TWI659633B

TWI659633B - 比對流量表的方法及交換器

Info

Publication number: TWI659633B
Application number: TW106141486A
Authority: TW
Inventors: 陳鴻瑋; 王政鈞; 洪吉祥; 王蒞君
Original assignee: 英業達股份有限公司
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-05-11
Also published as: TW201926958A

Abstract

一種比對流量表的方法及交換器，此比對流量表的方法包含當軟體定義網路中之交換器接收到封包時，交換器解析封包之標頭檔以取得封包所涉及之至少一相關規則欄位，根據至少一相關規則欄位及交換器之複數個流量表的複數個興趣規則欄位，選擇相關流量表，及將封包所涉及之至少一相關規則欄位的內容與相關流量表之至少一流量條目所對應的規則內容相比對。相關流量表之至少一流量條目具有相同之至少一興趣規則欄位，且封包所涉及之至少一相關規則欄位包含相關流量表之至少一興趣規則欄位。

Description

比對流量表的方法及交換器

本發明是有關於一種比對流量表的方法，特別是一種應用於軟體定義網路中，能夠加快比對速度之比對流量表的方法及交換器。

在傳統網路的架構中，個別交換器的規則設定是由專屬的路由演算法所控制，因此當某個路由規則需要改變設定，必須透過人工來處理並設定路徑上相關交換器的規則。軟體定義網路(Software defined networks, SDN)則提供了更好的解決辦法。軟體定義網路將交換器的控制層和資料層分離，並將控制層移到集中式的架構中，也就是說，軟體定義網路可利用同一個控制管理的邏輯掌握並操作各個交換器的流量表(Flow table)設定，而交換器則是被動地配合來自控制層的規則變動，並專注於流量傳輸。軟體定義網路將控制層及資料層分離的架構使得網路拓樸能夠具有的可擴展性、可管理性及可程式化等特性。

控制器和交換器是軟體定義網路的兩個基本元件，控制器負責網路的基本控管功能，例如設定交換器的流量表規則，並隨時掌握網路的狀態資訊。交換器則基於控制器所設定之流量表中的流量規則來進行封包傳送，並被動回應來自控制器的指令。控制器與交換器之間會使用特定的協定，例如開放流(OpenFlow)協定來溝通，控制器可以透過增加、刪除或修改交換器上的流量規則來控制網路上的流量分布。

在軟體定義網路的應用中，由於三態內容尋址記憶體(Ternary Content Addressable Memory，TCAM)具有在線性時間內高速比對的優點，因此常被用來儲存交換器中的流量表，然而相較於一般的內容尋址記憶體，三態內容尋址記憶體所需的面積較大，同時也需要較高的功率消耗和較高的成本，因此在實作上無法設置大容量的三態內容尋址記憶體，而導致流量表的容量較小，容易造成流量表滿溢(overflow)的問題，甚至導致封包遺失，導致傳輸效率較低。

此外，雖然以硬體為基礎的三態內容尋址記憶體擁有很高的比對效能，然而一旦硬體電路製造完成後，就難以更動比對的方式與可比對的欄位，因此不具有彈性，難以隨著OpenFlow的版本演而升級，使得可程式化的能力有所減弱。然而，以軟體為基礎的交換器則無此缺點，而能夠更改比對機制模組以及儲存流量條目(flow entry)的資料結構以支援最新版本的OpenFlow，且可透過系統中龐大的記憶體來儲存大量的流量條目。

然而相較於三態內容尋址記憶體，以軟體為基礎的交換器在比對速度上則遠遠不如，甚至會落後10 ⁶的等級。因此如何改善以軟體為基礎的交換器在處理封包上的效能就成為重要的議題。

本發明之一實施例提供一種比對流量表(flow table)的方法，應用於軟體定義網路(software defined networking，SDN)中，比對流量表的方法包含當軟體定義網路中之交換器接收到封包時，交換器解析封包之標頭檔以取得封包所涉及之至少一相關規則欄位，根據至少一相關規則欄位及交換器之複數個流量表的複數個興趣規則欄位，自複數個流量表中選擇相關流量表，及將封包所涉及之至少一相關規則欄位的內容與相關流量表之至少一流量條目(flow entry)所對應的規則內容相比對。

相關流量表之至少一流量條目具有相同之至少一興趣規則欄位，且封包所涉及之至少一相關規則欄位包含相關流量表之至少一興趣規則欄位。

本發明之另一實施例提供一種應用於軟體定義網路中的交換器，交換器包含複數個流量表及控制單元。

當接收到封包時，控制單元解析封包之標頭檔以取得封包所涉及之至少一相關規則欄位，根據至少一相關規則欄位及複數個流量表的複數個興趣規則欄位，自複數個流量表中選擇相關流量表，並將封包所涉及之至少一相關規則欄位的內容與相關流量表之至少一流量條目所對應的規則內容相比對。

第1圖為本發明一實施例之交換器100的示意圖，交換器100包含複數個流量表FT0至FT2及控制單元110。在本發明的部分實施例中，交換器100可為應用於軟體定義網路(software defined networking，SDN)中的軟體交換器，也就是說，交換器100可利用軟體更改內部流量表的比對機制並修改儲存流量條目(Flow Entry)的資料結構。

在本發明的部分實施例中，為了提升交換器100在處理封包上的效能，交換器100可以透過分類並切割流量表的方式，減少需比對的流量條目數量。由於一般而言，封包標頭檔(Header)中的資訊與流量條目之間會有特定的對應關係，因此倘若能夠依照特定的分類方式將交換器100中的流量表加以分類並切割，就可以在接收到封包時，根據封包標頭檔中的內容，選擇相對應的流量表來進行比對，而無須比對不相對應的流量表。

舉例來說，表1為本發明一實施例之流量表中全部需比對的規則欄位，其中包含例如互網際網路協定版本4(Internet Protocol version 4，IPv4)的來源地(IPV4_SRC)及目的地(IPV4_DST)、傳輸控制協定(Transmission Control Protocol，TCP)的來源地(TCP_SRC)及目的地(TCP_DST)…等等。表1

IN_PORT

ETH_DST

ETH_SRC

ETH_TYPE

IP_PROTO

IPV4_SRC

IPV4_DST

IPV6_SRC

IPV6_DST

TCP_SRC

TCP_DST

UDP_SRC

UDP_DST

然而一般而言，這些規則欄位彼此之間可能有互斥的關係，舉例來說，使用網際網路協定版本4的封包即不會同時使用網際網路協定版本6(Internet Protocol version 6，IPv6)，或者使用傳輸控制協定(TCP)的封包即不會同時使用用戶封包協定(User Datagram Protocol，UDP)。也就是說，對於每個流量條目而言，其實只有部分的規則欄位需要比對(在本說明書中將以興趣規則欄位稱之)，且在流量表中，每一個流量條目所需比對的規則欄位可能也會有所差異。在本發明的部分實施例中，交換器100可將流量表中具有相同興趣規則欄位的流量條目移出流量表，並建立包含這些具有相同興趣規則欄位的新流量表。

舉例來說，在第1圖中，流量表FT1及FT2中的流量條目可能原先是儲存於流量表FT0中，而隨著流量條目增加，交換器100便可將興趣規則欄位皆為ETH_DST、IPV4_SRC、IPV4_DST及TCP_DST的流量條目FE6至FE8分別自流量表FT0中移出，並建立流量表FT1以儲存流量條目FE6至FE8。同理，交換器100可將興趣規則欄位皆為ETH_DST、IPV6_SRC、IPV6_DST及UDP_DST的流量條目FE9及FE10分別儲存於流量表FT2。

如此一來，當交換器100當接收到封包PCK1時，控制單元110便可解析封包PCK1之標頭檔以取得封包PCK1所涉及的至少一相關規則欄位，並根據封包PCK1的相關規則欄位以及流量表FT0至FT2的興趣規則欄位選擇相關的流量表來進行比對。

表2為本發明一實施例之封包PCK1的標頭檔內容。表2

IN_PORT	ETH_DST	ETH_SRC	ETH_TYPE	IP_PROTO	IPV4_SRC	IPV4_DST	TCP_SRC	TCP_DST
1	C9:61:78:32:5d:61	C9:61:78:32:5a:61	0x0800	0x06	192.196.1.1	128.119.5.1	63654	80

由於封包PCK1所涉及的相關規則欄位為IN_PORT、ETH_DST、ETH_SRC、ETH_TYPE、IP_PROTO、IPV4_SRC、IPV4_DST、TCP_SRC及TCP_DST，且封包PCK1所涉及的相關規則欄位包含了流量表FT1的所有興趣規則欄位，而未包含流量表FT2的所有興趣規則欄位，表示封包PCK1可能會與流量表FT1中的流量條目相符，但一定不會和流量表FT2中的流量條目相符，此時交換器100便可選擇流量表FT1為相關流量表。接著，交換器100的控制單元110便可將封包PCK1所涉及的相關規則欄位的內容與相關流量表FT1的流量條目所對應的規則內容相比對，而無須比對流量表FT2中的內容。

換言之，交換器100只需要比對相關流量表中的流量條目內容，而無須比對所有流量表中的流量條目內容，因此能夠有效提升交換器100的比對效率。

此外，為了能夠迅速地選擇出相關流量表，在本發明的部分實施例中，還可利用向量比對的方式來進行選擇。舉例來說，控制單元110可根據封包PCK1的相關規則欄位建立封包PCK1的目標欄位向量，並根據流量表FT0至FT2的興趣規則欄位建立流量表FT0至FT2的興趣欄位向量。表3、表4及表5分別為本發明一實施例之封包PCK1的目標欄位向量、流量表FT1的興趣欄位向量及流量表FT2的興趣欄位向量。表3

IN_PORT	ETH_DST	ETH_SRC	ETH_TYPE	IP_PROTO	IPV4_SRC	IPV4_DST	IPV6_SRC	IPV6_DST	TCP_SRC	TCP_DST	UDP_SRC	UDP_DST
1	1	1	1	1	1	1	0	0	1	1	0	0

表4

IN_PORT	ETH_DST	ETH_SRC	ETH_TYPE	IP_PROTO	IPV4_SRC	IPV4_DST	IPV6_SRC	IPV6_DST	TCP_SRC	TCP_DST	UDP_SRC	UDP_DST
0	1	0	0	0	1	1	0	0	0	1	0	0

表5

IN_PORT	ETH_DST	ETH_SRC	ETH_TYPE	IP_PROTO	IPV4_SRC	IPV4_DST	IPV6_SRC	IPV6_DST	TCP_SRC	TCP_DST	UDP_SRC	UDP_DST
0	1	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	1

換言之，交換器100可將流量表中全部需比對的規則欄位作為向量的各個維度，並將有對應內容的規則欄位設定為1，無對應內容的規則欄位設定為0。如此一來，封包PCK1的目標欄位向量即可設定為(1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,0)，流量表FT1的興趣欄位向量可設定為(0,1,0,0,0,1,1,0,0,0,1,0,0)，而流量表FT2的興趣欄位向量則可設定為(0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1)。當交換器100在比較目標欄位向量及興趣欄位向量時，僅須透過邏輯運算，便可得知封包PCK1的目標欄位向量是否與流量表的興趣欄位向量相匹配。舉例來說，若在流量表的興趣欄位向量中值為1的維度在封包PCK1的目標欄位向量的對應值也皆為1，即表示兩者所關注的欄位相匹配，反之，若在流量表的興趣欄位向量中值為1的維度在封包PCK1之目標欄位向量的對應值不為1，即表示兩者所關注的欄位不匹配。而當判斷出流量表FT1之興趣欄位向量與封包PCK1的目標欄位向量相匹配時，便可選擇流量表FT1作為相關流量表。

再者，為了進一步加快比對的速度，當交換器100選擇出相關流量表之後，還可進一步以雜湊(Hash)函數的方式來快速比對封包內容及相關流量表內的流量條目內容。舉例來說，控制單元110可先根據相關流量表中，每一個流量條目所對應的規則內容以一預定的雜湊函數計算其流量條目的參考索引值，並在接收到封包PCK1之後，根據封包PCK1所涉及之相關規則欄位的內容(例如為表2中對應到相關流量表FT1之興趣規則欄位裡的內容)以相同的雜湊函數計算封包PCK1所對應之目標索引值，如此一來就能夠以比對複雜度O(1)的方式，迅速地根據參考索引值及目標索引值來進行比對。

再者，在本發明的部分實施例中，流量表FT0可為通配流量表，亦即在流量表FT0中的流量條目，除了需要比對興趣規則欄位的內容之外，其他規則欄位則無須比對皆為符合。舉例來說，在第1圖中，位於流量表FT0的流量條目FE1僅需要分別比對規則欄位ETH_DST的內容即可，而無須理會規則欄位IPV4_DST、IPV6_DST、TCP_DST及UDP_DST中的內容，同理，流量條目FE2至FE5則僅分別需要比對規則欄位IPV4_DST、IPV6_DST、TCP_DST及UDP_DST的內容。在此情況下，由於每一個流量條目的興趣規則欄位並不相同，而不易以雜湊的方式來進行比對，因此在本發明的部分實施例中，控制單元110可將封包PCK1所涉及之相關規則欄位的內容與通配流量表FT0之流量條目所對應的規則內容以線性(linear)的方式進行比對。

換言之，本發明的交換器100可以混合的方式來進行比對，在具有特定興趣規則欄位的流量表，如流量表FT1及FT2中，可利用雜湊的方式進行快速比對，而在通配流量表，如流量表FT0中，則可利用線性的方式進行比對。如此一來，就能夠有效進行流量表比對的過程中，減少流量表的比對次數，進而提升比對效率。

第2圖為本發明一實施例之比對流量表的方法200的流程圖，方法200可應用於軟體定義網路中的交換器100。方法200可包含步驟S210至S230，但不限定於第2圖所示的順序。

S210：當軟體定義網路中之交換器100接收到封包PCK1時，交換器100解析封包PCK1之標頭檔以取得封包PCK1所涉及之至少一相關規則欄位；

S220：根據封包PCK1所涉及之至少一相關規則欄位及交換器100之流量表FT0至FT2的複數個興趣規則欄位，自流量表FT0至FT2中選擇一相關流量表；

S230：將封包PCK1所涉及之至少一相關規則欄位的內容與相關流量表FT1之至少一流量條目所對應的規則內容相比對。

在步驟S210中，交換器100可取得封包PCK1所涉及之相關規則欄位，例如表2所列的規則欄位內容，在此情況下，交換器100可在步驟S220中根據封包PCK1所涉及之相關規則欄位選擇其興趣規則欄位與之相符的流量表FT0作為相關流量表，並可於步驟S230中將封包PCK1所涉及之相關規則欄位的內容與相關流量表FT1之流量條目所對應的規則內容相比對。換言之，在方法200中，交換器100僅需比較興趣規則欄位與相關規則欄位相符的相關流量表，亦即封包PCK1所涉及之相關規則欄位可包含其所有興趣規則欄位的流量表FT1，因此可以減少所需比對之流量條目的數量，進而提升比對效率。

此外，在本發明的部分實施例中，在步驟S220中，為了能夠迅速選擇出相關流量表，步驟S220還可包含步驟S222及步驟S226。第3圖為本發明一實施例之步驟S220之子步驟S222至S226的流程圖。

S222：根據封包PCK1之相關規則欄位建立封包PCK1之目標欄位向量；

S224：根據流量表FT0至FT2的興趣規則欄位建立流量表FT0至FT2的複數個興趣欄位向量；

S226：當FT0至FT2流量表中流量表之興趣欄位向量與目標欄位向量相匹配時，選擇該流量表作為相關流量表。

以表3至表5為例，在步驟S222及步驟S224中，交換器100可分別建立封包PCK1之目標欄位向量以及流量表FT0至FT2的興趣欄位向量，並透過邏輯運算，於步驟S226中迅速地選擇出興趣欄位向量與目標欄位向量相符的流量表FT1作為相關流量表。

此外，為了能夠迅速比對相關流量表中的流量條目，在本發明的部分實施例中，步驟S230還可利用雜湊來進行比對，亦即交換器100可先根據相關流量表中，每一個流量條目所對應的規則內容以預設的雜湊函數計算每一條流量條目之參考索引值，接著再根據封包PCK1所涉及之相關規則欄位的內容以相同的雜湊函數計算封包PCK1所對應之目標索引值，如此一來，就能夠迅速地取得比對結果。

然而在比較通配流量表，例如流量表FT0，之流量條目時，由於通配流量表中的流量條目可能會有不同的興趣規則欄位，因此在比對時，可將封包PCK1所涉及之相關規則欄位的內容與通配流量表FT0之流量條目所對應的規則內容以線性(linear)的方式相比對。

也就是說，方法200可以透過混合的方式來進行比對，在具有特定興趣規則欄位的流量表，如流量表FT1及FT2中，可利用雜湊的方式進行快速比對，而在通配流量表，如流量表FT0中，則可利用線性的方式進行比對。如此一來，就能夠有效進行流量表比對的過程中，減少流量表的比對次數，進而提升比對效率。

此外，在本發明的部分實施例中，為了使流量表能夠依照其興趣規則欄位分類切割，交換器100可在其複數個流量表中，自預設儲存所有流量條目的預設流量表中，將具有特定之至少一興趣規則欄位之至少一待移出流量條目自預設流量表中移除，並建立包含至少一待移出流量條目的新流量表。舉例來說，若交換器100是預設將所有流量條目先儲存在流量表FT0中，則交換器100可將流量表FT0中具有特定之興趣規則欄位之待移出流量條目FE6至FE8自流量表FT0中移除，並另外建立包含待移出流量條目FE6至FE8之流量表FT1。也就是說，流量表FT1中的所有流量條目都會具有相同的興趣規則欄位。如此一來，方法200就能夠依照興趣規則欄位將流量表加以分類切割，以減少需要比對的流量條目。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧交換器

110‧‧‧控制單元

PCK1‧‧‧封包

FT0、FT1、FT2‧‧‧流量表

FE1至FE10‧‧‧流量條目

200‧‧‧方法

S210至S230‧‧‧步驟

第1圖為本發明一實施例之交換器的示意圖。第2圖為本發明一實施例之比對流量表的方法流程圖。第3圖為第2圖之步驟的子步驟流程圖。

Claims

一種比對流量表(flow table)的方法，應用於一軟體定義網路(software defined networking，SDN)中，該方法包含：當該軟體定義網路中之一交換器接收到一封包時，該交換器解析該封包之一標頭檔以取得該封包所涉及之至少一相關規則欄位；根據該至少一相關規則欄位及該交換器之複數個流量表的複數個興趣規則欄位，自該些流量表中選擇一相關流量表；及將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與該相關流量表之至少一流量條目(flow entry)所對應的規則內容相比對；其中：該相關流量表之該至少一流量條目具有相同之至少一興趣規則欄位；該封包所涉及之該至少一相關規則欄位包含該相關流量表之該至少一興趣規則欄位；及將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與該相關流量表之該至少一流量條目所對應的規則內容相比對包含將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與一通配流量表之至少一流量條目所對應的規則內容以線性(linear)的方式相比對。
如請求項1所述之比對流量表的方法，另包含：將該些流量表中預設儲存所有流量條目之一預設流量表中具有特定之至少一興趣規則欄位之至少一待移出流量條目自該預設流量表中移除；及建立包含該至少一待移出流量條目之一新流量表。
如請求項1所述之比對流量表的方法，其中將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與該相關流量表之該至少一流量條目所對應的規則內容相比對包含：根據該至少一流量條目所對應的規則內容以一雜湊(Hash)函數計算該至少一流量條目之至少一參考索引值；及根據該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容以該雜湊函數計算該封包所對應之一目標索引值。
如請求項1所述之比對流量表的方法，其中根據該至少一相關規則欄位及該交換器之複數個流量表的該些興趣規則欄位，自該些流量表中選擇一相關流量表包含：根據該至少一相關規則欄位建立該封包之一目標欄位向量；根據該些流量表的該些興趣規則欄位建立該些流量表的複數個興趣欄位向量；及當該些流量表中一流量表之至少一興趣欄位向量與該目標欄位向量相匹配時，選擇該流量表作為該相關流量表。
一種應用於一軟體定義網路(software defined networking，SDN)中的交換器，包含：複數個流量表；及一控制單元，用以當接收到一封包時：解析該封包之一標頭檔以取得該封包所涉及之至少一相關規則欄位；根據該至少一相關規則欄位及該些流量表的複數個興趣規則欄位，自該些流量表中選擇一相關流量表；將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與該相關流量表之至少一流量條目(flow entry)所對應的規則內容相比對；及將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與一通配流量表之至少一流量條目所對應的規則內容以線性(linear)的方式相比對；其中：該相關流量表之該至少一流量條目具有相同之至少一興趣規則欄位；及該封包所涉及之該至少一相關規則欄位包含該相關流量表之該至少一興趣規則欄位。
如請求項5所述之交換器，其中該控制單元另用以：將該些流量表中預設儲存所有流量條目之一預設流量表中具有特定之至少一興趣規則欄位之至少一待移出流量條目自該預設流量表中移除；及建立包含該至少一待移出流量條目之一新流量表。
如請求項5所述之交換器，其中該控制單元將該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容與該相關流量表之該至少一流量條目所對應的規則內容相比對係根據該至少一流量條目所對應的規則內容以一雜湊(Hash)函數計算該至少一流量條目之至少一參考索引值，根據該封包所涉及之該至少一相關規則欄位的內容以該雜湊函數計算該封包所對應之一目標索引值，及根據該至少一參考索引值及該目標索引值進行比對。
如請求項5所述之交換器，其中該控制單元根據該至少一相關規則欄位及該交換器之複數個流量表的該些興趣規則欄位，自該些流量表中選擇一相關流量表係根據該至少一相關規則欄位建立該封包之一目標欄位向量，根據該些流量表的該些興趣規則欄位建立該些流量表的複數個興趣欄位向量，及當該些流量表中一流量表之至少一興趣欄位向量與該目標欄位向量相匹配時，選擇該流量表作為該相關流量表。