CN113806403A - 一种在智能网卡/dpu内降低查找匹配逻辑资源的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，在智能网卡/DPU的P4数据平面结构中增加LPM流表解析模块，LPM流表拆分及LPM流表映射三个模块；另外，在查找匹配模块中，增加LPM匹配模块，其中包括多级精确匹配SRAM模块及掩码匹配TCAM模块，每个SRAM模块及TCAM模块按照1字节的方式存储，最多可以级联8级以便LPM流表的映射，降低了对LPM匹配的逻辑资源占用，从而降低芯片或者所需选用FPGA的成本。

Description

一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法

技术领域

本发明涉及智能网卡/DPU技术领域，特别涉及一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法。

背景技术

在传统网络中，网络设备对于用户是黑盒，数据平面和控制平面封闭在黑盒内，不方便网络管理和维护；软件定义网络的出现把数据平面和控制平面分开，控制平面得以统一，然而还是存在数据平面固化，需要跟软件定义网络协议的升级而升级的问题；通过P4这种网络语言，可以实现可编程数据平面，并且可以更灵活的进行数据平面编程化。

智能网卡/DPU旨在为CPU卸载网络及存储的处理资源，同时可以支持更灵活的数据平面更改。因此在智能网卡/DPU中，引入P4可编程数据平面可以支持用户更灵活的配置。基于P4的数据平面构架如图1所示，通过P4编程实现的网络报文解析，查找匹配及动作增强了用户对网络报文的操作可行性。

基于P4语言可编程数据平面的定义中，匹配分为exact（精确）匹配，ternary （三态）掩码匹配，以及LPM（长前缀）匹配。在现有已支持P4数据平面的FPGA实现中，如果表项中需要对以太网报文进行exact匹配，会对所需要匹配的关键字进行哈希运算，然后通过SRAM对所计算出的key（关键字）进行精确匹配，在表中找到匹配项所对应的动作；如果表项中需要对以太网报文进行ternary匹配，会对所需匹配的关键字及其掩码映射到TCAM（三态存储）中，从而找到匹配项对应的动作；如果表项中需要对以太网报文进行LPM匹配，会对所需要的报文使用TCAM（三态存储）的方式，LPM是指对一段数据从起始开始的最长字段匹配，在网络中，通常IP地址（IPv4或者IPv6）会采用LPM匹配。在基于P4的智能网卡/DPU中通常使用TCAM来实现匹配，以掩码长度最长的前缀为最终匹配结果。TCAM允许对关键字中的一个或多个位使用第三个匹配状态X，代表“不关心”。 比如一个2进制的TCAM可能有“1X00X”作为它的一个存储词，TCAM匹配四个搜索词中的任意一个——“10000”、“11000”、“10001”或“11001”均为匹配上。

在FPGA的实现中TCAM资源是SRAM精确匹配的2倍以上，对LPM匹配使用TCAM存储会浪费FPGA中的资源，无法实现更多层级及更多流表数的拓展。

基于以上背景信息所描述的基于P4的智能网卡/DPU通过P4编程实现的网络报文解析，查找匹配及动作为网络报文可编程数据平面处理的核心。查找匹配模块是P4编程实现的数据平面结构中占用FPGA逻辑资源最多的部分，其中多级流水线线性结构，更加增加了逻辑资源的占用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，包括如下步骤：

S1、对输入的P4文件进行P4解析，得到不同类型的流表；所述流表包括精确匹配流表、掩码匹配流表和LPM流表；

S2、对精确匹配流表，查找匹配模块中按照对应SRAM的映射方式映射到智能网卡/DPU内；对于掩码匹配流表，查找匹配模块中按照对应TCAM的映射方式映射到智能网卡/DPU内；若存在LPM流表，在智能网卡/DPU内，通过LPM流表解析模块、LPM流表拆分模块和LPM流表映射模块处理后转为多级查找匹配方式；

S3、如有网络报文进入智能网卡/DPU内，对报文进行解析，得到需要进行LPM匹配的字段A；

S4、对字段A的第一字节进行精确匹配，判断是否有匹配项；若有匹配项，则进入步骤S5；若没有匹配项，则进入步骤S7；

S5、判断字节A是否是所要匹配的字段的最后一个字节；若不是，则进入步骤S6；若是，则结束匹配，进入步骤S8；

S6、将字段A按照字节的方式左移1个字节，并重新进入步骤S6；

S7、将字段A的剩余字段进行掩码匹配；

S8、根据结果找到对应的动作，并执行动作；

S9、报文进行缓存；

S10、报文输出；

作为优选，所述步骤S1还包括如下操作：P4驱动对不同流表类型进行标记。

作为优选，所述步骤S2中LPM流表解析模块、LPM流表拆分模块和LPM流表映射模块处理流程如下：

S21、LPM流表解析模块按照流表类型对应的标记解析出LPM流表；

S22、LPM流表拆分模块将LPM流表拆分为精确匹配和掩码匹配两种形式；

S23、LPM流表映射模块，将精确匹配和掩码匹配按照对应的方式进行映射。

本发明的有益效果：

1、在智能网卡/DPU的P4数据平面结构中增加LPM流表解析模块，LPM流表拆分及LPM流表映射三个模块；另外，在查找匹配模块中，增加LPM匹配模块，其中包括多级精确匹配SRAM模块及掩码匹配TCAM模块，每个SRAM模块及TCAM模块按照1字节的方式存储，最多可以级联8级以便LPM流表的映射，降低了对LPM匹配的逻辑资源占用，从而降低芯片或者所需选用FPGA的成本；

2、通过在基于Xilinx Ultrascale+的FPGA中实现 32bit位宽（IPv4为例），1024条深度的TCAM需要占用128Kb RAM (逻辑存储)，如果通过分级的方式，假设32bit都为精确匹配，则占用32Kb RAMs，假设32bit中最小8bit为精确匹配，则TCAM占用96Kb RAMs，SRAM占用24Kb RAMs，共占用120Kb RAMS。 因此可以至少降低（128Kb-96Kb）/128Kb=25%的逻辑资源，最多降低（128Kb-32Kb）/128Kb=75%逻辑资源。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是现有技术中基于P4的数据平面构架；

图2是本发明采用的基于智能网卡/DPU的P4数据平面构架；

图3是本发明一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

参阅图2，对于P4所匹配的LPM特点分析，为每1个字节为1段，也就是在同一段中，要么已知，要么未知，不存在同一段中有基于比特的掩码的情况，因此根据这一特点，可以通过对所要匹配的报文的对应所需匹配字段与LPM查找表进行分段精确匹配的方式，需要在智能网卡/DPU的P4数据平面结构中增加LPM流表解析模块，LPM流表拆分及LPM流表映射三个模块，如图2红色标识所示。P4驱动在软件层面对不同的流表类型做区分，比如精确匹配为二进制01，掩码匹配为二进制10，LPM匹配为二进制11。LPM流表解析模块负责解析驱动下发的流表，按照流表类型对应的标志位解析出LPM类型的流表；根据LPM流表长前缀的对应位置，LPM流表拆分模块负责拆分LPM流表为精确匹配（长前缀确定项）及掩码匹配（长前缀后不确定项）两种形式，LPM流表映射模块负责分段匹配的规则映射。另外，在查找匹配模块中，需增加LPM匹配模块，其中包括多级精确匹配SRAM模块及掩码匹配TCAM模块，每个SRAM模块及TCAM模块按照1字节的方式存储，最多可以级联8级以便LPM流表的映射。

参阅图3，根据此发明一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法具体实现及处理流程如下：

1、对输入的P4文件进行P4解析。例如：有需要对输入的报文进行目的MAC地址做精确匹配的流表，有对目的IP地址（192.168.0.0/16）做LPM匹配的流表。

2、P4解析后，在驱动层，对于做精确匹配的流表标记为二进制01，对于掩码匹配的标记为二进制10，对于LPM匹配的流表标记为二进制11。此例中目的MAC地址的流表为01，目的IP地址的流表为11。对于非LPM匹配的流表，按照精确匹配对应SRAM，掩码匹配对应TCAM的映射方式映射到智能网卡/DPU内。对于有 LPM查找表，在智能网卡/DPU内，按照流表类型对应的标志位解析出LPM类型的流表；按此次例子中目的IP地址为192.168.0.0/16根据LPM流表长前缀的对应位置16位，LPM流表拆分模块负责拆分LPM流表为精确匹配（192.168）及掩码匹配（0.0）两种形式，其中192.168映射为SRAM，0.0映射为TCAM。

3、如果有网络报文进入智能网卡/DPU内，根据P4文件所生成的数据平面对报文进行解析，解析出所需进行LPM匹配的字段A。假设进入的网络报文的目的IP为192.100.0.1，则需要做LPM匹配的字段A为192.100.0.1

4、用A的第一字节进行精确匹配，需要确定是否有匹配项，如果是，则进入步骤5，如果不是，进入步骤7.在此例中，用输入报文的关键字A（192.100.0.1，十六进制为C0.64.0.1）的第一字节C0与匹配项192.168（C0.A8）中的第一字节进行匹配，匹配成功，进入步骤5

5、需要确定A是不是所要匹配的字段的最后一个字节，如果不是，则进入步骤6，如果是，则结束匹配查找，进入步骤8。此例中，C0不是所有匹配的字段的最后一个字节，进入步骤6，

6、把字段A按照字节的方式，左移1个字节，并进入下一级精确匹配，并重新进行步骤4。此例中，A进行左移并得到64.0.1，并进入下一级精确匹配，返回步骤4，因为左移后的第一个字节64与匹配项A8不相符，因此进入步骤7。

7、把A剩余的字段带入TCAM查找表，进行掩码匹配。在此例中，把A剩余的0.1字段带入TCAM查找表，进行掩码匹配。

8、根据查找表结果找到对应的动作，并执行动作。

9、报文进入缓存。

10、报文输出。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对输入的P4文件进行P4解析，得到不同类型的流表；所述流表包括精确匹配流表、掩码匹配流表和LPM流表；

S2、对精确匹配流表，查找匹配模块中按照对应SRAM的映射方式映射到智能网卡/DPU内；对于掩码匹配流表，查找匹配模块中按照对应TCAM的映射方式映射到智能网卡/DPU内；若存在LPM流表，在智能网卡/DPU内，通过LPM流表解析模块、LPM流表拆分模块和LPM流表映射模块处理后转为多级查找匹配方式；

S3、如有网络报文进入智能网卡/DPU内，对报文进行解析，得到需要进行LPM匹配的字段A；

S4、对字段A的第一字节进行精确匹配，判断是否有匹配项；若有匹配项，则进入步骤S5；若没有匹配项，则进入步骤S7；

S5、判断字节A是否是所要匹配的字段的最后一个字节；若不是，则进入步骤S6；若是，则结束匹配，进入步骤S8；

S6、将字段A按照字节的方式左移1个字节，并重新进入步骤S6；

S7、将字段A的剩余字段进行掩码匹配；

S8、根据结果找到对应的动作，并执行动作；

S9、报文进行缓存；

S10、报文输出。

2.如权利要求1所述的一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括如下操作：P4驱动对不同流表类型进行标记。

3.如权利要求2所述的一种在智能网卡/DPU内降低查找匹配逻辑资源的方法，其特征在于，所述步骤S2中LPM流表解析模块、LPM流表拆分模块和LPM流表映射模块处理流程如下：

S21、LPM流表解析模块按照流表类型对应的标记解析出LPM流表；

S22、LPM流表拆分模块将LPM流表拆分为精确匹配和掩码匹配两种形式；

S23、LPM流表映射模块，将精确匹配和掩码匹配按照对应的方式进行映射。

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