CN112528094B - 一种基于分层映射的多字段范围tcam编码方法及系统 - Google Patents

一种基于分层映射的多字段范围tcam编码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法及系统，涉及优化算法领域。所述方法首先当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；然后将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码；接下来采用分层映射编码算法，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，并获取定位区域的码字，通过TCAM找到最佳匹配规则。本申请方案通过对TCAM编码算法进行基于图论特性的优化，借助于超立方体的正则性与对称性实现三态字符串的编码，加大了TCAM的利用率，解决了传统TCAM无法存储较大规模分类规则集的问题，使得空间效率得到显著提高。

Description

一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及优化算法领域，具体来说涉及一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法及系统。
背景技术
目前，基于软件实现或者在硬件层面上进行并行加速优化计算的算法，在规则集合较大且硬件资源受限的情况下有着不错的表现，而TCAM本身超强的并行度始终是对硬件加速处理的一个最优答案。但是，由于传统TCAM算法无法有效处理范围规则集，导致在存储时存在空间效率极其低下的问题，同时基于这个问题间接导致了TCAM功耗高的问题。在字段存储方面，TCAM不太适合存储表示包含范围字段(如端口字段)的规则，通常这些规则必须由多个TCAM条目表示，然而实际网络环境对于相当多的IP或者端口都可能是连续的，如果按照这种方式，TCAM内存的利用率会显著降低。
基于上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法及系统，解决传统TCAM无法存储较大规模分类规则集的问题，同时使得空间效率得到显著提高。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法及系统，采用分层映射编码算法，利用超立方体的正则性与对称性实现三态字符串的编码，加大了TCAM的利用率。
为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：
本发明一方面提供一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
步骤2、将步骤1中获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，所述两字段范围称为原始二维范围并记作2D-Range；
步骤3、采用分层映射编码算法，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
基于上述方案，进一步的，所述步骤3中使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则，包括下述步骤：
利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，每个区域可通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
进一步的，所述步骤1中当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段，所述两个端口字段分别为源端口和目的端口。
进一步的，所述步骤2中将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，包括下述步骤：
在获取端口号信息后，通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该位初等区域的中间码字；
使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串。
本发明另一方面提供一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统，所述系统包括：
端口号获取模块，用于当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
二维范围编码模块，用于将端口号获取模块获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，所述两字段范围称为原始二维范围并记作2D-Range；
分层映射编码模块，用于采用分层映射编码算法，使二维范围编码模块中每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，并获取定位区域的码字，通过TCAM找到最佳匹配规则。
基于上述系统，进一步的，所述分层映射编码模块包括：
三态字符串表示单元，用于利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
完整码字获取单元，用于将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，然后每个区域通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
TCAM匹配单元，用于通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
进一步的，所述二维范围编码模块将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，具体包括：在端口号获取模块获取端口号信息后，二维范围编码模块通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该位初等区域的中间码字，然后使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
本申请实施例提供的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，首先当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；然后将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码；接下来采用分层映射编码算法，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，并获取定位区域的码字，通过TCAM找到最佳匹配规则。本实施例方案通过对TCAM编码算法进行基于图论特性的优化，借助于超立方体的正则性与对称性实现三态字符串的编码，加大了TCAM的利用率，解决了传统TCAM无法存储较大规模分类规则集的问题，使得空间效率得到显著提高。
本申请实施例提供的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统，能够实现上述的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，并取得上文所述的技术效果。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例的两字段范围示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法流程示意图；
图3为与图1中对应的同一层二维范围集及其包含的Vset；
图4为与图1中对应的Ri的三态字。
图5为本申请实施例提供的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统结构示意图。
具体实施方式
为使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为了方便对本发明技术方案的理解，下面对本发明中涉及的关键术语予以定义和说明。
两字段范围规则编码：称为原始二维范围并记作2D-Range(符号为ER)，对于两个2D-Range有如下定义：
1)不相交，当且仅当A和B的地址交叉点为空时，A和B是不相交的；
2)部分重叠，当且仅当A∩B≠φ或A或B时，A与B部分重叠；
3)包含，当且仅当A∩B＝B时，A包含B；
定义1：区域，是与一对一维基本间隔相对应的矩形区域，它由源端口和目标端口范围字段组成。以图1中所示为例，图中有两个部分重叠的2D-Range区域R0与R1，比如R0包括了四个基本矩形区域(r0,r1,r2,r3)，同时每个基本区域也可以由基本间隔对表示，比如r0＝(X1,Y3)。
定义2：初等区域，用
X＝{ERi|i＝1-＞k} (1)
表示由2D-Range集合构成的k个初等区域集合，每个初等区域ERi都包含了一个2维地址空间(0...2w-1,0...2w-1)的子集。X满足两个条件：(1)所有在初等区域的地址必须被同样的2D-Range子集包括(称为ERi的范围匹配集，由ERi.range表示)；(2)两个不同的初等区域的范围匹配集不同。
基于上述定义，属于同一初等区域的区域会匹配到同一组2D-Range集。如图1所示，基本区域的形状不一定都是矩形，也不一定会覆盖相邻的地址空间。ER0、ER1、ER2、ER3这四个初等区域由2个2D-Range R0与R1划分形成，其中ER1包含了区域r0,r1,r2，ER2只包含了一个区域r3，而ER3和ER0分别包含了r4,r5,r6和剩下其他区域。
超立方体：一个n维的超立方体记作Qn，它包含了2n个顶点及n2n-1条边，每个顶点的阶数都是n；其最重要的特性是，Qn的每个节点都可以由n个比特位码字唯一地表示，当且仅当两个不同的顶点的码字恰好在一个比特位上不同时，这两个顶点相邻。对于Qn的子图，其每个顶点都可以从Qn的对应顶点得到一个码字。尝试将所有的2D-Range转换为一个图，并找到从Qn中的一个顶点到每个基本区域的映射。如果成功了，则意味着所有的初等区域都可以被分配一个n位码字，最终使得每个二维范围集只能由一个三态字符串表示，这个三态字符串对应了一个子立方体。
Figure BDA0002816122440000061
表示一个顶点集，它由映射到二维范围集Ri覆盖的初等区域的顶点组成。下面是满足所有二维范围集的必要条件：
Figure BDA0002816122440000062
且
Figure BDA0002816122440000063
必须构成一个Qn (2)
图2示出了本发明实施例一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法流程示意图。
参照图2，本实施例的方法，包括以下步骤：
S1、当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
具体的，本步骤中，当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段分别为源端口和目的端口。
S2、将S1中获取的端口号信息进行两字段范围规则编码；
具体的，参照上述定义及图1，在本步骤中，对于传入的报文，在获取端口号信息后，通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该位初等区域的中间码字；然后使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串。
S3、采用分层映射编码算法，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则；
具体的，本步骤中，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则，具体包括下述步骤：
利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，每个区域可通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
更具体来说，本步骤中，由于Qn立方体中的任何子立方体都可以表示为一个三元字符串，因此将每个2D-Range中的顶点数限制为2的幂。如果生成的图是Qn的子图，则可以为每个基本区域分配一个合适的码字，并且可以通过组合子立方体的所有码字来获得每个2D-Range的三值字符串。在将所有2D-Range转换成一个图之后，若证明转换后的图是一个Qn立方体的子图，就可以很容易地执行码字分配过程。
所有得到2D-Range必须遵守公式(2)，如果有一个或多个2D-Range不符合，则无法得到正确的结果。如图3(a)给出了示例，图3(b)列出了所有2D-Range的Vset。很明显，R1的
Figure BDA0002816122440000081
不符合公式(2)，因为R1包含5个初等区域。为解决这个问题，此处引入一个新的概念，即“额外初等区域”或者叫“虚拟区域”，来满足公式(2)的条件。
由于虚拟区域是虚拟的，它们不会与输入报文信息匹配。在将虚拟区域添加到一些基本区域之后，所有的2D-Range都可以满足上面的条件，缺点是需要为每个虚拟区域分配一个码字，因此如果产生过多的虚拟区域，就会增加算法在子立方体上查找图映射到子立方体关系的复杂性。鉴于此，必须尽可能地限制虚拟区域的数量。为了找到虚拟区域的最小分配，应该按Vset的大小降序检查所有的2D-Range。
假设RA与RB是处在相同层的2D-Range并且RA的Vset比RB的大，由于RA可能包含RB，需要先向RB添加虚拟区域。如图3(b)显示的结果，由于R2,R3,R4,R5都满足公式(2)，则R1中需要添加VR1,VR2和VR3这三个虚拟区域。
另一个问题是，如何在对应的所有初等区域的顶点之间连接正确的边。因为根据之前的条件，属于同一2D-Range的初等区域应在Qn立方体中构成一个子立方体，故边的连接顺序很重要，如果RA包含RB，则必须先连接RB的边。例如在图4，连线顺序应该为R4→R2,R3→R5→R1，由于R2、R3和R5关系是互不相交的，因此这三个任意处理顺序都不会影响最终生成的图。
在本方案中，因为把所有的2D-Range分成几层，每一层都可以独立地执行编码方案，每个区域都可以通过连接所有层的码字来获得一个码字，对于一个搜索操作，硬件可以根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
图5示出了本发明实施例一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统结构示意图。
参照图5，本实施例的系统包括：
端口号获取模块1，用于当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
二维范围编码模块2，用于将端口号获取模块获取的端口号信息进行两字段范围规则编码；
分层映射编码模块3，用于采用分层映射编码算法，使二维范围编码模块中每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，并获取定位区域的码字，通过TCAM找到最佳匹配规则。
基于上述系统，进一步的，所述分层映射编码模块3包括：
三态字符串表示单元，用于利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
完整码字获取单元，用于将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，然后每个区域通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
TCAM匹配单元，用于通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
进一步的，所述二维范围编码模块2将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，具体包括：在端口号获取模块获取端口号信息后，二维范围编码模块通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该位初等区域的中间码字，然后使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串。
具体的，本申请实施例提供的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统中未详述的内容，可参照上述实施例中提供的基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下所作的任何修改、改进和等同替换等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
步骤2、将步骤1中获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，所述两字段范围称为原始二维范围并记作2D-Range；
所述步骤2中将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，包括下述步骤：
在获取端口号信息后，通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该初等区域的中间码字；
使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串；
步骤3、采用分层映射编码算法，使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则；
所述步骤3中使每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，然后获取定位区域的码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则，包括下述步骤：
利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，每个区域可通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则。
2.根据权利要求1所述的一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码方法，其特征在于，所述步骤1中当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段，所述两个端口字段分别为源端口和目的端口。
3.一种基于分层映射的多字段范围TCAM编码系统，其特征在于，所述系统包括：
端口号获取模块，用于当传入的数据包到达时，从数据包头获取两个端口字段的端口号；
二维范围编码模块，用于将端口号获取模块获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，所述两字段范围称为原始二维范围并记作2D-Range；
分层映射编码模块，用于采用分层映射编码算法，使二维范围编码模块中每个原始二维范围集仅由一个三态字符串表示，并获取定位区域的码字，通过TCAM找到最佳匹配规则；
所述分层映射编码模块包括：
三态字符串表示单元，用于利用超立方体的正则性和对称性使每个二维范围集仅由一个三态字符串表示，每个三态字符串对应一个子立方体；
完整码字获取单元，用于将所有的2D-Range分为几层，每一层独立地执行编码方案，然后每个区域通过连接所有层的码字来获得一个完整码字；
TCAM匹配单元，用于通过搜索操作，根据两个端口字段的端口号从定位的区域中提取一个匹配码字，并通过TCAM找到最佳匹配规则；
所述二维范围编码模块将获取的端口号信息进行两字段范围规则编码，具体包括：在端口号获取模块获取端口号信息后，二维范围编码模块通过搜索操作得到信息对应的初等区域，并返回该初等区域的中间码字，然后使用所述中间码字进行搜索，得到二维范围编码的三态字符串。
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