众核网络处理器下高速包转发系统设计与实现

互联网的快速发展要求网络设备能够支持每秒几百万以上分组的转发能力,实现这一功能的关键是路由表的组织结构、快速的路由查找算法和高性能的硬件平台支持。设计并实现基于众核网络处理器的高速IP包转发系统,使用Tile-Gx36众核网络处理器作为硬件平台,采用基于Hash的前缀长度和多分支Trie树的路由查找算法,借鉴基于Hash的前缀长度路由表查找算法在存储和检索上的优势,并结合基于多分支Trie树路由表查找算法的查询效率,将路由表存储于L2层缓存中,进一步提高了路由表的访问速度和查询命中率。实验结果表明,对于不同大小负载的数据包系统均能满足40 Gbps的转发速度。     

基于Hash和CAM的IPv6路由查找算法

分析实际网络中的IPv6前缀分布规律与增长趋势,提出一种基于Hash和内容可寻址存储器(CAM)的IPv6路由查找算法。将长度能被8整除的前缀存储在8个Hash表中,发生Hash冲突的前缀存储在CAM中,长度不能被8整除的前缀按照一定的组织方式存储在随机存取存储器中。分析结果表明,该算法具有较高的存储利用率、查找速率及更新速率,并且易于扩展和硬件实现。     

基于二分搜索Trie的IPv4/IPv6路由快速查找算法

提出了一种独特的基于前缀长度二分搜索Trie的IP路由查找算法,融合了基于前缀长度的二分查找算法和基于Trie的查找算法的优点,采用部分IP地址作为索引,避免了使用Hash函数,提高了路由查找速度和表项更新速度;支持路由表的动态更新;算法扩展性好,可满足IPV4和IPV6两种协议栈的OC-48(25Gbps)、OC-192(10Gbps)接口的线速路由查找。     

TCAM路由更新的硬件优化

现代核心路由器对查找速率、表项更新速度、查找表容量等提出越来越高的要求。目前工业厂商大多采用基于TCAM(三态内容关联存储器)的解决方案。TCAM最大特点是查找速度快,但其更新算法会浪费很大的存储空间。针对这个问题该文提出一种利用FPGA提供硬件支持的路由更新方法,增加新表项时,只需对新增表项进行一次预处理,转发表无需按前缀长度排序,消除了预留空闲表项造成的存储空间浪费。     

基于分段地址结构的快速路由查找算法

根据IPV6地址结构和骨干路由表特点,分析了原有路由查找算法,基于IPV6的掩码长度和分段地址,采用Hash表和多分支Trie树结构,提出了一种快速的IPV6路由查找算法。根据分段地址和掩码将最常用到的路由前缀按前缀长度设置Hash表,并将前缀值有序存放在表结点中。不仅可以进行前缀长度的二分查找,同时又是其它前缀匹配的索引。对于其他的前缀匹配问题,根据Hash表中的索引到相应的多分支Trie树完成最长前缀匹配。实践证明该算法具有较好的时空效率,可以较好地提高路由查找速度。     

基于网络处理器的防火墙优化设计与研究

提出了基于网络处理器的状态检测型防火墙设计方案，并针对IXP2400的硬件结构，对访问控制列表和状态会话表的存储结构及表项查找等关键技术进行了优化，发挥了IXP2400内部各硬件单元的优点，系统达到线速处理的能力，使其性能得到了较大的提交。     

使用Hash表和树位图的两级IPv6地址查找算法

为了提高IPv6地址查找效率,在分析IPv6路由前缀长度分布规律的基础上,提出了基于哈希表及树位图(Tree-bitmap)的两级IPv6地址查找算法.算法将长度为16,32,48和64比特的前缀分别存储在4个Hash表中,其余前缀的前16,32和48比特利用已有的Hash表存储,剩余的不足16比特的部分前缀利用树位图存储,并将树位图的入口地址保存在Hash表中.IP地址查找时在Hash表和树位图中进行两级查找.实验表明,该查找算法的平均内存访问次数为1～2,最坏情况下为7,适用于高速IPv6地址查找.     

基于混沌查找表的单向Hash函数构造算法

提出一种基于混沌查找表的单向Hash函数构造算法。该算法通过控制符更新的混沌查找表将明文信息映射为查找表中的数据,置换出相应的信息后按照一定的规则提取长度为128 bit的Hash值。理论分析和仿真结果证明,该算法具有较好的单向性、混乱与扩散性以及抗碰撞性,满足单向Hash函数的各项性能要求。     

基于软件的网络处理器的路由高速缓存算法研究

路由器需要以较低的代价灵活、高速地实现路由查找这一基本功能.为网络处理器设计了一种基于软件的路由查找高速缓存算法.网络处理器片上高速存储器中的一部分空间被划分出来,由指令代码来维护一个路由查找结果缓存表.通过选择合适的哈希函数,平衡表项之间的冲突并刷新复杂度,该算法可以缩短路由查找的延迟,减少多处理单元对存储器总线的竞争,为其他网络应用提供更多的处理时间.基于真实网络流量的实验表明,即便每个处理单元中仅有少量表项,网络处理器的吞吐量仍然可以得到有效的提升.     

一种基于硬件的大规模哈希流表设计与实现

基于流的报文处理是防火墙、入侵检测等网络安全应用的重要组成功能,其中流表是流处理技术的关键数据结构,流表的规模及访问性能直接影响到流处理的能力和速度。着眼于高速网络下大规模流表的硬件实现,设计了一种基于硬件的千万级哈希流表查找架构,并在FPGA平台上进行了实现和测试。该方案在保证访存效率的同时很好地解决了冲突的难题,利用有限的存储资源,满足了高达4 900万项的流表查找需求,测试能够实现92Mdesc/s的表查找速度,支持约220Gbps高速以太网的处理能力。     

可扩展的旋转因子表及FFT算法

该文提出了一个用于快速Fourier变换计算的反写码序的旋转因了表，这种旋转因子表具有可扩展性：本质上，这种旋转因子表的分量与变换的点数无关，当点数改变时，这种旋转因子表无须重新计算或者容易扩展；根据这种旋转因子表，该文设计了一个结构规整的基本基4计算2^n点FFT的算法及软件程序，该程序与FFTW软件包进行了对比实验，文中还以蛋白质序列相似性计算为例，对作者的算法与FFTW软件包中的相庆算法进行了对比实验，结果表明，采用该文的算法可节省计算时间约31．7％。     

学习路由器模型及路由算法研究

在分析比较现有的两种路由器模型基础之上，结合目前路由器设计中的新技术提出了一种学习路由器模型，并结合工业控制网络的特点对路由表的查找技术和算法作了研究，对路径寻优算法作了改进使其能实现多路径路由，从而满足工业控制网络高可靠性的要求；对路由表采用哈希 技术以提高路由器查表速度；对路由器各端口队列采用了优先级调度算法以满足工业控制网络高实时性的要求，路由器对各端口采用轮转调度算法以体现公平性。     

电信监管系统海量目标名单查找算法

电信监管系统中目标名单查找算法是衡量系统处理能力的重要指标。SIPURI作为SIP用户的网络标识有其自身的特点。该文在分析现有Hash算法对海量URI查找的性能后,提出一种基于Bloom过滤器的改进算法。仿真结果表明,在引入有限并且可控的虚警概率的前提下,Bloom过滤器查找速度与Hash算法相当,但内存消耗减小到原来的15％,提高了系统的处理能力。     

高速中文PostScript系统研究

PostScript为桌面设计过程中, 排版印刷的后端处理的开放标准。高速中文PostScript系统的实现涉及到多方面的技术我们一方面研究了中文PostScript系统的软件构成和算法另一方面, 设计并实现了基于Intel 80960CA超标量亿次处理器的高速中文PostScript处理硬件系统, 进一步将其扩充为分布式并行处理系统, 并在通用PC平台上实现单机和并行中文PostScript系统此外, 我们还提出了存储压缩等相关技术。本文探讨了上述系统的构成, 并对系统进行了测试和性能评价。测试表明, 我们通过采用这些高速的硬件系统及与其相适应的软件算法, 基本解决了中文’处理速度慢和成本高的问题。     

数值计算程序的存储复杂性分析

由于越来越多的技术用于缩小处理器与存储器之间的日益加大的速度差距,计算机的存储系统变得日趋复杂．现在,任何一个程序设计者,尤其是数值计算程序的设计者,若不考虑其所用计算平台存储系统的特点是很难获取高性能的．因此公用传统的算法评价方法,从时间复杂性和空间复杂性着手来解释一个算法的不同实现在同一计算平台上很大的性能差异,显然是不够的．计算平台存储系统的特点必须在分析算法的复杂性时加以考虑．孙家昶１９９     

基于Hash表的关联规则挖掘算法的改进

经典的Apriori算法在大项目集的挖掘过程中因为重复搜索导致效率低下。提出一种改进的Hash表结构应用于DHP算法中的项目集存放,定义新的Hash函数确定项目集的存放地址,并基于新的Hash表结构,以并行挖掘的方式优化关联规则算法的剪枝过程。实验结果表明,与Apriori算法相比,文中的方法可以更好地节省存储空间,提高挖掘效率。     

基于Hash表的关联规则挖掘算法的改进

经典的Apriori算法在大项目集的挖掘过程中因为重复搜索导致效率低下。提出一种改进的Hash表结构应用于DHP算法中的项目集存放,定义新的Hash函数确定项目集的存放地址,并基于新的Hash表结构,以并行挖掘的方式优化关联规则算法的剪枝过程。实验结果表明,与Apriori算法相比,文中的方法可以更好地节省存储空间,提高挖掘效率。     

一种基于传输触发架构的中值滤波处理器

针对中值滤波算法速度慢的缺点,设计了一款基于传输触发架构的专用处理器,使得中值滤波的速度得到了大幅度的提升。其中数据存取单元采用二维寻址方式,与通用处理器相比,寻址时减少了加法指令和乘法指令的使用,提高了数据存取速度;设计了专用排序功能单元,与通用处理器相比减少了比较和跳转指令的使用。仿真和验证结果表明,在图像中值滤波处理中,该处理器比传统RISC架构通用处理器的效率有较大的提高。     

命名数据网络中基于Hash映射的命名检索

命名数据网络(NDN)是一种以内容为中心的新型网络架构,可有效提高网络资源的共享利用率。但与传统的IPv4、IPv6相比,NDN命名的长度更长且具有可变性,因此实现NDN中命名的快速检索对提高网络性能具有重要作用。为此,提出一种基于Hash映射的分治命名检索方法,将命名分解为组件并进行CRC32映射后分别存储在相应的Hash表中,对Hash表中的数据进行快速排序后使用二分查找定位Hash值,并利用排序后Hash表的递增数据结构进行Hash冲突的快速检测,通过对Hash值添加标志位的方法解决冲突问题。实验结果表明,相比建立命名前缀树的检索方法,该分治命名检索方法可将NDN命名的存储空间压缩近65%,并且大幅提升了检索速度。