CN105656786A

CN105656786A - 一种基于快、慢表的路由器查表方法

Info

Publication number: CN105656786A
Application number: CN201610042370.0A
Authority: CN
Inventors: 张晓哲; 刘志雄; 高先明; 王宝生; 管剑波; 胡宁; 郦苏丹; 王宏; 邓文平; 马世聪; 刘松
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: CN105656786B

Abstract

本发明公开了一种基于快、慢表的路由器查表方法，步骤为：S1：控制平面中表项更新引起表项计算并向数据平面下发表项；S2：数据平面接收到控制平面的表项更新消息，并更新本地的表项；S3：数据平面利用控制平面下发的表项进行查表操作用于决定报文的转发行为；S4：当数据平面完成当前任务时，检查是否管控通道有下发的表项更新消息；如果检查到存在表项更新的消息，转至步骤S2，进行表项更新与安装操作；否则，转至步骤S3，查找转发表并决定报文转发行为。本发明具有实现简单、性能优化明显、可提升路由器转发性能等优点。

Description

一种基于快、慢表的路由器查表方法

技术领域

本发明主要涉及到路由器技术领域，特指一种基于快、慢表的路由器查表方法。

背景技术

随着网络技术的发展和用户需求的日益丰富，传统的网络基础设施管理模式已经无力应对当前局面，比如新业务快速部署、基础设施资源统筹管理以及软件与硬件松耦合特性等。以软件定义网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）和网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）为代表的新的设计理念和新的技术手段诞生，为网络基础设施的管理提供了一种基于实时任务的虚拟化技术的云架构模式。其中，SDN将网络架构划分为控制面和数据面，从而加快新业务部署速度；NFV目的在于实现软件和硬件的解耦，利用通用的网络基础设施部署网络服务以及按需编排业务。而路由器作为网络基础设施的重要组成部分，如何确保其在通用的网络基础设施具有较高的转发性能是研究的热点。

关于提升软件路由器的性能研究主要集中以DPDK、Netmap、PacketBatching等代表I/O优化、采用多核和多线程机制加速报文处理能力以及优化路由查表的速度等方面。在路由器设备中，除了查找转发表确定报文的下一跳之外，它仍要查询一类基于报文分类的安全控制策略，即访问控制列表（AccessControlList，ACL），通过与报文对应字段进行匹配，根据预定策略决定报文的执行方式，比如放行或阻止。路由器通过查找转发表和ACL表共同决定报文的转发行为。转发表通常由控制平面的路由协议自动生成，ACL表则是管理员根据网络管理的需求手动配置的，它们都是通过管控通道下发至数据平面。目前，商用路由器通常采用硬件方式查找转发表和ACL表，从而确保查表性能与路由器性能相匹配。然而通用平台往往不具备TCAM存储器，无法对硬件查表方式提供支撑。根据相关研究，软件查表速度通常会成为严重路由器性能的因素之一。

目前,转发表软件查找算法主要包括二叉树查找算法、24-8树查找算法、Bitmap查找算法等；ACL软件搜索算法主要包括RFC（RecursiveFlowClassification）、分层查找树算法、集合归并查找树算法、应用决策树算法、BitVector等。有关转发表查找性能优化与ACL表查找性能优化是两个相互并行、互不交叉的研究课题。由于转发表中表项的前缀信息与ACL表的规则项的目的IP前缀信息存在相关性，可以通过查找ACL表优化转发表的查找或者通过查找转发表优化ACL表的查找。

综上所述，目前数据平面中ACL表和转发表查表两种割裂的查表组织方式不利于数据平面处理能力的提升，因而提供一种结合ACL表和转发表关联性来达到优化数据平面查表任务是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现简单、性能优化明显、可提升路由器转发性能的基于快、慢表的路由器查表方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于快、慢表的路由器查表方法，步骤为：

S1：控制平面中表项更新引起表项计算并向数据平面下发表项；

S2：数据平面接收到控制平面的表项更新消息，并更新本地的表项；

S3：数据平面利用控制平面下发的表项进行查表操作用于决定报文的转发行为；

S4：当数据平面完成当前任务时，检查是否管控通道有下发的表项更新消息；如果检查到存在表项更新的消息，转至步骤S2，进行表项更新与安装操作；否则，转至步骤S3，查找转发表并决定报文转发行为。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S1的具体流程为：

S101：当控制平面中ACL表配置程序配置ACL表或路由表计算程序更新路由表时，分别对存储在本地控制平面中ACL表和转发表进行更新操作；

S102：控制平面中快表计算程序接收到表项更新操作，计算出表项属于哪种类型；同时，快表计算程序计算出哪些ACL表项或转发表项受到此表项更新的影响，对本地的ACL表、路由表、通配ACL表、无重叠路由表进行更新操作；快表计算程序将更新表项以及受影响的表项操作通过管控通道下发至数据平面。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S2的具体流程为：

S201：数据平面通过管控通道接收到控制平面的表项操作消息，解析表项操作消息，并对数据平面的快表查表部件中通配ACL表和非重叠转发表以及慢表查表部件中重叠转发表和非通配ACL表进行更新操作；

S202：通过管控通道向控制平面发送应答消息，表明控制平面向数据平面完成表项更新操作后，数据平面的表项与控制平面的表项是一致的，转至步骤S4。

作为本发明的进一步改进：所述步骤S3的具体流程为：

S301：快表查表部件接收到报文，并将其与通配ACL表匹配；如果匹配成功且ACL表中动作行为是拒绝，则丢弃该报文，转至步骤S4；否则，继续执行；

S302：与快表查表部件中非重叠转发表进行匹配；如果匹配成功，则直接将报文从指定接口转发出去，转至步骤S4；否则，将报文传递到慢表查表部件；

S302：慢表查表部件查找重叠转发表，确定报文的转发接口；

S304：慢表查表部件查找非通配ACL表；如果匹配成功且ACL表中动作行为是拒绝，则将报文丢弃；否则，将报文从指定接口发送出去。

作为本发明的进一步改进：所述控制平面与数据平面根据接入拓扑规划是互连关系；所述控制平面与数据平面通过统一的协议进行数据的传输、解析与封装。

作为本发明的进一步改进：所述数据平面的表项查找系统包括管控通道、快表查表部件和慢表查表部件；所述管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道；所述快表查表部件用于确定报文的转发行为，它包括通配ACL表和非重叠转发表；所述慢表查表部件同样用于确定报文的转发行为，它包括重叠转发表和非通配ACL表，只有快表查表部件无法找到结果时，才会进一步查找慢表查表部件。

作为本发明的进一步改进：所述控制平面的表项计算系统包括管控通道、通配ACL表、无重叠路由表、快表计算程序、ACL表配置程序、ACL表、路由表计算程序、路由表；所述管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道；所述通配ACL表是存储在控制平面的通配ACL表的表项；所述无重叠路由表是指存储在控制平面的无重叠路由表的表项；所述快表计算程序是控制平面中用于计算转发表或ACL的表项属于哪种类型的表项；所述ACL表配置程序用于为用户提供添加、删除、修改ACL表的表项的通道；所述ACL表是指存储在控制平面的ACL表的表项，由ACL表配置程序生成的ACL表；所述路由表计算程序是指路由协议更新路由表的应用；所述路由表是指存储在控制平面的路由表的表项，由路由表计算程序计算出的路由表。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的基于快、慢表的路由器查表方法，实现简单、性能优化明显，通过ACL查表与转发表查表相结合的方法，利用转发表查找优化ACL表搜索算法，查找大多数转发表与少量的ACL表来决定报文转发行为。其中，控制平面的表项计算负责实时地更新数据平面中表项，确保报文的转发行为与用户预期是一致的；同时，数据平面的查表任务是基于结合ACL表和转发表的关联性实现的，达到优化数据平面的处理能力的目的。为此，本发明能够确保数据平面的查表任务具有良好的处理性能，能够有效地提升路由器数据平面查表速率，从而达到提升路由器转发性能的目的。

附图说明

图1是本发明在具体应用实例中数据平面查表任务逻辑结构示意图。

图2是本发明在具体应用实例中控制平面的表项计算逻辑结构示意图。

图3是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

在路由器中控制报文转发行为的系统包括控制平面的表项计算和数据平面的表项查表，可以实现表项的更新操作、报文查找表项的功能等特性，确保数据平面的报文转发行为与用户预期是一致的。在本发明中，控制平面的表项计算负责实时地更新数据平面中表项，确保报文的转发行为与用户预期是一致的；同时，数据平面的查表任务是基于结合ACL表和转发表的关联性实现的，从而达到优化数据平面的处理能力的目的。

如图3所示，本发明的基于快、慢表的路由器查表方法，其步骤为：

在具体应用实例中，表项更新与下发过程如下：

S102：控制平面中快表计算程序接收到表项更新操作，计算出表项属于哪种类型。同时，快表计算程序还需要计算出哪些ACL表项或转发表项受到此表项更新的影响，对本地的ACL表、路由表、通配ACL表、无重叠路由表进行更新操作。快表计算程序将更新表项以及受影响的表项操作通过管控通道下发至数据平面；

S2：数据平面接收到控制平面的表项更新消息，并更新本地的表项;

在具体应用实例中，表项更新与安装过程如下：

S201：数据平面通过管控通道接收到控制平面的表项操作消息，解析表项操作消息，并对数据平面的快表查表部件中通配ACL表和非重叠转发表以及慢表查表部件中重叠转发表和非通配ACL表进行更新操作。

在具体应用实例中，查表过程如下：

S301：快表查表部件接收到报文，并将其与通配ACL表匹配。如果匹配成功且ACL表中动作行为是拒绝，则丢弃该报文，转至步骤S4；否则，继续执行；

S302：与快表查表部件中非重叠转发表进行匹配。如果匹配成功，则直接将报文从指定接口转发出去，转至步骤S4；否则，将报文传递到慢表查表部件；

S302：慢表查表部件查找重叠转发表，确定报文的转发接口；

S304：慢表查表部件查找非通配ACL表。如果匹配成功且ACL表中动作行为是拒绝，则将报文丢弃；否则，将报文从指定接口发送出去。

S4：当数据平面完成当前任务时，检查是否管控通道有下发的表项更新消息。如果检查到存在表项更新的消息，转至步骤S2，进行表项更新与安装操作；否则，转至步骤S3，查找转发表并决定报文转发行为。

由上可知，传统控制平面仅负责将表项下发至数据平面；而本发明中控制平面不仅负责快表与慢表计算，而且将它们下发至数据平面。传统数据平面依次查询转发表和ACL表来确定报文转发行为，而本发明中数据平面将转发表和ACL表相结合，利用查找快表与慢表来确定报文转发行为。控制平面与数据平面根据接入拓扑规划是互连关系；控制平面与数据平面通过统一的协议进行数据的传输、解析与封装。

本发明是基于快、慢表的路由器查表方法，需要分别在控制平面和数据平面搭建用于支撑快表技术的系统。

参见图1，为本发明在具体应用实例中数据平面查表任务逻辑结构图。数据平面的表项查找系统是部署在设备上的软件包，包括管控通道、快表查表部件和慢表查表部件。管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道，比如传递表项更新消息、传递控制报文等；快表查表部件用于确定报文的转发行为，比如否允许转发、下一跳等信息，它包括通配ACL表和非重叠转发表；慢表查表部件同样用于确定报文的转发行为，比如是否允许转发、下一跳等信息，它包括重叠转发表和非通配ACL表，只有快表查表部件无法找到结果时，才会进一步查找慢表查表部件；通配ACL表是指路由器通过查找转发表得出报文转发的下一跳后，必须通过查找该部分ACL表的表项才能最终决定报文的转发行为，由ACL规则的目的IP前缀长度决定的；非通配ACL表是指路由器通过查询通配ACL表决定报文转发行为时，并不需要查询剩余的ACL表的表项，与通配ACL表总和等于原有的ACL表规模；重叠转发表是指转发表中IP前缀与非通配ACL表中规则的目的IP前缀存在包含或被包含的关系的表项；非重叠转发表是指转发表项中IP前缀与非通配ACL表中规则不存在包含或被包含的关系的表项，与重叠转发表的总和等于原有的转发表规模。

参见图2，为本发明在具体应用实例中控制平面的表项计算逻辑结构图。控制平面的表项计算系统是部署在设备上的软件包，包括管控通道、通配ACL表、无重叠路由表、快表计算程序、ACL表配置程序、ACL表、路由表计算程序、路由表。管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道，比如传递表项更新消息、传递控制报文等；通配ACL表是存储在控制平面的通配ACL表的表项；无重叠路由表是指存储在控制平面的无重叠路由表的表项；快表计算程序是控制平面中用于计算转发表或ACL的表项属于哪种类型的表项，比如通配ACL表、非通配ACL表、重叠转发表和非重叠转发表；ACL表配置程序用于为用户提供添加、删除、修改ACL表的表项的通道；ACL表是指存储在控制平面的ACL表的表项，由ACL表配置程序生成的ACL表；路由表计算程序是指路由协议更新路由表的应用，包括路由表的插入、删除以及修改等；路由表是指存储在控制平面的路由表的表项，由路由表计算程序计算出的路由表。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，步骤为：

2.根据权利要求1所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述步骤S1的具体流程为：

3.根据权利要求1所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述步骤S2的具体流程为：

4.根据权利要求1所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述步骤S3的具体流程为：

S302：慢表查表部件查找重叠转发表，确定报文的转发接口；

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述控制平面与数据平面根据接入拓扑规划是互连关系；所述控制平面与数据平面通过统一的协议进行数据的传输、解析与封装。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述数据平面的表项查找系统包括管控通道、快表查表部件和慢表查表部件；所述管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道；所述快表查表部件用于确定报文的转发行为，它包括通配ACL表和非重叠转发表；所述慢表查表部件同样用于确定报文的转发行为，它包括重叠转发表和非通配ACL表，只有快表查表部件无法找到结果时，才会进一步查找慢表查表部件。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于快、慢表的路由器查表方法，其特征在于，所述控制平面的表项计算系统包括管控通道、通配ACL表、无重叠路由表、快表计算程序、ACL表配置程序、ACL表、路由表计算程序、路由表；所述管控通道是用于控制平面与数据平面进行数据传输的通道；所述通配ACL表是存储在控制平面的通配ACL表的表项；所述无重叠路由表是指存储在控制平面的无重叠路由表的表项；所述快表计算程序是控制平面中用于计算转发表或ACL的表项属于哪种类型的表项；所述ACL表配置程序用于为用户提供添加、删除、修改ACL表的表项的通道；所述ACL表是指存储在控制平面的ACL表的表项，由ACL表配置程序生成的ACL表；所述路由表计算程序是指路由协议更新路由表的应用；所述路由表是指存储在控制平面的路由表的表项，由路由表计算程序计算出的路由表。