CN103401777B - Openflow的并行查找方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种openflow的并行查找方法及系统。该方法及系统是针对于openflow的多元组、多表项的数据查找，提出一种纵向切分规则表，压缩存储的存储形式，从而实现对存储空间的需要。通过各引擎并行的查找以实现快速查找转发功能。将Openflow内的一张流表纵向进行切分压缩存储，各引擎并行处理各自的头域部分，以达到快速报文分类转发的目的。克服openflow复杂规则查表效率低、功耗大的问题。

Description

Openflow的并行查找方法和系统

技术领域

本发明涉及互联网数据分类查找，具体涉及Openflow的多数据域表项的分类查找以及对表项RAM的存储管理方法。

背景技术

在网络中，随着各种传输技术的进步，网络带宽的增长速度逐渐超过了CPU处理能力的增长速度，而且这种差距有着进一步加大的趋势。飞速发展的网络应用促进了网络传输带宽的增加，传输介质已经不是整个系统的瓶颈；相反，网络中的传输节点，也就是路由器、交换机等执行网络数据处理与转发的设备正成为网络系统中的瓶颈。

然而在网络中的传输节点为了实现区分服务、基于策略转发、高层交换等功能都需要实现报文的分类转发，根据一个或者多个数据域进行的精确或通配的查找分类方法在很多应用中都得到了体现。然而，随着网络传输速度的增长，以前的查找技术已经越来越不能满足现在应用的新业务在查找分类的性能方面提出的要求。

针对今天的互联网业务提出的越来越高的传输效率和质量要求，为了满足互联网新的业务需求。斯坦福大学提出了一种新型网络交换模型—Openflow，参见图1。这种网络交换模型以创新的网络互联理念解决当前网络面对新业务产生的种种瓶颈。Openflow的思想是把网络的控制权交到网络所有者、个人用户或个别应用的手中。这些用户可以通过事先规定好的接口操作来控制Openflow交换机中的流表，从而达到控制数据转发的目的。流表由很多个流表项组成，每个流表项就是一个转发规则。进入交换机的数据流通过查询流表来获得转发的控制信息。Openflow规范（V1.0、V1.1、V1.2）规定流表项由头域、计数器和操作组成；其中头域是个十二元组，是流表项的标识；计数器用来计数流表项的统计数据；操作标明了与该流表项匹配的数据包应该执行的操作。通过将数据流与流表中的流表项匹配，从而决定转发的动作。与传统的报文头规则匹配相比，Openflow的流表规则匹配面临更多技术难点。首先是流表的匹配域长度长、维数多（Openflow1.0匹配域长为252位，维数为十二维），普通的查找算法对多维长字段规则匹配的处理速率低。其次是随着Openflow版本的不断演进，要求支持的匹配方式也越来越灵活（V1.0以后版本要求支持bitmask匹配），匹配算法实现比较困难。

现在硬件实现复杂的多数据域查找主要是使用TCAM实现，但是由于现在匹配字段的长度超过200比特，而一般IPV4TCAM匹配字段长度只有60-80个比特，开销增加了3倍左右。另外，功耗也有很大程度的提高。

根据以上Openflow规范要求和匹配域特点，本文针对Openflow1.0的十二元组为研究对象，提出一种并行的查找方法，以实现针对Openflow多维长字段的规则匹配。此方法实现比较灵活，将来可以扩展支持TLV（Type-length-value）格式规则,也可以选择支持bitmask查找算法使其扩展支持bitmask规则查找。

发明内容

本发明要解决的问题是提出一种实现Openflow的并行查找的分类方法，以克服Openflow复杂规则查表效率低、功耗大的问题。

本发明通过分而治之的思想，将流表表项按照域的不同进行纵向切分，通过压缩合并同一域内相同字段值来实现域的压缩，并通过规则标识位来标识压缩域所对应的规则，从而实现表项的压缩。在查找时，利用硬件的并行性，对各域并行查找，将查找的结果进行对比，查找同时匹配各域的表项，输出与之对应的规则。

为此本发明提供如下的实现方案：

A、软件初始化规则。具体为：软件使用和硬件协商好的算法初始化输入的规则，由于硬件对不同的数据域使用的算法可能不同，因此软件也使用和硬件相同的方法对各自所对应的域进行遍历。

B、在遍历的过程中，对于重叠的域，使用规则标识位来标识此头域对应的操作（Action）在操作表中的位置。初始化完成后软件按照数据域的不同，分别将各域的数据下发到硬件。

C、硬件中的规则配置模块解析接收的规则信息，识别其所属的数据域并将其送入相应查找引擎所对应的头域表中。

D、当数据报文到来时，提取数据报文的头信息，将不同的头信息分别送入相应的查找引擎中。具体为：报文解析模块首先解析报文中的头信息提取报文中的指定头域信息，其次将各头信息送入对应的查找引擎进行查找匹配。

E、各查找引擎在接收完数据后按照各自的查找方式并行的查找自己所对应的头域表。

F、如果在头域表中匹配了除any项以外的项，则将此项和any项所对应的规则标识位进行或操作。如果没有匹配除any以外的项，则直接将any的项所对应的规则标识位输出。

具体为：各查找引擎判断是否有多个的匹配项匹配，如果为多个，则将多个匹配项所对应的规则标识位送入各自引擎中的或运算器，由或运算器对多个标识进行或运算并输出运算结果。否则，各引擎直接将查找结果输出不再经过或运算器。

G、或运算完成后，将各引擎的运算结果再进行与运算。

H、根据与运算输出的结果，查找优先级最高的操作（Action）进行输出。

具体为：仲裁器根据与运算的结果，从左到右查找第一个为1的位置，即此位置所对应的规则为优先级最高的规则，将其输出。

本发明将Openflow内的一张流表纵向进行切分压缩存储，各引擎并行处理各自的头域部分，以达到快速报文分类转发的目的。克服Openflow复杂规则查表效率低、功耗大的问题。

附图说明

图1是Openflow的概念结构；

图2是本发明的系统结构图；

图3是Openflow的头信息解析提取流程图；

图4是引擎处理结构图；

图5是软件初始化规则流程图；

图6是报文处理结构图；

图7是Openflow纵向切分结构图；

图8是操作表的组织结构图。

具体实施方式

本发明的核心在于根据实际需要，将Openflow内的一张流表纵向进行切分压缩存储，各引擎并行处理各自的头域部分，处理完成后将处理的结果进行汇总对比，以查找报文对应的匹配规则，从而实现快速报文分类转发的目的。

以下是结合图表具体的说明其实现细节。

参照图2，图2是本发明的系统结构图，在本发明中包括规则配置模块、报文解析模块、查找引擎、仲裁选择模块。其中，规则配置模块是与软件交互的模块，负责接收软件的配置的报文规则信息。其中主功能是对软件配置的规则进行识别、分配。识别不同的数据域，分配到不同的引擎中进行存储。报文解析模块的功能是接收外部收到的报文，对到来的报文进行识别、提取及分配。识别报文的类型以及各头部域，解析提取报文中指定的头域，具体的解析提取流程如图3所示(Openflow1.0规范中定义)，然后将提取的头域信息分配到不同的查找引擎中。查找引擎的功能是对到达的报文头域进行匹配查找。它根据Openflow1.0规范要求的十二元组取值的不同分为精确/通配引擎和最长前缀引擎。精确/通配引擎主要用于匹配除源IP、目的IP地址外的其他域（其取值为any或精确值）；最长前缀引擎则是用于匹配源IP、目的IP地址中包含子网掩码的规则。在查找时，各引擎并行工作，独自查找头域的指定部分。仲裁选择模块则是对查找匹配的规则进行筛选，选择出优先级最高规则所对应的操作（Action）。

图4为引擎处理结构图，在查找引擎对数据进行处理时，各头域中的数据域被分别的送入各自所对应的查找引擎中，各引擎中的数据根据引擎所使用的查找算法的不同（hash、决策树等）表项的组织形式也有所不同。各引擎使用自己的查找方式匹配查找对应的表项，当查找结束后，将多个匹配的结果（规则标识位）送入或运算器进行运算处理。处理完成后，将各引擎或运算结果（规则标识位）送入与运算器进行与运算，得到各规则相与的规则标识位。最后将规则标识位送入仲裁器进行优先级的仲裁。

图5是软件初始化规则处理流程图，以下为完成软件初始化规则的处理步骤：

步骤501：软件预遍历各域数据结构。软件按照与硬件协商好的算法遍历各数据域的结构，由于各数据域要求的匹配方式可能不同(精确匹配或通配匹配)，因此不同数据域的遍历方式也可能不同。

步骤502：软件下发数据给硬件。软件将遍历完成的各数据域的数据下发给硬件，下发时，软件通过写地址/数据的方式将数据写入指定地址所对应的寄存器中。为了区分各数据域的值，对每个数据域的地址进行分段处理，将不同的域数据划分不同的地址段。

步骤503：硬件识别各数据域值。硬件在接收到软件下发的数据域后，由规则配置模块识别输入的数据域信息（根据输入的地址进行识别），判断到达的数据域是否属于操作域数据。若是，将其存入操作表中指定的存储位置；若不是，则进行进一步的判断。

步骤504：将接收到的操作域的数据按照硬件指定的地址存入操作表的指定位置。对操作域进行存储是按照操作的优先级的高级进行自上到下的存储，存储方式如图8所示。

步骤505：判断其是否为源或目的IP地址域。如果是，则将其存入可实现最长前缀匹配的查找引擎所对应的头域表中；若不是，则识别其所对应的精确/通配的查找引擎，将其存入指定引擎所对应的头域表中。

步骤506：识别最长前缀匹配的域值，在Openflow1.0中要求最长前缀匹配的域为源、目的IP地址域，此步骤则识别到来的数据域是源IP地址还是为目的IP地址，并将其分别存入源IP地址和目的IP地址对应的头域表中。

步骤507：识别除源、目的IP地址之外的其他需要精确匹配的域值，将其分别存入对应的头域表中。

图6是报文处理流程图，以下是在报文到来后数据处理步骤：

步骤601：接收到来的报文数据，将接收到的数据缓存到数据缓冲区。

步骤602：报文解析。从缓冲区读出报文进行解析,解析报文中的头信息，提取报文中指定的头域值。Openflow的解析过程如图3所示。当提取完成后将提取的各头域字段送给对应的查找引擎中。

步骤603：各引擎并行查找。当各头域字段分别送入对应的查找引擎后，各查找引擎并行的按照定义好的规则查找自已的头域表。

步骤604：各查找引擎判断查找到匹配的表项数。如果某数据域匹配多个表项（大于一个），则将多个表项对应的规则标识位进行或运算。否则，直接将表项所对应的规则标识位送入与运算器。

步骤605：或运算。或运算器对输入的多个规则标识位进行或运算，将运算结果送入与运算器。

步骤606：与运算。与运算器对各引擎输入的规则标识位以及通过或运算后的标识位进行与运算。

步骤607：将与运算结果送入仲裁器。仲裁器负责对匹配规则进行仲裁选择，选择出优先级最高项进行输出。其选择的方式是查找与运算的标识位中从左到右第一个为1的位置，并将第一个1所在的位置做为地址偏移量，查找操作表中地址所对应的操作。

步骤608：按照查找出的操作域指定的方式对报文进行处理转发。

图7为Openflow规则的纵向切分结构。对于某一规则集首先将其按照域的不同进行纵向的切分，如图所示，对于Openflow的十二元组规则集,将其按照域的不同切分为714、715、716、717、718、719、720、721、722、723、724、725、726的单域。切分完成后，分析各单域的值，将每个单域表的每个表项都与一块规则标识位关联。由于单域中的可能存在某些表项重复，如port域中的701、702、703、704、705字段值都是*(any)；706、708、710字段值为0001；707、709字段值为0010。对于重复的表项，在单域的表项中只存储一项，通过此表项所对应的规则标识位来标识其所对应的规则号，单域表中只列出非重叠域表项字段，使用规则标识位来标识此每个字段所对应的规则。规则标识位是从左至右，对应的从高到低的规则。使用这种存储方式，对于规则集中单域字段重复比较多的情况下，可以实现有效的存储压缩。

规则中操作（Action）表的存储方式是按照规则的优先级从高到低自上至下进行排列，如图8所示，PRI0对应的优先级最高，PRI9对应的优先级最低。其存储的地址与规则标识位一一对应。因此在仲裁模块仲裁时只需在规则标识位中查找第一个不为0的规则标识位即可找到规则中优先级最高的操作。这样处理可以提高表项查找速率，不用将每个规则进行优先级对比就可以快速查找出最高优先级规则所对应的操作。

由上述对整个系统结构和结构内部实施方式可知，本发明是针对于Openflow的多元组、多表项的数据查找，提出一种纵向切分规则表，压缩存储的存储形式，从而实现对存储空间的需求。通过各引擎并行的查找以实现快速查找转发功能。此发明只是提出一种并行查找系统架构，根据各查找引擎选择的查找算法的不同可以将其扩展到以后更灵活的应用，如支持bitmask查找等。另外通过改变并行的引擎数量也可以使其支持五元组或十五元组等更多应用。

Claims (6)

1.openflow的并行查找方法，其特征在于，将流表表项按照域的不同进行纵向切分，通过压缩合并同一域内相同字段值来实现域的压缩，并通过规则标识位来标识压缩域所对应的规则，从而实现表项的压缩，在查找时，利用硬件的并行性，对各域并行查找，将查找的结果进行对比，查找同时匹配各域的表项，输出与之对应的规则；具体包括如下步骤：

A、软件初始化规则，具体为：软件使用和硬件协商好的算法初始化输入的规则，软件使用和硬件相同的方法对各自所对应的域进行遍历；

B、在遍历的过程中，对于重叠的域，使用规则标识位来标识此头域对应的操作在操作表中的位置，初始化完成后软件按照数据域的不同，分别将各域的数据下发到硬件；

C、硬件中的规则配置模块解析接收的规则信息，识别其所属的数据域并将其送入相应查找引擎所对应的头域表中；

D、当数据报文到来时，提取数据报文的头信息，将不同的头信息分别送入相应的查找引擎中，具体为：报文解析模块首先解析报文中的头信息提取报文中的指定头域信息，其次将各头信息送入对应的查找引擎进行查找匹配；

E、各查找引擎在接收完数据后按照各自的查找方式并行的查找自己所对应的头域表；

F、如果在头域表中匹配了除any项以外的项，则将此项和any项所对应的规则标识位进行或操作，如果没有匹配除any以外的项，则直接将any的项所对应的规则标识位输出；

具体为：各查找引擎判断是否有多个的匹配项匹配，如果为多个，则将多个匹配项所对应的规则标识位送入各自引擎中的或运算器，由或运算器对多个标识进行或运算并输出运算结果，否则，各引擎直接将查找结果输出不再经过或运算器；

G、或运算完成后，将各引擎的运算结果再进行与运算；

H、根据与运算输出的结果，查找优先级最高的操作进行输出。

2.根据权利要求1所述的openflow的并行查找方法，其特征在于，软件初始化规则的处理步骤，具体为：

步骤501：软件预遍历各域数据结构，软件按照与硬件协商好的算法遍历各数据域的结构，由于各数据域要求的匹配方式不同，即精确匹配或通配匹配，因此不同数据域的遍历方式也不同；

步骤502：软件下发数据给硬件，软件将遍历完成的各数据域的数据下发给硬件，下发时，软件通过写地址/数据的方式将数据写入指定地址所对应的寄存器中，为了区分各数据域的值，对每个数据域的地址进行分段处理，将不同的域数据划分不同的地址段；

步骤503：硬件识别各数据域值，硬件在接收到软件下发的数据域后，由规则配置模块识别输入的数据域信息，判断到达的数据域是否属于操作域数据，若是，将其存入操作表中指定的存储位置；若不是，则进行进一步的判断；

步骤504：将接收到的操作域的数据按照硬件指定的地址存入操作表的指定位置，对操作域进行存储是按照操作的优先级的高级进行自上到下的存储；

步骤505：判断其是否为源或目的IP地址域，如果是，则将其存入可实现最长前缀匹配的查找引擎所对应的头域表中；若不是，则识别其所对应的精确/通配的查找引擎，将其存入指定引擎所对应的头域表中；

步骤506：识别最长前缀匹配的域值，识别到来的数据域是源IP地址还是为目的IP地址，并将其分别存入源IP地址和目的IP地址对应的头域表中；

步骤507：识别除源、目的IP地址之外的其他需要精确匹配的域值，将其分别存入对应的头域表中。

3.根据权利要求1所述的openflow的并行查找方法，其特征在于，所述步骤D,在报文到来后数据处理具体步骤为：

步骤601：接收到来的报文数据，将接收到的数据缓存到数据缓冲区；

步骤602：报文解析，从缓冲区读出报文进行解析,解析报文中的头信息，提取报文中指定的头域值，当提取完成后将提取的各头域字段送给对应的查找引擎中；

步骤603：各引擎并行查找，当各头域字段分别送入对应的查找引擎后，各查找引擎并行的按照定义好的规则查找自已的头域表；

步骤604：各查找引擎判断查找到匹配的表项数，如果某数据域匹配多个表项，则将多个表项对应的规则标识位进行或运算，否则，直接将表项所对应的规则标识位送入与运算器；

步骤605：或运算，或运算器对输入的多个规则标识位进行或运算，将运算结果送入与运算器；

步骤606：与运算，与运算器对各引擎输入的规则标识位以及通过或运算后的标识位进行与运算；

步骤607：将与运算结果送入仲裁器，仲裁器负责对匹配规则进行仲裁选择，选择出优先级最高项进行输出，其选择的方式是查找与运算的标识位中从左到右第一个为1的位置，并将第一个1所在的位置做为地址偏移量，查找操作表中地址所对应的操作；

步骤608：按照查找出的操作域指定的方式对报文进行处理转发。

4.openflow的并行查找系统，包括规则解析模块、报文解析模块、查找引擎、仲裁选择模块，其特征在于,规则解析模块对到来的规则进行识别、分配，识别不同的头域，分配到不同的引擎中进行存储；报文解析模块是对到来的报文进行提取、分配，提取报文中对应的头域，分配到不同的查找引擎中；查找引擎是根据openflow1.0规范要求的十二元组取值的不同分为精确/通配引擎和最长前缀引擎，精确/通配引擎用于匹配除源IP、目的IP地址外的其他域，最长前缀引擎用于匹配源IP、目的IP地址中包含子网掩码的规则；仲裁选择模块选择优先级最高的操作，对报文进行输出处理。

5.根据权利要求4所述的openflow的并行查找系统，其特征在于，查找引擎对数据进行处理时，各头域被分别送入各自所对应的查找引擎中，各引擎中的数据根据引擎所使用的查找算法的不同，表项的组织形式也有所不同，各引擎使用自己的查找方式匹配查找对应的表项，当查找结束后，将多个匹配的规则标识位，送入或运算器进行运算处理，处理完成后，将各引擎或运算规则标识位送入与运算器进行与运算，得到各规则相交的规则标识位，最后将规则标识位送入仲裁器进行优先级的仲裁。

6.根据权利要求4所述的openflow的并行查找系统，其特征在于，规则中操作的存储按照规则的优先级从高到低自上至下进行排列，PRI0对应的优先级最高，PRI9对应的优先级最低，其存储的地址与规则标识位一一对应，在仲裁模块仲裁时只需在规则标识位中查找第一个不为0的规则标识位即可找到规则中优先级最高的操作。