专利名称：一种多协议标签交换路由系统接口装置和转发方法
技术领域：
本发明涉及一种在使用多协议标签交换(MPLS)的路由系统中的数据缓存结构的优化方法，属于数据通讯领域。
背景技术：
MPLS源自IP overATM的需要。早期工作在网络层集中于IP协议，其核心技术同样适用于其它网络层协议。在链路层MPLS没有限制用于某一特定的链路层，但主要工作仍集中在ATM上。随着IP网的发展，尤其在吉位线速路由交换机上，希望由IP/SDH/OPTICS模式直接发展成为IP/OPTICS(DWDM)时，MPLS是必须应用和发展的技术。因为从IP到光的密集波分复用DWDM，从层次的概念看，中间有一链路层，即用于传输、交换和转发的一层。现有适用于IP分组在链路层传送的技术，只有同步传递模式STM的SDH，和异步传递模式ATM的信元两类。MPLS是同时适用于SDH和ATM并可适用于未来发展的任一特定的链路层制式的技术。MPLS还蕴含着支持网络管理、流量工程、QOS和COS等各项功能。IP必须通过MPLS(当然也可采用其它相应的方式)才能直接在OPTICS上传送的。
现有技术中的一种MPLS路由器的设计思想中的数据缓存的结构(参看2001年第一期的《数据通信》由华中科技大学高速宽带光通讯实验室的刘儿兀、曹明翠、陈春汉、李峰撰写的《多协议标签交换(MPLS)路由器的设计》一文)。MPLS路由器由接口线卡和交换模块组成，如图1所示。线卡1～n1包括物理层处理、Mac层处理、IP层处理(包括路由/转发引擎，SAR处理)。线卡接收输入形成ATM信元流，就通过交换单元输出到相应接口。如果是管理信息流，就通过交换单元输出给作为管理单元的线卡进行处理，再返回给相应接口线卡。
MPLS接口模块分为Phy Termination(物理层终端)、Routing/ForwardingEngine(路由/前向引擎)、AAL5/SAR处理(ATM业务试配类型5/拆分和重组处理)3大部分，如图2所示。Phy Termination完成Mac帧的提取。Routing/ForwardingEngine从Mac帧中提取IP头(考虑QOS时可能要加入TCP头)，该IP头或者是普通的IP头，或者是Labelled过的IP头。通过查找，对IP头更新(标签的Push，Pop，Swap，TTL更新，CRC生成)生成Labelled过的IP包。AAL5/SAR处理单元先把Labelled过的IP包用AAL5封装，再通过SAR处理形成53字节的ATM信元流。
Phy Termination由Ethernet Phy(以太网物理层)、MII/GMII(PCS/PMA/PMD)(介质独立接口/千兆介质独立接口(物理编码字层/物理介质访问/物理介质依赖))、Ethernet Mac(以太网介质访问控制设备组成)，它接收输入比特流，交给Routing/Forwarding Engine处理。
Routing/Forwarding Engine是MPLS路由器的核心，它又分为IP处理逻辑、IP头处理逻辑、CAM\RAM等3个模块。CAM(内容可寻址存储器)模块由两种CAM单元组成一种进行标签查找；另一种进行IP路由查找。RAM单元存放CAM匹配查找所对应的信息。如图3所示，IP处理逻辑的输入部分接收Mac帧，放入IP包输入缓冲区，并把IP头部分发送给IP头处理逻辑。如图4所示，IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息(如出口标签等)以及相应的控制信号(如标签的Swap，Pop，Push操作，IP头出错信号等)返回给IP处理逻辑进行IP头的更新操作。
IP包(普通IP包或Labelled过的IP包)通过IP处理逻辑，形成Labelled过的IP包，经过AAL5的封装，交给SAR单元处理。SAR根据IP头处理逻辑发来的标签，把接收到的AAL5封装后的IP包拆成53字节的ATM信元，送入接收FIFO用复用/解复用把多个接口的低速输入复用为一个高速输入，送入交换模块。在交换模块中排队，调度后被交换到相应的输出端口，进入接收FIFO。经过SAR打包，AAL5去封装，获得Labelled过的IP包，进入IP处理逻辑的输出部分；加上输出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，放入IP包输出缓冲，交由Mac层处理。
该方法的特点是使用MPLS(硬件实现)替代传统用软件实现的变长IP最长匹配查找，大大提高了包转发速率，使端口速率提高到Gbits/s。MPLS不仅能提高包转发速率，还能提供QOS支持和流量规划。
但是在该方法中对缓冲区的使用还有值得改进之处。在该项技术中对所有数据使用了两级缓冲区，一级在FPGA的IP处理逻辑中对IP包缓冲，另一级在硬件SAR中实现信元的缓冲。这种用法会减慢IP包的转发速率和浪费存储空间。
发明内容
本发明的目的是构造一种多协议标签交换路由系统的接口装置和转发方法，通过优化多协议标签交换(MPLS)路由系统中的数据缓存结构，以减少多协议标签交换(MPLS)路由系统中IP包的数据缓存的级数，加快IP包的转发速率，节省存储空间。
本发明所提出的一种多协议标签交换路由系统的接口装置，包括物理层终端、路由/前向引擎、AAL5/SAR处理，物理层终端完成Mac帧的提取；路由/前向引擎将物理层终端提取的Mac帧中提取IP头，通过查找，对IP头更新生成Labelled过的IP包；AAL5/SAR处理单元先把Labelled过的IP包用AAL5封装，再通过SAR处理形成53字节的ATM信元流；所述的路由/前向引擎包括CAM\RAM、分路器、IP头处理逻辑，CAM模块进行标签查找和IP路由查找，RAM单元存放CAM匹配查找所对应的信息；分路器的输入部分接收Mac帧，把IP包的负荷直接送到AAL5/SAR处理单元处理，IP头部分发送给IP头处理逻辑；IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息以及相应的控制信号，进行IP头的更新操作，然后将IP头交给AAL5/SAR处理单元。
本发明所提出的一种多协议标签交换路由系统的接口方法，在接收方向1、网络处理器接收MAC帧，把IP头部分发送给IP头处理逻辑。IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息(如出口标签等)以及相应的控制信号(如标签的Swap，Pop，Push操作，IP头出错信号等)，进行IP头的更新操作，然后将IP头交给SAR单元。
2、把IP包的PAYLOAD直接交给SAR单元处理，SAR把接收到的IP包PAYLOAD送入SAR的接收缓冲区。
3、SAR根据IP头处理的结果决定标签或者IP头是否有效，是否丢弃该包。
4、SAR将接收到的IP头和IP包PAYLOAD一起送入SAR的接收缓冲区，拆成53字节的ATM信元，用复用/解复用把多个接口的低速输入复用为一个高速输入，送入交换模块。
在发送方向1、信元在交换模块中排队，调度后被交换到相应的输出端口，经过SAR重组形成IP包后进入发送缓冲区。
2、把IP头部分发送给IP头处理逻辑。IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息(如出口标签等)以及相应的控制信号(如标签的Swap，Pop，Push操作，IP头出错信号等)，进行IP头的更新操作。
3、SAR根据IP头处理的结果决定标签或者IP头是否有效，是否丢弃该包。
4、网络处理器接收SAR发过来的IP包PAYLOAD，与处理过的IP头组合后加上输出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac层处理。
在路由系统中，采用本发明(一级缓冲结构)较采用原技术(二级缓冲结构)可以简化系统结构，大大提高包转发速率和节省存储器空间，从而提供更高的性能和更低的系统成本。
图1是MPLS路由系统框图；图2是现有技术二级缓冲技术MPLS路由系统/接口模块设计框图；图3是现有技术二级缓冲技术MPLS路由系统/接口模块中IP处理逻辑框图；图4是现有技术二级缓冲技术MPLS路由系统/接口模块中IP头处理逻辑框图；图5是本发明一级缓冲技术MPLS路由系统/接口模块设计框图。
具体实施例方式
当MPLS路由系统采用一级缓冲后，较之使用二级缓冲，IP包的处理过程得到了简化。
如图5所示，MPLS接口模块分为Phy Termination、Routing/ForwardingEngine、AAL5/SAR处理3大部分。Phy Termination完成Mac帧的提取。Routing/Forwarding Engine从Mac帧中提取IP头(考虑QOS时可能要加入TCP头)，该IP头或者是普通的IP头，或者是Labelled过的IP头。通过查找，对IP头更新(标签的Push，Pop，Swap，TTL更新，CRC生成)。AAL5/SAR处理单元先把Labelled过的IP包用AAL5封装，再通过SAR处理形成53字节的ATM信元流。
Phy Termination由Ethernet Phy、MII/GMII(PCS/PMA/PMD)、Ethernet Mac组成，它接收输入比特流，交给Routing/Forwarding Engine处理。
Routing/Forwarding Engine是MPLS路由器的核心，它又分为IP包分路、IP头处理逻辑、CAM\RAM等3个模块。CAM(内容可寻址存储器)模块由两种CAM单元组成一种进行标签查找；另一种进行IP路由查找。RAM单元存放CAM匹配查找所对应的信息。IP包分路的输入部分接收Mac帧，把IP包的负荷直接送到SAR处理；并把IP头部分发送给IP头处理逻辑。IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息(如出口标签等)以及相应的控制信号(如标签的Swap，Pop，Push操作，IP头出错信号等)进行IP头的更新操作和对SAR的控制。
IP头处理逻辑的标签判断/校验模块首先分析IP头数a.如IP头含有有效标签，那么提取该标签送入CAM模块，进行标签查找。
b.如IP头含无效标签，则生成控制信号，表示标签无效，通知SAR丢弃该包。
c.如IP包不含标签(即普通的未Labelled过的IP包)，那么进行传统的IP头有效性判别，如CRC校验。
d.当确认是有效的IP头，就取出目的IP地址送入IP CAM，进行第3层IP路由查找；否则就生成控制信号，通知SAR丢弃该包。
经过标签CAM或IP CAM的查找，CAM单元会发相应的查找结果给匹配逻辑a.如果匹配逻辑接收到不匹配信号，就把IP头装入一个ATM信元发给主CPU进行全局路由/标签表的查找。结果送回IP头处理逻辑，同时进行CAM/RAM的更新。
b.如果匹配逻辑接收到匹配信号(同时也接收到存放查找结果的RAM地址)，就把RAM中的匹配结果放入结果寄存器中，同时生成相应的控制信号，指示标签控制逻辑根据匹配结果对IP头进行相应操作(标签的Push、Swap、Pop)。
IP包(普通IP包或Labelled过的IP包)通过IP包分路，IP头交由IP头处理逻辑更新再存入SAR的缓冲区，IP包负荷存入SAR的缓冲区，形成Labelled过的IP包，经过AAL5的封装，交给SAR单元处理。SAR根据IP头处理逻辑发来的标签，把接收到的AAL5封装后的IP包拆成53字节的ATM信元，送入交换模块。在交换模块中排队，调度后被交换到相应的输出端口，进入接收FIFO。经过SAR打包，AAL5去封装，获得Labelled过的IP包，进入IP头处理逻辑部分；SAR根据IP头处理的结果决定标签或者IP头是否有效，是否丢弃该包。网络处理器接收SAR发过来的IP包PAYLOAD，与处理过的IP头组合后加上输出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac层处理。
权利要求
1.一种多协议标签交换路由系统的接口装置，包括物理层终端、路由/前向引擎、AAL5/SAR处理，物理层终端完成Mac帧的提取；路由/前向引擎将物理层终端提取的Mac帧中提取IP头，通过查找，对IP头更新生成Labelled过的IP包；AAL5/SAR处理单元先把Labelled过的IP包用AAL5封装，再通过SAR处理形成53字节的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头处理逻辑，CAM模块进行标签查找和IP路由查找，RAM单元存放CAM匹配查找所对应的信息；分路器的输入部分接收Mac帧，把IP包的负荷直接送到AAL5/SAR处理单元处理，IP头部分发送给IP头处理逻辑；IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息以及相应的控制信号，进行IP头的更新操作，然后将IP头交给AAL5/SAR处理单元。
2.根据权利要求1所述多协议标签交换路由系统接口装置的转发方法，其特征在于，在接收方向，包括以下步骤a.网络处理器接收MAC帧，把IP头部分发送给IP头处理逻辑，IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息以及相应的控制信号，进行IP头的更新操作，然后将IP头交给SAR单元；b.把IP包的PAYLOAD直接交给SAR单元处理，SAR把接收到的IP包PAYLOAD送入SAR的接收缓冲区；c.SAR根据IP头处理的结果决定标签或者IP头是否有效，是否丢弃该包；d.SAR将接收到的IP头和IP包PAYLOAD一起送入SAR的接收缓冲区，拆成53字节的ATM信元，用复用/解复用把多个接口的低速输入复用为一个高速输入，送入交换模块；在发送方向，包括以下步骤e.信元在交换模块中排队，调度后被交换到相应的输出端口，经过SAR重组形成IP包后进入发送缓冲区；f.把IP头部分发送给IP头处理逻辑，IP头处理逻辑查找CAM，根据CAM返回的匹配地址查找RAM，从而获得相应的头更新信息以及相应的控制信号，进行IP头的更新操作；g.SAR根据IP头处理的结果决定标签或者IP头是否有效，是否丢弃该包；h.网络处理器接收SAR发过来的IP包PAYLOAD，与处理过的IP头组合后加上输出本端口的Mac地址、CRC生成、TTL更新，交由Mac层处理。
3.根据权利要求2所述的多协议标签交换路由系统的转发方法，其特征在于，IP头处理逻辑对接收到的IP头数进行分析具体包括以下过程1)如IP头含有有效标签，那么提取该标签送入CAM模块，进行标签查找；2)如IP头含无效标签，则生成控制信号，表示标签无效，通知SAR丢弃该包；3)如IP包不含标签(即普通的未Labelled过的IP包)，那么进行传统的IP头有效性判别，如CRC校验；4)当确认是有效的IP头，就取出目的IP地址送入IP CAM，进行第3层IP路由查找；否则就生成控制信号，通知SAR丢弃该包。
全文摘要
本发明设计一种多协议标签交换路由系统接口装置和转发方法，接口装置包括物理层终端、路由/前向引擎、AAL5/SAR处理，其中的路由/前向引擎还包括CAM\RAM、分路器、IP头处理逻辑。本发明通过优化多协议标签交换路由系统中的数据缓存结构，以减少多协议标签交换路由系统中'包的数据缓存的级数，加快包的转发速率，节省存储空间，在路由系统中，可以简化系统结构，并提高系统的性能和降低系统成本。
文档编号H04L29/02GK1507228SQ0215515
公开日2004年6月23日 申请日期2002年12月10日 优先权日2002年12月10日
发明者翟红健, 胡海聿 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二研究所, 深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二