CN103248573A - 面向OpenFlow的集中管理交换机及其数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了OpenFlow网络设计技术领域中的一种面向OpenFlow的集中管理交换机及其数据处理方法。所述交换机包括顺序相连的输入控制模块、报文匹配控制模块和输出控制模块；输入控制模块用于接收数据包，并对数据包进行解析，提取其中的关键字；报文匹配控制模块用于对关键字进行查表匹配操作，并将查表匹配结果发送至输出控制模块；输出控制模块用于输出查表匹配结果；所述报文匹配控制模块包括三元内容可寻址存储器，其由顺序连接的比较寄存器、掩码寄存器、存储器和优先译码器组成；本发明还公开了使用该交换机进行数据处理的方法。本发明利用三元内容可寻址存储器对流表数据进行快速查找，其速度更快、管理方便且实现简单。

Description

面向OpenFlow的集中管理交换机及其数据处理方法

技术领域

本发明属于OpenFlow网络设计技术领域，尤其涉及一种面向OpenFlow的集中管理交换机及其数据处理方法。

背景技术

随着网络技术的不断成熟和发展，在现有的网络设备及协议基础之上，想要对已有网络进行创新性试验变得越来越困难。可能会对正常数据通信产生影响的疑虑，成为试验新型协议的最大障碍，也使得对当前网络的创新行为所产生的实际影响有限。

因此提出了OpenFlow，基于流分类的新型网络试验技术。借助OpenFlow技术，研究者可以在现有网络上试验新型网络协议。OpenFlow是基于交换机部署的，要求每个交换机上包含一个开放的数据流表与一个用于增删流表项的标准化接口。OpenFlow一方面支持研究者在不同种类的交换机上以统一的方式线速的、高端口密度下进行试验，同时不需要设备提供商揭示其交换机内部工作原理。与传统的交换机不同之处，OpenFlow交换机可以准确地识别数据流的类型，并根据制定好的规则对不同类型数据流进行单独处理。

为准确地标识每个流，通常必须查找数据包内的多个维（域）并且根据多个标准作出决策。三元内容可寻址存储器（Ternary content-addressable memory，简称TCAM）是一种特定类型的完全关联存储器。基于TCAM的方法在高速报文分类领域很有前景，因为它可以在一次访存时间内完成匹配并返回结果。为了满足灵活多变的查表需求，需要实现对查找表的灵活配置。因此，合理的管理多维查找表显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种面向OpenFlow的集中管理交换机及其数据处理方法，利用TCAM技术实现OpenFlow流表数据的快速查找。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种面向OpenFlow的集中管理交换机，其特征在于所述交换机包括顺序相连的输入控制模块、报文匹配控制模块和输出控制模块；

所述输入控制模块用于接收OpenFlow交换机发送的数据包，并对数据包进行解析，提取其中的关键字后发送至报文匹配控制模块；

所述报文匹配控制模块用于对关键字进行查表匹配操作，并将查表匹配结果发送至输出控制模块；

所述输出控制模块用于输出查表匹配结果；

所述报文匹配控制模块包括三元内容可寻址存储器，所述三元内容可寻址存储器由顺序连接的比较寄存器、掩码寄存器、存储器和优先译码器组成；

所述比较寄存器用于存储报文匹配控制模块接收的关键字并发送至掩码寄存器；

所述掩码寄存器用于将关键字转换为查找字并发送至存储器；

所述存储器用于存储含有OpenFlow数据处理规则的流表，还用于接收查找字，并根据查找字在含有OpenFlow数据处理规则的流表中进行查找操作，查找到与查找字匹配的OpenFlow数据处理规则，最后将匹配的OpenFlow数据处理规则发送至优先译码器；

所述优先译码器用于接收匹配的OpenFlow数据处理规则，并在匹配的OpenFlow数据处理规则中找到最优的OpenFlow数据处理规则，并根据最优的OpenFlow数据处理规则产生匹配位置定位信号和匹配命中信号。

一种面向OpenFlow的集中管理交换机的数据处理方法，其特征在于所述方法包括：

步骤1：输入控制模块接收OpenFlow交换机发送的数据包，并对数据包进行解析，提取其中的关键字后发送至报文匹配控制模块；

步骤2：报文匹配控制模块的比较寄存器关键字并发送至掩码寄存器；

步骤3：掩码寄存器将关键字转换为查找字并发送至存储器；

步骤4：存储器根据查找字在含有OpenFlow数据处理规则的流表中进行查找操作，查找到与查找字匹配的OpenFlow数据处理规则；

步骤5：存储器将匹配的OpenFlow数据处理规则发送至优先译码器；

步骤6：优先译码器接收匹配的OpenFlow数据处理规则，并在匹配的OpenFlow数据处理规则中找到最优的OpenFlow数据处理规则，并根据最优的OpenFlow数据处理规则产生匹配位置定位信号和匹配命中信号；

步骤7：优先译码器将匹配位置定位信号和匹配命中信号发送至输出控制模块；

步骤8：输出控制模块输出匹配位置定位信号和匹配命中信号。

本发明利用三元内容可寻址存储器对OpenFlow流表数据进行快速查找，其速度更快、管理方便且实现简单。

附图说明

图1是OpenFlow理想化交换机模型图；

图2是RFC中的搜索过程图；

图3是Centralization Management交换机模型图；

图4是CMS交换机软件系统体系结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

1、OpenFlow技术分析与建模

OpenFlow技术来源于对试验新型网络协议的可编程网络的需求，其核心内容是对网络数据流的分类算法。TCAM芯片的快速查找匹配的特点，为网络中很多关键的应用提供了新的解决方案，例如可以用TCAM来实现快速的路由查找、报文分类、区分服务、入侵检测等关键应用。

OpenFlow技术采用集中式的控制方法，由一个包含整个网络拓扑的中心控制器来决定每个数据包的流向。所有来自未认证或未绑定MAC地址的流量只能传输到中心控制器中，它通过保存在认证数据库里的证书信息来对用户和主机进行认证。一旦一个用户或主机经过认证，中心控制器知道它所连接的交换机端口。中心控制器对策略文件进行管理，策略文件被编译到一张快速查找表中。当一个流开始的时候，中心控制器检查它是否该接受还是否定，或是经过某一中途点进行传输。如图1所示。

一个OpenFlow交换机由以下三部分构成：

(1)一个数据流表。每个数据流表项对应一个相关操作，用以指示交换机如何处理这个数据流；

(2)一个安全通道。用于连接交换机与外部的控制器之间的指令和数据包的传递；

(3)OpenFlow协议。为控制器和交换机之间的通信提供开放的、标准化的方法。通过指定标准的接口，流量表中的表项可以在外部进行定义，从而避免了对交换机进行编程。

2、数据流分类算法及流表管理技术研究

（1）数据流分类算法

数据流分类技术为路由器等设备把到达的数据流归类为不同的数据流提供了支持机制：它用不同的规则来标识各个数据流，每条规则指出了对相应数据流中的报文应执行的操作。一个报文可能会与多条规则匹配，而在所有匹配的规则中代价最小，或者也可称为优先级最高的那条规则即为该报文的分类结果。

RFC算法（如图2）的主要思想是将IP分类问题看成一个从S位报文头向T位的classID的多步映射过程，其中T=log2N且T远小于S，其中N是则的总数。算法对报文的处理过程为：1）将报文头部各字段被划分为多个部分；2）用这些字段作为索引并行访存，获得预先计算得到的匹配信息eqID，其中eqID长度小于索引长度；3）将得到的数个eqID组合，得到新的索引；4）重复2和3，直到获得最后的规则索引号ClassID。

由于查找算法的低效始终是高性能路由器的瓶颈，因此一些算法利用硬件的并行性来加速处理。除了上述如RFC算法等一些算法能够通过ASIC设计用硬件实现外，目前较多的是使用TCAM来分类。

（2）流表管理技术研究

TCAM（Ternary Content Addressable Memory）即三态内容相关存储器，它具有容量大、查找关键字宽度可变、查找速度快等特点，已经被广泛应用于路由查找、报文分类、入侵检测等操作中。

TCAM是一种专门用于进行查找操作的硬件芯片，它能够在一个硬件时钟周期内完成关键字的精确匹配查找。与常用的随机存储器通过输入地址来返回该地址所对应的数据信息的查找方式不同，TCAM的访问方式是根据输入的关键字内容对存储器所有存储单元并行地进行搜索，快速确定与关键字匹配的所有存储单元的地址，最后返回匹配表项在存储器中所对应的地址。

TCAM具有储存数据和并行数据查找的功能，TCAM最主要的功能是并行查找功能。一次典型的TCAM查找操作过程为：首先，TCAM接收外部的查找命令并把查找数据存储到比较寄存器中，比较寄存器和掩码寄存器的内容来共同组成系统的一个查找字（search word），这些查找字广播到每一组相关联字中，每一组相关联字都有一个匹配链（matchline），匹配链指示查找字与存储字是否一致（匹配或不匹配），匹配链把结果反馈到优先译码器中，优先译码器产生一个二进制的匹配位置定位和一个匹配命中信号。由于在TCAM存储器中可能存在多个字的同时匹配，因而使用了一个优先译码器而不是简单的译码器。当有多个字同时匹配时，优先译码器选择最高优先权的匹配地址映射到匹配结果，在TCAM中低地址字具有高优先权。用基于软件映像的方法实现TCAM规则管理时，需要为TCAM中存储的规则维持一张映像表。由于TCAM中存储的规则多达数十万条，并且在实际应用中要求能够快速地定位规则，所以该映像表采用什么样的组织结构，在查找规则时运用什么算法至关重要。

基于HASH的搜索算法：元组空间查询算法（Tuple Space Search）。该算法利用规则库的特性提高搜索速度，常用于进行前缀匹配的搜索。虽然规则库中存在着大量不同的前缀，但前缀长度的取值范围却很小，因此，将同样长度的前缀组合在一起，组合的数目较有限。基于HASH的搜索算法与其它算法相比具有查找快速、管理方便、实现简单等特点。在将搜索速度作为衡量系统性能的重要指标的TCAM流表管理模块中，使用HASH表存放规则可以极大地提高搜索定位规则的速度，具有实用意义。

3、OpenFlow交换机模型—CMS

针对OpenFlow技术的结构特点和功能需求，设计面向OpenFlow的CMS（Centralization Management Switch）交换机模型。CMS交换机主要通过维护和查找一个开放流表，对网络数据流进行分类，按照不同的规则处理后进行转发。

CMS交换机由执行数据包查找和转发的开放流表和到外部控制器的安全通道两部分构成。如图3，控制器在Centralization Managment协议下通过安全通道对交换机进行管理。

CMS交换机主要由以下三部分组成：（1）一个开放数据流表，其中每条流表项对应一个规则，用于指示交换机对流的下一步处理；（2）一个安全通道，用于连接交换机与外部的控制器；（3）Centralization Managment协议，该协议为交换机与控制器之间的通信提供了一个开放的、标准的方式，以实现在两者之间指令与报文的传递。通过指定的标准的接口，Centralization Managment协议可以对数据流表的表项进行定义，从而避免由研究者来对交换机进行编程。

4、基于TCAM的多维流表查找加速技术研究

在许多高速网络处理系统，为了保证设计能线速完成深度包分类和处理，支持分类器的查找引擎必须能在很短时间内产生结果，许多更新应用往往需要查找多个表。

整个的分类器处理流程包括输入、查找以及输出三个步骤，因而整个分类操作的延时也是由各个步骤的延时构成。提出基于流水查找与并行查找两种TCAM查找引擎设计，另外一种设计方案是基于并行查找的思想，通过部署多个TCAM查找模块而大大提高分类速率。

对基于TCAM的多维流表管理与查找加速关键技术进行了研究。提出了一个多维流表查找性能评价模型，针对基于TCAM的流分类算法以及深度报文分类的应用需求，提出了5项多维流表的管理与查找加速关键技术，主要对基于流水与并行查找的分类引擎性能优化结果进行了分析。

5、CMS交换机的实现和应用

（1）CMS交换机硬件系统的设计与实现

CMS交换机的硬件系统由交换板（接口转发模块）、主控板（主控CPU模块）、电源模块等部件组成，其中，交换板是整个交换机的核心部件。交换板按照功能划分可分为输入、输出控制模块、报文匹配控制模块以及交换版配置模块。数据包进入交换机后在输入模块对其进行解析，提取关键字送至报文匹配控制模块进行查表匹配操作，根据查表结果进行相关处理后送输出模块进行转发。

（2）CMS交换机软件系统的设计与实现

CMS交换机软件系统运行在中心控制CPU板上，分为四个部分：系统支撑软件、网络控制软件、传输控制软件和配置管理软件。如图4所示。

（3）IPSec技术在CMS交换机上的应用

IPSec数据报文的处理过程作为一个典型的深度包分类应用，无论是输入还是输出数据流，都需要查询SADB和SPDB来验证数据的合法性。对于在CMS交换机上部署IPSec协议进行分析，并通过在Qutartus环境下，以IPv4五元组《源、目的IP地址，源、目的端口号，传输层协议》索引（104位）的查找为例进行功能仿真，在CMS交换机上测试SADB与SPDB的查找加速性能。根据测试结果分析CMS交换机对于IPSec协议处理加速所带来的性能优化。

引入基于TCAM的多维表项管理技术可以很好地提高IPSec协议处理速度。本文基于TCAM的多维包分类技术提出了宽度可配置、分割TCAM和基于标记位的查找表管理方案，同时具体针对IPSec协议输出与输入处理给出了基于TCAM的SADB和SPDB的管理和实现方法。对TCAM内段的宽度进行配置，可以最大的提高TCAM存储使用率，提高系统性能。合理配置全局屏蔽寄存器与标记位配合，可以在一个TCAM内存储不同宽度、深度的多个查找表，很好的满足了IPSec协议中对SADB和SPDB的查表需求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种面向OpenFlow的集中管理交换机，其特征在于所述交换机包括顺序相连的输入控制模块、报文匹配控制模块和输出控制模块；

所述输入控制模块用于接收OpenFlow交换机发送的数据包，并对数据包进行解析，提取其中的关键字后发送至报文匹配控制模块；

所述报文匹配控制模块用于对关键字进行查表匹配操作，并将查表匹配结果发送至输出控制模块；

所述输出控制模块用于输出查表匹配结果；

所述报文匹配控制模块包括三元内容可寻址存储器，所述三元内容可寻址存储器由顺序连接的比较寄存器、掩码寄存器、存储器和优先译码器组成；

所述比较寄存器用于存储报文匹配控制模块接收的关键字并发送至掩码寄存器；

所述掩码寄存器用于将关键字转换为查找字并发送至存储器；

所述存储器用于存储含有OpenFlow数据处理规则的流表，还用于接收查找字，并根据查找字在含有OpenFlow数据处理规则的流表中进行查找操作，查找到与查找字匹配的OpenFlow数据处理规则，最后将匹配的OpenFlow数据处理规则发送至优先译码器；

所述优先译码器用于接收匹配的OpenFlow数据处理规则，并在匹配的OpenFlow数据处理规则中找到最优的OpenFlow数据处理规则，并根据最优的OpenFlow数据处理规则产生匹配位置定位信号和匹配命中信号。

2.一种使用如权利要求1所述的交换机进行数据处理方法，其特征在于所述方法包括：

步骤1：输入控制模块接收OpenFlow交换机发送的数据包，并对数据包进行解析，提取其中的关键字后发送至报文匹配控制模块；

步骤2：报文匹配控制模块的比较寄存器关键字并发送至掩码寄存器；

步骤3：掩码寄存器将关键字转换为查找字并发送至存储器；

步骤4：存储器根据查找字在含有OpenFlow数据处理规则的流表中进行查找操作，查找到与查找字匹配的OpenFlow数据处理规则；

步骤5：存储器将匹配的OpenFlow数据处理规则发送至优先译码器；

步骤6：优先译码器接收匹配的OpenFlow数据处理规则，并在匹配的OpenFlow数据处理规则中找到最优的OpenFlow数据处理规则，并根据最优的OpenFlow数据处理规则产生匹配位置定位信号和匹配命中信号；

步骤7：优先译码器将匹配位置定位信号和匹配命中信号发送至输出控制模块；

步骤8：输出控制模块输出匹配位置定位信号和匹配命中信号。

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