CN101651628A - 一种三状态内容可寻址存储器实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三状态内容可寻址存储器实现方法，应用于包括传统TCAM和cache模块的装置中，所述方法包括以下步骤：所述cache模块从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项。本发明中，通过在TCAM芯片内按照查找Key生成查找cache来解决现有TCAM碰到的问题。

Description

一种三状态内容可寻址存储器实现方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种三状态内容可寻址存储器实现方法及装置。

背景技术

CAM(Content Addressable Memory，内容可寻址存储器)是一种专用于查表操作的硬件芯片。与其他基于算法的解决方案相比，CAM具有十分卓越的性能，也更具可扩充性。高速的三状态CAM，例如TCAM(Ternary ContentAddressable Memory，三状态内容可寻址存储器)允许对位域进行0、1或X(忽略)三种方式的屏蔽(因此称为三状态)，可以用来确定最长前缀匹配。TCAM的高速性能也可以用于IP包的线速转发，而且与基于软件的方式不同，TCAM的查找性能与路由表的大小和内容无关。

TCAM普遍用于高端路由器路由查找、ACL(Access Control List，访问控制列表)查找，以硬件化的路由表查找和分组转发技术实现对各类数据包的快速分类和路由。TCAM内部按照entry(实体)组织，每个entry包括n bit数据和相同位数的掩码(mask)。TCAM工作原理如图1所示，每个实线框代表一个entry(图1中列出了8bit)。控制平面软件向data和mask中写入指定的数据(例如路由表)，数据平面用一个Key(键值)查找TCAM，看是否能找到匹配项，如果存在匹配项，TCAM返回第几个entry匹配上了。匹配的原则：如果Key&mask＝data&mask那么匹配上，否则没有匹配上，如果找到多于一个项匹配，则优先返回地址低的entry。例如，Key为11101011，Key与entry1进行匹配查找，Key&mask＝11100000，data&mask＝00100000，由于Key&mask不等于data&mask，该entry匹配失败；Key与entry2进行匹配查找，Key&mask＝00101010，data&mask＝00100100，由于Key&mask不等于data&mask，该entry匹配失败。

TCAM核心是输入的Key与存放在TCAM内部的data、mask做&(与)操作然后比较，为了达到高查找性能，必须在短时间内将Key与TCAM内所有entry都比较一遍，随着TCAM存放的规则条数增加，比较的复杂程度将大幅度提高。例如TCAM内存了10000条规则，为了达到100M次查找每秒的性能，需要在10ns内对这10000条规则整个比较一次，这是十分困难的事情。另外，由于占用逻辑资源很多，现有技术条件下单芯片很难达到高容量，导致成本提高，实现复杂。

发明内容

本发明提供了一种三状态内容可寻址存储器实现方法及装置，可以降低TCAM设计复杂度。

本发明提供了一种三状态内容可寻址存储器实现装置，包括传统TCAM和cache模块，

所述cache模块，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项，并根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项；

所述传统TCAM，查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache。

所述传统TCAM，具体用于按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则。

所述cache模块，具体包括：

Key查找子模块，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项；

Key记录子模块，用于根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项。

所述cache模块还包括：

Key记录老化子模块，用于为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。

所述Key查找子模块，具体用于在所述cache模块中设置输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。

所述Key查找子模块，具体用于通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key，在所述cache模块中设置输出Key与使用该输出Key对应的输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，查找所述对应关系中匹配的输出Key，如果有一个以上匹配的输出Key，则再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key。

所述Key记录子模块，具体用于记录多个对应关系表，所述对应关系表分别包括不同长度的Key与对应的查找结果的对应关系。

信息流的Key为IP报文的五元组：源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口、协议号；路由的Key为目的IP地址。

本发明提供了一种三状态内容可寻址存储器实现方法，应用于包括传统TCAM和cache模块的装置中，所述方法包括以下步骤：

所述cache模块从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；

如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项。

所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，具体包括：

在所述cache模块中设置有输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系；

当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。

所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，之前还包括：

记录多个对应关系表，所述对应关系表分别包括不同长度的Key与对应的查找结果的对应关系。

所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，具体包括：

在所述cache模块中设置有输出Key与使用该输出Key对应的输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，所述输出Key为通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key；

查找所述对应关系中匹配的输出Key，如果有一个以上匹配的输出Key，则再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key。

所述送到传统TCAM查找匹配表项，具体包括：

所述传统TCAM按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache，所述cache根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项。

还包括：

所述cache模块为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。

信息流的Key为IP报文的五元组：源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口、协议号；路由的Key为目的IP地址。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明中，通过在TCAM芯片内按照查找Key生成查找cache来解决现有TCAM碰到的问题。

附图说明

图1是现有技术中TCAM原理图；

图2是本发明中一种三状态内容可寻址存储器实现方法流程图；

图3是本发明中查找系统结构图；

图4是本发明中cache模块结构图。

具体实施方式

本发明通过增加一个cache模块来降低传统TCAM的设计难度。高端路由器一般按照逐包转发，也就是说每个报文都查路由或查ACL；实际上属于同一个连接的报文具有相同的属性，例如5元组(源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口、协议号)相同、TOS(Type-Of-Service，服务类型)相同等，而key值是通过上述属性获得的，对于相同属性报文的key值相同，同一个key值查路由或信息流的结果都相同。

如果考虑到同一个连接的报文查传统TCAM得到的结果相同，假定每个连接有10个报文，第一个报文在cache模块中找不到匹配的内容，因此cache模块将Key送到传统TCAM，在TCAM找到匹配结果后将结果送到cache模块，后面的9个报文在cache模块中即可找到该匹配结果，无需送到传统TCAM，那么达到相同的性能传统TCAM只需要原来1/10的性能即可，这样将大大降低查找系统的复杂度。

本发明提供了一种三状态内容可寻址存储器实现方法，应用于包括传统TCAM和cache模块的装置中，所述方法如图2所示，包括以下步骤：

步骤201，所述cache模块从接收报文中获取对应的Key。key值根据报文的不同查找目的而不同，例如，对于查路由，key值可以从目的IP地址中获取，长度为32bit；对于查ACL，key值从五元组中获取，长度为104bit。当然，key值的长度需要与TCAM表中对应的数据及掩码长度匹配。

步骤202，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有，则转步骤203，如果没有，转步骤204。

其中，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，具体包括：在所述cache模块中设置有输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系；当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。另外，可以记录多个对应关系表，所述对应关系表分别包括不同长度的Key与对应的查找结果的对应关系。

其中，查找方式可以通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key，在所述cache模块中设置输出Key与使用该输出Key对应输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系。查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项时，查找所述对应关系中的输出Key，如果有一个匹配，在所述对应关系中查找匹配表项；由于有时可能出现多个任意长度的输入Key可能会变换成相同的输出Key，因此，如果有一个以上匹配的输出Key，则需要再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key，在所述对应关系中查找匹配表项。

步骤203，向该报文的发起端返回所述Key匹配的记录表项。

步骤204，表示所述Key代表新数据流的第一个报文，将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项。所述传统TCAM按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache，所述cache根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项，并将结果返回给发起端。

所述cache模块为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。当然，为了提高系统效率，也可以在记录表项没满时，将时间戳最老的若干记录表项删除；也可以根据用户需求，删除某段记录表项。

以下结合具体应用场景对本发明进行详细描述：

当一个Key输入到查找系统，该Key由五元组src_ip 1.1.1.1dest_ip 2.1.1.1src_port 3000 dest_port 50000 protocol 80生成，即这5个字段可以组织成一个104bit的Key。查找hash表中是否有匹配该Key对应的记录表项，如果有则直接返回查找结果，如果没有则表示这是一个新流的首包，需要将该Key送到传统TCAM根据掩码查ACL，获得匹配该Key对应的记录表项。

传统TCAM按照Key&mask与data&mask比较的方法将所有规则查一遍，返回查找结果给cache，cache根据Key和传统TCAM的结果建立一个记录，此过程为新增记录，以后再来同样Key的报文就能直接在cache中查找了。

另外，cache模块还有一个老化功能，当一个信息流结束后，该信息流的Key不会进入查找系统，由于cache中的hash表大小有限，必须将不再使用的记录清除：为每个记录设计一个不命中时间戳，当hash表已满时将时间戳最老的记录替换成新记录。

本发明提供了一种三状态内容可寻址存储器实现装置，包括传统TCAM和cache模块，如图3所示，其中，

cache模块310，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则表示所述Key代表新数据流的第一个报文，将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项，并根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项；ACL的Key为IP报文的五元组：源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口、协议号；路由的Key为目的IP地址。其中，Key还可以根据其他信息流的特征设置。

传统TCAM320，查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache。具体用于按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则。

cache模块，如图4所示，具体包括：

Key查找子模块410，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则表示所述Key代表新数据流的第一个报文，将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项；

Key查找子模块410，具体用于在所述cache模块中设置输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。另外，可以根据不同长度的Key与对应的查找结果建立多个对应关系。还可以通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key，在所述cache模块中设置输出Key与使用该输出Key对应输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项时，查找所述对应关系中匹配的输出Key，如果有一个以上匹配的输出Key，则再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key，在所述对应关系中查找匹配表项。假定有一个报文五元组为src_ip 1.1.1.1 dest_ip 2.1.1.1 src_port3000 dest_port 50000 protocol 80，将这5个字段组织成一个104bit的Key，看hash表中是否有匹配这个Key的记录表项，如果有则直接返回查找结果，如果没有则表示这是一个新流的首包，需要送到传统TCAM根据掩码查ACL。

Key记录子模块420，用于根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项。此过程为新增记录，以后再来同样Key的报文就能直接在cache中查找了。

由于cache中的hash表大小有限，必须将不再使用的记录清除，因此，还包括Key记录老化子模块430，用于为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。当然，为了提高系统效率，也可以在记录表项没满时，将时间戳最老的若干记录表项删除；也可以根据用户需求，删除某段记录表项。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可以通过硬件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (15)

1、一种三状态内容可寻址存储器实现装置，包括传统TCAM和cache模块，其特征在于，

所述cache模块，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有，则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项，并根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项；

所述传统TCAM，查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传统TCAM，具体用于按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述cache模块，具体包括：

Key查找子模块，用于从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项；

Key记录子模块，用于根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项。

4、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述cache模块还包括：

Key记录老化子模块，用于为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述Key查找子模块，具体用于在所述cache模块中设置输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。

6、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述Key查找子模块，具体用于通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key，在所述cache模块中设置输出Key与使用该输出Key对应的输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，查找所述对应关系中匹配的输出Key，如果有一个以上匹配的输出Key，则再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key。

7、如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述Key记录子模块，具体用于记录多个对应关系表，所述对应关系表分别包括不同长度的Key与对应的查找结果的对应关系。

8、如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述Key根据信息流的特征设置。

9、一种三状态内容可寻址存储器实现方法，应用于包括传统TCAM和cache模块的装置中，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述cache模块从接收报文中获取对应的Key，查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项；

如果有则返回所述Key匹配的记录表项，如果没有则将所述Key送到所述传统TCAM查找匹配表项。

10、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，具体包括：

在所述cache模块中设置有输入Key与使用所述输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系；

当接收输入Key时，在所述对应关系中查找匹配表项。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，之前还包括：

记录多个对应关系表，所述对应关系表分别包括不同长度的Key与对应的查找结果的对应关系。

12、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述查找所述cache模块中是否有与所述Key匹配的记录表项，具体包括：

在所述cache模块中设置有输出Key与使用该输出Key对应的输入Key在所述传统TCAM查找的匹配表项的对应关系，所述输出Key为通过Hash将任意长度的输入Key变换成固定长度的输出Key；

查找所述对应关系中匹配的输出Key，如果有一个以上匹配的输出Key，则再根据所述输出Key相对应的变换前的输入Key进一步确定匹配的输出Key。

13、如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述送到传统TCAM查找匹配表项，具体包括：

所述传统TCAM按照Key&mask与data&mask比较的方法查找所述传统TCAM中所有规则，返回查找结果给cache，所述cache根据Key和所述传统TCAM返回的结果添加记录表项。

14、如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：

所述cache模块为每个记录表项设置不命中时间戳，当记录表项已满时将时间戳最老的记录表项替换成新记录表项。

15、如权利要求9至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述Key根据信息流特征设置。

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