行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 寬頻網路網際網路品質保證（II）
子計畫二： ※
※ 使用於寬頻網際網路之 Gigabit 路由器與訊務管制 ※
※ 技術（II） ※
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計畫類別：□個別型計畫 ▓整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2219－E－009－004－
執行期間： 88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日
計畫主持人：李程輝 交通大學電信系 教授
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學電信系
中 華 民 國 89 年 月 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：NSC 89-2219-E-009-004
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
主持人：李程輝 交通大學電信系 教授
共同主持人：
計畫參與人員：
一、中文摘要 本計畫主要研究兩項大容量路由器的 主要技術：交換機架構與利用硬體來做最 長字首的比對(或稱為硬體路由)。為了建構 一個真正大型的路由器，我們採用空間分 割的架構如 crossbar；並發展佇列管理和快 速排程演算法來移除佇列前端擁塞(HOL blocking) 問 題 ， 以 改 善 路 由 器 之 傳 輸 率 (throughput)。此研究主要針對可變長度封 包設計一交換機架構，以減小輸出埠閒置 時間來提高效率降低封包延遲。經由軟體 模擬分析比較，其結果顯示固定長度封包 設計的交換機並不適用於可變封包長度的 網路環境。 最長字首的比對技術是發展高速 IP 路 由器一個重要瓶頸，為了達到有效快速的 訊務分類，我們發展一套三級訊務區分演 算法，來處理目的地位址、傳送端位址、 目的地埠、傳送端埠與協定等五個欄位， 並以硬體路由結構來加速路由決策。 關鍵詞：IP 路由器，縱橫式交換系統，硬 體路由，最長字首比對 Abstr actIn this project, we investigated two key technologies of developing high-capacity routers: switch architecture and longest prefix matching with hardware (or hardware routing). We employed space-division archi-tecture, such as the crossbar, to build a real
large-capacity router. In addition, we
designed queue management and fast scheduling algorithms to (partially) remove head-of-line blocking in an attempt to improve the router’s throughput. This study mainly focuses on designing a switch for
variable-length packets to reduce idle time on output port in achieving better performance in terms of throughput and packet delay. Through simulation, the result showed that switches designed for fixed-length packets are inadequate for network environment of variable-length packets on the fly.
Longest prefix matching is a bottleneck in IP routing. Thus, to efficiently classify arriving packets, this study proposed a three-phase packet classification algorithm based
on destination/source IP addresses,
destination/source port numbers and protocol ID fields and designed efficient hardware routing schemes to speed up routing decision. Keywords: IP router, crossbar switch, hardware routing, longest prefix matching 二、計劃緣由與目的
高效能網路交換機採用 crossbar 交換 結構作為交換核心漸漸成為一種趨勢。而 crossbar 交換機需要一套交換排程演算法 （Switch scheduling algorithm）來決定輸出 入埠配對，目前存在的排程演算法，例如 PIM（Parallel Iteration Matching）、RRM （Round-robin matching）與 SLIP（），均 是為固定長度封包所設計，雖然經由切割 再重組的方式可以處理可變長度的封包 [1]，卻可能造成輸出、入埠所需的緩衝空 間與封包交換延遲的增加。本研究針對可 變長度封包設計一交換機架構，以減小輸 出埠閒置時間來提高效率，並降低封包延 遲。 高速的多欄位訊務區分器是現今發展 服務保證網路最重要的核心技術之一。傳 統的訊務區分器僅根據第三階層的標頭欄
位來分類，並不適用於較高階層之表頭欄 位分類器；此外，網路頻寬與使用者需求 的指數倍數成長使得路由器的傳輸率要求 相對提高。為了支援多欄位分類與高傳輸 率的需求，我們提出一個三級式多欄位訊 務區 分 器演 算 法， 透 過 hashing、search tree、linear search 三個步驟，可以將 filter 集合有效分散開來，減少搜尋所需要的運 算量，以達成高速訊務區分的目的。 三、研究方法與成果 I.適用可變長度封包之 Cr ossbar 交換機 整個系統架構方塊圖顯示於圖 1。由網 路進入交換機的封包首先由輸出入埠控制 器（I/O Port Controller，如圖 2 所示）對標 頭做處理，並將封包佇存在輸入埠的緩衝 區（memory）內。每個輸出入埠控制器都 有一組 P 通道（P_n in & P_n out）與交換 核心（如圖 3 所示）連接，此通道是對交 換核心下達指令以及傳送封包的途徑。交 換核心藉由串連所有埠控制器的回應通道 (RSP)送出連接請求指令。核心內的仲裁器 用來決定連結的建立與否，仲裁結果同樣 透過此通道傳出。群播封包則經由專屬的 群播通道（MC）傳送到各個輸出入埠控制 器。此外，還有一個控制通道（CTRL）作 為中央處理器與輸出入埠之間溝通的管 道。 為了使交換機有較高的運作效能，我 們以輸出埠的角度來設計交換機；當輸出 埠由忙碌變成閒置狀態時，立即向所有輸 入埠要求送封包過來，除非都沒有以此輸 出埠為目的的之封包進入交換機，或擁有 送往此輸出埠封包的輸入埠正處於忙碌狀 態，則輸出埠將經過一或數個仲裁週期 後，開始送出封包。交換機以減少輸出埠 閒置時間來提高較率。 而仲裁器以找出具最高優先權輸入埠 的方式使交換機具有差別服務功能，並使 用輪轉法避免飢饉現象。 以軟體模擬來分析比較 SLIP 交換機與 本計劃所設計的交換機之封包延遲與輸入 佇列長度，如圖 4（a）與（b）所示，相關 參數設定為 s_size=16、MaxPktSize=1500、 MinPktSize=64、PSN=5000、及 CellSize= 64。結果顯示根據固定長度封包所設計的 交換機並不適用於可變封包長度的網路環 境。 II. 訊務區分器 （一）三級訊務區分演算法 第一級：Hashing 選擇特定 bits 的排列將所有的 filter 區 分開來。考慮於五個欄位共 104 個 bit 裡選
m 個 bit 出來，即可將 filters 所構成的 space
切割成 2m部分；理想上，每個部分至多有 m N 2 個 filter（其中 N 是 filter 總數），依 此方法，將可大幅減少需要找尋的 filter 數 目。我們採用的策略是於 Source IP address 與 Destination IP address 各取三個 bits，取 一個 bit 以區分 UDP 與 TCP 的 protocol 欄 位，總共 7 個 bits 來進行 Hashing 的運作， 以期將 filter space 作最平均的分割。
第二級：Search Tree
根據各個 filter 的 IP prefix 建立 search tree 。 建 立 順 序 為 Source IP address> Destination Ip address>Protocol 欄位；此 外，為了提升速度，所建立的樹並非單純 的二元樹，而是能夠一次檢查 m bits 所建
立的 2m-ary Search Tree。建構樹的過程中，
為了避免建立整個 search tree 所浪費的記 憶體空間，我們限定當節點的 filter 數超過 一定值的時候，才建立下一層的節點，如 此便可簡化建立 search tree 的複雜度。
第三級：Conflict Check and Sorting 將位於每個部分的 filters 根據其 cost 來排序，以加快整體封包 search 的速度。 然而，由於 IP address 是採用 longest prefix matching，即 mask 較少的 filter 擁有較高的 priority，因此可能造成 mask 較長的 filter 永遠不會被 match；此為 conflict problem。 為了防止 conflict 發生，於排序之前，尚需 執行 conflict check 運作，定義如下：1)若
mask 較長之 Filter i，其實際的優先權≤
mask 較短之 Filter j 的優先權，則移除 Filter
i。2)若 mask 較長之 Filter i 的優先權> mask
較短之 Filter j 的優先權，則將此兩者的 costs 對調。完成 conflict check 之後，依 filters’ cost 之高低排序，由於 filter 數目已
非常少，一般的線性排序就可相當快速地 完成，故此，我們採用氣泡排序法（bubble
sort）
。
（二）搜尋程序
1）根據 Hashing 特定位置的 bits，找
到對應 search tree 的根（root）。
2）依照 Source IP、Destination IP 的順
序，利用 prefix 尋找節點，當節點上的 filter 數目不為零時，表示路徑搜尋完成。
3）以 Linear Search 的方式尋找符合條
件的 filter，第一個符合條件的 filter 即為 best matching filter。
（三）演算法分析
假設 filter 總數為 n、hashing key 為 b
bits、2m-array search tree 的 depth 為h(n)，
則 平 均 每 個 節 點 所 含 的 filter 數 目 為 b n mh n 2 2 ，因此 search 一個 filter 所需的 複雜度約為： + ) 2 ( 2 ) 2 ( b n mh b n O n h O 。 建構 2m
-ary search tree 時，可能會根據
IP prefix 作複製的動作。假設 depth=K 時，
檢查的 prefix 恰小於 address mask，即 m×K<
Address Mask<m×(K+1)，則 depth=K+1 時，
必須複製[(K+1)×m-Addr ess Ma sk]×2 個
filters。所以當最後 depth=P（P>K+1）時，
總共需要複製
( )
2m P-(K+1)[(K+1)×m-AddressMa s k]×2 =2m(P−K−1)+1[ (K+ 1 )×m- Ad d r e s s Mask]。現假設 n 個 filters 中，有 i 個 filters
需要複製，其複製起始的 depth 以 Ki表示，
address mask 為aMask，則最後 search 所需i
的運算複雜度約為
(
)
( ) [( ) ] ο − + + × − + ∑= + − − ) 2 ( 1 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 ( b i n mh i a i i K n h m b aMask m K i n O n h O 四、結論 本年度計劃延續第一年的研究成果並 擴充交換機的功能，具有第三層硬體路由 技術、第四層防火牆功能、支援群播功能、 port trunking 以及八種優先權處理。交換機 架構採用 crossbar，並發展佇列管理和快速 排程演算法來移除佇列前端擁塞問題，進 而提昇路由器的傳輸率。特別是本交換機 適用於可變長度封包的網路環境，以減小 輸出埠閒置時間來提高效率降低封包延 遲。並經由分析結果驗證固定長度封包設 計的交換機並不適用於可變封包長度的網 路環境。 此外，我們設計了一個三級式多欄位 訊務區分器演算法，透過 hashing、search tree、linear search 三個步驟，可以將 filter 集合有效分散開來，減少搜尋所需要的運 算量，以達成高速訊務區分的目的；並分 析了此演算法的複雜度。五、參考文獻
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IEEE/ACM Transactions on Networking,
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[14].A. Charny, P. Krishna, N. Patel, and
R.simcoe, “Algorithms for Providing
Bandwidth and Delay Guarantees in Input-Buffered Crossbar with Speedup,” in
Proceedings of IWQOS'98. 圖 1、系統架構 圖 2、埠控制器功能方塊圖 圖 3、交換核心功能區塊圖 （a） （b） 圖 4.8 SLIP 交換機與我們的交換機在不同 負載量之封包平均延遲與輸入佇列長度的 比較：（a）平均延遲 （b）平均輸入佇列 長度。 Crossbar Switch Element Port Controller Port Controller CPU P_0 in P_0 out P_N in P_N out RSP MC RSP MC RAM RAM CTRL CTRL DRAM .... P_n in : input port of n th port controller
P_n out : output port of n th
port controller RSP : response channel MC : multicast channel CTRL : control channel Table Lookup Engine MAC Queue Manager Data Path ... Packet Memory Table Memory RSP Monitor Crossbar Interface MAC CPU Interface P_n in RSP CTRL Crossbar Interface P_n out MC PHY PHY Crossbar Matrix Command Decoder 0 Response Encoder Matrix Controller P_0 in P_N in ... RSP P_N out P_0 out ... MC Command Decoder N Arbitration Logic BUS 1 BUS 2 BUS 3 ... ... Status Monitor Request Queue
