CN103368851B - 基于资源复用的Openflow流表存储优化方法 - Google Patents
基于资源复用的Openflow流表存储优化方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，涉及软件定义网络中Openflow流表，包括步骤：S1.在Openflow流表的表项中添加掩码标识字段和范围标识字段，从掩码标识索引至一个掩码表，从范围标识索引至一个范围表，流表的表项中仅存储能检索到计数器、操作/指令的索引；S2.转发设备收到增加表项的命令后，遍历当前流表中已存在表项，分析待增表项与每个已存表项的相关性，将该已存表项与关联度最大的待增表项合并后写入流表，删除已存表项；若关联度为0，该待增表项作为新的表项在流表中创建。本发明优化了流表表项的信息存储，能够高效利用现有硬件资源，达到在同样硬件条件下存储更多的流表表项的目的。
Description
技术领域
本发明涉及软件定义网络中Openflow流表领域，具体来讲涉及基于资源复用的Openflow流表存储优化方法。
背景技术
互联网作为人类历史上最重要的发明之一，目前已成为世界上覆盖范围最广、规模最大、拥有信息和知识海洋的全球基础设置。同时，互联网也已成为人们无法离开的强有力的信息获取工具，在人们的工作和生活中扮演着极其重要的角色，而且，互联网对人类工作和生活的影响以及人们对互联网的依赖日渐加深。
但是，互联网在发展过程中也已发现存在很多问题，面临各种挑战。其体系架构复杂度高、可扩展性差、对硬件设备依赖性强、虚拟化能力弱等等问题，与应用对网络的高效、智能、开放、灵活、低成本的矛盾日渐尖锐，难以调和。
SDN(SoftwareDefinedNetworking，软件定义网络)为互联网存在的上述问题带来了解决契机。它正好是针对现有包括互联网的各种网络体系架构上的不足而生，基于软件定义的网络能够满足未来应用对网络的各种需求。
软件定义网络最初起源于斯坦福大学提出的Openflow协议。事实上，当前SDN网络的主要代表仍然是以Openflow协议为核心。标准化组织ONF(OpenNetworkFoundation，开放网络基金会)正在进行Openflow的标准化工作，Openflow标准从1.0版本发展到1.3.1版本，而Openflow1.3.1版本是目前已经发布的最新版本，更高Openflow标准版本正在研制中。如图1所示，为Openflow标准1.0中定义的流表表项结构，基本的流表表项至少包含HeaderFields(分组头字段)、Counters(计数器)和Actions(操作)三部分，HeaderFields(分组头字段)包含一组用于标识流的字段，Counters包含一组计数器，Actions包含一个或多个操作。如图2所示，为Openflow标准1.1到1.3.1版本中定义的流表表项结构，基本的流表表项至少包含MatchFields(匹配字段)、Counters(计数器)和Instructions(指令)三部分，MatchFields(匹配字段)包含一组用于标识流的字段，Counters包含一组计数器，Instructions包含一个或多个操作。
由图1和图2可知，Openflow虽然是当前SDN网络的主流技术之一，但它也存在一些问题，面临强大挑战。首先，标准中关于转发流表的设计，由于需要的流表存储空间巨大，在具体硬件设备上实现困难很大。Openflow标准在演进过程中，HeaderFields/MatchFields中的字段是逐渐增加的，这使得流表的规模越来越庞大，需要的存储量也越来越大。仅仅按Openflowv1.1标准定义的匹配字段就达356位，因此理论上其需要的存储空间将会是天文数字。Counters和Actions需要的存储空间也很大。而且，由于网络中很多流的转发行为相同，如果每个流表项都包含Counters和Actions的全部内容，存储空间浪费很大。
另外，流表的存储常常用价格昂贵的TCAM(TernaryTontentAddressableMemory，三重内容寻址存储器)来实现，因此，精细高效的设计更为必要。流表中条目的字段也在不断增加，随着网络规模的扩大，流表的规模将会成指数增长，既难以在硬件上实现，同时，实现的硬件成本也很高。
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发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，高效利用现有硬件资源实现，以达到在同样硬件条件下存储更多的流表表项的目的。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，包括步骤：S1.在Openflow流表的表项中添加掩码标识字段和范围标识字段，从掩码标识索引至一个掩码表，从范围标识索引至一个范围表，掩码表的表项表示流表中每个分组头字段/匹配字段的掩码，范围表的表项表示流表中每个分组头字段/匹配字段的连续范围，且流表的表项中不直接存储计数器和操作/指令信息，仅存储能检索到计数器、操作/指令的索引；S2.转发设备收到增加表项的命令后，遍历当前流表中已存在的表项，分析待增表项与每个已存表项的相关性，所述待增表项与已存表项的关联度根据二者的转发行为是否一致来判断，若转发行为一致，则进一步计算关联度，找到与待增表项关联度最大的已存表项，将该已存表项与待增表项合并后写入流表后，删除该已存表项；若转发行为不一致，则已存表项与待增表项关联度为0，将该待增表项作为新表项在流表中创建。
在上述技术方案的基础上，所述掩码标识或范围标识设定一个特定值，用于表示不需要掩码值或范围值的情形。
在上述技术方案的基础上，所述掩码表的表项长度、范围表的表项长度，均与Openflow流表中匹配字段/分组头字段的表项长度相同。
在上述技术方案的基础上，所述待增表项与已存表项的关联度，根据二者的转发行为是否一致来判断，不考虑计数器的影响，若转发行为不一致，则二者的关联度为0；若转发行为一致，则进一步计算关联度。
在上述技术方案的基础上，若待增表项与已存表项能用一个表项加掩码、或一个表项加范围表示，或者一个表项加掩码和范围三者共同表示，则这个公共表项使用的范围或掩码的比特长度，即为待增表项与该已存表项的关联度。
在上述技术方案的基础上，所述合并时，若合并涉及的已存表项对应的数据流在活跃中，则该数据流的转发行为不受表项合并的影响。
在上述技术方案的基础上，所述待增表项与已存表项合并后进入流表，在生效前保留参与合并的已存表项。
在上述技术方案的基础上，所述待增表项与已存表项合并后的表项写入流表时，其优先级比流表中已存在的表项低；若优先级与流表中已存在的表项相同，则其查找顺序比已存在的表项低。
本发明的有益效果在于：本方法基于Openflow定义的流表结构进行扩展和优化，优化了表项的信息存储，并且相互关联的表项可共用一个硬件表项条目存储，能够达到在同等硬件条件下存储更多流表表项的目的，从而提高转发设备性能和降低硬件成本的目标,使得昂贵的硬件资源得到充分利用。
附图说明
图1为背景技术中Openflow标准1.0定义的流表示意图；
图2为背景技术中Openflow标准1.1到1.3.1定义的流表示意图；
图3为本发明实施例所定义的流表示意图；
图4为本发明实施例步骤S2的具体流程图；
图5为本发明实施例流表的表项关联度示例图；
图6为本发明实施例表项合并后写入流表的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明所述基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，应用涉及现有硬件设备条件下的控制器和转发设备，还包括关联度寄存器和最大关联度表项标识寄存器，二者是为了本方法实施而使用的两个寄存器，本发明的具体步骤为：
S1.在Openflow流表基础上设计流表，如图3所示，在Openflow流表的表项中增加了MaskId(掩码标识)字段和RangeId(范围标识)字段，为所述MaskId或RangeId设定一个特定值(如0xffffffff)，用于表示不需要掩码值或范围值的情形，这样极大的保证表项复用的效率。从MaskId可索引至Mask(掩码)表，从RangeId可索引至Range(范围)表，Mask表的表项长度和Range表的表项长度，均与Openflow流表中HeaderFields/MatchFields的长度相同，Mask表的表项表示流表中每个HeaderFields/MatchFields的掩码，Range表的表项表示流表中每个HeaderFields/MatchFields的连续范围。并且Counters和Actions/Instructions两部分内容从流表表项中移出，流表的表项中不直接存储计数器、操作/指令信息，仅存储能检索到Counters、Actions/Instructions两部分的索引，计数器、操作/指令在其它表中存储。
S2.转发设备收到增加表项的命令后，遍历当前流表中已存在的表项，分析待增表项与每个已存表项的相关性，找到与待增表项关联度最大的已存表项，将该已存表项与待增表项合并后写入流表后，删除该已存表项；若两者关联为0，该待增表项作为新表项在流表中创建。如图4所示，本部分的详细步骤如下：
S201.控制器得到添加流表的表项需求时，向转发设备发送添加表项的命令；转发设备从控制器得到待增表项。
S202.转发设备做好添加待增表项的准备，设置相应的工作环境，如清空关联度寄存器和最大关联度表项标识寄存器等。
S203.判断现有流表中是否有未分析的已存表项，若是，进入S204；若否，进入S207。
S204.计算第一个未分析的已存表项与待增表项的关联度。根据已存表项与待增表项的转发行为是否一致来判断关联度，大部分应用场景判断转发行为一般可以不考虑计数器的影响，若转发行为不一致，则二者的关联度为0；若转发行为一致，则进一步计算关联度。如果待增表项与已存表项能用一个表项加掩码、或一个表项加范围表示，或者一个表项加掩码和范围三者共同表示，则这个公共表项使用的范围或掩码的比特长度，即为待增表项与该已存表项的关联度。
如图5所示，为本发明流表的表项关联度示例图，图中省略了源IP和目的IP以外的其它字段，假定待增表项与给出的几个已存表项(已存表项1……已存表项4)的转发行为相同。图5中，已存表项1与待增表项无法用一个公共表项表示，因此两者关联度为0；待增表项的源IP最后一位与已存表项2可借助于范围用一个公共表项表示，并且该字段范围值可用1比特表示，因此两者关联度为1；依次类推，可得出已存表项3与待增表项的关联度为9，已存表项4与待增表项的关联度为2。
S205.判断已存表项与待增表项的关联度，是否大于关联寄存器的值，即是否为目前最大的关联度，若是，进入S206；若否，转入S203。
S206.更新关联寄存器和最大关联度表项标识寄存器。
S207.判断当前关联度寄存器是否为非0，若是，进入S208；若否，进入S209。
S208.待增表项合并到具有最大关联度的表项后写入流表，结束。由于表项合并涉及到流表中已存表项，而已存表项对应的数据流很可能在活跃中，若合并涉及的已存表项对应的数据流在活跃中，则该数据流的转发行为不受表项合并的影响，此为表项合并的前提条件。所述待增表项与已存表项合并后进入流表，在生效前保留参与合并的已存表项。待增表项与已存表项合并后的表项写入流表时，为了确保已存表项依然有效，合并后的表项优先级比流表中已存表项低，或者优先级与流表中已存表项相同，则其查找顺序比已存表项低。在合并后的表项写入流表中后，删除该已存表项，并修改合并后的表项与原流表中已存表项的优先级相同。
S209.待增表项作为流表中新表项创建，结束。
如图6所示，为本发明实施例表项合并后写入流表的流程图，其步骤为：
A1.转发设备获取合并后表项的内容。
A2.转发设备获取已存表项的优先级。
A3.判断该已存表项优先级是否为最低，若是，进入A4；若否，进入A7。
A4.找到一个优先级低于该已存表项优先级的空表项。
A5.将合并后表项的内容写入该空表项。
A6.清空该已存表项，并修改该空表项的优先级为该已存表项优先级，结束。
A7.找到一个优先级可以设置为该已存表项优先级，但是查找顺序在该已存表项查找顺序之后的空表项。
A8.将合并后表项的内容写入A7中的该空表项，其优先级为该已存表项优先级。
A9.清空该已存表项，结束。
本发明基于资源复用的Openflow流表存储优化方法所涉及的转发设备，应同时支持传统的二、三层转发模式和基于SDN的转发模式，两种模式的切换通过配置的改变来实现，该转发设备具有多个千兆和万兆以太网接口。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于，包括步骤：
S1.在Openflow流表的表项中添加掩码标识字段和范围标识字段，从掩码标识索引至一个掩码表，从范围标识索引至一个范围表，掩码表的表项表示流表中每个分组头字段/匹配字段的掩码，范围表的表项表示流表中每个分组头字段/匹配字段的连续范围，且流表的表项中不直接存储计数器、操作/指令信息，仅存储能检索到计数器、操作/指令的索引；
S2.转发设备收到增加表项的命令后，遍历当前流表中已存在的表项，分析待增表项与每个已存表项的相关性，所述待增表项与已存表项的关联度根据二者的转发行为是否一致来判断，若转发行为一致，则进一步计算关联度，找到与待增表项关联度最大的已存表项，将该已存表项与待增表项合并后写入流表后，删除该已存表项；若转发行为不一致，则已存表项与待增表项关联度为0，将该待增表项作为新表项在流表中创建。
2.如权利要求1所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：所述掩码标识或范围标识设定一个特定值，用于表示不需要掩码值或范围值的情形。
3.如权利要求1所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：所述掩码表的表项长度、范围表的表项长度，均与Openflow流表中匹配字段/分组头字段的表项长度相同。
4.如权利要求1所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：若待增表项与已存表项能用一个表项加掩码、或一个表项加范围表示，或者一个表项加掩码和范围三者共同表示，则这个公共表项使用的范围或掩码的比特长度，即为待增表项与该已存表项的关联度。
5.如权利要求1所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：所述合并时，若合并涉及的已存表项对应的数据流在活跃中，则该数据流的转发行为不受表项合并的影响。
6.如权利要求1所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：所述待增表项与已存表项合并后进入流表，在生效前保留参与合并的已存表项。
7.如权利要求6所述的基于资源复用的Openflow流表存储优化方法，其特征在于：所述待增表项与已存表项合并后的表项写入流表时，其优先级比流表中已存在的表项低；若优先级与流表中已存在的表项相同，则其查找顺序比已存在的表项低。
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Effective date of registration: 20170327 Address after: 430000 East Lake high tech Development Zone, Hubei Province, No. 6, No., high and new technology development zone, No. four Patentee after: Fenghuo Communication Science &. Technology Co., Ltd. Address before: China Science and Technology Park Dongxin road East Lake Development Zone 430074 Hubei Province, Wuhan City, No. 5 Patentee before: Wuhan Fenghuo Network Co., Ltd. |
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