CN117119073A - 一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置，通过构建元数据归一化处理流程，利用ram缓存解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项，赋予报文处理软件定义属性，在硬件层面实现面向协议转换的软件定义报文处理。本发明支持多种异构协议的转换报文处理，相对于桥接芯片，同为硬件电路设计，在性能相当的情况下，具有较高的灵活性；且在能支持多种异构协议转换报文处理的情况下，具有较小的延迟等性能；本发明具有软件可定义属性，软件可定义属性体现在解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项等可以软件定义，与基于FPGA的报文处理相比，具有灵活配置的情况下，可以在线实时配置。

Description

一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置

技术领域

本发明涉及硬件电路设计和网络交换报文处理技术领域，尤其涉及一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置。

背景技术

随着集成电路的发展，网络应用呈现多元化发展，然而垂直应用个性化和网络基础设施统一化之间的矛盾日趋严重，为了满足不同网络协议体制之间的通信，需要进行异构协议之间的转换和报文处理。

目前较为具有代表性的协议转换和报文处理方法主要有三种：软件直接进处理；专用桥接芯片处理；FPGA处理。

第一种方法是使用高级语言(如C语言)在软件层面编写逻辑，把数据包上传CPU进行报文解析和协议转换，并将转换结果返回给用户。该方案是纯粹的软件行为。该方案优点：软件可以更加灵活的编写逻辑，进行协议转换和报文处理，此外，软件设计柔性强，可根据需求进行修改设计。但缺点也比较明显：该方案需要CPU的参与，额外增加了资源开销，数据处理延迟也比较大。

第二种方法是使用专用的ASIC桥接芯片针对特定的原协议和目标协议进行转化。该方案不需要CPU的参与，所有的逻辑都是由数字电路实现，因此，该方案的具有处理效率高，吞吐量大，延迟低的特点。但缺点也同样明显，因为是专用的ASIC电路，无法满足超出该ASIC电路逻辑功能之外的协议转换和报文处理需求，即当有具有多种场景的协议转换需求时，必须使用支持这些场景的多个桥片才能实现。

第三种方法是使用FPGA编写协议转换和报文处理逻辑，实现协议转换和报文处理功能。该方案可以根据协议转化和报文处理的场景需求定制特定的处理逻辑，具有较高的灵活性，而且由于FPGA是可编程的逻辑电路，其延迟和吞吐等性能也非常好。但是，当需求场景发生变化时，需要FPGA切换功能逻辑，如果将多种场景集合到FPGA中，受限于FPGA的资源，可能会出现资源紧张的情况，因此该方案不具有在线的根据场景现场定义协议转换和报文处理的能力，而且资源受限。

发明内容

上述所提到的三种方案各有优劣，三种方案都无法满足多种场景协议转化和报文处理的应用需求，为了达到可以灵活在线定制协议转换和报文处理的目的，并且不损失性能，我们需要解决以下技术问题：1)协议转换和报文处理必须在电路级进行处理；2)电路级处理报文和协议转换必须可以通过软件定义的方式进行灵活配置。因此，本发明提出一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提出一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，包括：

步骤1：将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入报文缓存中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型信息用于构建元数据；

步骤2：解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中；

步骤3：根据步骤2所述协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令；

步骤4：根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令；

步骤5：根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，以区分不同会话；利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息；

步骤6：根据步骤4所述元数据更新动作指令，对步骤5所述会话信息进行操作和处理；

步骤7：从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息，目的端口号信息，根据负载长度、负载缓存位置信息从步骤1所述的报文缓存中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

进一步地，所述会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息。

进一步地，所述元数据更新动作指令用于元数据更新，元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

进一步地，所述解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置，所述会话信息需要按照会话号提前在ram中配置。

本发明另一方面提出一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，包括：

报文拆解模块，用于将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入负载缓存模块中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型信息用于构建元数据；解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中；

负载缓存模块，用于缓存协议转换的净负载信息，在存入数据时向报文拆解模块反馈负载缓存位置信息，以供组装数据使用，在读出数据时需要报头负载组装模块提供负载缓存长度和负载在缓存中的位置信息；

指令解析执行及元数据更新模块，用于根据报文拆解模块所述协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令；根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令；

会话表项模块，用于根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，以区分不同会话；利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息；根据所述元数据更新动作指令，对会话信息进行操作和处理；

报头负载组装模块，用于从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息，目的端口号信息，根据负载长度、负载缓存位置信息从负载缓存模块中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

进一步地，所述会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息。

进一步地，所述元数据更新动作指令用于元数据更新，元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

进一步地，所述解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置，所述会话信息需要按照会话号提前在ram中配置。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置，通过构建元数据归一化处理流程，利用ram缓存解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项，赋予报文处理软件定义属性，在硬件层面实现面向协议转换的软件定义报文处理。具有以下优势：

该方法及装置支持多种异构协议的转换报文处理，相对于桥接芯片，同为硬件电路设计，在性能相当的情况下，具有较高的灵活性；

该方法为电路级数据处理方法，相对于基于软件的处理方法，该方法在能支持多种异构协议转换报文处理的情况下，具有较小的延迟等性能；

该方法及装置具有软件可定义属性，软件可定义属性体现在解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项等可以软件定义，与基于FPGA的报文处理相比，具有灵活配置的情况下，可以在线实时配置。

附图说明

图1为本发明实施例一种面向协议转换的软件定义报文处理方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一种面向协议转换的软件定义报文处理装置的架构示意图；

图3为本发明实施例元数据构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

如图1所示，一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，包括：

第一步，源协议数据拆分，将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入报文缓存中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型等信息用于构建元数据。

第二步，元数据构建，解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中，所提到的元数据具有固定的域，对于不同的异构协议转换之间的报文处理必须遵循这些域的功能，对其处理贯穿于整个处理过程。

第三步，解析键值及匹配动作索引，根据第二步所提协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令，其中解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置。

第四步，根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含了两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令。其中会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息(如需要)；元数据更新动作指令用于元数据更新。

第五步，哈希匹配及会话信息索引，根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，用于区分不同会话。利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息等。其中所提表项的相关数据需要按照会话号提前在ram中配置。

第六步，元数据更新，根据第四步所提元数据更新动作指令，对第五步所提会话信息进行操作和处理，其中元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

第七步，目标协议数据组装，从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载位置，目的协议端口号，根据负载长度、负载位置信息从步骤一所提的报文缓存中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

在上述实施例的基础上，如图2所示，本发明还提出一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，包括：

报文拆解模块，用于将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入负载缓存模块中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型信息用于构建元数据；解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中；

负载缓存模块，用于缓存协议转换的净负载信息，在存入数据时向报文拆解模块反馈负载缓存位置信息，以供组装数据使用，在读出数据时需要报头负载组装模块提供负载缓存长度和负载在缓存中的位置信息；

指令解析执行及元数据更新模块，用于根据报文拆解模块所述协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令；根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令；

会话表项模块，用于根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，以区分不同会话；利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息；根据所述元数据更新动作指令，对会话信息进行操作和处理；

报头负载组装模块，用于从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息，目的端口号信息，根据负载长度、负载缓存位置信息从负载缓存模块中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

进一步地，所述会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息。

进一步地，所述元数据更新动作指令用于元数据更新，元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

进一步地，所述解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置，所述会话信息需要按照会话号提前在ram中配置。

作为一种具体可实施方式，下面以FC协议转PCIe协议的软件定义报文处理为例介绍在该架构下的实施例。

报文拆解模块将FC协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入负载缓存模块中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型等信息用于构建元数据。解析报头数据，构建如图3所示元数据结构，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中，其中报文头包括源ID、目的ID、地址、其他参数，其他参数包括异构协议所特有的参数信息，比如FC的seq_cnt，PCIe的len等位域信息，所提到的元数据具有固定的域，对于不同的异构协议转换之间的报文处理必须遵循这些域的功能，对其处理贯穿于整个处理过程。

负载缓存模块负责缓存协议转换的净负载信息，在存入数据时需要给报文拆解模块反馈负载在缓存中的位置信息，以供组装数据使用，即，在读出数据时需要报头负载组装模块提供负载缓存长度和负载在缓存中的位置信息。

指令解析执行及元数据更新模块负责根据报文拆解模块提供的信息，即，FC转PCIe协议这个特定选项，索引解析键值提取指令，组建解析键值，解析键值的匹配可使用TCAM来实现，索引对应的匹配键值组装指令，其中解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置。根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含了两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令。其中会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息(如需要)；元数据更新动作指令用于元数据更新。

会话表项模块主要负责哈希匹配及会话信息索引，即，根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，用于区分不同会话，其中使用的哈希算法为布谷鸟哈希算法，使得资源的利用达到最大化。利用该会话号索引对应FC协议到PCIe协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括PCIe协议报头数据信息、PCIe协议包头长度信息(3DW或4DW)、PCIe协议的地址信息、目的包头长度信息等。其中所提表项的相关数据需要按照会话号提前在ram中配置。然后根据元数据更新动作指令，对会话信息进行操作和处理，其中元数据更新动作指令包括元数据之间的bit搬移和byte搬移、会话信息到元数据的bit搬移和byte搬移、元数据指定位域置位。

报头负载组装模块负责目标协议数据组装，从元数据中提取出PCIe协议报文头、PCIe协议报文头长度、负载长度、负载位置，目的协议端口号，根据负载长度、负载位置信息从负载缓存模块中提取负载数据，根据PCIe协议报文头长度从元数据中提取PCIe协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出，此外，组装模块还需要增加PCIe协议报文的最外层CRC。

综上，本发明提供的一种面向协议转换的软件定义报文处理方法及装置，通过构建元数据归一化处理流程，利用ram缓存解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项，赋予报文处理软件定义属性，在硬件层面实现面向协议转换的软件定义报文处理。具有以下优势：

该方法及装置支持多种异构协议的转换报文处理，相对于桥接芯片，同为硬件电路设计，在性能相当的情况下，具有较高的灵活性；

该方法为电路级数据处理方法，相对于基于软件的处理方法，该方法在能支持多种异构协议转换报文处理的情况下，具有较小的延迟等性能；

该方法及装置具有软件可定义属性，软件可定义属性体现在解析键值、匹配键值组装指令、会话信息表项等可以软件定义，与基于FPGA的报文处理相比，具有灵活配置的情况下，可以在线实时配置。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，其特征在于，包括：

步骤1：将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入报文缓存中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型信息用于构建元数据；

步骤2：解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中；

步骤3：根据步骤2所述协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令；

步骤4：根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令；

步骤5：根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，以区分不同会话；利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息；

步骤6：根据步骤4所述元数据更新动作指令，对步骤5所述会话信息进行操作和处理；

步骤7：从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息，目的端口号信息，根据负载长度、负载缓存位置信息从步骤1所述的报文缓存中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

2.根据权利要求1所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，其特征在于，所述会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息。

3.根据权利要求1所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，其特征在于，所述元数据更新动作指令用于元数据更新，元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

4.根据权利要求1所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理方法，其特征在于，所述解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置，所述会话信息需要按照会话号提前在ram中配置。

5.一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，其特征在于，包括：

报文拆解模块，用于将源协议数据报文头和净负载进行拆分，净负载数据放入负载缓存模块中，并产生净负载数据的相关负载长度、负载在缓存中的位置信息用于后续报文的组装，报头数据以及协议转换类型信息用于构建元数据；解析报头数据，提取源协议报文头数据、报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息、协议转换类型、目的端口号信息，并将其放入元数据中；

负载缓存模块，用于缓存协议转换的净负载信息，在存入数据时向报文拆解模块反馈负载缓存位置信息，以供组装数据使用，在读出数据时需要报头负载组装模块提供负载缓存长度和负载在缓存中的位置信息；

指令解析执行及元数据更新模块，用于根据报文拆解模块所述协议转换类型，选取解析键值，并通过键值查找索引对应的匹配键值组装指令；根据匹配键值组装指令进行匹配键值的组装，匹配键值包含两类信息：会话标识信息和元数据更新动作指令；

会话表项模块，用于根据匹配键值信息的会话标识信息，进行哈希匹配，得到索引值，即会话号，以区分不同会话；利用该会话号索引对应源协议到目标协议的处理规则所存放的表项，即会话信息，包括目的协议包头数据信息、目的协议包头长度信息、目的数据地址信息、目的包头长度信息；根据所述元数据更新动作指令，对会话信息进行操作和处理；

报头负载组装模块，用于从元数据中提取出目标协议报文头、目标协议报文头长度、负载长度、负载缓存位置信息，目的端口号信息，根据负载长度、负载缓存位置信息从负载缓存模块中提取负载数据，根据目标协议报文头长度从元数据中提取目标协议报文头数据，将提取的负载数据和报文头数据进行组装，按照元数据中的目的端口号进行数据输出。

6.根据权利要求5所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，其特征在于，所述会话表示信息包含区分一次协议转换数据处理的所有必要信息，包括源协议类型、目的协议类型、源ID、目的ID、地址信息。

7.根据权利要求5所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，其特征在于，所述元数据更新动作指令用于元数据更新，元数据更新动作指令包括元数据之间的数据搬移、会话信息到元数据的搬移、元数据指定位域置位。

8.根据权利要求5所述的一种面向协议转换的软件定义报文处理装置，其特征在于，所述解析键值和匹配键值组装指令需提前在ram中配置，所述会话信息需要按照会话号提前在ram中配置。