Este documento describe Poptrie, una estructura de datos trie comprimido con conteo de población para búsqueda rápida y escalable de tablas de rutas IP en software. Poptrie reduce el tamaño de memoria y mejora el rendimiento mediante compresión de punteros con conteo de población y agregación de rutas. Evaluaciones exhaustivas muestran que Poptrie es 4-578% más rápido que otras tecnologías de vanguardia para tablas de rutas IPv4 y IPv6 públicas y privadas, incluidas tablas futuras

1. Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)
Popula5on)Count)for)Fast)and)Scalable)
So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Hirochika)Asai)(The)University)of)Tokyo))
Yasuhiro)Ohara)(NTT)Communica5ons)Corpora5on))
)
ACM)SIGCOMM)2015,)Aug.)18,)2015

2. Brief)Summary)of)Poptrie
• Mul5way)trie)for)IP)rou5ng)table)lookup)in)
so<ware)
– Small)memory)footprint)with)popula5on)count)
• e.g.,)2.4)MiB)for)a)global)5erV1)ISP’s)full)route)
– Good)performance)through)comprehensive)
evalua5on)
• 4–578%)faster)than)other)stateVofVtheVart)technologies)
– Private)and)public)IPv4/IPv6)rou5ng)tables)
– FutureVenvisioned)800K+)IPv4)routes)
• Advantageous)for)longer)prefixes)
– demonstrated)through)perVlookup)performance)analysis)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

3. IP)Rou5ng)Table)Lookup
• Principle)
– Longest)prefix)match)
• Challenges)
1. Large)and)growing)rou5ng)table)
• IPv4:)500K+)entries)
• IPv6:)20K+)entries)
2. High)lookup)rate)requirement)
• e.g.,)148.8)Mpps)!)6.7)ns)per)lookup)
(at)the)wireVrate)on)100)GbE)of)minimumVsize)frames)))
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

4. Radix)Tree)(Revisited)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
d
c
b
0
1
e
0
1
a
0
0.0.0.0/0
128.0.0.0/1
0.0.0.0/2 64.0.0.0/2
64.0.0.0/3
Radix&Tree&Example
Problems)with)the)radix)tree)
• Depth)up)to)32)(for)IPv4))
• requires)a)number)of)
memory)access)
• Large)memory)footprint)
due)to)many)pointers)
• causes)CPU)cache)misses)
")Bad&performance)
Prefix)length)
=)Priority
Prefix
Fundamental)data)structure)and)algorithm)for)longest)prefix)match

5. Related)Work:)Fast)IP)Rou5ng)Table)
Lookup)Algorithms
Approach Feature
Tree)BitMap)[1] Trie)(partly)
mul5way)
Succinct)data)structure)within)
CPU)cache)size
SAIL)[2] Trie)(mul5way) Op5mized)mul5Vlevel)trie)(3V
level)for)IPv4)
DXR)[3] Range Small)memory)footprint)and)
high)L1)cache)efficiency
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
[1])W.)Eatherton)et)al.,)“Tree)Bitmap:)Hardware/So<ware)IP)Lookups)with)Incremental)Updates,”)ACM)SIGCOMM)CCR,)2004)
[2])T.)Yang)et)al.,)“Guarantee)IP)Lookup)Performance)with)FIB)Explosion,”)ACM)SIGCOMM)2014)
[3])M.)Zec)et)al.,)“DXR:)Towards)a)Billion)Rou5ng)Lookups)Per)Second)in)So<ware,”)ACM)SIGCOMM)CCR,)2012)

6. Key)Ideas)for)High)Lookup)Rate
1. Reduce)instruc5ons)including)memory)access)
– Reduce)the)lookup)depth)of)the)trie)
2. Increase)CPU)cache)efficiency)
– Compress)the)data)structure)for)small)memory)
footprint)within)CPU)cache)size)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Poptrie&
V Extended)from)the)mul5way)trie))
V Compressed)with)popula5on)count)(CPU)instruc5on))

7. At)a)Glance:)Radix)Tree
0.0.0.0
255.255.255.255 128.0.0.0
Root
mul5cast/reserved)
/24 /16
Aug.)18,)2015
(*))IPv4)Rou5ng)table)from)
an)AS)border)router)of)
WIDE)Project)(Jan.)3,)2015)

8. At)a)Glance:)Poptrie
0.0.0.0
255.255.255.255 128.0.0.0
mul5cast/reserved)
/24
Aug.)18,)2015
(*))IPv4)Rou5ng)table)from)
an)AS)border)router)of)
WIDE)Project)(Jan.)3,)2015)
Root

9. Poptrie
• Basic)algorithm)
– Mul5way)trie)
– Pointer)compression)with)popula5on)count)
• Extensions)
– Compression)with)leaf)bitVvector)
– Route)aggrega5on)
– Direct)poin5ng
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

10. Poptrie
• Basic&algorithm&
– Mul5way)trie)
– Pointer)compression)with)popula5on)count)
• Extensions)
– Compression)with)leaf)bitVvector)
– Route)aggrega5on)
– Direct)poin5ng
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

11. Poptrie)(basic):)2kVary)Mul5way)Trie
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
d
c
b
0
1
e
0
1
a
0
0.0.0.0/0
128.0.0.0/1
64.0.0.0/2
64.0.0.0/3
Radix&Tree
b c c
a a e e
Internal)node
Leaf)node
00 01 10 11
00 01 10 11
2k=ary&Mul@way&Trie&(k=2)
Push)the)next)hop)informa5on)in)the)internal)nodes)
to)leaf)nodes
0.0.0.0/2
X)X)X)X)X)X
Key)IP)address
MSB
00
01
10
11
chunk

12. b
Poptrie)(basic):)Pointer)Compression)
with)Popula5on)Count)(1/2)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c c
b
0 0 0 0
vector
pointer pointer
base0 base1
Internal)node
Array)of)descendant)
internal)nodes
Array)of)descendant)
leaf)nodes
00 01 10 11
b c c
a a e e
Internal)node
Leaf)node
00 01 10 11
00 01 10 11
2k=ary&Mul@way&Trie&(k=2) Pointer&compression&with&bit=vector&and&array
†)in)lisle)endian
00 01 10 11

13. b
Poptrie)(basic):)Pointer)Compression)
with)Popula5on)Count)(2/2)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c c
Internal
Leaf
00 01 10 11
Pointer&compression&with&bit=vector&and&array
b
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c c
Internal
Leaf
Array&compression&with&popula@on&count
†)in)lisle)endian
Index:)#)of)1’s)bits)in)the)least)
significant)N+1)bits)of)vector)(V1)
Index:)#)of)0’s)bits)in)the)least)
significant)N+1)bits)of)vector)(V1)
Coun5ng)#)of)1s:)Use)x86’s)popcnt)instruc5on
N:)Value)of)the)chunk
N= 00 01 10 11 00 01 10 11N=

14. Poptrie
• Basic)algorithm)
– Mul5way)trie)
– Pointer)compression)with)popula5on)count)
• Extensions&
– Compression)with)leaf)bitVvector)
– Route)aggrega5on)
– Direct)poin5ng
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

15. Poptrie:)Compression)with)LeafVVector
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
d
c
b
0
1
e
0
1
a
0
0.0.0.0/0
128.0.0.0/1
64.0.0.0/2
64.0.0.0/3
Radix&Tree
b c c
a a e e
Internal)node
Leaf)node
00 01 10 11
00 01 10 11
2k=ary&Mul@way&Trie&(k=2)
A)problem)with)the)basic)data)structure:)Redundant)leaf)nodes)
V for)prefixes)that)do)not)match)kVbit)boundary)
V e.g.,)/1)(/7,)etc.)as)well))may)create)32)redundant)leaf)nodes)when)k=6)
V for)holeVpunched)prefixes)
0.0.0.0/2

16. Poptrie:)Compression)with)LeafVVector
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
b
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c c
Internal
Leaf
Poptrie&(basic)
†)in)lisle)endian
b
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c c
Internal
Leaf
Poptrie&with&leaf=vector&(leafvec)
1 0 1 0
leafvec)†
Index:)#)of)1’s)bits)in)the)least)
significant)N+1)bits)of)leafvec'(V1)

17. Poptrie:)Route)Aggrega5on
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
b
0 1 0 0
vector)†
b
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
c
Internal
Leaf
Poptrie&with&leaf=vector&(leafvec)
1 0 1 0
leafvec)†
b
0 1 0 0
vector)†
x’
Internal)node
pointer pointer
base0 base1
Internal
Leaf
1 0 0 0
leafvec)†
Poptrie&with&route&aggrega@on
When)the)next)hop)info.)of)b)and)c)is)iden5cal;)
e.g.,)
)b:)prefix)0.0.0.0/2,)next)hop)X)
)c:)prefix)128.0.0.0/1,)next)hop)X
Aggregate)b)and)c)to)x’)
(x’:)prefix)aggregated)[0.0.0.0/0],)next)hop)X)
†)in)lisle)endian

18. Poptrie:)Direct)Poin5ng
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Extract)and)lookup)s)bits)at)the)first)stage)(like)other)algorithms)such)as)DXR)
0.0.0.0/18
0.0.64.0/18
192.0.0.0/18
N.B.,)illustrated)the)case)of)s)=)18
0.0.128.0/18
1
1
0
flag:)leaf)(0))or)internal)node)(1)
leaf0
pointer
pointer
leaf
TopVlevel)array:)Array)of)length)2s
Internal)node
Internal)node
Poptriex):)Poptrie)with)s'=)x

19. Implementa5on
• Data)size)
– Internal)node)(with)leafvec):)24)bytes)
• vector,)leafvec:)8)bytes)(k=6))
• base0,)base1:)4)bytes)
– Index)in)the)con5guous)array†)instead)of)memory)address)
– Leaf)node:)2)bytes)
– Direct)poin5ng)entry:)4)bytes)
• Code)in)C:)hsps://github.com/pixos/poptrie)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
†)The)con5guous)arrays)of)the)internal)and)leaf)nodes)are)managed)by)the)buddy)
memory)allocator)to)allocate)an)array)of)descendant)nodes.)

20. Evalua5ons
• Effect)of)Extensions)in)Poptrie)
• Mul5core)Scalability)
• Comparison)with)Other)Algorithms)
– Average)lookup)rate)
• Traffic)pasern:)Sequen5al,)repeated,)random,)real)trace)
• Rou5ng)tables:)3)private,)32)public,)4)synthe5c)
– CPU)cycles)per)lookup)
• Update)
• Performance)in)IPv6
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Equipment)for)the)evalua5ons:)
Intel(R))Core)i7)4770K)(3.9)GHz,)8)MiB)cache))
with)four)8)GB)DDR3V1866)RAM)
(using)a)single)core))

21. Effect)of)Extensions)in)Poptrie
Algorithm&/&
Extensions
s #&of&internal&
nodes
#&of&leaves Memory&
[MiB]&
Rate&[Mlps]
Radix – – – 30.48 8.82
Poptrie)(basic))
without)route)
aggrega5on
0 64,009 4,032,568 8.67 87.71
16 172,110 10,862,901 23.60 130.72
18 61,282 3,911,422 9.40 170.69
Poptrie)(leafvec))
without)route)
aggrega5on
0 64,009 280,673 2.00 89.15
16 172,110 347,449 4.85 154.33
18 61,282 269,320 2.91 191.95
Poptrie 0 43,191 263,381 1.49 96.27
16 86,171 274,145 2.75 198.28
18 40,760 245,034 2.40 240.52
1.)leafvec)significantly)contributes)the)memory)footprint)reduc5on.
Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015),)Traffic)pasern:)Random
2.)Route)aggrega5on)contributes)to)reduce)the)internal)nodes)(i.e.,)average)depth).
Mlps)
=)Million)lookups)
)))per)second

22. Comparison)with)Other)Algorithms)
(for)random)traffic)pasern)
Algorithm Memory&[MiB] Rate&[Mlps]
Radix 30.48 8.82
Tree)BitMap 2.62 56.24
Tree)BitMap)(64Vary) 3.10 61.61
SAIL 44.24 158.22
D16R 1.16 116.63
D18R 1.91 179.92
Poptrie16 2.75 198.28
Poptrie18 2.40 240.52
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015),)Traffic)pasern:)Random
Poptrie18)runs)1.34–27.3x)faster)than)the)other)algorithms

23. PerVLookup)Performance)Analysis
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Performance)evalua5on)machine)
with)my)singleVtask)opera5ng)system
c0)=)rdpmc()
c1)=)rdpmc()
r)=)lookup(key)
key)=)recv()
send(r,)c1)V)c0)
Rx
Tx
NIC
UDP)
header
key
UDP)
header
r,)c1)V)c0
Linux)machine
rdpmc):)read)performance)monitoring)counter)
(i.e.,)CPU)cycles))
UDP)packet
UDP)packet
Measured)CPU)cycles)(c1)V)c0))
for)224)random)keys)
(with)the)same)random)seed)
for)different)algorithms))

24. PerVLookup)Performance)Analysis:)
Cumula5ve)Distribu5on)of)CPU)Cycles
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 50 100 150 200 250 300 350
CDF
CPU cycles per lookup
Poptrie18
D18R
Poptrie16
D16R
SAIL
It)is)worth)to)analyze)perVlookup)performance)than)the)average!

25. PerVLookup)Performance)Analysis:)
Binary)Radix)Depth
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
d
c
b
0
10
1
a
0
0.0.0.0/0
128.0.0.0/1
64.0.0.0/3
Radix&Tree
0.0.0.0/2
Binary)radix)depth)=)Search)depth)in)the)radix)tree)
• 0.0.0.0/2):)2
• 64.0.0.0/3):)3)
• 96.0.0.0/3&:&2&&(matching)0.0.0.0/0)&
• 128.0.0.0/1):)1
0 4 8 12 16 20 24 28 32
Prefix length
4
8
12
16
20
24
28
32
Binaryradixdepth
100
101
102
103
104
105
106
10
7
10
8
109
Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015)

26. PerVLookup)Performance)
at)Different)Binary)Radix)Depth
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D16R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D18R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
Poptrie16
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup Binary radix depth
Poptrie18
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
SAIL
Wicks:)5th/95th)percen5les)
Bodies:)25th/75th)percen5les)
Internal)bar:)Median
(3Vlevel)trie) (RangeVbase) (RangeVbase)
Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015)

27. PerVLookup)Performance)
at)Different)Binary)Radix)Depth
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D16R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D18R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
Poptrie16
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup Binary radix depth
Poptrie18
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
SAIL
Wicks:)5th/95th)percen5les)
Bodies:)25th/75th)percen5les)
Internal)bar:)Median
(3Vlevel)trie) (RangeVbase) (RangeVbase)
Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015)
O(1) O(1) O(1)
O(1) O(1)
binary)search binary)
search
2nd)level

28. Rou5ng)table:)Backbone)core)router)of)5erV1)ISP)(Jan.)9,)2015)
PerVLookup)Performance)
at)Different)Binary)Radix)Depth
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D16R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
D18R
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
Poptrie16
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup Binary radix depth
Poptrie18
0
50
100
150
200
250
300
350
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
CPUcyclesperlookup
Binary radix depth
SAIL
Wicks:)5th/95th)percen5les)
Bodies:)25th/75th)percen5les)
Internal)bar:)Median
≤)172)cycles
>)234)cycles

29. Average)Lookup)Rate:)
Random)vs.)Real)Traffic
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
50
100
150
200
250
300
350
Tree BitMap SAIL D16R Poptrie16 D18R Poptrie18
Lookuprate[Mlps]
Data Structure and Algorithm
0
50
100
150
200
250
300
350
Tree BitMap SAIL D16R Poptrie16 D18R Poptrie18
Lookuprate[Mlps]
Data Structure and Algorithm
For)random)traffic For)real)traffic
(*))Rou5ng)table)is)dumped)at)an)AS)border)router)of)WIDE)project,)
and)traffic)trace)is)captured)at)the)transit)link)of)the)router.
Good)for)
repeated)paserns
Not)good)for)longer)
prefixes)(IGP)routes)
Bad)for)random
Binary&radix&depth Random Real
>18 22.1% 32.5%
>24 1.7% 21.8% Many)packets)
go)to)IGP)routes.

30. Performance)on)Large)Rou5ng)Tables
Algorithm SYN1&(with&764,847&routes) SYN2&(with&885,645&routes)
SAIL 102.86)Mlps N/A)(Overflowed)
D18R)(modified) 115.45)Mlps 102.59)Mlps
Poptrie18 188.02)Mlps 174.42)Mlps
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
SYN1:)
• /0V15):)split)into)four)prefixes)
• /16V23):)split)into)two)prefixes)
SYN2:)
• /0V15):)split)into)eight)prefixes)
• /16V19):)split)into)four)prefixes)
• /20V23):)split)into)two)prefixes)
Two)synthe5c)datasets)from)the)rou5ng)table)of)a)backbone)
core)router)of)5erV1)ISP
Poptrie18)is)1.63–1.70x)faster)than)D18R.)
Traffic)pasern:)Random

31. Conclusion
• Poptrie:)Mul5way)trie)for)IP)rou5ng)table)
lookup)in)so<ware)
– Small)memory)footprint)with)popula5on)count)
• e.g.,)2.4)MiB)for)a)global)5erV1)ISP’s)full)route)
– Good)performance)through)comprehensive)
evalua5on)
• 4–578%)faster)than)other)stateVofVtheVart)technologies)
– Private)and)public)IPv4/IPv6)rou5ng)tables)
– FutureVenvisioned)800K+)IPv4)routes)
• Advantageous)for)longer)prefixes)
– demonstrated)through)perVlookup)performance)analysis)
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

32. BACKUP&SLIDES
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup

33. Tree)BitMap:)Succinct)Data)Structure
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
1
0 1
1 1
1
d
c
b
0
1
e
0
1
a
0
0.0.0.0/0
128.0.0.0/1
0.0.0.0/2 64.0.0.0/2
64.0.0.0/3
Radix&Tree
d c b e
0 0 Result)pointer
Child)pointer
)Mul5way)trie
Node)array
Mul5Vbit)node
Tree&BitMap

34. SAIL:)3Vlevel)Mul5way)Trie
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
2nd)level:)28Vary)
/0V16
/17V24
/25V32
3rd)level:)28Vary
1st)level:)216Vary
#)in)L1/L2)cache
#)in)L3)cache/DRAM
#)in)DRAM
")Slow&when&cache&miss&occurs)

35. DXR:)Binary)Search)in)Range)Table
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0.0.0.0/18
0.0.64.0/18
192.0.0.0/18 192.0.0.0 a
192.0.2.0 b
192.0.3.0 a
Next)hopStar5ng)at
Directly&indexed&table
=)192.0.0.0V192.0.1.255
=)192.0.2.0V192.0.2.255
=)192.0.3.0V192.0.63.255
1))O(1))lookup
2))Binary)search)
for)matching)range)
(within)L1)cache)line(s)))
Range&table
N.B.,)illustrated)the)case)of)X)=)18
" Slow&for&large&range&tables&
(e.g.,)a)cluster)of)IGP)routes))

36. LockVfree)Update)Procedure
Internal node
1 1 0 0
vector base0
N[2048] N[2049] N[2050]
31290 0 0 1
leafvec base1
2048
N
L
1
L[3129]
base1
1024
Node array (X) Top of the marked internal nodes
Parent to be replaced
Figure 6: The lock-free update procedure to th
internal node.
Updated prefix
Updated leaves
Replace these
internal nodes
Top of the marked triangles

37. Mul5core)Scalability)Evalua5on)for)
Random)Traffic
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)for)Fast)and)
Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1 2 3 4
Lookuprate[Mlps]
# of threads
REAL-Tier1-A
REAL-Tier1-B
REALVTier1VA:)Global)TierV1’s)BGP)Router)
REALVTier1VB:)Domes5c)ISP’s)BGP)Router

38. Performance)on)IPv6)Rou5ng)Table
Aug.)18,)2015
Poptrie:)A)Compressed)Trie)with)Popula5on)Count)
for)Fast)and)Scalable)So<ware)IP)Rou5ng)Table)Lookup
Algorithm Average&Lookup&
rate&[Mlps]
SAIL N/A)(no)support)for)more)
specific)routes)than)/64)
D16R 163.07
D18R 169.91
Poptrie16 209.84
Poptrie18 211.32
• On)a)rou5ng)table)dumped)at)a)5erV1)ISP)(with)20,440)prefixes))
• For)2^32)random)addresses)within)2000::/8)
Poptrie18)is)1.24x)faster)than)D18R.)