專利名稱：3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高性能路由器交換網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文路由方法，尤其是3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法。
背景技術(shù)：
路由器是Internet中主要的互連設(shè)備之一，其基本功能是實(shí)現(xiàn)IP報(bào)文(TCP/IP協(xié)議在Internet中占主導(dǎo)地位)的路由、轉(zhuǎn)發(fā)和交換。目前高性能路由器均采用分布式轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)，由交換網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)線卡組成，如圖1所示。交換網(wǎng)絡(luò)是路由器完成交換功能的核心模塊，它對路由器的性能和規(guī)模起著決定作用。
交換網(wǎng)絡(luò)是擁有多個(gè)輸入/輸出端口的報(bào)文交換部件，每個(gè)輸入/輸出端口均連接一塊線卡，它根據(jù)報(bào)文的目的輸出端口將其交換到目的線卡上。單級交換網(wǎng)絡(luò)由于受限于存儲(chǔ)器帶寬以及調(diào)度器的復(fù)雜度，難以滿足T比特路由器數(shù)百個(gè)高速端口的規(guī)模要求，而且其結(jié)構(gòu)固定難以擴(kuò)展。3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)是一種多級交換網(wǎng)絡(luò)，它是一種3維Mesh結(jié)構(gòu)，且每一維上的首尾節(jié)點(diǎn)環(huán)結(jié)，如圖2所示。由于它具有高帶寬，低延遲，節(jié)點(diǎn)度小且固定，拓?fù)湟?guī)則有利于硬件實(shí)現(xiàn)，冗余路徑多，可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于T比特級高性能路由器的設(shè)計(jì)中。3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)外部輸入/輸出端口，并通過內(nèi)部路徑連接6個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，線卡是對外的報(bào)文輸入輸出端口，而其余的6個(gè)端口用于連接3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的6個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。
3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文路由是指報(bào)文由源端口到達(dá)目的端口的路徑選擇過程，為了實(shí)現(xiàn)更好的性能以及可靠性，報(bào)文路由方法應(yīng)該兼顧多路徑負(fù)載均衡以及報(bào)文保序的特性，但是這兩個(gè)方面在實(shí)現(xiàn)中存在沖突，這也是一直以來困繞T比特級路由器設(shè)計(jì)人員的難點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文路由存在難以同時(shí)兼顧多路徑能力和報(bào)文保序，使得性能和功能產(chǎn)生相互制約的缺陷，提出了一種既能夠在3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的多條等價(jià)路徑上均衡報(bào)文負(fù)載，又能保證屬于同一條流的IP報(bào)文不會(huì)亂序的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法。
解決本發(fā)明技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中使用報(bào)文保序的基于維序的多路徑路由方法，包括如下步驟(1)、尋址對每一待進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文于源節(jié)點(diǎn)處查找目的節(jié)點(diǎn)的地址；
(2)、hash分類對每一待進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文于源節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行基于5元組的hash分類，每一流的報(bào)文進(jìn)行5元組分類時(shí)屬于同一類；(3)、查找類別—維序表根據(jù)hash分類結(jié)果查找類別—維序表，確定維序路徑，保證屬于同一流的報(bào)文按照完全相同路徑經(jīng)過交換網(wǎng)絡(luò)；(4)、根據(jù)報(bào)文流目的地址和類別—維序表確定路由路徑a、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)處于同一維的情況，報(bào)文流可用路徑只有1條，所有報(bào)文流經(jīng)此路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；b、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)處于同一面的情況，報(bào)文流可用路徑有2條，經(jīng)hash分類后的報(bào)文流根據(jù)路由維序信息選擇該2條路徑之一到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；c、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)不在同一面的情況，報(bào)文流可用路徑有6條，經(jīng)hash分類后的報(bào)文流根據(jù)路由維序信息選擇該6條路徑之一到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。
(5)、各節(jié)點(diǎn)的路由部件根據(jù)步驟(4)確定的路徑對報(bào)文進(jìn)行路由根據(jù)報(bào)文攜帶的路由維序信息以及目的節(jié)點(diǎn)地址對報(bào)文進(jìn)行路由，將報(bào)文按照維序向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，走完某一維上的路徑以后再處理下一維上的路徑，直到最后一維上的路徑處理完。
所述的在源節(jié)點(diǎn)輸入端對報(bào)文進(jìn)行基于5元組的hash分類，該5元組包括源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)和IP類型5個(gè)域。
所述的hash分類的分類數(shù)最多為6。
所述的類別—維序表表項(xiàng)個(gè)數(shù)等于hash分類的分類數(shù)。
所述的類別—維序表每個(gè)表項(xiàng)的三個(gè)域構(gòu)成X、Y、Z維的一種排列。
本發(fā)明所產(chǎn)生的有益效果是充分利用3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點(diǎn)間存在著多條等價(jià)路徑的特性，將進(jìn)入3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文流在多條等價(jià)路徑上進(jìn)行負(fù)載均衡，避免了系統(tǒng)中某條路徑上產(chǎn)生熱點(diǎn)而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，使系統(tǒng)具有更高的性能和可用性，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率；選擇節(jié)點(diǎn)間的嚴(yán)格維序的等價(jià)路徑作為負(fù)載均衡的可用路徑，簡化了報(bào)文在3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的路由選擇過程，易于硬件設(shè)計(jì)；同時(shí)通過對報(bào)文進(jìn)行基于可用路徑的粗粒度的hash分類，保證屬于同一流的報(bào)文經(jīng)由相同路徑穿過3DTorus交換網(wǎng)絡(luò)，既完成了報(bào)文保序，節(jié)省了重定序的開銷，又降低了報(bào)文hash分類的復(fù)雜度。


圖1為目前高性能路由器采用的分布式轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)。
圖2為3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)。
圖3為本發(fā)明中3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。
圖4為3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中本發(fā)明所利用的維序路徑。
圖5為本發(fā)明中交換網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)的邏輯框圖。
圖6為源節(jié)點(diǎn)在輸入端口對進(jìn)入報(bào)文的處理流程圖。
圖7為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由部件對進(jìn)入報(bào)文的處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
3D Torus網(wǎng)絡(luò)是3維結(jié)構(gòu)，為規(guī)則的K元N方網(wǎng)絡(luò)，所以內(nèi)部兩節(jié)點(diǎn)之間一般具有多條等價(jià)路徑，但是要在所有的等價(jià)路徑之間進(jìn)行報(bào)文分配，則報(bào)文需要攜帶大量的路由信息且每一步的路由處理將相當(dāng)復(fù)雜，不利于中間節(jié)點(diǎn)上路由部件的硬件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中采用節(jié)點(diǎn)間的嚴(yán)格維序的等價(jià)路徑作為報(bào)文負(fù)載均衡的可用路徑。如圖4所示的各節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)L不處于同一平面上，則從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)L的可用維序路徑有6條，它們是ABCFL，AGHIL，ADJKL，ABCIL，ADEFL和AGJKL，分別對應(yīng)6種維序排列XYZ，ZXY，YZX，XZY，YXZ和ZYX；節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)F處于同一平面但不處于同一維上，則從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)F的可用維序路徑有2條，它們是ABCF和ADEF，且這兩條路徑是完全不相交的(沒有共享邊)；節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C處于同一維上，則從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)C的可用維序路徑只有一條ABC。
具有相同5元組信息的報(bào)文被認(rèn)為是屬于同一個(gè)流的，是交換網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行保序的對象。本發(fā)明在3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入端口，對準(zhǔn)備進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文流根據(jù)其5元組信息進(jìn)行hash分類，以分類類別作為索引查找類別-維序表，確定一種維序排列，從而為該報(bào)文選定一條維序路徑，任意兩節(jié)點(diǎn)間的報(bào)文只要在5元組分類時(shí)屬于同一類，即會(huì)具有相同的路由維序信息，它們必定按照相同的路徑穿過交換網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)造成亂序，達(dá)到了保序的目的。由于報(bào)文進(jìn)行負(fù)載均衡的維序路徑最多有6條，所以hash分類的分類數(shù)最多為6類即可。本發(fā)明要在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入端口維護(hù)一個(gè)類別—維序表，該表為每一類報(bào)文對應(yīng)了一種維序排列。類別-維序表的表項(xiàng)個(gè)數(shù)等于分類數(shù)，最多為6。其每個(gè)表項(xiàng)的結(jié)構(gòu)如下，表項(xiàng)的三個(gè)域構(gòu)成X、Y、Z維的一種排列。

3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在作為報(bào)文路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)報(bào)文攜帶的路由維序信息以及目的節(jié)點(diǎn)地址對報(bào)文進(jìn)行路由。具體做法是按照報(bào)文攜帶的路由維序，將報(bào)文依次在各個(gè)維上向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，走完某一維上的路徑以后再處理下一維上的路徑；如果最后一維上的路徑已經(jīng)處理完，則說明到達(dá)了目的節(jié)點(diǎn)。
本發(fā)明中交換網(wǎng)絡(luò)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體實(shí)現(xiàn)邏輯框圖見圖5，輸入端口進(jìn)入的報(bào)文在FE(轉(zhuǎn)發(fā)引擎)模塊查找其目的節(jié)點(diǎn)的地址，然后進(jìn)行5元組的hash分類，再查找類別-維序表確定其路由路徑的維序，然后進(jìn)入路由部件；路由部件根據(jù)進(jìn)入報(bào)文攜帶的目的信息及路徑維序信息進(jìn)行分析，確定該報(bào)文的下一跳并從相應(yīng)端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。
源節(jié)點(diǎn)在輸入端口對進(jìn)入報(bào)文的處理過程(流程圖見附圖6)1、查找報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)地址。
2、對報(bào)文根據(jù)5元組進(jìn)行hash分類。
3、根據(jù)分類結(jié)果查找類別-維序表，為報(bào)文確定路由維序。
4、為報(bào)文附上路由標(biāo)簽，其中包括目的節(jié)點(diǎn)地址及路由維序。
5、交路由部件處理。
各節(jié)點(diǎn)的路由部件對輸入報(bào)文的處理過程(流程圖見附圖7)1、獲取報(bào)文路由標(biāo)簽信息，以下根據(jù)維序信息處理。
2、本節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)在第一維上的距離是否為0？是則轉(zhuǎn)第3步，否則按照相差的跳步數(shù)進(jìn)行路由，將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至第一維上的下一節(jié)點(diǎn)。
3、本節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)在第二維上的距離是否為0？是則轉(zhuǎn)第4步，否則按照相差的跳步數(shù)進(jìn)行路由，將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至第二維上的下一節(jié)點(diǎn)。
4、本節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)在第三維上的距離是否為0？是則轉(zhuǎn)第5步，否則按照相差的跳步數(shù)進(jìn)行路由，將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至第三維上的下一節(jié)點(diǎn)。
5、到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，將報(bào)文送至輸出端口。
從以上對本發(fā)明技術(shù)方案以及實(shí)施的論述可以看出本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、降低了報(bào)文多路徑路由的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。本發(fā)明選擇維序路徑作為負(fù)載均衡的可用路徑，限制了報(bào)文分流的路徑數(shù)目；報(bào)文路由時(shí)僅需攜帶維序信息和目的信息，簡化了報(bào)文在3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中的路由過程，易于硬件實(shí)現(xiàn)以獲得較高性能。
2、保持了較好的多路徑負(fù)載均衡能力。在3D-Torus網(wǎng)絡(luò)中，若兩節(jié)點(diǎn)之間的距離向量為(Δx，Δy，Δz)，則易知它們之間等長的最短路徑數(shù)為Δx+Δy+ΔzΔxΔy+ΔzΔy.]]>在本發(fā)明中，能夠利用的路徑數(shù)等于維序的不同排列數(shù)，與節(jié)點(diǎn)間的距離無關(guān)。
下表給出了不同規(guī)模的規(guī)則3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中(每維節(jié)點(diǎn)數(shù)4～8)，上述3種情況所占的比例。(其中k表示每維節(jié)點(diǎn)數(shù)，N表示總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù))


由表中數(shù)據(jù)可知，假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)注入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)分布均勻，則85％以上的報(bào)文可以在多條路徑上平衡負(fù)載，40％以上的報(bào)文可以在多達(dá)6條路徑上平衡負(fù)載。所以本發(fā)明在降低硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的同時(shí)仍然具有較好的負(fù)載均衡能力，可以避免系統(tǒng)中某條路徑上產(chǎn)生熱點(diǎn)，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，同時(shí)使系統(tǒng)具有更高的可用性，提高了網(wǎng)絡(luò)的效率。
3、以較低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)流中報(bào)文的保序功能。判斷報(bào)文是否屬于同一個(gè)流的依據(jù)是報(bào)文頭部的5元組信息，包括源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)和協(xié)議類型5個(gè)域，共104個(gè)二進(jìn)制位。在多路徑條件下，要保證報(bào)文順序，可以對每一個(gè)流進(jìn)行區(qū)分和控制，但這樣做顯然代價(jià)太大，也沒有必要。本發(fā)明中報(bào)文進(jìn)行負(fù)載均衡的路徑最多有6條，所以在報(bào)文輸入端只需對5元組信息進(jìn)行粗粒度的hash分類即可，分類數(shù)最多為6，這大大降低了輸入端hash分類的實(shí)現(xiàn)代價(jià)。同時(shí)從源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)對報(bào)文的路由處理可以看出，兩節(jié)點(diǎn)間屬于同一流的報(bào)文在5元組分類時(shí)屬于同一類，所以具有相同的路由維序，它們必定會(huì)按照完全相同的路徑穿過交換網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)造成亂序。所以本發(fā)明以簡便的方法、較低的代價(jià)即可保證同一流中的報(bào)文的順序。
權(quán)利要求
1.一種3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于該3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法包括如下步驟(1)、尋址對每一待進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文于源節(jié)點(diǎn)處查找目的節(jié)點(diǎn)的地址；(2)、hash分類對每一待進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文于源節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行基于5元組的hash分類，每一流的報(bào)文進(jìn)行5元組分類時(shí)屬于同一類；(3)、查找類別—維序表根據(jù)hash分類結(jié)果查找類別—維序表，確定維序路徑，保證屬于同一流的報(bào)文按照完全相同路徑經(jīng)過交換網(wǎng)絡(luò)；(4)、根據(jù)報(bào)文流目的地址和類別—維序表確定路由路徑a、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)處于同一維的情況，報(bào)文流可用路徑只有1條，所有報(bào)文流經(jīng)此路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；b、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)處于同一面的情況，報(bào)文流可用路徑有2條，經(jīng)hash分類后的報(bào)文流根據(jù)路由維序信息選擇該2條路徑之一到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；c、對源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)不在同一面的情況，報(bào)文流可用路徑有6條，經(jīng)hash分類后的報(bào)文流根據(jù)路由維序信息選擇該6條路徑之一到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)；(5)、各節(jié)點(diǎn)的路由部件根據(jù)步驟(4)確定的路徑對報(bào)文進(jìn)行路由根據(jù)報(bào)文攜帶的路由維序信息以及目的節(jié)點(diǎn)地址對報(bào)文進(jìn)行路由，將報(bào)文按照維序向目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，走完某一維上的路徑以后再處理下一維上的路徑，直到最后一維上的路徑處理完。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的在源節(jié)點(diǎn)輸入端對報(bào)文進(jìn)行基于5元組的hash分類，該5元組包括源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)和IP類型5個(gè)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的hash分類的分類數(shù)最多為6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的類別—維序表表項(xiàng)個(gè)數(shù)等于hash分類的分類數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的類別—維序表表項(xiàng)個(gè)數(shù)等于hash分類的分類數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的類別—維序表每個(gè)表項(xiàng)的三個(gè)域構(gòu)成X、Y、Z維的一種排列。
7.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，其特征在于所述的類別—維序表每個(gè)表項(xiàng)的三個(gè)域構(gòu)成X、Y、Z維的一種排列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中報(bào)文保序的多路徑路由方法，該方法利用3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)間存在多條等價(jià)路徑的特性，將進(jìn)入3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文流在多條路徑中進(jìn)行負(fù)載均衡，對需通過的報(bào)文進(jìn)行基于可用路徑數(shù)目的hash分類后，選擇節(jié)點(diǎn)間的嚴(yán)格維序的等價(jià)路徑作為負(fù)載均衡的可用路徑，保證屬于同一流的報(bào)文經(jīng)相同路徑通過3D Torus交換網(wǎng)絡(luò)，既完成了報(bào)文保序，節(jié)省了重新定位的開銷，降低了報(bào)文路由的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H04L12/56GK1719805SQ20051003187
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者孫志剛, 管劍波, 張曉明, 胡曉峰 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)