CN115134300B - 面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，计算最优插入位置，预保留表项，设置参数λ，p和阈值K；步骤S2，当未命中规则时，交换机向控制器发出请求；步骤S3，控制器下发相应的规则子集以及最优插入位置；步骤S4，将规则集按照优先级进行降序排列，并加入到待处理队列；步骤S5，判断待处理队列是否为空，若为空，则执行步骤S2；若不为空，则取出队首的规则，并执行步骤S6；步骤S6，确定候选位置，预计算插入成本，选择最小的成本C，执行步骤S7；步骤S7，将最小成本C和阈值K进行比较，若C<K，则插入，并执行步骤S5；若C≥K，则执行步骤S8；步骤S8，生成空条目，再执行S6。

Description

面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法

技术领域

本发明属于规则缓存管理技术领域，具体涉及一种面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法。

背景技术

软件定义网络因其具有的灵活性而被越来越多的数据中心和企业网络所采用。软件定义网络能够通过定制交换机中的流表规则从而支持各种应用，如访问控制、流量检查、流量过滤等。而三态内容寻址存储器由于其无与伦比的查找速度和支持多种匹配模式，成为软件定义网络交换机中最广泛使用的规则存储芯片。

然而，三态内容寻址存储器却有着更新缓慢的问题。这是由于三态内容寻址存储器中相互依赖的规则必须按照优先级递减的顺序放置，因此，当插入一条新规则时需要搬移已经在三态内容寻址存储器中的规则，从而使得整个过程耗时。并且由于三态内容寻址存储器的电路设计，在规则更新时，查找操作会被阻塞，因此可能会导致数据包丢失降低用户体验。

与此同时，网络应用对更新延迟有越来越严格的要求。例如，车载网络需要在50毫秒内完成故障恢复，这等价于需要在25毫秒内重新安装路由规则。在安全系统中，对规则更新有着更严格的要求。然而商用的交换机更新规则的延迟通常在33毫秒和400毫秒之间。尽管更新速度和需求之间存在着巨大差距，网络应用规则更新的频率也在不断增加。

精心的设计合理的规则管理方案可以很大程度解决这个问题。然而，尽管三态内容寻址存储器和传统存储设备有着完全不同的硬件结构和特点，目前的方案都没考虑到改变三态内容寻址存储器的表项分配方式。传统设备由于数据局部性，采用连续分配资源可以加快数据的访问速度，而三态内容寻址存储器可以并行查找匹配所有表项，连续分配不仅不会加快数据访问，反而会导致在插入规则时，移动大量的现有规则，增大规则更新延迟，导致丢包。同时，现有方案大多只考虑每次插入一条规则的情况，但事实上，控制器会将重叠的规则一起安装到交换机。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种规则更新快且能够避免三态内容寻址存储器中发生规则混乱情况的交换设备规则缓存管理方法，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，控制器为总规则集中的每一条规则计算一个最优插入位置P，空条目管理模块预保留三态内容寻址存储器中的表项，设置参数λ，p和阈值K，其中，λ代表在所述三态内容寻址存储器的存储布局中对本次插入的重视程度，p代表对所述三态内容寻址存储器中的空条目掌控的细腻程度；

步骤S2，所述交换机根据预定的流表规则依次处理各个报文，直到某个所述报文未命中所述流表规则中任何一条时，所述交换机向所述控制器发出相应请求；

步骤S3，所述控制器根据预定的规则依赖关系向所述交换机下发相应的规则子集以及其中每一条所述规则的所述最优插入位置P；

步骤S4，所述交换机将从所述控制器得到的所述规则子集中的所述规则按照优先级进行降序排列，并加入到其待处理队列；

步骤S5，交换机判断其待处理队列是否为空，当判断为是时返回步骤S2，当判断为否时，取出所述待处理队列的队首的所述规则，作为本次插入规则，并执行步骤S6；

步骤S6，在多个空条目中确定所述本次插入规则的多个候选位置，基于所述参数λ以及对应的所述最优插入位置P为每个所述候选位置预计算一个插入成本，通过比较选择最小成本C，并将对应的位置作为待插入位置；

步骤S7，判断所述最小成本C是否小于所述阈值K，当判断为是时，将所述本次插入规则插入至所述待插入位置，并返回步骤S5，当判断为否时，执行步骤S8；

步骤S8，所述空条目管理模块基于所述参数p生成若干个所述空条目，并返回步骤S6。

本发明提供的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S1中，所述控制器根据所述总规则集中的依赖关系计算所述最优插入位置P，

所述最优插入位置P根据以下公式计算：

式中，r为所述规则，N为所述三态内容寻址存储器的容量，a为所述总规则集中优先级比规则r高且与规则r具有依赖关系的规则的数量；b为所述总规则集中优先级比规则r低且与规则r具有依赖关系的规则的数量，α代表这些规则的下发概率。

本发明提供的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S6中，所述插入成本根据以下公式计算：

Cost(T_i)＝Mcost(T_i)+λ*Influence(r,T_i)

式中，T_i为所述三态内容寻址存储器中的第i个位置，Mcost(T_i)为插入规则r到T_i需要搬移其他规则的次数，Influence(r,T_i)为插入规则r到T_i对所述三态内容寻址存储器中存储布局的影响。

本发明提供的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，还可以具有这样的技术特征，其中，所述空条目管理模块包括：

空条目预留子模块，用于基于设定的所述参数p预留对应的所述空条目；空条目释放子模块，用于在达到预定条件时释放预留的所述空条目；以及空条目生成子模块，用于产生所述空条目。

本发明提供的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，还可以具有这样的技术特征，其中，所述空条目预留子模块在初始化阶段根据所述参数p将对应的所述空条目进行预留，预留的所述空条目在被释放之前不能被使用，当C≥K时，所述空条目释放子模块首先判断是否有可释放的所述空条目，当判断为是时，根据所述参数p，每隔p个条目释放一个所述空条目，当判断为否时，所述空条目生成子模块根据预定的删除规则、依赖关系以及所述交换机硬件对网络流量的记录选择所述三态内容寻址存储器中的一个所述规则子集进行删除。

发明作用与效果

根据本发明的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，首先，空条目管理模块通过空条目预留模块、空条目释放模块和空条目生成模块三个子模块使得三态内容寻址存储器时刻有着均匀可用的空条目，从而极大程度减少了在插入新规则时对其它规则的搬移，进而降低规则更新的延迟。

其次，本发明新颖的成本计算方式不仅结合了规则插入对三态内容寻址存储器布局的影响，还权衡了当前收益和未来收益，合理的设置参数使得规则依赖链能够均匀分布在三态内容寻址存储器中，从而减少了在插入新规则时对其它规则的搬移，进而降低规则更新的延迟。

最后，本发明考虑了控制器会将重叠的规则一起安装到交换机的真实场景，并通过对下发规则进行优先级排序，从而避免了三态内容寻址存储器中发生规则乱序的情况，现有技术中，通常解决这个情况需要花费较长时间。

综上所述，本发明提供了一种能够降低规则更新延迟、且能够避免三态内容寻址存储器中发生规则乱序情况的规则缓存管理方法。

附图说明

图1是本发明实施例一中面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法的流程图；

图2是本发明实施例中在预热阶段不同插入方案的平均成本比较图；

图3是本发明实施例中在预热阶段不同插入方案的最大成本比较图；

图4是本发明实施例中在稳定阶段不同插入方案的平均成本比较图；

图5是本发明实施例中在稳定阶段不同插入方案的最大成本比较图；

图6是本发明实施例中K值对更新成本的影响示意图；

图7是本发明实施例中λ值对更新成本的影响示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法作具体阐述。

<实施例>

本实施例提供一种面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，用于对三态内容寻址存储器中的规则进行缓存管理，该方法又称为“基于空条目管理的规则插入方案(BubbleTCAM)”。

图1是本实施例中面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法的流程图。

如图1所示，面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法具体包括以下步骤：

步骤S1，控制器为总规则集中的每一条规则计算一个最优插入位置P，空条目管理模块预保留三态内容寻址存储器中的表项，设置参数λ，p和阈值K。

其中，参数λ，p和阈值K根据实际需求设定，λ代表在三态内容寻址存储器的存储布局中对本次插入的重视程度，λ越大则代表越重视本次插入对存储布局的影响，也即代表了当前和未来收益的权衡；p代表对三态内容寻址存储器中的空条目掌控的细腻程度，p越大则越细腻；K为阈值，当K值越小，相应的规则更新延时越小，但规则更新频率可能会增大。

最优插入位置P是控制器根据总规则集中的依赖关系计算而来，具体地，对于规则r，根据以下公式进行计算：

上式中，N为三态内容寻址存储器的容量，a为规则集中优先级比当前规则r高且与其具有依赖关系(包括直接依赖和间接依赖)的规则的数量，α根据实际情况设定，当α越大，则代表规则集中优先级比当前规则r低且与其具有依赖关系的规则下发概率越高，b为总规则集中优先级比规则r低且与规则r具有依赖关系的规则的数量。

空条目管理模块包含有三个子模块：空条目预留子模块、空条目释放子模块和空条目生成子模块。空条目预留子模块用于基于设定的参数p预留对应的空条目；空条目释放子模块用于在达到预定条件时释放预留的空条目；空条目生成子模块用于产生空条目，以下将结合相应步骤再具体说明其作用。

本实施例中，在仿真环境中设置三态内容寻址存储器的大小为5000个条目，并设置参数λ＝0.001，p＝2，阈值K＝12，α＝0.3。三态内容寻址存储器按照参数p＝2，每隔p个条目设定一个空条目可用。

步骤S2，交换机根据预定的流表规则依次处理各个报文，直到某个报文未命中流表规则中任何一条时，交换机向控制器发出相应请求。

步骤S3，控制器根据预定的规则依赖关系向交换机下发相应的规则子集以及其中每一条规则的最优插入位置P。

其中，如果规则子集的大小超过一个预设的阈值M＝1500，则改为插入一条精确处理这个报文的规则，以减少系统的工作负担。

步骤S4，交换机将从控制器得到的规则子集中的规则按照优先级进行降序排列，并加入到其待处理队列。

步骤S5，交换机判断其待处理队列是否为空，若待处理队列为空，则返回执行步骤S2；若待处理队列不为空，则取出队首的规则，作为本次插入的规则，并执行步骤S6。

步骤S6，在多个空条目中确定本次插入规则的多个候选位置，为每个候选位置预计算一个插入成本，通过比较选择最小成本C，并将对应的位置作为待插入位置，执行步骤S7。

其中，候选位置通过规则之间的依赖关系确定，当前规则r必须插入到优先级比当前规则r高且与其具有依赖关系的规则的下面和优先级比当前规则r低且与其具有依赖关系的规则的上面。

每个候选位置的插入成本由两部分组成：第一部分为插入当前规则r到该候选位置需要搬移其他规则的次数，记作Mcost(T_i)，式中T_i指三态内容寻址存储器中的第i个位置；另一部分为插入当前规则r到该候选位置对整个三态内容寻址存储器中存储布局的影响，记为Influence(r,T_i)，根据规则的最优插入位置记算得到。因此，对于新规则r的候选位置T_i，其插入成本可以用如下公式计算：

Cost(T_i)＝Mcost(T_i)+λ*Influence(r,T_i) (1)

其中，第二部分Influence(r,T_i)可进一步分为两项，一项为diff(r,Ti)＝|P(r)-i|，代表当前候选位置与该规则的最优插入位置之间的距离；另一项为式中，R为已经下发到交换机的规则子集，表示规则r_i目前所在的位置，/>表示新的规则插入后规则r_i所在的位置，这一项代表选择该候选位置后对于其他规则位置的影响。因此，对于新规则r的候选位置T_i，其插入成本可以用以下公式计算：

式中，如上述，λ代表当前和未来收益的权衡，λ越大则代表越重视本次插入对未来插入成本的影响。

步骤S7，将最小成本C和阈值K进行比较，判断最小成本C是否小于阈值K，若C<K，则将本次插入的规则插入到待插入位置，并返回执行步骤S5；若C≥K，则执行步骤S8。

步骤S8，空条目管理模块生成若干个空条目，并返回执行步骤S6。

具体地，上述空条目预留子模块在初始化阶段根据设定的参数p将对应的空条目进行预留，预留的空条目在被释放之前，是不能被使用的；然后，当最小代价C≥K时，空条目释放子模块会首先判断是否有可释放的空条目，若三态内容寻址存储器还有不可用的空条目，则根据参数p，每隔p个条目释放一个空条目，使得这些空条目可用；否则(即没有可释放的空条目)，空条目生成子模块根据预定的删除规则、依赖关系和交换机硬件对于网络流量的记录选择一个三态内容寻址存储器中合适的规则子集进行删除。

本实施例中，使用C++语言实现上述步骤并进行仿真，并使用ClassBench规则生成器进行规则集的生成和流量的生成。ClassBench规则生成器是一种通用的规则生成软件，在互联网上公开发布，目前已被网络研究者广泛使用。

本实施例中对三种不同的规则缓存管理方法进行比较。这三种缓存管理方法分别为：基于规则依赖链的插入方案(Chain)、基于成本比较的插入方案(FastUp)以及本实施例的基于空条目管理的插入方案(BubbleTCAM)。

其中，基于规则依赖链的插入方案是根据三态内容寻址存储器中的规则依赖图，找出新规则插入的地址范围，然后选择范围中的最低或最高位插入。

基于成本比较的插入方案在找出新规则插入的地址范围后，对于范围中的每个位置进行插入成本的比较，选择插入成本最低的位置。

本实施例使用了仿真环境来进行测试。分别选用了ClassBench规则生成器生成的大小不同的防火墙规则集。在该测试中，每个规则集相应的流个数是数据集大小的两倍。

图2-5示出了本实施例的方法和其他两种方法在不同数据集规模时的测试结果。在该测试中，实验环境符合上述给定的参数。测试分为两个阶段：预热阶段和稳定阶段。将三态内容寻址存储器为空开始的阶段称为预热阶段，当步骤S8的空条目管理模块开始对规则进行删除，就认为预热阶段结束，进入稳定阶段。图2示出的是预热阶段的插入规则的平均成本，图3示出的是预热阶段的最大成本，图4示出的是稳定阶段的平均成本，图5示出的是预热阶段的最大成本。

如图2-3所示，在预热阶段，无论是平均成本还是最大成本，本实施例的基于空条目管理的插入方案相较其他两种方案优势明显，本实施例的方案的最大成本仅为其他方案的几百分之一。如图4-5所示，在稳定阶段，本实施例的方案在平均成本方面也有优化，并保持着最大成本的明显降低。

图6示出了本实施例的方案中阈值K的值的影响，图6中上方和下方两张子图分别显示了插入规则的总成本和最大成本。总成本分为两部分，删除成本和更新成本。较小的删除成本意味着更大的命中率。最大成本越大，三态内容寻址存储器中的规则依赖就越复杂。从图6可以看出，K值不应过大或过小，K＝40是最佳的。如果K值太小，基于空条目管理的插入方案会在三态内容寻址存储器中可用的空条目仍较多时就释放空条目，这样就会频繁进行插入和删除，导致总成本增大。而如果K值过大，就会导致基于空条目管理的插入方案不够敏锐，在三态内容寻址存储器快要满时仍不申请空条目，导致成本很大。因此，对于每一个λ，都有相对较优的K值。

图7示出了本实施例的方案中参数λ以及阈值K的值的影响，如图7所示，首先调整λ并找到相对较优的K值来比较λ的影响，可以从图7中得到三个结论：其一，最佳的K值随着λ的增加而增加；其二，λ越大，均匀性越好(数值越小)，这是计算规则当前位置和最优插入位置之间的差异得到的，λ越大，意味着方案对布局的关注度越高，在这种情况下，大部分成本来自于布局的变化，这导致真正的移动成本被忽略了，所以，最大的成本被降低了。其三，λ也有一个最佳值，因此，通过调整λ的值，可以在实际插入成本和三态内容寻址存储器布局影响之间做一个很好的权衡，从而使总成本最小化。

本实施例中，未详细说明的部分为本领域的公知技术。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，首先，空条目管理模块通过空条目预留模块、空条目释放模块和空条目生成模块三个子模块使得三态内容寻址存储器时刻有着均匀可用的空条目，从而极大程度减少了在插入新规则时对其它规则的搬移，进而降低规则更新的延迟。

其次，本发明实施例新颖的成本计算方式不仅结合了规则插入对三态内容寻址存储器布局的影响，还权衡了当前收益和未来收益，合理的设置参数使得规则依赖链能够均匀分布在三态内容寻址存储器中，从而减少了在插入新规则时对其它规则的搬移，进而降低规则更新的延迟。

最后，本发明实施例考虑了控制器会将重叠的规则一起安装到交换机的真实场景，并通过对下发规则进行优先级排序，从而避免了三态内容寻址存储器中发生规则乱序的情况，现有技术中，通常解决这个情况需要花费较长时间。

综上所述，本发明实施例提供了一种能够降低规则更新延迟、且能够避免三态内容寻址存储器中发生规则乱序情况的规则缓存管理方法，实施例中，在仿真环境中分别测试三种不同缓存管理方法的性能指标。与其他两种方案相比，本实施例的基于空条目管理的插入方案在预热阶段的平均成本和最差成本至少减少了51％和12倍。在稳定阶段，平均成本至少减少48％，最差成本减少50％，达到了显著的技术效果。

上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (5)

1.一种面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，控制器为总规则集中的每一条规则计算一个最优插入位置P，空条目管理模块预留三态内容寻址存储器中的表项，设置参数λ，p和阈值K，其中，λ代表在所述三态内容寻址存储器的存储布局中对本次插入的重视程度，p代表对所述三态内容寻址存储器中的空条目掌控的细腻程度；

步骤S2，交换机根据预定的流表规则依次处理各个报文，直到某个所述报文未命中所述流表规则中任何一条时，所述交换机向所述控制器发出相应请求；

步骤S3，所述控制器根据预定的规则依赖关系向所述交换机下发相应的规则子集以及其中每一条所述规则的所述最优插入位置P；

步骤S4，所述交换机将从所述控制器得到的所述规则子集中的所述规则按照优先级进行降序排列，并加入到其待处理队列；

步骤S5，交换机判断其待处理队列是否为空，当判断为是时返回步骤S2，当判断为否时，取出所述待处理队列的队首的所述规则，作为本次插入规则，并执行步骤S6；

步骤S6，在多个所述空条目中确定所述本次插入规则的多个候选位置，基于所述参数λ以及对应的所述最优插入位置P为每个所述候选位置预计算一个插入成本，通过比较选择最小成本C，并将对应的位置作为待插入位置；

步骤S7，判断所述最小成本C是否小于所述阈值K，当判断为是时，将所述本次插入规则插入至所述待插入位置，并返回步骤S5，当判断为否时，执行步骤S8；

步骤S8，所述空条目管理模块基于所述参数p生成若干个所述空条目，并返回步骤S6。

2.根据权利要求1所述的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于：

其中，步骤S1中，所述控制器根据所述总规则集中的依赖关系计算所述最优插入位置P，

所述最优插入位置P根据以下公式计算：

式中，r为所述规则，N为所述三态内容寻址存储器的容量，a为所述总规则集中优先级比规则r高且与规则r具有依赖关系的规则的数量，α代表所述总规则集中优先级比规则r高且与规则r具有依赖关系的规则的下发概率，b为所述总规则集中优先级比规则r低且与规则r具有依赖关系的规则的数量。

3.根据权利要求1所述的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于：

其中，步骤S6中，所述插入成本根据以下公式计算：

Cost(T_i)＝Mcost(T_i)+λ*Influence(r,T_i)

式中，T_i为所述三态内容寻址存储器中的第i个位置，Mcost(T_i)为插入规则r到T_i需要搬移其他规则的次数，Influence(r,T_i)为插入规则r到T_i对所述三态内容寻址存储器中存储布局的影响。

4.根据权利要求1所述的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于：

其中，所述空条目管理模块包括：

空条目预留子模块，用于基于设定的所述参数p预留对应的所述空条目；

空条目释放子模块，用于在达到预定条件时释放预留的所述空条目；以及

空条目生成子模块，用于产生所述空条目。

5.根据权利要求4所述的面向软件定义网络的交换设备规则缓存管理方法，其特征在于：

其中，所述空条目预留子模块在初始化阶段根据所述参数p将对应的所述空条目进行预留，预留的所述空条目在被释放之前不能被使用，

当所述最小成本C≥所述阈值K时，所述空条目释放子模块首先判断是否有可释放的所述空条目，当判断为是时，根据所述参数p，每隔p个条目释放一个所述空条目，当判断为否时，所述空条目生成子模块根据预定的删除规则、依赖关系以及所述交换机硬件对网络流量的记录选择所述三态内容寻址存储器中的一个所述规则子集进行删除。