CN114374648A - 一种np芯片结合tcam实现智能网卡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明利用NP芯片结合TCAM的方式完成OVS部分卸载的智能网卡设计方案，利用可编程的NP芯片替代原有的FPGA的硬件设计，利用TCAM的独有特性实现卸载的Megaflow表，完全消除Microflow流表，把流表处理的工作全权交给TCAM，从NP芯片设计里剥离出来，消除了NP芯片存储流表的压力，简化了网卡系统设计，保证了流表的快速搜索和固定时延。

Description

一种NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法
技术领域
本发明属于智能网卡技术领域，更具体地，涉及一种NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法。
背景技术
随着网络信息时代的不断发展，网络概念不断的重定义，从传统网络到SDN的提出，再从SDN的发展到云产品的广泛应用，使得云虚拟机、云容器、云函数由构想变为现实。云应用的顺利运行不但与本身平台系统架构设计有关，更与支持的网络特性和网络质量相关。OVS是实现SDN的重要的应用软件之一。支持的网络特性的下沉是提高网络质量的直接方法，可以通过更改OVS提供的接口函数，实现自定义的数据通路，把软件定义的网络特性，卸载到硬件层。目前OVS支持的网络特性卸载分为部分卸载和全卸载。全卸载是硬件可以支持的特性，网络数据包可以快速从硬件加速路径通过，对于不能支持的特性，通过系统调用，访问到OVS及其上层相对应的OpenFlow控制器，做对应处理；而部分卸载是硬件可以支持的特性，网络数据包可以快速从硬件加速路径通过，对于不能支持的特性，网络数据包可从OVS软件加速路径通过。部分卸载模式相对于全卸载模式而言更灵活，通用性更好，因此针对部分卸载的模式提出一种NP结合TCAM实现智能网卡的方法以更合理得提高网卡处理能力。
OVS是利用流表，以流匹配的方式，对网络数据包做过滤、转发、丢弃等动作处理，通过软件加速通路和慢速数据通路使得网络数据包快速传输。流表的匹配速度和更新频次对于数据包处理来说起着至关重要的作用，这也是OVS需要解决的瓶颈。随着OVS的不断发展，对流表的设计由原来的Microflow流表变为Megaflow流表，再由Megaflow流表到Microflow流表结合Megaflow流表的方式使得软件加速通路更高效。OVS的部分卸载则是试图把流表和对应的处理动作由软件层面卸载到硬件层面，以实现硬件加速通路，不能通过硬件实现的工作，还是依旧通过向上调用，按原来的纯软件的OVS运作流程走一遍。从网络数据的数据通路来看，OVS部分卸载的结构如图1所示，由OpenFlow控制器通过控制管理OVSDB server和OVS-vswitchd以配置端口，下发流表和删除流表等；OVS-vswitchd通过暴露在外面的接口接收上层应用的命令，而后下发流表并与OVSDB server通信保存OVS各种配置和流表项。硬件加速通路，即为网络数据包与卸载到底层硬件的流表项匹配中了，让这条数据流按照硬件实现的动作执行下去，不需要和上层应用交互确定动作是否在流表中存在。软件加速通路，即为网络数据包无法与卸载的流表项匹配，会通过系统调用，走内核数据通路，从流匹配到动作执行，最终把匹配后的流表项从内核层下发到硬件层的流表里，类似网络数据包将会直接通过。慢速通路是当网络数据包在内核层与流表项匹配不中时，通过向上系统调用，访问上层应用，由OpenFlow控制器决定如何处理类似的网络数据包，更新OpenFlow表，以致于更新流表项到内核层的相关流表中。从数据包处理的角度看，传统的部分卸载网卡的结构如图2所示，
目前，实现部分卸载OVS的网卡设计，需利用可编程FPGA为基础，实现网络数据包包头解析器，分类器，Microflow表和Megaflow表及其快速查找功能，动作执行模块，隧道装卸模块等。这种设计的弊端在于硬件设计逻辑复杂，FPGA的规模会因为庞大的功能模块而增大，导致价格昂贵，且实现Microflow表和Megaflow表需要合理管理大规模的DDR，时延不固定，如何保证搜索速度也瓶颈之一。为了解决这些问题，本发明提出设计方案以尝试流表设计的瓶颈以及基于FPGA硬件设计的高费用的问题，新的设计将用一种可编程的NP芯片结合TCAM的方式实现基于OVS的部分卸载的智能网卡，不但节省了产品的成本，还把流表匹配的工作从原有的硬件设计中剥离出来，交给TCAM处理，替代了硬件层面的流表的存储结构和搜索设计。在保证硬件设计的灵活性的同时，解决了表处理的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法，该方法用NP芯片替代FPGA的硬件逻辑，结合TCAM以大量减少NP芯片的工作负载，承担流表的实现工作，不但简化了表存储的设计，保证了查表速度和固定延时，且降低了网卡实现的成本，从而解决了上述OVS部分卸载的智能网卡的传统设计的缺陷。
为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案如下：
一种NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法，所述方法包括：
步骤一，主机应用程序在TCAM创建一个卸载的Megaflow流表，可在所述卸载的Megaflow流表中添加/删除/重置流表项，为OpenFlow控制器提供配置TCAM的接口，为内核层提供操作所述流表项的接口；
步骤二，每当网络数据包来到硬件层时，所述网络数据包进入NP芯片进行处理，所述NP芯片包括包头解析模块、分类模块、动作执行模块和隧道查询模块，所述网络数据包在所述NP芯片的处理过程如下：首先所述网络数据包进入所述包头解析模块，对所述网络数据包进行包头处理，再经过所述分类模块进行分类，然后经过RTL逻辑，用适当的解析方法生成数据流作为搜索数据进入TCAM，在所述卸载的Megaflow流表中进行通配搜索后，得到对应的关联数据（AD），所述关联数据作为处理所述网络数据包的执行动作返回给所述NP芯片，所述网络数据包再进入所述动作执行模块和所述隧道查询模块，最后从所述NP芯片流出；
步骤三，未知数据流将会发送到软件加速通路，进入所述内核层，通过所述内核层的头解析器和分类器，与所述内核层的Megaflow流表进行通配，若匹配中，则执行对应的动作并将所匹配的流表项更新到所述硬件层的流表项中；若匹配不中，则向上进行系统调用，所述未知数据流将会发送到慢速通路，进入用户层，通过OVS Agent与OpenFlow控制器交互，决定对所述数据流的处理结果，并通过vswitchd把生成的流表项下发给所述内核层的Megaflow流表，后续类似的数据流即可快速通过。
进一步地，用软件为所述OpenFlow控制器提供配置TCAM的接口。
进一步地，所述数据流在TCAM的处理过程如下：所述数据流首先进入TCAM的HashRam，得到索引，然后与所述Megaflow流表进行匹配，如果匹配中多个流表项，则把优先级最高的流表项对应的关联数据作为所述执行动作返回给所述NP芯片。
本发明利用可编程的NP替代原有的FPGA的硬件设计，利用TCAM解决了对卸载到硬件的Megaflow流表的存储和查找的问题。可编程的NP芯片实现了头处理模块，流分类模块，动作处理模块以及隧道查询模块。流控制器所下发的规则到内核层，被动触发从内核层下发Megaflow流表项到TCAM的表中的行为。由NP芯片进行网络数据包提取，生成搜索数据，当搜索数据到TCAM匹配流表项时，得到的该搜索数据对应的关联数据（AD）作为网络数据包的后续执行的相关动作，返回NP芯片，执行完相应的动作，直到最后流出。这样做的好处是充分利用TCAM专有特性，消除了Microflow表，实现了Megaflow表以及功能，由TCAM管理流表项，快速匹配流表项规则，输出结果，省却了NP芯片做流卸载的不必要的复杂设计，增强了流卸载的能力，且保证了流查找的固定时延。
附图说明
图1为现有技术的智能网卡数据通路示意图；
图2为现有技术的智能网卡网络数据包流控示意图；
图3为根据本发明的智能网卡网络数据包流控示意图；
图4为根据本发明的智能网卡生成的数据流在TCAM运行示意图；
图5为根据本发明的只能网卡设计总览示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图3为根据本发明的智能网卡网络数据包流控示意图。本发明的核心是以NP芯片结合TCAM为基础，NP芯片取代了FPGA实现的头解析器，分类器动作执行逻辑，隧道查询等功能，而TCAM实现了Megaflow取代了FPGA实现的 Megaflow流表和Microflow流表，如图3所示。
图4为根据本发明的智能网卡生成的数据流在TCAM运行示意图，网络数据包流在TCAM里的处理过程如图4所示。从RTL逻辑生成的数据流作为搜索数据进入TCAM，进入TCAM的HashRam，得到索引，去往Megaflow流表里匹配，表中有六个表项，表项1、表项2、表项3、表项4、表项5和表项6，对应的相关数据分别为AD1、AD2、AD3、AD4、AD5和AD6,结果匹配中了表项1，表现2和表项6，经过优先级的比较，表项2的优先级最高，因此去到存储表项2对应的AD存储单元，把AD2作为执行的动作输出。
本方案设计系统结构如图5所示，自顶向下说明。软件层面，由SDN相关的云应用与OpenFlow控制器交互信息，可通过OVS提供的ovs-ofctl以及ovs-appctl查看流表内容，端口基本信息以及状态。OpenFlow控制器通过提供的接口，与OVS的vswitchd进程通信，且能够负责配置管理。vswitchd再通过ofproto，ofprto-dpif，dpif，dpif-provider的层层调用到dpif加速层。dpif加速层，负责TCAM的，MDIO的配置以及QDMA的通信。 它负责下发MDIO配置到由UIO驱动的桥上，与TCAM通信，对TCAM进行基础的配置和初始化；负责与TCAM自带的SDK交互，以达到对流表以及流表项的操作；负责与QDMA做交互，作为系统调用需要上传和下发数据的纽带。内核层通过由UIO驱动的桥与QDMA做数据交互（注：下发MDIO配置到的桥与该桥不同），内核层的Megaflow表项的管理以及信息反馈由该桥通过。硬件层须提供若干端口让网络包进入NP芯片，遵循ILK协议与TCAM通信（端口包含收发接口以及支持DMA的数据交互），支持SR-IOV提供VF接口，提供包计数统计等功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法，其特征在于所述方法包括：
A. 主机应用程序在TCAM创建一个卸载的Megaflow流表，可在所述卸载的Megaflow流表中添加/删除/重置流表项，为OpenFlow控制器提供配置TCAM的接口，为内核层提供操作所述流表项的接口；
B. 每当网络数据包来到硬件层时，所述网络数据包进入NP芯片进行处理，所述NP芯片包括包头解析模块、分类模块、动作执行模块和隧道查询模块，所述网络数据包在所述NP芯片的处理过程如下：首先所述网络数据包进入所述包头解析模块，对所述网络数据包进行包头处理，再经过所述分类模块进行分类，然后经过RTL逻辑，用适当的解析方法生成数据流作为搜索数据进入TCAM，在所述卸载的Megaflow流表中进行通配搜索后，得到对应的关联数据（AD），所述关联数据作为处理所述网络数据包的执行动作返回给所述NP芯片，所述网络数据包再进入所述动作执行模块和所述隧道查询模块，最后从所述NP芯片流出；
C. 未知数据流将会发送到软件加速通路，进入所述内核层，通过所述内核层的头解析器和分类器，与所述内核层的Megaflow流表进行通配，若匹配中，则执行对应的动作并将所匹配的流表项更新到所述硬件层的流表项中；若匹配不中，则向上进行系统调用，所述未知数据流将会发送到慢速通路，进入用户层，通过OVS Agent与OpenFlow控制器交互，决定对所述数据流的处理结果，并通过vswitchd把生成的流表项下发给所述内核层的Megaflow流表，后续类似的数据流即可快速通过。
2.根据权利要求1所述的NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法，其特征在于：用软件为所述OpenFlow控制器提供配置TCAM的接口。
3.根据权利要求1所述的NP芯片结合TCAM实现智能网卡的方法，其特征在于：所述数据流在TCAM的处理过程如下：所述数据流首先进入TCAM的HashRam，得到索引，然后与所述Megaflow流表进行匹配，如果匹配中多个流表项，则把优先级最高的流表项对应的关联数据作为所述执行动作返回给所述NP芯片。
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