CN103368872A

CN103368872A - 数据包转发系统和方法

Info

Publication number: CN103368872A
Application number: CN2013103151738A
Authority: CN
Inventors: 刘杰
Original assignee: Guangdong Efly Network Co Ltd
Current assignee: Guangdong Efly Network Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明实施例公开了一种数据转发系统和方法。所述系统包括：交换机硬件和CPU平台，其中，所述交换机硬件和所述CPU平台相连接，所述交换机硬件用于接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则，转发所述数据包；否则，发送所述数据包至所述CPU平台；所述CPU平台提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部配置的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入所述交换机硬件，传输所述数据包至所述交换机硬件。本发明实施例提供的系统使得七层交换的实现既具有较低的实现成本，又具有较高的交换性能。

Description

数据包转发系统和方法

技术领域

本发明涉及计算机和通信技术领域，尤其涉及一种数据包转发系统和方法。

背景技术

在现代社会中，充分利用带宽资源对互联网上的应用进行管理，日益成为服务提供商关注的焦点，专门针对传输层到应用层进行管理的网络技术变得非常重要。同时，交换技术正朝着智能化的方向演进，从最初的第二层交换发展到第三层交换，目前已经演进到网络的第七层应用层的交换。交换技术演进的根本目的就是在降低成本的前提下，保证网络的高可靠性、高性能、易维护、易扩展，最终达到网络的智能化管理。第七层交换技术通过应用层交换机实现了所有高层网络功能，使网络管理者能够以更低的成本，更好地分配网络资源。

在现有技术中，七层交换技术暂时没有一定硬性的实现标准，各个厂家均有自己不同的实现方式，但主要的实现方式分为软件实现和硬件实现两种。

硬件实现的七层交换大都使用专有设计的电路芯片，例如，将所有功能集中在一个ASIC（Application Specific Integrated Circuit，为专门目的而设计的集成电路）上。ASIC比传统路由器的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）便宜，而且通常分布在网络端口上，在单一设备中包括了50个ASIC，可以支持数以百计的接口。新的ASIC允许智能交换机/路由器在所有的端口上以极快的速度转发数据，通过这种方式实现的七层交换设备往往都具有较好的运行性能，更能保证网络的服务质量，但需要专业的电路设计，这个技术门槛相对较高；另外，设计在硬件电路上的交换策略在硬件制作时就已经固定，不可以依照应用环境进行二次开发，使用也不够灵活。

软件实现的七层交换大都使用通用的CPU处理平台，例如，Intel（英特尔）处理器和ARM（Advanced RISC Machines，高级精简指令集处理器）等。如果只是完成简单的流量交换功能，这种实现方式的性能还是可以满足要求的。但是，当技术人员试图使用基于软件的负载均衡设备实现更多涉及应用层数据的智能交换时，速度问题就无法忽视了。总的来说，依靠软件实现的七层交换设备，不能以任何接近实时的处理速度来完成交换任务，从而导致对终端用户服务的响应迟缓，使整个系统的性能恶化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种数据包转发系统和方法，本方案可以解决七层交换的实现方式中，硬件实现方式成本较高并且缺乏灵活性；软件实现方式性能不够好，无法满足实时性要求的技术问题，使得七层交换的实现既具有较低的实现成本，又具有较高的交换性能。

在第一方面，本发明实施例提供了一种数据包转发系统，所述系统包括：交换机硬件和CPU平台，其中，所述交换机硬件和所述CPU平台相连接，所述交换机硬件用于接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则转发所述数据包；否则，发送所述数据包至所述CPU平台，所述CPU平台提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入所述交换机硬件，传输所述数据包至所述交换机硬件，所述交换机硬件根据所述CPU平台构造的与所述数据包对应的交换规则，转发所述数据包。

在第一种可能的实现方式中，所述交换机硬件和所述CPU平台通过总线相连接。

进一步地，所述四层交换机硬件包括：连接控制接口和连接数据接口，所述连接控制接口和所述连接数据接口分别通过所述总线与所述CPU平台相连，所述CPU平台通过所述连接控制接口写入所述与所述数据包对应的交换规则，通过所述连接数据接口向所述交换机硬件传输数据包；所述交换机硬件通过所述连接数据接口向所述CPU平台传输所述数据包。

在第二种可能的实现方式中，所述交换机硬件为四层交换机硬件。

在第三种可能的实现方式中，所述CPU平台还包括连接控制寄存器，当所述CPU平台对收到的所述数据包未完成所述特征匹配时，缓存所述数据包至所述连接控制寄存器。

在第二方面，本发明实施例提供了一种数据包转发方法，所述方法包括：

S1、交换机硬件接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则转发所述数据包；否则，发送所述数据包至CPU平台；

S2、所述CPU平台提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入所述交换机硬件；

S3、所述交换机硬件根据所述CPU平台构造的与所述数据包对应的交换规则，转发所述数据包。

在第一种可能的实现方式中，所述交换机硬件为四层交换机硬件。

进一步地，所述步骤S1进一步包括：

所述交换机硬件接收数据包，获取所述数据包的五元组信息；

对所述五元组信息进行硬件哈希运算，得到哈希键值；

所述交换机硬件查找内部存储的哈希单元，判断是否存在与所述哈希键值对应的交换规则：若是，根据所述交换规则，转发所述数据包；否则，发送所述数据包至所述CPU平台。

进一步地，所述将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配的方法包括：特征字符串匹配的方法和正则表达式匹配的方法。

在第二种可能的实现方式中，所述方法还包括，在预定的时间内，所述CPU平台对所述交换机硬件中存储的交换规则进行删除的步骤。

本发明实施例通过使用四层硬件交换和七层软件交换结合的方式，综合了硬件四层交换电路简单、成本低和软件七层交换实现灵活的优点。即减轻了硬件电路设计的复杂性，降低了成本，又提升了交换性能。除了少部分的数据报文需要提交到七层软件交换处理外，连接的其他数据包均在硬件交换电路中完成；同时，软件七层交换策略也提供了更大的灵活性，使得本发明实施例提供的数据包转发系统和方法可以应用于各种网络环境中。

附图说明

图1是现有技术中四层交换机系统的结构示意图；

图2是现有技术中七层交换机系统的结构示意图；

图3是本发明第一实施例的一种数据包转发系统的结构示意图

图4是本发明第一实施例的一种数据包转发方法的流程图；

图5是本发明第一实施例的一种四层交换机硬件的数据包转发方法的流程图；

图6是本发明第一实施例的一种CPU平台的数据处理方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1是现有技术中四层交换机系统的结构示意图。如图1所示，所述四层交换机系统包括：终端1、111，终端2、112，……，终端n、113，四层交换机120，服务器1、131，服务器2、132，……，服务区n、133。其中：n个终端和n个服务器分别与四层交换机的不同端口相连接。

四层交换机的工作原理是：接收一个数据流的第一个数据包，为该数据包选择一个服务器转发出去，并将转发规则记录，对于该流的后续数据包则根据其五元组数据：源IP（Internet Protocol，网际协议）地址、目的IP地址、协议类型、源端口号和目的端口号来进行转发，使得同一个流的数据包始终由同一个服务器来处理。

应用层交换技术就是根据连接中的应用层信息，例如：URL（UniformResource Locator，统一资源定位符）或者Cookie等信息进行交换，可以实现将不同内容的请求导向到不同的服务器上，从而实现不同内容的独立维护。其中，Cookie指指某些网站为了辨别用户身份、进行跟踪而储存在用户本地终端上的数据。

例如：静态的HTML（Hypertext Markup Language，超文本标记语言）页面可以存储在速度慢但是容量大的服务器上，动态的CGI（Computer GraphicsInterface，计算机图像接口）页面则由速度快的服务器来进行管理。

图2是现有技术中七层交换机系统的结构示意图。如图2所示，所述七层交换机系统包括：终端210，七层交换机220，服务器1、231，服务器2、232，……，服务区n、233。

其中，不同种类的文件数据可以分类由不同的服务器，或者服务器组，进行处理。例如：jpg（Joint Photographic Experts GROUP，静态图像国际数字图像压缩标准）类文件和gif（Graphics Interchange Format，图像互换格式）类图形文件由服务器1、231处理；bin（Binary，二进制文件）类文件、cgi类图形接口文件以及exe（EXE File，可执行文件）类执行文件由服务器2、232处理；html类文件数据由服务器3、233处理。

图3是本发明第一实施例的数据包转发系统的结构示意图。如图3所示，所述系统包括：交换机硬件31和CPU平台32。

交换机硬件31和CPU平台32相连接，交换机硬件31用于接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则转发所述数据包；否则，发送所述数据包至CPU平台32，CPU平台32提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入交换机硬件31，传输所述数据包至交换机硬件31，交换机硬件31根据所述CPU平台构造的与所述数据包对应的交换规则，转发所述数据包。

在本实施例中，CPU平台包括：Intel平台和ARM平台等。

在一个例子中，交换机硬件31和CPU平台32通过总线，例如：PCI-E（Peripheral Component Interconnect Express，增强型外设互联标准）总线相连接。

可以理解的是，本实施例中连接总线还可以选择其他形式的总线，例如，PCI（Peripheral Component Interconnect，外设互联标准）总线或者ISA（IndustryStandard Architecture，工业标准体系结构）总线等，对此并不限定。

在一个例子中，交换机硬件31包括：连接控制接口（未示出）和连接数据接口（未示出），连接控制接口和连接数据接口分别通过总线与CPU平台32相连，CPU平台32通过所述连接控制接口写入所述与所述数据包对应的交换规则，通过所述连接数据接口向交换机硬件31传输数据包；交换机硬件31通过所述连接数据接口向CPU平台32传输所述数据包。

在一个例子中，CPU平台32还包括连接控制寄存器（未示出），当CPU平台32对收到的数据包未完成所述特征匹配时，缓存所述数据包至所述连接控制寄存器。

图4是本发明第一实施例的一种数据转发方法的流程图。如图4所示，所述方法包括：

步骤410、交换机硬件接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则转发所述数据包；否则，发送所述数据包至CPU平台。

在一个优选的实施方式中，交换机硬件为四层交换机硬件。

在现有技术中，四层交换机可以支持TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）/UDP（User Datagram Protocol用户数据报协议）第四层以下的所有协议，可识别至少40字节的数据包的包头长度。

如图5所示为一种四层交换机硬件的数据转发方法的流程图。此时，步骤410进一步包括：

步骤411、交换机硬件接收数据包，获取所述数据包的五元组信息；

在本实施方式中，数据包的五元组信息包括：源IP地址、目的IP地址、协议类型、源端口号和目的端口号。

步骤412、对所述五元组信息进行硬件哈希运算，得到哈希键值。

哈希运算，就是把任意长度的输入，通过预定哈希函数进行函数变换，变换成固定长度的输出。该输出值也被称为哈希键值。哈希可以定义一种数据内容和数据存放地址之间的映射关系。

一般来讲，哈希函数可以划分为以下几类：加法哈希、位运算哈希、乘法哈希、除法哈希、查表哈希和混合哈希等。

在实际应用中，本领域技术人员可以根据选择的四层交换机的硬件参数和对交换网络的性能要求，选择合适的哈希函数，并将该函数以硬件的形式在所述四层交换机中实现。

例如：接收数据包的五元组数据为：192.168.1.110000TCP321.14.88.7680，表示：一个IP地址为192.168.1.1的终端通过端口10000，利用TCP协议，和IP地址为321.14.88.76，端口为80的终端进行连接。

假设，四层交换机对该五元组数据进行位运算哈希，得到哈希键值为：0x5268e236。

步骤413、交换机硬件查找内部存储的哈希单元，判断是否存在与所述哈希键值对应的交换规则：若是，执行步骤414；否则，执行步骤415。

在本实施例中，四层交换机硬件内部存储有哈希单元，哈希单元中存储了数据交换规则，哈希单元所在的内存地址与哈希键值一一对应。

例如：在四层交换机硬件中将地址从0x52000000～0x54000000的内存定义为哈希单元，在每一个哈希单元中存储有数据交换规则，如表1所示。

在本实施例中，若对接收到的数据包进行硬件哈希计算，得到哈希键值为：0x5268e236，在交换机的内存地址为0x5268e236的位置，可以查找到交换规则：f0/2；若对接收到的数据包进行硬件哈希计算，得到哈希键值不属于交换机硬件设定的哈希单元范围，无法查找到交换规则。

表1

内存地址	交换端口
		0x5268e235	f0/1
0x5268e236	f0/2
		0x5268e237	f1/1

步骤414、根据所述交换规则，转发所述数据包。

例如，当交换机硬件对一个数据包查找到的交换规则为f0/2，交换机硬件将该数据包通过交换机硬件的f0/2端口转发出去。

步骤415、发送所述数据包至所述CPU平台。

可以理解的是，本发明实施例的四层交换机中的数据包转发还可以通过其他方式实现，对此并不限定。

步骤420、CPU平台提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入交换机硬件。

如图6所示的为一种CPU平台的数据处理方法的流程图。此时，步骤420进一步包括：

步骤421、CPU平台打开接收到的数据包，提取所述数据包中的应用层中的URL信息。

在本实施例中，数据包中应用层信息中的URL信息位于数据包中的固定位置。CPU平台将接收到的数据包解包后，可以通过预先设定读取偏移量的方式，读取从所述偏移量开始的一段数据，可以通过将所述读取偏移量设置为数据包中URL地址开始的位置，实现所述数据包中的应用层的URL信息的提取。

步骤422、判断URL信息是否与CPU平台中内部存储的URL特征相匹配：若是，执行步骤423；否则，执行步骤424。

在本实施例中，可以通过特征字符串匹配和正则表达式匹配的方式，判断URL信息是否与CPU平台中内部存储的URL特征相匹配。

可以理解的是，本实施例中完成URL信息与CPU平台中内部存储的URL特征进行匹配的过程还可以采取其他方式，对此并不限定。

在本实施例中，CPU平台中内部存储的URL特征包括：*.jpg特征、*.gif特征、*.cgi特征、*.bin特征、*.exe特征和*.html特征等。

步骤423、根据URL特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入交换机硬件。

在本实施例中，CPU平台在其内部存储了URL特征与数据包处理策略，将类型不同的URL数据包，转发至不同的交换机端口，其中不同的交换机端口连接不同的服务器或者服务器组。

例如，URL特征与数据包处理策略的对应关系表如表2所示：

在本实施例中，CPU平台根据表2所示的URL特征对应与数据包处理策略对应关系表，构造与所述数据包对应的交换规则，写入交换机硬件。

在本实施例中，CPU平台按照四层交换机内部存储的交换规则格式，将与上述数据包对应的数据包处理策略写入四层交换机硬件。

表2

URL特性	数据包处理策略
		*.jpg	f0/1
*.bin	f0/2
		*.html	f1/1

例如，若CPU平台收到的数据包的五元组为：192.168.1.110000TCP321.14.88.7680，URL为：www.test.com/test.html，CPU平台采用与四层交换机相同的哈希算法，计算该数据包五元组的哈希键值为：0x5268e248，CPU构造的与所述数据包对应的交换规则如表3所示：

表3

内存地址	交换端口
		0x5268e248	f1/1

步骤425、传输所述数据包至所述交换机硬件。

步骤424、缓存或者丢弃数据包。

可以理解的是，CPU平台根据接收到的数据包，找到数据包处理策略的过程还可以通过其他的方式，对此并不限定。

步骤330、交换机硬件根据所述CPU平台构造的与所述数据包对应的交换规则，转发数据包。

在本实施例中，所述数据包转发方法还包括，在预定的时间内，所述CPU平台对所述交换机硬件中存储的交换规则进行删除的步骤（未示出）。作为示例而非限定，可以将所述预定的时间设为1小时，当然，在实际应用中，本领域技术人员可根据实际情况对预定的时间的大小进行预设。

本技术方案通过使用四层硬件交换和七层软件交换结合的方式，综合了硬件四层交换电路简单、成本低和软件七层交换实现灵活的优点。即减轻了硬件电路设计的复杂性，降低了成本，又提升了交换性能。除了少部分的数据报文需要提交到七层软件交换处理外，连接的其他数据包均在硬件交换电路中完成；同时，软件七层交换策略也提供了更大的灵活性，使得本发明实施例提供的数据包转发系统和方法可以应用于各种网络环境中。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，他们可以用计算机装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims

1.一种数据包转发系统，其特征在于，所述系统包括：交换机硬件和CPU平台，其中，所述交换机硬件和所述CPU平台相连接，所述交换机硬件用于接收数据包，判断自身是否存储与所述数据包相匹配的交换规则：若是，根据所述交换规则转发所述数据包；否则，发送所述数据包至所述CPU平台，所述CPU平台提取所述数据包中的应用层信息，将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配，若完成所述特征匹配，根据所述应用层特征对应的数据包处理策略，构造与所述数据包对应的交换规则，写入所述交换机硬件，传输所述数据包至所述交换机硬件，所述交换机硬件根据所述CPU平台构造的与所述数据包对应的交换规则，转发所述数据包。

2.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，所述交换机硬件和所述CPU平台通过总线相连接。

3.根据权利要求2所述的数据转发系统，其特征在于，所述交换机硬件包括：连接控制接口和连接数据接口，所述连接控制接口和所述连接数据接口分别通过所述总线与所述CPU平台相连，所述CPU平台通过所述连接控制接口写入所述与所述数据包对应的交换规则，通过所述连接数据接口向所述交换机硬件传输数据包；所述交换机硬件通过所述连接数据接口向所述CPU平台传输所述数据包。

4.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，所述交换机硬件为四层交换机硬件。

5.根据权利要求1所述的数据转发系统，其特征在于，所述CPU平台还包括连接控制寄存器，当所述CPU平台对收到的所述数据包未完成所述特征匹配时，缓存所述数据包至所述连接控制寄存器。

6.一种数据转发方法，其特征在于，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的数据转发方法，其特征在于，所述交换机硬件为四层交换机硬件。

8.根据权利要求7所述的数据转发方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

对所述五元组信息进行硬件哈希运算，得到哈希键值；

9.根据权利要求6所述的数据转发方法，其特征在于，所述将所述应用层信息与内部存储的应用层特征进行特征匹配的方法包括：特征字符串匹配的方法和正则表达式匹配的方法。

10.根据权利要求6所述的数据转发方法，其特征在于，所述方法还包括，在预定的时间内，所述CPU平台对所述交换机硬件中存储的交换规则进行删除的步骤。