CN116208673B - 多样化网络模态共存的转发装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络设备技术领域，具体涉及一种多样化网络模态共存的转发装置及方法，该装置包括前端处理单元、在线可编译单元和后端处理单元，前端处理单元用于数据包的预处理，将数据包引导至相应的网络模态处理；在线可编译单元用于支持多种网络模态处理逻辑独立编译，动态加/卸载，每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑；后端处理单元用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略。本发明打破了传统网络设备单一的网络处理逻辑，可支持多种网络模态处理逻辑共存。

Description

多样化网络模态共存的转发装置及方法

技术领域

本发明属于网络设备技术领域，具体涉及一种多样化网络模态共存的转发装置及方法。

背景技术

随着工业互联网、车联网、全息通信、物联网等深入发展，未来将会有海量差异化的通信主体和多样化异构网络的接入，互联网将迎来“人-机-物”万物互联的新时代。传统的网络设备功能是与硬件绑定的，一旦网络设备出厂完成，其网络设备的功能便是固定不变的，充其量只能对其流表规则、部分参数进行配置。网络设备的功能和处理逻辑由厂商垄断。此外，互联网采用尽力而为的转发方式缺乏质量保障，不支持各种各样的数据包调度算法表达，难以支撑更多对时延和吞吐量有较高要求的应用。随着可编程数据平面的深入发展，尤其是P4等数据平面可编程特定语言的出现，进一步打破了“网络僵化”，加速了数据平面的创新。然而，当前可编程数据平面提供了独占的数据平面抽象，难以同时支持多个网络环境，且相互嵌套的网络功能处理逻辑会引发新的问题，如多个网络功能间逻辑冲突，或一个网络处理逻辑消耗超过公平份额的资源导致资源冲突等，无法满足未来万物互联的多元化网络场景的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种多样化网络模态共存的转发装置及方法，打破了传统网络设备单一的网络处理逻辑，可支持多种网络模态处理逻辑共存。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种多样化网络模态共存的转发装置，包括：

前端处理单元，用于数据包的预处理，将数据包引导至相应的网络模态处理；

在线可编译单元，用于支持多种网络模态处理逻辑独立编译，动态加/卸载，每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑；

后端处理单元，用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略。

进一步地，所述前端处理单元包括解析模块一和匹配/动作模块一，所述解析模块一用于解析数据包外部包头，所述匹配/动作模块一用于识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入相应的网络模态。

进一步地，所述在线可编译单元包括多种网络模态，每种网络模态均包括解析模块二、匹配/动作模块二、队列调度模块和逆解析模块一，所述解析模块二用于解析数据包网络模态包头，所述匹配/动作模块二用于执行预定义的匹配/动作逻辑获得数据包的出端口，所述队列调度模块用于实施每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略，所述逆解析模块一用于对数据包重新封装网络模态包头。

进一步地，所述后端处理单元包括匹配/动作模块三、逆解析模块二和混合调度模块，所述匹配/动作模块三用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头和执行其他必要的数据包处理操作，所述逆解析模块二用于封装数据包外部包头，所述混合调度模块用于对不同模态的数据包执行混合调度。

进一步地，所述混合调度模块包括队列准入策略子模块、多个先入先出队列和调度策略子模块，所述队列准入策略子模块用于针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略；所述多个先入先出队列只能从队列尾部排队，从队列的头部出列；所述调度策略子模块用于针对不同的先入先出队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。

进一步地，该装置还包括编译器，用于将每种网络模态的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的网络程序，编译到相应的硬件设备中。

本发明还提供了一种多样化网络模态共存的转发方法，包含以下步骤：

前端处理单元检查数据包外部包头，解析数据包外部包头，执行匹配/动作逻辑识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入相应的网络模态；

每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑；

根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略。

进一步地，每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑，包括：

每种网络模态解析数据包网络模态包头，执行预定义的匹配/动作逻辑获得数据包的出端口，同时实施每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略，待数据包处理完毕后，逆解析动作对数据包重新封装网络模态包头，并将数据包送到后端处理单元。

进一步地，多模态网络数据报文混合调度策略具体包括：

队列准入策略子模块针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略；

多个先入先出队列只能从队列尾部排队，从队列的头部出列；

调度策略子模块针对不同的先入先出队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、多种网络模态可在同一个网络设备上共存，并运行不同的报文格式、路由协议、交换方式等转发逻辑。每种网络模态都拥有独立完整的处理逻辑，维护各自特定的计算、存储、转发资源，支持独立编译与运行，可编译到不同的硬件平台包括FPGA、CPU和GPU等。因此使用一个网络设备就能满足多元化网络场景的需求。

2、每种网络模态都能按照预先分配的物理资源处理和发送报文，每种网络模态内部支持自定义的队列调度，可实现网络模态内部数据包的优先级调度，以满足网络模态内部不同业务流的QoS需求；各网络模态之间可执行自定义的混合调度策略，以满足不同网络模态的QoS需求，支持资源按需分配和流量差异化服务的能力。

3、除了前端处理单元和后端处理单元，每种网络模态只能处理到其所属的流量，无法接触其他网络模态的流量，实现了流量隔离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的多样化网络模态共存的转发装置的结构框图；

图2是本发明实施例的以太网MAC帧格式；

图3是本发明实施例的后端处理单元的混合调度模块的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的，本实施例的多样化网络模态共存的转发装置包括前端处理单元、在线可编译单元和后端处理单元；前端处理单元执行数据包的预处理，将数据包引导至相应的网络模态处理；在线可编译单元支持多种网络模态处理逻辑独立编译，动态加/卸载，每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑，平衡网络模态对运行时编程灵活性和转发性能等需求；后端处理单元根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略。

具体的，前端处理单元包括解析模块一和匹配/动作模块一，解析模块一用于解析数据包外部包头，匹配/动作模块一用于识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入相应的网络模态。

前端处理单元通过解析数据包外部包头，来识别数据包所属的网络模态，数据包包头的格式可通过多种方式实现，如MAC-in-MAC、VXLAN等overlay方式，修改目的MAC地址，或通过数据包特定字段识别模态类型，下面给出一个数据包包头实例，如图2所示。多模态网络通过MAC层实现统一承载，在MAC层，利用以太网帧类型字段来识别所属网络模态，以太网帧类型字段0x0800-0x081B表示各类模态，各类模态的具体报文格式在网络层呈现。

在线可编译单元针对各种网络模态需求对异质资源进行组合和重构，构建出各个网络模态所需的转发处理流水线。在线可编译单元包括多种网络模态，每种网络模态均包括解析模块二、匹配/动作模块二、队列调度模块和逆解析模块一；解析模块二用于解析数据包网络模态包头，匹配/动作模块二用于执行预定义的匹配/动作逻辑获得数据包的出端口，队列调度模块用于实施每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略，逆解析模块一用于对数据包重新封装网络模态包头。

后端处理单元包括匹配/动作模块三、逆解析模块二和混合调度模块，匹配/动作模块三用于所述后端处理单元包括匹配/动作模块三、逆解析模块二和混合调度模块，所述匹配/动作模块三用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头和执行其他必要的数据包处理操作，比如QoS管理、数据包优先级配置等，所述逆解析模块二用于封装数据包外部包头，所述混合调度模块用于对不同模态的数据包执行混合调度，逆解析模块二用于封装数据包外部包头，混合调度模块用于对不同模态的数据包执行混合调度。后端处理单元支持自定义的多模态网络数据报文混合调度策略，以满足不同网络模态的QoS需求，在提高网络服务资源利用率最大化的同时，兼顾各种网络模态的公平性和转发性能等，使得交换设备真正具备异构互联、支持模态自定义报文格式和处理逻辑转发、支持资源按需分配和流量差异化服务的能力。

如图3所示，混合调度模块包括三个部分：队列准入策略子模块、多个先入先出队列（FIFO）和调度策略子模块。

队列准入策略子模块执行数据包的入队策略，可针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略，比如将同一网络模态的数据包送入到同一队列以实施公平性调度，或者根据网络模态的优先级，将数据包送入不同的优先级队列里；或者实施相应的丢包策略以实施拥塞管理等。

多个先入先出队列（FIFO）只能从队列尾部排队，从队列的头部出列，每个队列支持自定义优先级设置，当队列已满时，将自动丢弃要排队的数据包。

调度策略子模块可以针对不同的FIFO队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。例如，可以配置具有不同优先级的多个FIFO队列，以实现严格的优先级队列调度。同时，还可以配置具有相同优先级的多个FIFO队列，来实现公平调度（类似于DRR、WFQ）。

前端处理单元和后端处理单元不支持在线编译，但部分参数支持重配置。前端处理单元通过查流表的形式执行匹配/动作逻辑，将数据包引导至相应的网络模态。当添加、修改或移除网络模态时，可通过向前端处理单元下发或修改流表项即可。后端处理单元也支持自定义的匹配/动作逻辑，支持在线配置混合调度策略。

每种网络模态支持独立编译，动态加/卸载，可由用户根据不同的网络场景，编写包含自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的网络程序，并通过编译器编译到相应的硬件设备中。

与上述一种多样化网络模态共存的转发装置相应地，本实施例还提出一种多样化网络模态共存的转发方法，包含以下步骤：

步骤S101，由外部设备端口进入前端处理单元的数据包，前端处理单元会检查数据包外部包头，解析数据包外部包头，执行匹配/动作逻辑识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入相应的网络模态处理。

步骤S102，待数据包进入网络模态后，以图2报文结构为例，每种网络模态解析网络模态包头，执行预定义的匹配/动作逻辑以获得数据包的出端口，例如IP模态可根据不同的字段（源IP、目的IP、源端口、目的端口、协议号等）实现不同的寻址路由机制。同时，每种网络模态可针对其相应的数据包实施自定义的队列调度策略，实现每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略，以满足模态内部业务流的QoS需求。最后待数据包处理完毕后，逆解析动作对数据包重新封装网络模态包头，并将数据包送到后端处理单元。

步骤S103，后端处理单元可针对到来的数据包执行进一步匹配/动作处理，并封装数据包外部包头，并根据不同网络模态资源需求，对不同网络模态的数据包执行混合调度，并输出到相应的外部端口。

具体的，混合调度包括：队列准入策略子模块针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略；多个先入先出队列只能从队列尾部排队，从队列的头部出列；调度策略子模块针对不同的先入先出队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多样化网络模态共存的转发装置，其特征在于，包括：

前端处理单元，用于数据包的预处理，解析数据包外部包头，识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入到在线可编译单元中，由相应的网络模态对其处理；所述前端处理单元包括解析模块一和匹配/动作模块一，所述解析模块一用于解析数据包外部包头，所述匹配/动作模块一用于识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入在线可编译单元中相应的网络模态；

在线可编译单元，用于支持多种网络模态处理逻辑独立编译，动态加/卸载，每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑；所述在线可编译单元包括多种网络模态，每种网络模态均包括逆解析模块一，所述逆解析模块一用于对数据包重新封装网络模态包头；

后端处理单元，用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略；所述后端处理单元包括逆解析模块二和混合调度模块，所述逆解析模块二用于封装数据包外部包头，所述混合调度模块用于对不同模态的数据包执行混合调度，所述混合调度模块包括队列准入策略子模块、多个先入先出队列和调度策略子模块，所述队列准入策略子模块用于针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略；所述多个先入先出队列只能从队列尾部排队，从队列的头部出列；所述调度策略子模块用于针对不同的先入先出队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。

2.根据权利要求1所述的多样化网络模态共存的转发装置，其特征在于，所述在线可编译单元的每种网络模态还包括解析模块二、匹配/动作模块二和队列调度模块，所述解析模块二用于解析数据包网络模态包头，所述匹配/动作模块二用于执行预定义的匹配/动作逻辑获得数据包的出端口，所述队列调度模块用于实施每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略。

3.根据权利要求1所述的多样化网络模态共存的转发装置，其特征在于，所述后端处理单元还包括匹配/动作模块三，所述匹配/动作模块三用于根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头。

4.根据权利要求1所述的多样化网络模态共存的转发装置，其特征在于，该装置还包括编译器，用于将每种网络模态的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的网络程序，编译到相应的硬件设备中。

5.一种多样化网络模态共存的转发方法，其特征在于，包含以下步骤：

前端处理单元检查数据包外部包头，解析数据包外部包头，执行匹配/动作逻辑识别数据包所属的网络模态，并将数据包送入在线可编译单元中相应的网络模态；

在线可编译单元支持每种网络模态运行自定义的解析、匹配/动作、队列调度和逆解析的处理逻辑，具体包括：每种网络模态解析数据包网络模态包头，执行预定义的匹配/动作逻辑获得数据包的出端口，同时实施每种网络模态内部自定义的优先级或者公平性调度策略，待数据包处理完毕后，逆解析动作对数据包重新封装网络模态包头，并将数据包送到后端处理单元；

后端处理单元根据网络模态的处理结果更新数据包外部包头，实施自定义的多模态网络数据报文混合调度策略，多模态网络数据报文混合调度策略具体包括：

队列准入策略子模块针对不同模态的数据包实施自定义的入队策略；

多个先入先出队列只能从队列尾部排队，从队列的头部出列；

调度策略子模块针对不同的先入先出队列执行不同的配置策略，以执行数据包调度。