Uvod

1. Uvod • Osnovna funkcija Internet rutera je usmeravanje paketa na osnovu odredišne IP adrese • IP lukap predstavlja proces određivanja izlaznog porta rutera (na osnovu odredišne IP adrese) na koji IP paket treba izaći • U ovoj prezentaciji će biti predstavljeno više algoritama za efikasno obavljanje lukap funkcije

2. Lukap kod klasnog adresiranja • Kod klasnog adresiranja postojale su tri klase adresa A, B i C dužine mrežnog prefiksa 8, 16 i 24 bita, respektivno • Na osnovu početnih bita IP adrese se može odrediti kojoj klasi pripada i zatim pretražiti tabela prosleđivanja odgovarajuće klase • Pošto su u istoj klasi svi mrežni prefiksi iste dužine može se koristiti neki od efikasnih algoritama za brzo pretraživanja (npr. binarna pretraga), a u slučaju klase A i B zbog malog broja ukupnih adresa moguće je koristiti i direktan pristup na bazi mrežnog prefiksa

3. Lukap kod besklasnog adresiranja • Klasno adresiranje je napušteno zbog neracionalnog korišćenja adresnog prostora • Uvedeno je besklasno adresiranje kod kojeg mrežni prefiks može da bude proizvoljne dužine • Takođe, uvodi se agregacija zapisa u tabeli prosleđivanja radi smanjivanja veličine tabele • Agregacija dovodi do problema da za istu odredišnu IP adresu može da se nađe dva ili više rezultata pri pretrazi tabele prosleđivanja • Pravilo izabiranja najdužeg prefiksa koji se poklapa – tzv. ‘longest matching prefix rule’

4. Lukap kod besklasnog adresiranja • Lukap funkcija sada postaje značajno složenija jer pored dimenzije vrednosti prefiksa dodajemo i dimenziju dužine prefiksa – dvodimenzionalni problem • Ovo otežava primenu klasičnih brzih algoritama pretrage poput binarne pretrage

5. Zahtevi • Zahtevi koje dobar lukap algoritam mora da ispuni: • Brzina - Usled rasta brzine linkova, smanjuje se vreme koje je na raspolaganju ruteru da za svaki paket odradi lukap funkciju. Pošto se tabele obično smeštaju u memorijske čipove, brzina se najčešće procenjuje kao broj memorijskih pristupa u najgorem slučaju • Memorijski prostor -Pošto memorijski čipovi veće brzine obično imaju manji kapacitet, poželjno je da tabele zauzimaju manji prostor tako da stanu u što brže čipove • Skalabilnost - Kako se očekuje prelaz na IPv6, neophodno je da lukap algoritmi mogu da se efikasno primene i na IPv6 adrese • Ažuriranje – U nestabilnim mrežama moe doći do čestih promena strukture tabele prosleđivanja. Lukap algoritam mora da omogući veoma brzo osvežavanje tabele novim podacima, a da se pri tome proces pretrage (lukapa) ne uspori značajno.

6. Podele • Podela lukap algoritama može da se izvrši na više načina: • Na osnovu implementacije: • Hardverski • Softverski • Na osnovu dimenzije po kojoj se vrši lukap: • Po dimenziji dužine prefiksa • Po dimenziji vrednosti prefiksa

7. Binarno stablo • Najprirodniji način za predstavljanje tabele prosleđivanja je binarno stablo • Adresni prefiksi tabele prosleđivanja se nalaze u stablu u vidu čvorova sa zapisima, gde zapis predstavlja ID izlaznog porta rutera na koji treba usmeriti IP paket sa tim adresnim prefiksom • Uzima se bit po bit IP adrese i kreće se kroz stablo – levo ili desno zavisno od vrednosti bita • Pretraga se završava kad se dođe do kraja stabla, a rešenje je najbolji čvor koji je sadržao zapis • Realizacija ovog algoritma je veoma jednostavna, kao i samo ažuriranje tabele • Mana je da u najgorem slučaju treba 32 memorijska pristupa (128 u slučaju IPv6), kao i čuvanje velikog broja praznih čvorova koji ne sadrže zapis

8. Primer binarnog stabla • Prefiksi: • 0* • 0001* • 001* • 01* • 0110* • 0111* • 10* • 100* • 1011*

9. Kompresija putanje • Često se javljaju putanje bez račvanja sa praznim čvorovima • Nema račvanja – nema odlučivanja u čvorovima o daljem smeru kretanja • One mogu da se komprimuju izbacivanjem praznih čvorova • Mora da se pamti broj preskočenih čvorova • Mora da se u svakom čvoru poredi kompletan prefiks

10. M-rna stabla • Za kretanje između čvorova stabla se koristi m bita • Iz svakog čvora može da ide 2m grana • U najgorem slučaju 32/m memorijskih pristupa • Mana - smanjena granularnost • Mana – veliko m nije praktično za realizaciju

11. LC-stablo • Modifikacija m-rnog stabla • Za razliku od m-rnog stabla, kod LC (Level Compressed) stabla se parametar m može menjati • Cilj je postizanje optimalne strukture kod koje će se postići minimalna dubina stabla tako što će se veoma popunjena podstabla zameniti m-rnom strukturom

12. LC-stablo

13. Lukap algoritam koji koriste Intelovi mrežni procesori • Primer korišćenja tehnike m-rnih stabala • Postoje dve pretrage po dužim prefiksima (dužim od 16 bita) i po kraćim prefiksima (dužine do 16 bita) – princip pretrage je u oba slučaja identičan – osnovna razlika je u određivanju lokacije u početnoj tabeli, kod pretrage po dužim prefiksima se koristi prvi 16 bita IP adrese, a kod pretrage po kraćim prefiksima prvih 8 bita IP adrese • U tabeli prosleđivanja se čuvaju dve informacije – ‘next-hop’ informacija koja daje informaciju na koji izlazni port rutera treba da se prosledi paket i pokazivač na podstablo koji daje lokaciju podstabla gde može da nalazi duži prefiks koji odgovara adresi za koju se vrši pretraga – u Intelovoj implementaciji obe informacije su dužine 16 bita

14. Lukap algoritam koji koriste Intelovi mrežni procesori • Princip pretrage po dužim prefiksima: • Na osnovu prvih 16 bita IP adrese određuje se lokacija u početnoj velikoj tabeli i proverava se da li ima pokazivač na podstablo • Ukoliko pokazivača nema pretraga se prekida i prelazi se na pretragu po kraćim prefiksima • Ukoliko pokazivač postoji on pokazuje na početnu lokaciju podstabla, a sledeća 4 bita IP adrese određuju koja lokacija od 16 lokacija podstabla odgovara IP adresi za koju se vrši pretraga (uočiti ovde upotrebu m-rne tehnike) • Na odgovarajućoj lokaciji utvrditi da li postoji ‘next-hop’ informacija i ukoliko postoji zapamtiti je kao najbolju • Proveriti da li postoji pokazivač na podstablo i ukoliko postoji ponoviti korake 3, 4 i 5 • Pretraga se prekida ukoliko nema pokazivača na sledeće podstablo ili su iskorišćeni svi biti IP adrese, pretraga je uspešna ukoliko je u toku pretrage nađena ‘next-hop’ informacija, u suprotnom pretraga se nastavlja po kraćim prefiksima

15. Lukap algoritam koji koriste Intelovi mrežni procesori - primer • U primeru sa gornje slike paket će se usmeriti na port 12, a u primeru sa donje slike paket će se usmeriti na port 10 • Na pretragu po kraćim prefiksima se prelazi samo ako je pretraga po dužim prefiksima bila neuspešna • U slučaju da je moguća primena pajplajn tehnike onda se pretrage po kraćim i po dužim prefiksima vrše u paraleli tj. istovremeno radi povećanja brzine lukap algoritma

16. Tehnike za unapređivanje lukapa • Transformacija prefiksa • ‘leaf pushing’ – interni zapisi se pomeraju na kraj stabla radi izbegavanja preklapanja prefiksa, često se koristi kod m-rnih stabala • Proširivanje prefiksa na zadatu dužinu radi svođenja problema na problem lukapa kod klasnog adresiranja • Tehnike kompresije • Uređivanje sadržaja tabele radi izbegavanja redudantnih pokazivača • Optimizacioni postupci • Najčešće je cilj smanjenje memorijskih resursa koje zauzima tabela, ali mana je u slučaju čestih ažuriranja proces optimizacije mora da se radi ponovo tj. nije moguće inkrementalno ažuriranje • Prilagođavanje strukturi korišćene memorije • Npr. delovi tabele kojima se često pristupa se smeštaju u keš procesora radi povećanja brzine

17. Heš funkcije • Heš funkcije h(x) se često koriste u lukap algoritmima • Da bi se mogle primeniti, vrši se proširivanje prefiksa na fiksnu dužinu • Rezultat heš funkcije daje lokaciju gde je smešten zapis • Kompleksnost heš funkcije je o(1) • Jednostavne za realizaciju • Postoji mogućnost kolizije tj. za dve različite adrese se dobija isti rezultat • Potrebno koristiti dobre heš funkcije kod kojih je mala verovatnoća sudara

18. Pretraga po vrednostima • Prefiksi se svode na fiksnu dužinu čime se eliminiše dimenzija dužine prefiksa i pretraga svodi na pretragu po vrednostima prefiksima • Ovi metodi su ređi jer je prirodnija struktura za tabelu prosleđivanja struktura stabla • Tipično se prefiks proširuje na dve vrednosti koje predstavljaju granice opsega adresa koje prefiks pokriva tj. prefiks se proširuje svim nulama i svim jedinicima do zadate dužine • Pretraga po vrednostima traži najuži opseg kome adresa za koju se vrši pretraga pripada jer to je prefiks koji se najviše poklapa sa adresom

19. Pretraga po vrednostima • Prefiksi: • 0* • 001* • 0001* • 01* • 0110* • 10* • 100* • 1011* • 11* • 1101*

20. TCAM • Ternarna CAM (Content Addressable Memory) predstavlja čip koji je direktno prilagođen funkciji lukapa • Kod ove memorije su definisana tri stanja 0, 1 i X (don’t care) • Adresa za koju se vrši pretraga se upoređuje sa svim zapisima u memoriji istovremeno i selektuje se najbolje rešenje • TCAM su najbrža realizacija lukapa (kompleksnost je o(1)), ali mana je velika potrošnja i cena • Takođe, velik problem je i prelaz na IPv6 zbog potrebnog kapaciteta

21. Primer hardverske realizacije lukap algoritma upotrebom FPGA čipa • FPGA čipovi predstavljaju programabilne čipove koji se mogu koristiti za implementaciju raznih funkcija • Zbog svoje brzine i fleksibilnosti predstavljaju pogodna rešenja za implementaciju lukap funkcija • Ideja prikazane implementacije je da internu memoriju FPGA čipa koristi za binarnu prezentaciju stabla, a same ‘next-hop’ informacije da smešta u brzu SRAM memoriju

22. Primer hardverske realizacije lukap algoritma upotrebom FPGA čipa • Centralni modul prima zahteve za pretragu i prosleđuje ih ka ‘level’ modulima • ‘Level’ moduli čuvaju informacije u binarnom obliku onih podstabala koji imaju bar jedan čvor sa ‘next-hop’ informacijom • Kada primi zahtev ‘level’ modul proverava da li za zadatu adresu postoji podstablo i ako postoji vrši pretragu podstabla da vidi postoji li čvor sa zapisom koji odgovara zadatoj adresi • Ukoliko takav čvor postoji kao rezultat se vraća adresa u SRAM memoriji gde se ‘next-hop’ informacija nalazi

23. Primer hardverske realizacije lukap algoritma upotrebom FPGA čipa