陳文龍，齊宏偉，徐明偉，徐 ?。?首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院 北京 海淀區(qū) 00048；.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 北京 海淀區(qū) 00084）

隧道傳輸系統(tǒng)中基于表項(xiàng)優(yōu)化的高效轉(zhuǎn)發(fā)模型

陳文龍1，齊宏偉1，徐明偉2，徐 恪2
（1.首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院 北京 海淀區(qū) 100048；2.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 北京 海淀區(qū) 100084）

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，隧道報(bào)文在路由器數(shù)據(jù)層的處理涉及多次不同表項(xiàng)查找，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延和表項(xiàng)存儲(chǔ)容量都面臨著極大的挑戰(zhàn)。該文主要研究隧道報(bào)文處理的核心功能及各項(xiàng)功能步驟間的關(guān)聯(lián)，提出了表項(xiàng)聚合和表項(xiàng)拆分理論，并分析了二者的效用、代價(jià)及適用場(chǎng)景。并設(shè)計(jì)了基于表項(xiàng)優(yōu)化的隧道設(shè)備高效轉(zhuǎn)發(fā)模型，針對(duì)4over6過渡網(wǎng)關(guān)給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和分析證明了隧道網(wǎng)絡(luò)表項(xiàng)優(yōu)化機(jī)制和理論的正確性、高效性。表項(xiàng)優(yōu)化研究也為其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各類表項(xiàng)處理優(yōu)化提供了重要參考。

表項(xiàng)聚合；轉(zhuǎn)發(fā)；表項(xiàng)拆分；隧道傳輸

隧道傳輸技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)各種新型數(shù)據(jù)傳輸模型中。例如，面向下一代互聯(lián)網(wǎng)的IPv4/IPv6過渡方案4over6［1-2］、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN［3］都是隧道傳輸技術(shù)的重要應(yīng)用。

IETF工作組提出的4over6方案中，源端系統(tǒng)發(fā)出的IPv4報(bào)文經(jīng)所屬邊緣網(wǎng)絡(luò)的隧道網(wǎng)關(guān)（Tunnel Gateway，GWT）實(shí)施封裝，封裝報(bào)文經(jīng)IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至目的端所屬邊緣網(wǎng)絡(luò)的GWT，解封裝得到原始的IPv4載荷報(bào)文，并根據(jù)載荷的目的地址發(fā)送至目的端。其中，報(bào)文封裝轉(zhuǎn)發(fā)過程是關(guān)鍵步驟，GWT涉及轉(zhuǎn)發(fā)表和封裝映射表的查詢。VPN［4］技術(shù)是在公共的互聯(lián)網(wǎng)中建立起端對(duì)端的專用隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)。VPN技術(shù)基于報(bào)文的隧道封裝/解封裝，為用戶提供“專有的”傳輸通道。VPN設(shè)備或軟件模塊要多次查詢轉(zhuǎn)發(fā)表和封裝表。

目前，隧道網(wǎng)絡(luò)存在的共性問題是隧道網(wǎng)關(guān)涉及多個(gè)表項(xiàng)的查找，使得報(bào)文線速轉(zhuǎn)發(fā)更為困難，并且存在冗余存儲(chǔ)現(xiàn)象，這些問題制約了隧道技術(shù)的發(fā)展。更值得關(guān)注的是，IPv4/IPv6隧道實(shí)施中IPv6［5］的128Bytes地址結(jié)構(gòu)，會(huì)加劇此類問題。4over6隧道過渡技術(shù)已在下一代互聯(lián)網(wǎng)CERNET2中廣泛部署，使得該問題的解決更加迫切。

本文通過分析典型隧道傳輸過程，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案存在的存儲(chǔ)冗余、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)速度受限的共性問題，提出表項(xiàng)聚合和拆分理論，設(shè)計(jì)了隧道網(wǎng)絡(luò)的表項(xiàng)優(yōu)化模型，包括表項(xiàng)存儲(chǔ)及隧道轉(zhuǎn)發(fā)步驟的優(yōu)化。該模型只需對(duì)隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)中的隧道網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，同現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)保持了最大兼容。

1 隧道傳輸分析

通常，隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)都具有基本共性：由隧道網(wǎng)關(guān)連接2個(gè)不同地址空間的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，隧道網(wǎng)關(guān)對(duì)跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行封裝/解封裝及轉(zhuǎn)發(fā)。需要說明，有時(shí)隧道網(wǎng)關(guān)功能也集成在端系統(tǒng)中。隧道傳輸過程總是涉及多次表項(xiàng)查找，如映射信息查找、轉(zhuǎn)發(fā)表查找、下一跳MAC地址查找等。

圖1 隧道傳輸基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隧道傳輸基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［6］如圖1所示，隧道Tunnel是封裝數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃贿吘壘W(wǎng)絡(luò)（local net，Lnet）傳輸非封裝報(bào)文；隧道網(wǎng)關(guān)GWT是聯(lián)接Tunnel和Lnet的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

隧道網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的流程包括：

1）源端發(fā)送的報(bào)文經(jīng)邊緣網(wǎng)到達(dá)源端隧道網(wǎng)關(guān)GWT_S；

2）GWT_S根據(jù)收到報(bào)文的邊緣網(wǎng)Lnet1目的標(biāo)識(shí)查詢隧道映射表，得到對(duì)應(yīng)的隧道封裝標(biāo)識(shí)，實(shí)施報(bào)文封裝；

3）根據(jù)封裝的目的標(biāo)識(shí)，查詢轉(zhuǎn)發(fā)表并發(fā)送封裝報(bào)文至目的隧道網(wǎng)關(guān)GWT_D；

4）GWT_D解封裝取得載荷，并根據(jù)載荷報(bào)文的目的標(biāo)識(shí)查詢邊緣網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)表，最終送達(dá)目的端。

考慮到普通轉(zhuǎn)發(fā)處理功能的兼容，對(duì)未匹配到隧道轉(zhuǎn)發(fā)信息的報(bào)文，將查詢Lnet1的常規(guī)路由表，按常規(guī)方法轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。

綜上分析，當(dāng)前隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的問題聚集在隧道網(wǎng)關(guān)中：1）隧道網(wǎng)關(guān)涉及到多個(gè)表項(xiàng)查找，逐級(jí)查表無疑會(huì)消耗設(shè)備更多運(yùn)算資源，對(duì)采用硬件轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，成本必會(huì)上升，設(shè)計(jì)復(fù)雜度也難以估量；2）各個(gè)表項(xiàng)之間并不孤立，而是相關(guān)聯(lián)的，處理不當(dāng)必會(huì)造成表項(xiàng)信息存儲(chǔ)冗余，浪費(fèi)存儲(chǔ)資源；3）表項(xiàng)內(nèi)參數(shù)重復(fù)設(shè)置，造成冗余存儲(chǔ)，IPv6等較長標(biāo)識(shí)參數(shù)的出現(xiàn)會(huì)使問題更加突出。

所以，隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化模型將聚焦在隧道網(wǎng)關(guān)，其面臨兩個(gè)主要問題：1）優(yōu)化表項(xiàng)設(shè)計(jì)，加快隧道網(wǎng)關(guān)查表速度，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度；2）在保持對(duì)現(xiàn)存隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)體系兼容的前提下盡可能降低隧道網(wǎng)關(guān)各類表項(xiàng)的冗余存儲(chǔ)。

2 表項(xiàng)聚合與拆分

不失一般性，將數(shù)據(jù)層表項(xiàng)涉及的參數(shù)分為兩類：輸入?yún)?shù)SI和輸出參數(shù)SO。規(guī)定由輸入和輸出參數(shù)構(gòu)成的集合分別為輸入?yún)?shù)集PI和輸出參數(shù)集PO。

表項(xiàng)查詢過程可視為輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)間的映射：表項(xiàng)的輸入?yún)?shù)SI映射得到輸出參數(shù)SO，形式化表示為：

輸入?yún)?shù)SI是查表前已獲得的一些報(bào)文信息或狀態(tài)信息，如報(bào)文目的地址、報(bào)文長度等。輸出參數(shù)SO是報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理所需的控制信息，如報(bào)文封裝標(biāo)識(shí)、出接口、下一跳Next-hop、MAC地址等。由數(shù)據(jù)層表項(xiàng)構(gòu)成的集合稱作映射表。

定義1 表項(xiàng)聚合。將轉(zhuǎn)發(fā)處理中多個(gè)相關(guān)聯(lián)的映射表項(xiàng)按預(yù)定規(guī)則合并，合并后的映射表能夠描述原有多個(gè)映射表所包含的信息，定義該過程為表項(xiàng)聚合。表項(xiàng)聚合包含兩種基本類型，Ⅰ型為：

Ⅱ型為：

兩種類型的表項(xiàng)聚合示例如圖2所示。

圖2 兩種類型的表項(xiàng)聚合示例

Ⅰ型表項(xiàng)聚合利用的是表項(xiàng)參數(shù)間的遞推關(guān)系，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)表項(xiàng)的合并。它可應(yīng)用于合并過渡網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)發(fā)表和隧道映射表。Ⅱ型表項(xiàng)聚合針對(duì)具有相同輸入?yún)?shù)的多個(gè)映射表項(xiàng)，可去除表項(xiàng)輸入?yún)?shù)的重復(fù)冗余。

表項(xiàng)聚合在路由設(shè)備中應(yīng)用廣泛。例如，在常規(guī)路由系統(tǒng)中，根據(jù)目的地址和子網(wǎng)掩碼分別映射成下一跳地址和出接口，這是兩條映射。但在許多情況下，往往將這兩個(gè)映射合并成一個(gè)映射，這是表項(xiàng)匯聚的一個(gè)典型例子。對(duì)映射表實(shí)施一定力度的聚合可以優(yōu)化設(shè)備性能：1）特定條件下，能減少映射表數(shù)量；2）表項(xiàng)聚合能壓縮表項(xiàng)數(shù)量。在現(xiàn)有典型數(shù)據(jù)層處理環(huán)境中頗有意義，如基于TCAM［7］的硬件轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)。

定義2 表項(xiàng)拆分。將包含多個(gè)輸入、輸出參數(shù)的映射表用多個(gè)映射表等價(jià)替換，且使替換前后包含的總映射信息不變，定義該過程為表項(xiàng)拆分。表項(xiàng)拆分后將引入索引參數(shù)Sindex，其長度決定于SO中元素個(gè)數(shù)，通常要求Sindex必須能索引全部的SO。拆分關(guān)系描述為：

表項(xiàng)可進(jìn)行多次拆分，為便于說明給出表項(xiàng)拆分為兩項(xiàng)的例子。表項(xiàng)拆分示例如圖3所示。

圖3 表項(xiàng)拆分示例

表面上看，表項(xiàng)拆分會(huì)造成表項(xiàng)數(shù)量增長。然而，當(dāng)參數(shù)b長度較大且取值范圍較小時(shí)，參數(shù)b會(huì)大量冗余存儲(chǔ)，通過表項(xiàng)拆分可以降低系統(tǒng)中表的總體存儲(chǔ)開銷。在基于通用CPU實(shí)施軟轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，還可減少內(nèi)存查找時(shí)間，提高轉(zhuǎn)發(fā)速度。

表項(xiàng)聚合、拆分的類型有很多種，本文只關(guān)注與隧道網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)的類型。表項(xiàng)聚合和拆分需配合使用才能達(dá)到轉(zhuǎn)發(fā)處理及表項(xiàng)的最大優(yōu)化。

3 面向4over6隧道網(wǎng)關(guān)的表項(xiàng)優(yōu)化

4over6［8-9］隧道網(wǎng)絡(luò)是向IPv4/IPv6過渡的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。以4over6為例，設(shè)計(jì)隧道網(wǎng)關(guān)基于表項(xiàng)優(yōu)化的高效轉(zhuǎn)發(fā)模型，該隧道網(wǎng)關(guān)設(shè)備也稱為“過渡網(wǎng)關(guān)”。4over6隧道網(wǎng)絡(luò)具有圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中過渡網(wǎng)關(guān)是4over6網(wǎng)絡(luò)的核心。優(yōu)化的4over6過渡網(wǎng)關(guān)模型如圖4所示。優(yōu)化機(jī)制只在隧道網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)層實(shí)施，不涉及路由協(xié)議、路由管理等控制層功能模塊［10］。

IPv4/IPv6過渡網(wǎng)關(guān)中，數(shù)據(jù)處理表項(xiàng)有兩類：1）常規(guī)IPv4/IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表；2）隧道傳輸所需的IPv4/IPv6地址的映射表，稱其為隧道映射表。

傳統(tǒng)隧道網(wǎng)關(guān)的IPv4/IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表和隧道封裝表如圖4所描述。表項(xiàng)優(yōu)化模型為：

1）聚合IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表與隧道映射表。聚合表項(xiàng)中冗余參數(shù){IPv4_Dst，mask4，next-hop，interface}，其余參數(shù)保留，產(chǎn)生臨時(shí)性的轉(zhuǎn)發(fā)表Table1。

圖4 優(yōu)化的4over6過渡網(wǎng)關(guān)模型

2）拆分Table1。去除Table1表項(xiàng)中參數(shù){next-hop，interface}，增加參數(shù){Index}，形成IPv4一體化轉(zhuǎn)發(fā)表IPv4*。用參數(shù){Index}、{next-hop，interface}建立Index表＜Index，next-hop，interface＞。

3）拆分IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表。去除IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表中參數(shù){next-hop，interface}，增加參數(shù){Index}，生成IPv6一體化轉(zhuǎn)發(fā)表IPv6*，類似步驟2），建立Index表。

通過設(shè)置標(biāo)志位的方式，IPv4/IPv6索引表可以復(fù)用。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參數(shù){Index}的長度設(shè)計(jì)為16bit，并設(shè)計(jì)其最高位為IPv4/IPv6標(biāo)志位，Index16為0時(shí)，表示后面15位索引IPv4的Next-hop、Interface；Index16為1時(shí)，表明其后索引IPv6出口信息。15bit長度的{Index}參數(shù)能索引Next-hop、出接口Interface的數(shù)量共215個(gè)，足以滿足常規(guī)使用。{Index}的長度也可由設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)置。

在數(shù)據(jù)層面，過渡網(wǎng)關(guān)的原始處理流程：

GWT先根據(jù)協(xié)議類型號(hào)判斷收到報(bào)文的協(xié)議類型。

1）收到IPv4報(bào)文

①查詢IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表。匹配到表項(xiàng)＜IPv4_Dst，mask4，next-hop，interface＞，IPv4轉(zhuǎn)發(fā)引擎根據(jù)查找結(jié)果進(jìn)行傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)處理。

②未查到IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表表項(xiàng)，繼續(xù)查詢隧道映射表。查到映射表項(xiàng)：＜IPv4_Dst，mask4，IPv6_T_Dst，next-hop，interface＞，表明目的主機(jī)可能位于隧道對(duì)端，需要封裝轉(zhuǎn)發(fā)。封裝模塊以{IPv6_T_Dst}為目的地址封裝原報(bào)文，并繼續(xù)查詢IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表并以轉(zhuǎn)發(fā)封裝后報(bào)文。查詢IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表與隧道映射表的先后順序可調(diào)換，不影響轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)果。

2）收到IPv6報(bào)文

查詢IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表，若沒有匹配項(xiàng)，則丟棄報(bào)文；若有匹配項(xiàng)，分3種情況：

①普通轉(zhuǎn)發(fā)處理，根據(jù)匹配表項(xiàng)＜IPv6_Dst，mask6，next-hop，interface＞，轉(zhuǎn)發(fā)IPv6報(bào)文。

②若是普通本機(jī)接收?qǐng)?bào)文，即沒有4over6封裝，則提交上層協(xié)議處理。

③若是本機(jī)接收?qǐng)?bào)文且為4over6封裝，表明報(bào)文經(jīng)隧道封裝傳輸而來，要先用解封裝模塊取出載荷，最后查詢IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表轉(zhuǎn)發(fā)原始報(bào)文。

圖5 原始隧道處理流程

綜上所述，過渡網(wǎng)關(guān)最壞情況下需查詢3次不同的數(shù)據(jù)表。各表項(xiàng)存儲(chǔ)著冗余參數(shù)，嚴(yán)重制約了轉(zhuǎn)發(fā)性能。原始隧道處理流程如圖5所示。

實(shí)行隧道網(wǎng)關(guān)表項(xiàng)優(yōu)化后能極大簡(jiǎn)化查表流程，表項(xiàng)有較大變化，圖4中列出了優(yōu)化后的表項(xiàng)。過渡網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化處理流程分為兩步：

1）收到IPv4報(bào)文

查詢IPv4一體化轉(zhuǎn)發(fā)表，查到＜IPv4_Dst，mask4，IPv6_T_Dst，Index＞，若參數(shù){IPv6_T_Dst}為空（null），按常規(guī)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文；若{IPv6_T_Dst}非空，說明要進(jìn)行隧道封裝，該地址為隧道目的地址。再用Index的下一跳地址{next-hop}、出接口{interface}信息發(fā)送封裝報(bào)文。

2）收到IPv6報(bào)文

若滿足報(bào)文協(xié)議類型是4over6隧道報(bào)文，且目的地址為自身地址，進(jìn)行報(bào)文解封裝，取出載荷后轉(zhuǎn)發(fā)載荷。其余不滿足條件的IPv6報(bào)文查詢IPv6一體化轉(zhuǎn)發(fā)表，并用Index索引的{next-hop}、出接口{interface}信息轉(zhuǎn)發(fā)。

本文優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用能為標(biāo)識(shí)映射隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來如下性能變化：

1）過渡網(wǎng)關(guān)隧道封裝信息表、IP轉(zhuǎn)發(fā)表等表項(xiàng)都集成為1個(gè)映射表，節(jié)省了內(nèi)存開銷；

2）表項(xiàng)聚合使得只需1次查表，大大提高了轉(zhuǎn)發(fā)速度，使跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的線速轉(zhuǎn)發(fā)成為可能；

3）一體化的轉(zhuǎn)發(fā)表設(shè)計(jì)方法更利于表項(xiàng)維護(hù)，維護(hù)開銷更小。

4 性能分析

針對(duì)內(nèi)存消耗、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延等指標(biāo)分析過渡網(wǎng)關(guān)優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)模型的性能。為方便敘述，符號(hào)定義如表1所示。

表1 符號(hào)定義

優(yōu)化前隧道網(wǎng)關(guān)中存在3個(gè)表（IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表、隧道映射表、IPv6轉(zhuǎn)發(fā)表），3個(gè)表所占存儲(chǔ)為：

優(yōu)化后一體化轉(zhuǎn)發(fā)表內(nèi)表項(xiàng)的數(shù)量滿足：

其存儲(chǔ)量為：

優(yōu)化前/后轉(zhuǎn)發(fā)表存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)如表2所示，得出聚合前后存儲(chǔ)消耗的變化Δmem：

一般認(rèn)為，隧道網(wǎng)關(guān)的表項(xiàng)長短對(duì)查表速度的影響較小，可近似認(rèn)為設(shè)備的表項(xiàng)長短和轉(zhuǎn)發(fā)速度無關(guān)。在此前提下，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延取決于查表次數(shù)。隧道網(wǎng)關(guān)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)過程涉及多個(gè)表。具體到IPv4/IPv6過渡網(wǎng)關(guān)中，隧道轉(zhuǎn)發(fā)一般要依次查：IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表→隧道映射表，共查表2次；而經(jīng)優(yōu)化后，僅需查1次一體化轉(zhuǎn)發(fā)表即可獲取全部路徑信息，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延縮短。轉(zhuǎn)發(fā)非封裝報(bào)文都查表1次，優(yōu)化前后查表次數(shù)不變，在表項(xiàng)長度差異對(duì)查表速度影響忽略不計(jì)的情況下，優(yōu)化前后轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延近似相等。

表2 優(yōu)化前/后轉(zhuǎn)發(fā)表存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)

表項(xiàng)拆分后表的總數(shù)量要增多，原需查詢一個(gè)一體化轉(zhuǎn)發(fā)表，現(xiàn)要多查詢一個(gè)索引表。拆分會(huì)導(dǎo)致查表次數(shù)增加，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延增加，但能降低存儲(chǔ)冗余。

轉(zhuǎn)發(fā)表聚合會(huì)增加表項(xiàng)長度，但能加快數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)速度，簡(jiǎn)化維護(hù)表項(xiàng)參數(shù)，適合基于硬件TCAM轉(zhuǎn)發(fā)的隧道網(wǎng)關(guān)設(shè)備。轉(zhuǎn)發(fā)表拆分能降低表項(xiàng)參數(shù)存儲(chǔ)冗余，這是以部分轉(zhuǎn)發(fā)速度為代價(jià)換取的，在對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)速度要求不高的情況下，實(shí)施轉(zhuǎn)發(fā)表拆分能大幅減少內(nèi)存消耗，降低成本。

綜上分析，優(yōu)化措施方法的選擇取決于設(shè)計(jì)目的。聚合與拆分互不排斥，二者可在不同時(shí)間段使用，當(dāng)隧道網(wǎng)關(guān)存在多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表時(shí)，可選擇性的實(shí)施聚合與拆分。實(shí)際應(yīng)用中，聚合和拆分往往是分不開的。

隧道網(wǎng)關(guān)是否實(shí)施優(yōu)化取決于所處網(wǎng)絡(luò)的流量分布情況。當(dāng)部分表項(xiàng)的命中率很高時(shí)，表明報(bào)文路徑集中度很高，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化；反之，不宜進(jìn)行聚合，因?yàn)榇鎯?chǔ)增加的代價(jià)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)發(fā)速度的提升帶來的優(yōu)勢(shì)。轉(zhuǎn)發(fā)表的拆分也類似。

5 實(shí)驗(yàn)分析

基于隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的表項(xiàng)優(yōu)化工作是實(shí)現(xiàn)一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)尋徑的一部分。一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)目的是為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，本文所做工作是對(duì)該體系中的過渡網(wǎng)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化。原型系統(tǒng)構(gòu)建在面向過渡的IPv4/IPv6路由器上。在此原型系統(tǒng)上，測(cè)試優(yōu)化隧道網(wǎng)關(guān)的性能。

實(shí)驗(yàn)基于Bit-Engine Netwire4600系列設(shè)備，按照前面描述的4over6隧道優(yōu)化模型設(shè)計(jì)了原型系統(tǒng)，在此平臺(tái)上可以完成轉(zhuǎn)發(fā)涉及的轉(zhuǎn)發(fā)表、隧道映射表的聚合、拆分實(shí)驗(yàn)。性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖如圖6所示，將IXIA網(wǎng)絡(luò)測(cè)試儀的兩個(gè)1 000Mb/s接口連接至過渡網(wǎng)關(guān)的兩個(gè)1 000Mb/s接口，測(cè)試IPv4報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)（緣網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)）4over6隧道轉(zhuǎn)發(fā)性能。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同長度報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)能力?？紤]到4over6需為IPv4報(bào)文加40 Bytes的IPv6頭部，取報(bào)文長度范圍64～1 478 Byte。

圖7 隧道網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)帶寬測(cè)試結(jié)果

隧道網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)帶寬的測(cè)試結(jié)果如圖7所示，在模擬邊緣網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的測(cè)試中，64Byte報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)帶寬在900Mb/s左右，報(bào)文長度在200Byte后近乎實(shí)現(xiàn)了千兆網(wǎng)絡(luò)的線速轉(zhuǎn)發(fā)；在4over6隧道封裝轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試中，64Byte報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)帶寬為520Mb/s，當(dāng)報(bào)文長度達(dá)到700Byte后轉(zhuǎn)發(fā)帶寬可以穩(wěn)定在900Mb/s，報(bào)文長度增加后封裝處理效率會(huì)明顯提升。4over6隧道轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，過渡網(wǎng)關(guān)會(huì)在報(bào)文前封裝40Byte的IPv6頭部，但與之相連的IXIA測(cè)試儀的報(bào)文注入接口統(tǒng)計(jì)的是IPv4流量，因此能夠認(rèn)為4over6隧道轉(zhuǎn)發(fā)也達(dá)到了線速轉(zhuǎn)發(fā)。

隧道網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的測(cè)試結(jié)果如圖8所示，在邊緣網(wǎng)模擬中，報(bào)文長度在512Byte以下時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延基本保持在40μs左右，從512Byte開始報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延呈線性增加；在4over6隧道封裝轉(zhuǎn)發(fā)測(cè)試中，報(bào)文小于512Byte時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延在40μs左右，由于隨著報(bào)文長度增轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間會(huì)顯著增加，當(dāng)報(bào)文長度到達(dá)512Bytes后轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延開始以線性規(guī)律增加，這是由于報(bào)文增長后報(bào)文的收發(fā)處理時(shí)間也相應(yīng)增加。對(duì)不同大小的報(bào)文分別進(jìn)行IPv4轉(zhuǎn)發(fā)和4over6隧道轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延近乎相等，可見進(jìn)行隧道封裝的IPv6頭部對(duì)整體轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延影響較小。

圖8 隧道網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的測(cè)試結(jié)果

綜合分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明本文提出的基于表項(xiàng)優(yōu)化的隧道傳輸系統(tǒng)模型能優(yōu)化存儲(chǔ)并線速轉(zhuǎn)發(fā)，且實(shí)現(xiàn)方法較簡(jiǎn)單，同現(xiàn)有隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)友好兼容，是一種有效的優(yōu)化方法。

6 結(jié)論

本文在歸納分析當(dāng)前隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)所存的共性問題后，提出了表項(xiàng)聚合和表項(xiàng)拆分理論，設(shè)計(jì)了基于表項(xiàng)優(yōu)化的高效隧道轉(zhuǎn)發(fā)模型。并結(jié)合4over6隧道網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了該優(yōu)化機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法。該優(yōu)化機(jī)制在小幅度修改現(xiàn)有路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)表的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了性能的最大優(yōu)化，保證了同現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用的兼容性，實(shí)現(xiàn)方法也較為簡(jiǎn)單。本文工作的優(yōu)化方法也可用于其他網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理。設(shè)計(jì)者可以結(jié)合實(shí)際需求規(guī)劃各種表項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)選擇性優(yōu)化。最后，原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提理論的有效性并評(píng)估了模型的性能。

本文研究得到清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)研究所的大力支持，在此表示感謝。

［1］CUI Yong，WU Peng，XU Ming-wei，et al.4over6：Network layer virtualization for IPv4/IPv6 coexistence［J］.IEEE Network，2012，26（5）：44-48.

［2］WU Jian-ping，CUI Yong，LI Xing，et al.4over6 transit solution using IP encapsulation and MP-BGP extensions［EB/OL］.［2014-12-07］.http://www.faqs.org/rfcs/rfc5747.html

［3］M BATENI，A GERBER，M HAJIAGHAYI et al.Multi-VPN optimization for scalable routing via relaying［C］//28th IEEE International Conference on Computer Communications.Brazil：IEEE，2009.

［4］CONTA A，DEERING S.Generic packet tunneling in IPv6 specification［EB/OL］.［2014-12-07］.http://www.faqs.org/rfcs/rfc2473.html

［5］DEERING S，HINDEN R.Internet protocol，version 6（IPv6）specification［EB/OL］.［2014-12-07］.http://www.faqs.org/rfcs/rfc2460.html.

［6］吳建平，李星，崔勇等.4over6：基于非顯示隧道的IPv4跨越IPv6互聯(lián)機(jī)制［J］.電子學(xué)報(bào)，2006，34（3）：455-458.

WU Jian-ping，LI Xing，CUI Yong，et al.4over6：IPv4 network interconnection over IPv6 backbone without explicit tunneling［J］.Chinese Journal of Electronics，2006，34（3）：454-458.

［7］任旭明.IPv4/IPv6路由器低功耗TCAM查表算法研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2013.

REN Xu-ming.Power-efficient tcam for IPv4/IPv6 routing tables［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2013.

［8］CUI Yong，WU Jian-ping，WU Peng，et al.Public IPv4-over-IPv6 access network［EB/OL］.［2014-11-11］.http://www.faqs.org/rfcs/rfc7040.html.

［9］CUI Yong，WU Peng，XU Ming-wei，et al.4over6：Network layer virtualization for IPv4-IPv6 coexistence［J］.IEEE Network Magazine，2012，26（5）：44-48.

［10］陳文龍，徐明偉.面向地址空間分離網(wǎng)絡(luò)的地址映射模型：AMIA［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012，35（1）：2-9.

CHEN Wen-long，XU Ming-wei.AMIA：Address mapping model facing the network with separated address space［J］.Chinese Journal of Computers，2012，35（1）：2-9.

編輯 葉 芳

An Effective Forwarding Model for Tunneling Transmission System Based on Table Optimization

CHEN Wen-long1，QI Hong-wei1，XU Ming-wei2，and XU Ke2
（1.Information Engineering College，Capital Normal University Haidian Beijing 100048；2.Department of Computer Science and Technology，Tsinghua University Haidian Beijing 100084）

The property that multi-lookup forwarding tables on data layer poses a demanding challenge to forwarding time-delay and device storage consumption in heterogeneous network system.To deal with the problem，this paper proposes a theory of aggregation and split model based on forwarding table by analyzing the kernel functional modules and relations inner the tables.The application scenarios of the theory are studied and the model is applied to 4over6 transition gateway to transition from IPv4 to IPv6.The prototype system test results verify that the optimization model using aggregation and split is more effective than that non-use.The proposed model could be a reference to other related researches.

aggression；split；table optimized；tunneling

TP393

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2015.05.016

2014-12-22；

2015-07-01

國家自然科學(xué)基金（61373161，61272446，61300171）；北京市教委科技計(jì)劃（KM201410028015）

陳文龍（1976-），男，博士，副教授，主要從事網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的研究.