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摘要
路由查找是路由器的核心功能之一,可分为基于硬件和基于软件的查找算法两大类.前者使用专用的可并行硬件实现高速的查找性能,比如FPGA算法、GPU算法和TCAM算法.后者可以部署在通用CPU上,具有更高的灵活性、更低的功耗和成本优势,并且可以利用CPU的Cache实现快速查找.因此,基于软件的路由查找算法已成为软件定义网络和网络功能虚拟化中的关键技术之一.尽管软件查找算法具有很大的优势,它也面临着许多新的挑战.首先,当今骨干网路由器的路由表项数目已达到600K,并且每年保持大约15%的增长率,给路由查找和存储带来了巨大压力.同时,路由表更新速度也逐年稳定增长,并且峰值更新速率已超过10K/s,这就要求路由查找算法具有高速的更新性能.基础的树结构软件查找算法能够支持快速更新,但是过多的访存次数导致查找速度较低,而且其存储开销已经超过16MB,远远高于一般路由器中CPU的Cache大小,进一步影响了查找速度.以Lulea算法为代表的传统位图压缩方法虽然降低了数据结构的存储开销,但是会导致更新困难,复杂而低效的更新操作也会在一定程度上影响查找性能.本文提出了一种基于重叠位图压缩的软件路由查找算法,它通过层次遍历构造重叠式位图结构,比具有高压缩率的Lulea算法占用更小的存储空间(提高Cache的命中率,从而进一步提高查找速度).而且,本算法使用位图分割和多种更新优化技术实现快速的增量更新.实验结果表明本算法能够把包含600K条前缀的路由表压缩到2.3MB,平均比Lulea算法减少26%的存储空间,只有树结构的1/8左右.而且本算法具有良好的拓展性,从2008年的5.06字节/前缀降低到2016年的3.94字节/前缀.实际流量下,本算法平均查找速度达到111.41M/s,是Lulea算法查找速度的2.5倍.同时,在保证10100K/s的更新速率前提下,实现90100M/s的查找速度.
