的段為“TCAM查表關鍵字輸入”,,需要4個FPGA時鐘周期。


  目前,,在FPGA和TCAM,、SRAM器件允許的條件下,該查表流水線結構可以支持OC-192接口40字節(jié)組播包線速查表,。該流水線已經在T比特路由器上得到應用,,其具體設計方案不是本文討論的問題,只用來說明采用TCAM+FPGA方式能夠實現10G接口線速轉發(fā),,這一點將由實際測試得到證明,。
  關于硬件轉發(fā)性能的測試,RFC建議以最短報文來測試路由器的吞吐量,。在同樣端口速率下轉發(fā)小包是對路由器包轉發(fā)能力最大的考驗,。筆者進行了測試,,測試端口包括10G WAN/LAN和10G POS,,利用Spirent通信公司的AX/4000測試儀對該路由器依照RFC2544規(guī)定進行轉發(fā)性能測試。結果10G WAN/LAN接口40字節(jié)以上組播數據包均可達到線速轉發(fā),,10G POS接口70字節(jié)以上可達到線速轉發(fā),。只要FPGA程序進一步優(yōu)化可以實現任意包長的線速轉發(fā)。本次測試的丟包率為0,。64字節(jié)的包延遲僅為12.35μs,。證明組播數據包能夠實現10G線速轉發(fā),延遲很小,,適合組播應用,。
  本文結合國家863項目“可擴展到T比特的高性能IPv4/v6路由器基礎平臺及實驗系統(tǒng)”的要求,提出了一種可應用于T比特路由器平臺的分布式PIM-SM組播實現方案,,采用TCAM+FPGA方式實現了高速數據轉發(fā),,并研究設計了轉發(fā)表格式和查表轉發(fā)算法,分析了該方式下線速轉發(fā)的可行性,,并最終得到實際性能的驗證,。總之,,本文提出了一種實現相對簡單,、高效可行的PIM-SM組播實現方案。它具有較強的創(chuàng)新性,,該方案的設計思想不僅可以應用于T比特路由器,,同樣也適用于其他具有分布式結構的高端路由器,。
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