專利名稱：一種多協議標簽交換路由系統接口裝置和轉發方法
技術領域：
本發明涉及一種在使用多協議標簽交換(MPLS)的路由系統中的數據緩存結構的優化方法，屬于數據通訊領域。
背景技術：
MPLS源自IP overATM的需要。早期工作在網絡層集中于IP協議，其核心技術同樣適用于其它網絡層協議。在鏈路層MPLS沒有限制用于某一特定的鏈路層，但主要工作仍集中在ATM上。隨著IP網的發展，尤其在吉位線速路由交換機上，希望由IP/SDH/OPTICS模式直接發展成為IP/OPTICS(DWDM)時，MPLS是必須應用和發展的技術。因為從IP到光的密集波分復用DWDM，從層次的概念看，中間有一鏈路層，即用于傳輸、交換和轉發的一層。現有適用于IP分組在鏈路層傳送的技術，只有同步傳遞模式STM的SDH，和異步傳遞模式ATM的信元兩類。MPLS是同時適用于SDH和ATM并可適用于未來發展的任一特定的鏈路層制式的技術。MPLS還蘊含著支持網絡管理、流量工程、QOS和COS等各項功能。IP必須通過MPLS(當然也可采用其它相應的方式)才能直接在OPTICS上傳送的。
現有技術中的一種MPLS路由器的設計思想中的數據緩存的結構(參看2001年第一期的《數據通信》由華中科技大學高速寬帶光通訊實驗室的劉兒兀、曹明翠、陳春漢、李峰撰寫的《多協議標簽交換(MPLS)路由器的設計》一文)。MPLS路由器由接口線卡和交換模塊組成，如圖1所示。線卡1～n1包括物理層處理、Mac層處理、IP層處理(包括路由/轉發引擎，SAR處理)。線卡接收輸入形成ATM信元流，就通過交換單元輸出到相應接口。如果是管理信息流，就通過交換單元輸出給作為管理單元的線卡進行處理，再返回給相應接口線卡。
MPLS接口模塊分為Phy Termination(物理層終端)、Routing/ForwardingEngine(路由/前向引擎)、AAL5/SAR處理(ATM業務試配類型5/拆分和重組處理)3大部分，如圖2所示。Phy Termination完成Mac幀的提取。Routing/ForwardingEngine從Mac幀中提取IP頭(考慮QOS時可能要加入TCP頭)，該IP頭或者是普通的IP頭，或者是Labelled過的IP頭。通過查找，對IP頭更新(標簽的Push，Pop，Swap，TTL更新，CRC生成)生成Labelled過的IP包。AAL5/SAR處理單元先把Labelled過的IP包用AAL5封裝，再通過SAR處理形成53字節的ATM信元流。
Phy Termination由Ethernet Phy(以太網物理層)、MII/GMII(PCS/PMA/PMD)(介質獨立接口/千兆介質獨立接口(物理編碼字層/物理介質訪問/物理介質依賴))、Ethernet Mac(以太網介質訪問控制設備組成)，它接收輸入比特流，交給Routing/Forwarding Engine處理。
Routing/Forwarding Engine是MPLS路由器的核心，它又分為IP處理邏輯、IP頭處理邏輯、CAM\RAM等3個模塊。CAM(內容可尋址存儲器)模塊由兩種CAM單元組成一種進行標簽查找；另一種進行IP路由查找。RAM單元存放CAM匹配查找所對應的信息。如圖3所示，IP處理邏輯的輸入部分接收Mac幀，放入IP包輸入緩沖區，并把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯。如圖4所示，IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息(如出口標簽等)以及相應的控制信號(如標簽的Swap，Pop，Push操作，IP頭出錯信號等)返回給IP處理邏輯進行IP頭的更新操作。
IP包(普通IP包或Labelled過的IP包)通過IP處理邏輯，形成Labelled過的IP包，經過AAL5的封裝，交給SAR單元處理。SAR根據IP頭處理邏輯發來的標簽，把接收到的AAL5封裝后的IP包拆成53字節的ATM信元，送入接收FIFO用復用/解復用把多個接口的低速輸入復用為一個高速輸入，送入交換模塊。在交換模塊中排隊，調度后被交換到相應的輸出端口，進入接收FIFO。經過SAR打包，AAL5去封裝，獲得Labelled過的IP包，進入IP處理邏輯的輸出部分；加上輸出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，放入IP包輸出緩沖，交由Mac層處理。
該方法的特點是使用MPLS(硬件實現)替代傳統用軟件實現的變長IP最長匹配查找，大大提高了包轉發速率，使端口速率提高到Gbits/s。MPLS不僅能提高包轉發速率，還能提供QOS支持和流量規劃。
但是在該方法中對緩沖區的使用還有值得改進之處。在該項技術中對所有數據使用了兩級緩沖區，一級在FPGA的IP處理邏輯中對IP包緩沖，另一級在硬件SAR中實現信元的緩沖。這種用法會減慢IP包的轉發速率和浪費存儲空間。
發明內容
本發明的目的是構造一種多協議標簽交換路由系統的接口裝置和轉發方法，通過優化多協議標簽交換(MPLS)路由系統中的數據緩存結構，以減少多協議標簽交換(MPLS)路由系統中IP包的數據緩存的級數，加快IP包的轉發速率，節省存儲空間。
本發明所提出的一種多協議標簽交換路由系統的接口裝置，包括物理層終端、路由/前向引擎、AAL5/SAR處理，物理層終端完成Mac幀的提取；路由/前向引擎將物理層終端提取的Mac幀中提取IP頭，通過查找，對IP頭更新生成Labelled過的IP包；AAL5/SAR處理單元先把Labelled過的IP包用AAL5封裝，再通過SAR處理形成53字節的ATM信元流；所述的路由/前向引擎包括CAM\RAM、分路器、IP頭處理邏輯，CAM模塊進行標簽查找和IP路由查找，RAM單元存放CAM匹配查找所對應的信息；分路器的輸入部分接收Mac幀，把IP包的負荷直接送到AAL5/SAR處理單元處理，IP頭部分發送給IP頭處理邏輯；IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息以及相應的控制信號，進行IP頭的更新操作，然后將IP頭交給AAL5/SAR處理單元。
本發明所提出的一種多協議標簽交換路由系統的接口方法，在接收方向1、網絡處理器接收MAC幀，把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯。IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息(如出口標簽等)以及相應的控制信號(如標簽的Swap，Pop，Push操作，IP頭出錯信號等)，進行IP頭的更新操作，然后將IP頭交給SAR單元。
2、把IP包的PAYLOAD直接交給SAR單元處理，SAR把接收到的IP包PAYLOAD送入SAR的接收緩沖區。
3、SAR根據IP頭處理的結果決定標簽或者IP頭是否有效，是否丟棄該包。
4、SAR將接收到的IP頭和IP包PAYLOAD一起送入SAR的接收緩沖區，拆成53字節的ATM信元，用復用/解復用把多個接口的低速輸入復用為一個高速輸入，送入交換模塊。
在發送方向1、信元在交換模塊中排隊，調度后被交換到相應的輸出端口，經過SAR重組形成IP包后進入發送緩沖區。
2、把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯。IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息(如出口標簽等)以及相應的控制信號(如標簽的Swap，Pop，Push操作，IP頭出錯信號等)，進行IP頭的更新操作。
3、SAR根據IP頭處理的結果決定標簽或者IP頭是否有效，是否丟棄該包。
4、網絡處理器接收SAR發過來的IP包PAYLOAD，與處理過的IP頭組合后加上輸出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac層處理。
在路由系統中，采用本發明(一級緩沖結構)較采用原技術(二級緩沖結構)可以簡化系統結構，大大提高包轉發速率和節省存儲器空間，從而提供更高的性能和更低的系統成本。
圖1是MPLS路由系統框圖；圖2是現有技術二級緩沖技術MPLS路由系統/接口模塊設計框圖；圖3是現有技術二級緩沖技術MPLS路由系統/接口模塊中IP處理邏輯框圖；圖4是現有技術二級緩沖技術MPLS路由系統/接口模塊中IP頭處理邏輯框圖；圖5是本發明一級緩沖技術MPLS路由系統/接口模塊設計框圖。
具體實施例方式
當MPLS路由系統采用一級緩沖后，較之使用二級緩沖，IP包的處理過程得到了簡化。
如圖5所示，MPLS接口模塊分為Phy Termination、Routing/ForwardingEngine、AAL5/SAR處理3大部分。Phy Termination完成Mac幀的提取。Routing/Forwarding Engine從Mac幀中提取IP頭(考慮QOS時可能要加入TCP頭)，該IP頭或者是普通的IP頭，或者是Labelled過的IP頭。通過查找，對IP頭更新(標簽的Push，Pop，Swap，TTL更新，CRC生成)。AAL5/SAR處理單元先把Labelled過的IP包用AAL5封裝，再通過SAR處理形成53字節的ATM信元流。
Phy Termination由Ethernet Phy、MII/GMII(PCS/PMA/PMD)、Ethernet Mac組成，它接收輸入比特流，交給Routing/Forwarding Engine處理。
Routing/Forwarding Engine是MPLS路由器的核心，它又分為IP包分路、IP頭處理邏輯、CAM\RAM等3個模塊。CAM(內容可尋址存儲器)模塊由兩種CAM單元組成一種進行標簽查找；另一種進行IP路由查找。RAM單元存放CAM匹配查找所對應的信息。IP包分路的輸入部分接收Mac幀，把IP包的負荷直接送到SAR處理；并把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯。IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息(如出口標簽等)以及相應的控制信號(如標簽的Swap，Pop，Push操作，IP頭出錯信號等)進行IP頭的更新操作和對SAR的控制。
IP頭處理邏輯的標簽判斷/校驗模塊首先分析IP頭數a.如IP頭含有有效標簽，那么提取該標簽送入CAM模塊，進行標簽查找。
b.如IP頭含無效標簽，則生成控制信號，表示標簽無效，通知SAR丟棄該包。
c.如IP包不含標簽(即普通的未Labelled過的IP包)，那么進行傳統的IP頭有效性判別，如CRC校驗。
d.當確認是有效的IP頭，就取出目的IP地址送入IP CAM，進行第3層IP路由查找；否則就生成控制信號，通知SAR丟棄該包。
經過標簽CAM或IP CAM的查找，CAM單元會發相應的查找結果給匹配邏輯a.如果匹配邏輯接收到不匹配信號，就把IP頭裝入一個ATM信元發給主CPU進行全局路由/標簽表的查找。結果送回IP頭處理邏輯，同時進行CAM/RAM的更新。
b.如果匹配邏輯接收到匹配信號(同時也接收到存放查找結果的RAM地址)，就把RAM中的匹配結果放入結果寄存器中，同時生成相應的控制信號，指示標簽控制邏輯根據匹配結果對IP頭進行相應操作(標簽的Push、Swap、Pop)。
IP包(普通IP包或Labelled過的IP包)通過IP包分路，IP頭交由IP頭處理邏輯更新再存入SAR的緩沖區，IP包負荷存入SAR的緩沖區，形成Labelled過的IP包，經過AAL5的封裝，交給SAR單元處理。SAR根據IP頭處理邏輯發來的標簽，把接收到的AAL5封裝后的IP包拆成53字節的ATM信元，送入交換模塊。在交換模塊中排隊，調度后被交換到相應的輸出端口，進入接收FIFO。經過SAR打包，AAL5去封裝，獲得Labelled過的IP包，進入IP頭處理邏輯部分；SAR根據IP頭處理的結果決定標簽或者IP頭是否有效，是否丟棄該包。網絡處理器接收SAR發過來的IP包PAYLOAD，與處理過的IP頭組合后加上輸出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac層處理。
權利要求
1.一種多協議標簽交換路由系統的接口裝置，包括物理層終端、路由/前向引擎、AAL5/SAR處理，物理層終端完成Mac幀的提取；路由/前向引擎將物理層終端提取的Mac幀中提取IP頭，通過查找，對IP頭更新生成Labelled過的IP包；AAL5/SAR處理單元先把Labelled過的IP包用AAL5封裝，再通過SAR處理形成53字節的ATM信元流，其特征在于，所述的路由/前向引擎包括CAM\RAM、分路器、IP頭處理邏輯，CAM模塊進行標簽查找和IP路由查找，RAM單元存放CAM匹配查找所對應的信息；分路器的輸入部分接收Mac幀，把IP包的負荷直接送到AAL5/SAR處理單元處理，IP頭部分發送給IP頭處理邏輯；IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息以及相應的控制信號，進行IP頭的更新操作，然后將IP頭交給AAL5/SAR處理單元。
2.根據權利要求1所述多協議標簽交換路由系統接口裝置的轉發方法，其特征在于，在接收方向，包括以下步驟a.網絡處理器接收MAC幀，把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯，IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息以及相應的控制信號，進行IP頭的更新操作，然后將IP頭交給SAR單元；b.把IP包的PAYLOAD直接交給SAR單元處理，SAR把接收到的IP包PAYLOAD送入SAR的接收緩沖區；c.SAR根據IP頭處理的結果決定標簽或者IP頭是否有效，是否丟棄該包；d.SAR將接收到的IP頭和IP包PAYLOAD一起送入SAR的接收緩沖區，拆成53字節的ATM信元，用復用/解復用把多個接口的低速輸入復用為一個高速輸入，送入交換模塊；在發送方向，包括以下步驟e.信元在交換模塊中排隊，調度后被交換到相應的輸出端口，經過SAR重組形成IP包后進入發送緩沖區；f.把IP頭部分發送給IP頭處理邏輯，IP頭處理邏輯查找CAM，根據CAM返回的匹配地址查找RAM，從而獲得相應的頭更新信息以及相應的控制信號，進行IP頭的更新操作；g.SAR根據IP頭處理的結果決定標簽或者IP頭是否有效，是否丟棄該包；h.網絡處理器接收SAR發過來的IP包PAYLOAD，與處理過的IP頭組合后加上輸出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac層處理。
3.根據權利要求2所述的多協議標簽交換路由系統的轉發方法，其特征在于，IP頭處理邏輯對接收到的IP頭數進行分析具體包括以下過程1)如IP頭含有有效標簽，那么提取該標簽送入CAM模塊，進行標簽查找；2)如IP頭含無效標簽，則生成控制信號，表示標簽無效，通知SAR丟棄該包；3)如IP包不含標簽(即普通的未Labelled過的IP包)，那么進行傳統的IP頭有效性判別，如CRC校驗；4)當確認是有效的IP頭，就取出目的IP地址送入IP CAM，進行第3層IP路由查找；否則就生成控制信號，通知SAR丟棄該包。
全文摘要
本發明設計一種多協議標簽交換路由系統接口裝置和轉發方法，接口裝置包括物理層終端、路由/前向引擎、AAL5/SAR處理，其中的路由/前向引擎還包括CAM\RAM、分路器、IP頭處理邏輯。本發明通過優化多協議標簽交換路由系統中的數據緩存結構，以減少多協議標簽交換路由系統中'包的數據緩存的級數，加快包的轉發速率，節省存儲空間，在路由系統中，可以簡化系統結構，并提高系統的性能和降低系統成本。
文檔編號H04L29/02GK1507228SQ0215515
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月10日 優先權日2002年12月10日
發明者翟紅健, 胡海聿 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所, 深圳市中興通訊股份有限公司上海第二