CN105553851A - 基于sdn的网络处理器微码和流表实现装置及方法 - Google Patents

基于sdn的网络处理器微码和流表实现装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现装置及方法，包括：数据报文解析模块、流表查找模块、流表匹配结果解析模块、数据报文发送模块；基于软件定义网络，将网络节点中包含的数据层面和控制层面分离，将控制层面转移到外部控制器端，即HOST端，网络处理器只控制数据报文的转发，HOST能够对节点实时控制，并控制节点生成流表项，无需进行复杂智能分析计算，当新转发节点加入到网络中时，自动从HOST得到最新网络配置信息，完成网络自动化感知。本发明装置及方法，借助SDN的理念，将控制层面转移到Host端，网络处理器只控制数据报文的转发，达到了控制层面和数据层面分离的目的。同时实现了多级流表，提高了流表匹配的效率。

Description

基于SDN的网络处理器微码和流表实现装置及方法
技术领域
本发明涉及网络通信领域，尤其涉及一种基于软件定义网络(SoftwareDefinedNetworking，SDN)的网络处理器微码和流表实现方法。
背景技术
在云计算时代，数据中心将成为应用和数据交互的关键。大规模部署虚拟化和云计算催生了以工作负载为中心的下一代数据中心网络，复杂的网络需要为工作负载提供端对端的网络资源，如何应对业务快速响应需求成为了下一代数据中心不得不面临的挑战。以新的理念来解决网络在新应用下的挑战，使控制平面和转发平面分离，作为云计算网络中的一种形式，软件定义网络提供了新的思路和方法。
云计算和虚拟化需要极大的网络扩展性要求，因此网络的转发平面和控制平面都需要横向扩展和性能增强，同时由于网络中软硬件绑定的方式使得网络发展缓慢。SDN一方面主张现有网络中软件和硬件分离，另一方主张数据平面和控制平面分离，各自相对灵活发展，使得网络中的问题得以解决。如何借助SDN的理念来实现微码和流表，使得数据报文在转发时更精确、更高效，是本领域亟待解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现装置及方法，借助SDN的理念，将控制层面转移到Host端，网络处理器只控制数据报文的转发，达到了控制层面和数据层面分离的目的。实现了微码的分模块设计，每个模块之间通过互相发送消息来进行通信，提高了微码的执行效率和重用性。同时实现了多级流表，提高了流表匹配的效率，每一级流表都根据匹配关键字的性质，设计了不同的存储结构，节省了存储空间，使得数据报文在转发时更精确、更高效。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现装置，包括：
数据报文解析模块，作为数据报文的最初处理模块，负责对报文进行解析域合法性检查；
流表查找模块，根据上一级传递的查找关键字进行流表查找，并把查找结果传递给下一级模块；
流表匹配结果解析模块，从流表查找结果中提取出关键的信息，写入消息并传递给下一模块；
数据报文发送模块，将数据报文发送到相应的队列中。
一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，通过上述的装置来实现，基于软件定义网络，即SDN，将网络节点中包含的数据层面和控制层面分离，将控制层面转移到外部控制器端，即HOST端，网络处理器只控制数据报文的转发，HOST能够对节点实时控制，并控制节点生成流表项，无需进行复杂智能分析计算，当新转发节点加入到网络中时，自动从HOST得到最新网络配置信息，完成网络自动化感知。
微码的实现方法包括如下：
1)从硬件译码器中提取报文描述符信息；
2)根据规范对数据报文的正确性和完整性进行检查；
3)从接收的报文中提取查找关键字信息，并产生相应的查找关键字；
4)将提取的信息和查找关键字传递给下一级模块；
5)用查找关键字进行流表查找，将查找结果和查找关键字传递给下一模块，如果查找不成功，也要产生一个相应的查找结果传递给下一模块；
6)HOST端根据收发到的数据报文选择性下发流表；
7)根据步骤4传递过来的信息，提取出控制字段，并根据控制字段决定该报文的走向，此外，还要填写相应的寄存器信息，同时产生信息传递给下一模块；
8)根据步骤5传递过来的信息，提取出控制字段，跳转到合适的分支，并根据需要对报文进行修改，最后填写发送寄存器，将报文发送到相应的队列。
流表的实现方法如下：将流表进行拆分，形成多级流表，每次从报文中提取出的关键字都要进行多级匹配，每条流表的匹配结果中都存储相应的转发信息和行为结合，通过行为字段控制报文的处理方式。
数据报文解析模块对报文进行解析域合法性检查的方法，包括：
所述数据报文解析模块从译码器中提取报文描述符信息，写入相应的寄存器中；
对报文进行正确性检查；
从帧存储器中提取出VLAN、MAC和IP得信息，并生成查找关键字；
将报文的描述符信息写入消息中；
生成查找关键字和消息的头信息，并将查找关键字和消息传入下一级。
流表查找模块根据上一级传递的查找关键字进行流表查找，并把查找结果传递给下一级模块的方法，包括：
所述流表查找模块采用三级流表查找关键字，分别是：1)由入端口和VLAN标签构成、2)由目的MAC地址和VLAN标签构成、3)由目的IP地址构成；
其中1)和2)的流表存储在Hash结构中，3)的流表存储在Tree结构中。
HOST端根据收发到的数据报文选择性下发流表的方法，包括：
S304：HOST端接收数据报文，并对该报文进行解析，确定该交换机在网络中的位置；
S305：更新HOST中网络拓扑结构；
S306：为SDN网络中的交换机下发流表；
S302：Host端接收到了某台交换机发送的Arp报文，Host端会对Arp报文中的源MAC地址进行检查，检查该源MAC地址是否在拓扑结构中，如果不存在，就把该Arp帧丢弃，否则跳转到S303；
S303：Host端对发送Arp的交换机下发流表；
S307：Host端接收到了普通的数据报文，Host要对该报文的目的MAC地址进行检查，查看该报文是否是发送至该SDN网络的，如果该报文不是发送到该SDN网络中的，则丢弃该报文，否则跳转到S308；
S308：该报文是发送至该SDN网络的，并且目的交换机在网络拓扑中存在，但是由于交换机老化流表项的原因，把流表项删除了，所以要重新下发流表，进行流表更新；
S309：流表更新后，该报文即能够正常转发。
流表匹配结果解析模块从流表查找结果中提取出关键的信息，写入消息并传递给下一模块的方法，包括：
所述流表匹配结果解析模块从上一级模块中获取查找结果，并根据查找结果提取出控制报文转发的关键信息；
根据关键信息重新生成一条消息，准备传递给下一级模块；
该条消息需要生成头信息来进行索引，包括消息的长度，并将该头信息写入相应的寄存器；
对于在发送时需要对内部的某些字段进行修改的报文，如果要修改某些字段，则在相应的寄存器中填入要预取到下一模块的报文长度信息，否则该寄存器填“0”。
控制报文发送模块的方法，包括：
所述报文发送模块接收到上一级模块传递的消息，提取出消息中的控制字段，并跳转到相应的处理分支；
对于接收到的ARP和LLDP报文，这类报文不需要修改，直接发送到Host端；
在上一级模块中，查找结果中的行为集合写入了消息中，从消息中提取出这些行为集合；
根据行为集合里的要求对报文的某些字段进行修改；
在数据报文发送时填写相应的发送寄存器，这些寄存器内存储了该报文的描述符信息；
根据发送需求发送到相应的队列中，等待发送。
流表的匹配过程如下：
1)流表1的匹配关键字为入端口和Vlan标签，匹配结果中的行为域决定了数据报文是否丢弃，只有不被丢弃的报文才能进行下一级流表的匹配结果检查；
2)流表2的匹配关键字为目的MAC地址和Vlan标签，该流表的匹配结果中不设行为域，只设包括目的端口、QoS的信息，首先检查该流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则将匹配结果的match位设置成“0”，如果匹配成功，则进行下一级流表的匹配结果检查；
3)流表3的匹配关键字为目的IP地址，该流表的匹配结果中设置行为集合，首先检查流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则将匹配结果的match位设置成“0”，如果匹配成功，微码会从匹配结果中提取出包括行为集合、转发端口的信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
现有网络中，大部分的网络节点(交换机或路由器)都要包含数据层面和控制层面，使得转发效率低下。本发明所采用的装置和方法，使交换机充分实现了数据层面和控制层面的分离。在SDN基础上增加了网络灵活控制能力，外部控制器(Host)能够对节点实时控制，并控制节点生成流表项，无须进行复杂智能分析计算。当新转发节点加入到网络中时，自动从控制器得的最新网络配置信息，完成网络自动化感知。
本发明技术方案提供的软件定义网络中微码的创建方法，将微码的执行分为四个模块，各个模块之间通过发送消息互相通信，在很大程度上精简了代码量，提高了微码执行的效率。
本发明技术方案提供的流表的创建方法，特别是多级流表的创建方法。在每条流表的匹配结果中规定了不同的转发信息和行为集合。多级流表一方面提高了匹配的效率，另一方面也可以根据不同的匹配关键字设置不同的存储结构，节省了存储的空间。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是报文解析模块的微码执行流程图；
图2是流表查找模块的执行过程图；
图3是Host端处理数据报文流程图；
图4是流表匹配结果解析模块微码执行流程图；
图5是报文发送模块微码执行流程图；
图6是流表设计思路流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，报文解析模块作为数据报文的最初处理模块，负责对报文进行解析域合法性检查。
由于网络处理器已经对数据报文进行了初步的解析，并把解析后的内容写入了相应的寄存器中，所以在S101中，只需要把硬件解析好的内容写入通用寄存器中，为微码程序后面使用。
S102中需要根据规范对数据报文的正确性和完整性检查，包括IP头的正确性、TTL的正确性等等。
在该模块中，数据报文的前64个字节已经预取到帧存储器中，在S103中可以通过偏移地址，得到该报文的VLAN、MAC和IP得信息，并写入到查找关键字的存储器中。该存储器中存储了三个查找关键字，对应下一模块的三级流表。
S104中，把报文的描述符信息，包括该报文的入端口信息、长度、在缓冲区中的位置信息等写入消息的存储器中，给下一级模块使用。
由于查找关键字和消息在同一存储器中存储，所以需要把它们区分开来，在S105中为每一条查找关键字和消息都生成一个头部信息，这些头部信息与每一条查找关键字和消息一一对应，便于下一级模块进行区分。
图2表示的是流表查找模块，该模块主要功能是根据上一级传递的查找关键字进行流表查找，并把查找结果传递给下一级模块。
201表示上一级模块生成的消息在该模块中是直接传递个下一级模块，该模块用不到该消息。
202、203和204表示的就是三级流表的查找关键字，其中202由端口号和VLAN标签构成；203由目的MAC地址和VLAN标签构成；204由目的IP地址构成。
为了提高查找的时间和查找的效率，205和206代表的流表存储在Hash结构中，207代表的流表存储在Tree结构中。
流表的查找结果传递给下一级模块，共有三个查找结果，每个查找结果都有两个控制位，分别是valid和match位。其中valid位为“1”，如果流表匹配成功，match位为“1”，否则该位为“0”。
图3表示流表的更新过程。该过程是由SDN网络中的Host端控制的。
由于每一个刚刚加入到网络中的交换机都要向邻居发送LLDP报文，所以SDN网络中的Host端根据LLDP报文中的内容来维护网络的拓扑结构。
S304表示Host端收到SDN网络中某一台交换机发来的LLDP报文，并对该报文进行了解析，确定了该交换机在网络中的位置。
S305表示SDN的拓扑结构中加入了S304中新加入的交换机，所以对拓扑结构进行了更新。
由于拓扑网络进行了更新，S306表示要为其它的交换机进行流表的下发，增加一条表项，把这台新加入的交换机添加到其它交换机的流表中。
S302表示该Host端接收到了某台交换机发送的Arp报文。Host端会对Arp报文中的源MAC地址进行检查，检查该源MAC地址是否在拓扑结构中。如果不存在，就把该Arp帧丢弃，否则跳转到S303。
S303表示Host端对发送Arp的交换机下发流表。
S307表示Host端接收到了普通的数据报文，Host要对该报文的目的MAC地址进行检查，查看该报文是否是发送至该SDN网络的。如果该报文不是发送到该SDN网络中的，则丢弃该报文，否则跳转到S308。
S308表示该报文是发送至该SDN网络的，并且目的交换机在网络拓扑中存在，但是由于交换机老化流表项等原因，把流表项删除了，所以要重新下发流表，进行流表更新。
S309表示流表更新后，该报文就能够正常转发。
图4表示对流表匹配结果解析模块的流程，该模块的主要功能是从流表查找结果中提取出关键的信息，写入消息并传递给下一模块。
S401和S402表示从上一级模块中获取查找结果，并根据查找结果提取出控制报文转发的关键信息，包括该报文的转发方式、输出端口等。
在该模块中要重新生成一条消息，传递给下一级模块。这个消息由S402和S408中关键信息组合而成。这个消息需要S404生成头信息来进行索引，该信息包括消息的长度等内容，并将该投信息写入相应的寄存器。
由于有的报文在发送时需要对报文内部的某些字段进行修改，如果要修改某些字段，则在S405中相应的寄存器中填入要预取到下一模块的报文长度信息，否则该寄存器填“0”。
图5表示控制报文发送模块的流程图。
S501表示收到上一级模块传递的消息，并提取出消息中的控制字段，并跳转到相应的处理分支。
S502和S503分别表示收到了ARP和LLDP报文，这类报文不需要修改，直接发送到Host端。
在上一模块中，查找结果中的行为集合写入了消息中，S504表示从消息中提取出这些行为集合。这些行为集合包含了对该报文的处理方式，包括广播、发送至目的端口、发送至Host以及对报文的某些字段进行修改等等。
S505表示根据行为集合里的要求对报文的某些字段进行修改，包括MAC和Vlan标签等字段。
S506表示数据报文发送时要填写相应的发送寄存器，这些寄存器内存储了该报文的描述符信息。
S507根据发送需求发送到相应的队列中，等待发送。
图6通过展示流表的匹配过程，说明流表的设计思路。
流表1的匹配关键字为入端口和Vlan标签，匹配结果中的行为域决定了数据报文是否丢弃。在步骤S601中，要检查该报文是否丢弃，只有不被丢弃的报文才能进行下一级流表的匹配结果检查。
流表2的匹配关键字为目的MAC地址和Vlan标签，该流表的匹配结果中不设行为域，只设目的端口、QoS等信息。在步骤S602中检查该流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则在步骤S603中将匹配结果的match位设置成“0”。如果匹配成功，则进行下一级流表的匹配结果检查。
流表3的匹配关键字为目的IP地址，该流表的匹配结果中设置行为集合。在步骤S604中检查流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则在步骤S604中将匹配结果的match位设置成“0”。如果匹配成功，微码会从匹配结果中提取出行为集合、转发端口等信息。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现装置，其特征在于，包括：
数据报文解析模块，作为数据报文的最初处理模块，负责对报文进行解析域合法性检查；
流表查找模块，根据上一级传递的查找关键字进行流表查找，并把查找结果传递给下一级模块；
流表匹配结果解析模块，从流表查找结果中提取出关键的信息，写入消息并传递给下一模块；
数据报文发送模块，将数据报文发送到相应的队列中。
2.一种基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，通过权力要求1所述的装置来实现，基于软件定义网络，即SDN，将网络节点中包含的数据层面和控制层面分离，将控制层面转移到外部控制器端，即HOST端，网络处理器只控制数据报文的转发，HOST能够对节点实时控制，并控制节点生成流表项，无需进行复杂智能分析计算，当新转发节点加入到网络中时，自动从HOST得到最新网络配置信息，完成网络自动化感知。
3.根据权利要求2所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，微码的实现方法包括如下：
1)从硬件译码器中提取报文描述符信息；
2)根据规范对数据报文的正确性和完整性进行检查；
3)从接收的报文中提取查找关键字信息，并产生相应的查找关键字；
4)将提取的信息和查找关键字传递给下一级模块；
5)用查找关键字进行流表查找，将查找结果和查找关键字传递给下一模块，如果查找不成功，也要产生一个相应的查找结果传递给下一模块；
6)HOST端根据收发到的数据报文选择性下发流表；
7)根据步骤4传递过来的信息，提取出控制字段，并根据控制字段决定该报文的走向，此外，还要填写相应的寄存器信息，同时产生信息传递给下一模块；
8)根据步骤5传递过来的信息，提取出控制字段，跳转到合适的分支，并根据需要对报文进行修改，最后填写发送寄存器，将报文发送到相应的队列。
4.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，流表的实现方法如下：将流表进行拆分，形成多级流表，每次从报文中提取出的关键字都要进行多级匹配，每条流表的匹配结果中都存储相应的转发信息和行为结合，通过行为字段控制报文的处理方式。
5.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，数据报文解析模块对报文进行解析域合法性检查的方法，包括：
所述数据报文解析模块从译码器中提取报文描述符信息，写入相应的寄存器中；
对报文进行正确性检查；
从帧存储器中提取出VLAN、MAC和IP得信息，并生成查找关键字；
将报文的描述符信息写入消息中；
生成查找关键字和消息的头信息，并将查找关键字和消息传入下一级。
6.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，流表查找模块根据上一级传递的查找关键字进行流表查找，并把查找结果传递给下一级模块的方法，包括：
所述流表查找模块采用三级流表查找关键字，分别是：1)由入端口和VLAN标签构成、2)由目的MAC地址和VLAN标签构成、3)由目的IP地址构成；
其中1)和2)的流表存储在Hash结构中，3)的流表存储在Tree结构中。
7.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，HOST端根据收发到的数据报文选择性下发流表的方法，包括：
S304：HOST端接收数据报文，并对该报文进行解析，确定该交换机在网络中的位置；
S305：更新HOST中网络拓扑结构；
S306：为SDN网络中的交换机下发流表；
S302：Host端接收到了某台交换机发送的Arp报文，Host端会对Arp报文中的源MAC地址进行检查，检查该源MAC地址是否在拓扑结构中，如果不存在，就把该Arp帧丢弃，否则跳转到S303；
S303：Host端对发送Arp的交换机下发流表；
S307：Host端接收到了普通的数据报文，Host要对该报文的目的MAC地址进行检查，查看该报文是否是发送至该SDN网络的，如果该报文不是发送到该SDN网络中的，则丢弃该报文，否则跳转到S308；
S308：该报文是发送至该SDN网络的，并且目的交换机在网络拓扑中存在，但是由于交换机老化流表项的原因，把流表项删除了，所以要重新下发流表，进行流表更新；
S309：流表更新后，该报文即能够正常转发。
8.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，流表匹配结果解析模块从流表查找结果中提取出关键的信息，写入消息并传递给下一模块的方法，包括：
所述流表匹配结果解析模块从上一级模块中获取查找结果，并根据查找结果提取出控制报文转发的关键信息；
根据关键信息重新生成一条消息，准备传递给下一级模块；
该条消息需要生成头信息来进行索引，包括消息的长度，并将该头信息写入相应的寄存器；
对于在发送时需要对内部的某些字段进行修改的报文，如果要修改某些字段，则在相应的寄存器中填入要预取到下一模块的报文长度信息，否则该寄存器填“0”。
9.根据权利要求3所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，控制报文发送模块的方法，包括：
所述报文发送模块接收到上一级模块传递的消息，提取出消息中的控制字段，并跳转到相应的处理分支；
对于接收到的ARP和LLDP报文，这类报文不需要修改，直接发送到Host端；
在上一级模块中，查找结果中的行为集合写入了消息中，从消息中提取出这些行为集合；
根据行为集合里的要求对报文的某些字段进行修改；
在数据报文发送时填写相应的发送寄存器，这些寄存器内存储了该报文的描述符信息；
根据发送需求发送到相应的队列中，等待发送。
10.根据权利要求6所述的基于SDN的网络处理器微码和流表实现方法，其特征在于，流表的匹配过程如下：
1)流表1的匹配关键字为入端口和Vlan标签，匹配结果中的行为域决定了数据报文是否丢弃，只有不被丢弃的报文才能进行下一级流表的匹配结果检查；
2)流表2的匹配关键字为目的MAC地址和Vlan标签，该流表的匹配结果中不设行为域，只设包括目的端口、QoS的信息，首先检查该流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则将匹配结果的match位设置成“0”，如果匹配成功，则进行下一级流表的匹配结果检查；
3)流表3的匹配关键字为目的IP地址，该流表的匹配结果中设置行为集合，首先检查流表是否匹配成功，如果不能匹配成功，则将匹配结果的match位设置成“0”，如果匹配成功，微码会从匹配结果中提取出包括行为集合、转发端口的信息。
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