CN111984835B - 一种IPv4掩码五元组规则存储压缩方法及装置 - Google Patents

一种IPv4掩码五元组规则存储压缩方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种IPv4掩码五元组规则匹配的方法，应用于三态内容寻址存储器TCAM芯片，包括：压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，压缩后占10字节，并将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；接收报文并提取报文中的五元组信息，在TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中查询；若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果。此外本发明实施例还提供了一种规则匹配装置。通过本发明实施例提供的方法、装置，能够有效解决TCAM资源浪费的问题，使TCAM得到充分的使用。

Description

一种IPv4掩码五元组规则存储压缩方法及装置
技术领域
本发明涉及网络数据处理领域，具体涉及一种IPv4掩码五元组规则存储压缩方法。
背景技术
TCAM(ternary content addressable memory)是一种三态内容寻址存储器, 其具备并行高速查找的特点，即送一次关键字给TCAM，可以完成对整个表所有表项的匹配查找，并返回结果，所以TCAM表项查找的性能跟表项容量无关，不论表内有多少条目，都不会降低性能。同时，现在的TCAM芯片还具备多表并行查找的能力，即送一次关键字给TCAM，可以并行完成多张表的查找，并返回多个结果。
TCAM芯片支持关键字的长度为10字节、20字节、40字节、80字节等， IPv4掩码五元组规则由IPv4源IP(SIP)、目的IP(DIP)、源端口(SP)、目的端口(DP)、协议号组成(P)，而掩码字段跟五元组字段长度相同，且一一对应，并支持按任意位掩。因为掩码五元组规则需要用TCAM查找来实现，所以虽然IPv4掩码五元组规则字段长度为13字节，但是实际占用的TCAM关键字需要20字节存储空间，这样就浪费了7个字节的空间。当规则数非常大时，就浪费了非常多的存储空间。
随着互联网大数据时代数据流量的爆发式增长，现有网络数据流量处理设备中，需要存储大量的掩码五元组规则来处理接收到的流量，然而，受限于TCAM内存容量，TCAM表项资源所能存储的掩码五元组规则数目是有限的；同时，由于TCAM十分耗能且昂贵，为适应大规模流量场景而增加TCAM 容量以容纳更多的掩码五元组规则是不现实的，此时，TCAM存储空间将成为瓶颈。
发明内容
本发明为解决TCAM存储空间浪费问题，提出了一种应用于三态内容寻址存储器TCAM芯片的IPv4掩码五元组规则的匹配方法及相应的匹配装置。
一方面，本发明实施例提供了一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，具体步骤如下：
第一步，压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；
第二步，接收报文并提取报文中的五元组信息，在TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中查询；
第三步，若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果；
其中，经压缩后的IPv4掩码五元组规则占10字节存储空间。
另一方面，本发明实施例提供的匹配方法中的匹配结果还设置有二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。
同时，在每条规则对应的匹配结果部分中还可以设置规则有效标志，该标志在掩码规则表项创建时置位，用来说明是否存在对应的掩码五元组规则。
另一方面，本发明实施例提供的匹配方法中的该匹配结果中还可以存储有各条原始掩码五元组规则的源IP掩码字段及目的IP掩码字段，将上述源 IP掩码字段及目的IP掩码字段作为索引，各条原始掩码五元组规则的源端口 SP掩码字段与目的端口DP掩码字段作为结果表项构建二次查找Hash表，其中该第三步具体还包括如下步骤：
3.1在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；
3.2若二次查找标志位置位，则使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果。
另一方面，本发明实施例提供的匹配方法中，五元组规则压缩过程具体为：保留掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段的低位1字节。
又一方面，本发明实施例还提供了一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，该装置包括：
压缩模块，用于压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；
提取模块，接收报文并提取报文中的五元组信息，并发送至TCAM芯片；
查询模块，进行掩码五元组规则查询，若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果；
其中，经压缩后的IPv4掩码五元组规则占10字节存储空间。
另外，该匹配装置还包括二次查找标志配置模块，用于在匹配结果中设置二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。
另一方面，本发明实施例所所提供的查询模块进一步包括：二次查找标志判断模块，用于在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；二次查找模块，用于在二次查找标志位置位时，使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果。
另一方面，本发明实施例所所提供的压缩模块进一步包括：端口号压缩模块，用于保留掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段的低位1字节。
本发明另外的方面、特征和/或优点一部分将在下面的描述中进行阐述，一部分可从下面的描述中很明显地看出来，或者可从本发明的实施中得知。
附图说明
结合附图，从下面对实施例的描述中，本发明的这些和/或其他方面、特征和优点将变得清楚和更加容易理解，其中：
图1是本发明实施例所提供的一种压缩后IPv4掩码五元组规则数据结构示意图
图2是本发明实施例所提供的一种压缩后IPv4掩码五元组规则匹配方法流程图
具体实施方式
现在将参考本发明的示例性实施例进行详细的描述，在附图中图解说明了所述实施例的示例，其中相同的参考数字始终指示相同的元件。但是，本发明可以以许多不同的形式来具体化，并且不应当被解释为限定于此处所阐述的实施例。相反，提供这些实施例以使得该公开彻底和完整，并且全面地向本领域的技术人员传递本发明的概念。下面通过参考附图来描述示例性实施例，以解释本发明。
实施例1
TCAM芯片支持关键字的长度为10字节、20字节、40字节、80字节等， IPv4掩码五元组规则由IPv4源IP、目的IP、源端口、目的端口、协议号组成，所以IPv4掩码五元组规则字段长度为13字节。因为掩码五元组规则需要用TCAM查找来实现，所以虽然IPv4掩码五元组规则字段长度为13字节，但是实际占用的TCAM关键字需要20字节存储空间，这样就浪费了7个字节的空间。当规则数非常大时，就浪费了非常多的存储空间。
当前互联网上的服务以TCP和UDP为主，协议号分别是6和17，协议号字段相对是比较固定的，所以可以在关键字中不包含协议号字段。将协议号字段放入TCAM匹配结果中存储，每次TCAM命中掩码规则之后，再将结果中的协议字段与要匹配的内容进行对比，以排除协议字段导致的误命中。互联网上单个IP上运行的服务是非常有限的，所以可以对目的端口号和源端口号进行压缩，分别用1个字节表示源端口号，1个字节表示目的端口号。这样关键字就由13字节压缩为10字节，使得相同存储空间下的IPv4掩码五元组规则数量提升1倍。
举例说明，对源端口号和目的端口号进行压缩对过程可以为，分别保留掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段的低位1字节。
实施例2
进行压缩后，IPv4掩码五元组匹配会存在一定概率的误命中，以单IP上服务数量较少为前提，误命中概率非常低。为了解决误命中问题并提高匹配准确率，需要在查找结果中置一个二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。该标志位由控制面软件在下发掩码五元组规则的时候判断得到，当下的多条规则源端口号和目的端口压缩后存在覆盖关系，则需要在查找结果字段中置二次查找标志位。
如果需要二次查找，还需要在结果中携带源IP和目的IP的掩码，以便数据面在进行二次查找时，能根据报文五元组掩掉掩码后作为哈希表索引，查找相应的哈希表，并根据哈希表结果，比对对应的端口号是否匹配，得出是否命中规则。
举例说明，如附图1所示压缩后的掩码五元组规则，其中该匹配结果中还可以存储有各条原始掩码五元组规则的源IP掩码字段及目的IP掩码字段，将上述源IP掩码字段及目的IP掩码字段作为索引，各条原始掩码五元组规则的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段作为结果表项构建二次查找 Hash表。
如附图2所示，举例说明二次查找的具体步骤如下：
3.1在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；
3.2若二次查找标志位置位，则使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果；
同时，在每条规则对应的匹配结果部分中还可以设置规则有效标志，该标志在掩码规则表项创建时置位，用来说明是否存在对应的掩码五元组规则。通过规则有效标志的设置能够有效规避无效规则对整体匹配流程性能的影响，有效地提升了报文转发的处理效率。
实施例3
另一方面，为解决现有技术所存在的缺陷，需要在TCAM芯片中设置一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，包括：压缩模块，用于压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；提取模块，接收报文并提取报文中的五元组信息，并发送至 TCAM芯片；查询模块，进行掩码五元组规则查询，若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果。
具体压缩过程可参考实施例1、2，经压缩后的IPv4掩码五元组规则占 10字节存储空间。
为规避可能存在的误命中问题，该匹配装置中进一步包括二次查找标志配置模块，用于在匹配结果中设置二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。用于在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；
其中该匹配结果中还存储有各条原始掩码五元组规则的源IP掩码字段及目的IP掩码字段，将上述源IP掩码字段及目的IP掩码字段作为索引，各条原始掩码五元组规则的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段作为结果表项构建二次查找Hash表。
具体二次查找功能由如下功能模块来实现，二次查找标志判断模块，用于在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；二次查找模块，用于在二次查找标志位置位时，使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果。
由上可知，发明实施例所提供的匹配方法及装置中的IPv4掩码五元组规则压缩后，匹配流程将产生变化，主要变化是3点：1)组KEY方式的变化；2)协议号比对；3)二次查找，比对源端口号和目的端口号是否在命中范围内。本发明将每条IPv4五元组的占用资源由20字节压缩为10字节，使 IPv4的条目数翻了一倍。解决了TCAM资源浪费的情况，使TCAM得到充分的使用。
尽管已经示出和描述了本发明的一些示例性实施例，本领域的技术人员应当理解，在不背离权利要求及它们的等价物中限定的本发明的原则和精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出变化。

Claims (10)

1.一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，其特征在于，该方法应用于三态内容寻址存储器TCAM芯片，具体步骤如下：
第一步，压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；
第二步，接收报文并提取报文中的五元组信息，在TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中查询；
第三步，若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果；
其中，经压缩后的IPv4掩码五元组规则占10字节存储空间。
2.如权利要求1所述的一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，其特征在于，匹配结果还设置有二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。
3.如权利要求2所述的一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，其特征在于，该匹配结果中还存储有各条原始掩码五元组规则的源IP掩码字段及目的IP掩码字段，将上述源IP掩码字段及目的IP掩码字段作为索引，各条原始掩码五元组规则的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段作为结果表项构建二次查找Hash表，其中该第三步具体还包括如下步骤：
3.1 在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；
3.2 若二次查找标志位置位，则使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果。
4.如权利要求3所述的一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，其特征在于，
在每条规则对应的匹配结果部分中设置规则有效标志，该标志在掩码规则表项创建时置位，用来说明是否存在对应的掩码五元组规则。
5.如权利要求4所述的一种IPv4掩码五元组规则的匹配方法，其特征在于，该第一步中的压缩过程具体为：
保留掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段的低位1字节。
6.一种应用于三态内容寻址存储器TCAM芯片中的IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，该装置包括：
压缩模块，用于压缩该TCAM芯片所存储的掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段，删除协议号P字段，将原始掩码五元组规则中的协议号字P字段与该规则的匹配结果合并存储；
提取模块，接收报文并提取报文中的五元组信息，并发送至TCAM芯片；
查询模块，进行掩码五元组规则查询，若查询命中匹配结果，则判断报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段是否一致，若一致则输出匹配结果；
其中，经压缩后的IPv4掩码五元组规则占10字节存储空间。
7.如权利要求6所述的一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，该装置进一步包括：
二次查找标志配置模块，用于在匹配结果中设置二次查找标志位，当经压缩后多条规则中的SP字段与DP字段存在覆盖关系时将该规则所对应的匹配结果的二次查找标志位置位，用于表示对潜在多条命中的匹配结果进行再次精确匹配。
8.如权利要求7所述的一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，该匹配结果中还存储有各条原始掩码五元组规则的源IP掩码字段及目的IP掩码字段，将上述源IP掩码字段及目的IP掩码字段作为索引，各条原始掩码五元组规则的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段作为结果表项构建二次查找Hash表，其中该查询模块进一步包括：
二次查找标志判断模块，用于在报文中的五元组信息与匹配结果相应的协议号P字段相一致后，判断二次查找标志位是否置位；
二次查找模块，用于在二次查找标志位置位时，使用二次查找Hash表进行Hash查找，在确定查表获得的源端口SP掩码字段与目的端口DP掩码字段与掩码五元组规则相匹配时，确定匹配结果为最终命中结果。
9.如权利要求8所述的一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，在每条规则对应的匹配结果部分中设置规则有效标志，该标志在掩码规则表项创建时置位，用来说明是否存在对应的掩码五元组规则。
10.如权利要求9所述的一种IPv4掩码五元组规则匹配装置，其特征在于，该压缩模块进一步包括：
端口号压缩模块，用于保留掩码五元组规则中的源端口SP字段及目的端口DP字段的低位1字节。
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