一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法技术

本发明专利技术公开了一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，本方法实现了高能效的OpenFlow流表查找以及支持规则依赖的OpenFlow流表管理。本发明专利技术方法使大部分数据分组会直接命中缓存并进行转发，而缓存采用能耗低的SRAM存储，显著降低了流表查找能耗，本发明专利技术方法还设计了TCAM流表的规则依赖检测与合并/分散调整更新算法，调整了活跃精确节点位置，及时纠正了流表缓存与TCAM流表的映射关系，保证了流表查找的正确性。

A high-energy openflow flow flow table lookup method supporting rule dependency

【技术实现步骤摘要】
一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法
本专利技术涉及OpenFlow流表
，特别涉及一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法。
技术介绍
为了实现灵活的流管理，OpenFlow流表项中的任意匹配字段均可携带通配符，这将导致多条OpenFlow流规则出现重叠现象，从而使得同一网络分组可能会成功匹配多条流规则。解决该问题的常用办法是为每条流规则赋予不同的优先级，这种具有不同优先级的多条流规则存在重叠的情况，称为规则依赖。当一个数据分组在OpenFlow流表中匹配到多条流表项时，往往选择优先级最高的那条作为最终匹配结果。为实现这样的效果，OpenFlow流表管理需要考虑流表项之间的依赖关系，并实时调整流表缓存与OpenFlow流表之间的映射关系，以保证OpenFlow流表查找结果的正确性。规则依赖问题具体而言，当TCAM中插入一条新流表项时，由于TCAM现有流表项可能与其存在规则依赖关系，存在流规则重叠部分。同时现有流表项可能又有部分活跃精确流缓存在流表缓存中，并且这些活跃精确流也隶属于该流表项。倘若不及时调整流表缓存与TCAM流表之间的映射关系，部分数据分组将依旧查找旧的缓存项，根据旧的流表项动作集进行转发，而不是根据优先级更高的新流表项动作集进行转发，从而导致OpenFlow流表查找结果失败。当TCAM中删除一条高优先级流表项时，也存在相同问题。由于高优先级流表项的删除，使得旧的缓存项失效，直接删除缓存项将导致查找性能降低，更好的方式是根据规则依赖关系重新建立这些缓存项与TCAM现有流表之间的关系。附图1给出了OpenFlow流表的主流存储查找方案，其查找流程如下：当某个数据分组pi到达OpenFlow交换机时，首先解析提取其分组首部中的重要字段，并计算其对应的流标识符fid，然后查找TCAM流表。若成功匹配TCAM中的某条流表项，则执行流表项中的动作集，更新相关统计信息；否则，交换机将分组信息封装成流安装请求消息发送给SDN控制器。SDN控制器学习生成新的流规则后，下发给OpenFlow交换机，并添加到流表中。与此同时，控制器也可主动下发流规则，更新交换机中的OpenFlow流表。从图中OpenFlow交换机的流表查找过程可知，每个数据分组的转发处理过程都需要查找TCAM流表，然而TCAM流表采用并行查找方式，能耗大，难以满足低能耗OpenFlow网络的构建要求。同时，倘若为了支持多优先级的OpenFlow流表查找，可在TCAM流表项中添加对应的优先级字段。如附图2所示，提供了一种基于缓存预测的OpenFlow节能存储架构(以下称为现有技术方案一)，工作原理如下：现有技术方案一通过在OpenFlow交换机每个入端口处设置一个预测缓存，并借助该缓存尽可能地预测交换机接收到的数据分组(通过比对数据分组的签名)，从而绕过流表查找过程，避免查找TCAM，达到节能目的。方案一的流表查找过程为：当OpenFlow交换机接收到一个数据分组，首先解析提取出数据分组中重要头部信息(如源IP地址SourceIP、目的IP地址DestinationIP、源端口SourcePort、目的端口DestinationPort、协议类型Protocoltype等)，计算获得流关键字flowkey。与传统的方案不同，该方案不直接使用流关键字flowkey查找TCAM，而是使用哈希技术(直接映射技术、子域哈希技术)将关键字生成签名，然后查找缓存。而缓存项由三个部分构成：分组签名、流关键字以及动作集。因此，当某个数据分组的签名与缓存项中的分组签名匹配，并且其流关键字与缓存项中关键字的一致，则可直接进行数据分组转发，从而避免查找TCAM。这种方法使得大部分的数据分组可以通过查找缓存直接进行转发，只有少部分数据分组需要查询TCAM，从而能够大幅度节省能耗。由于TCAM能够容纳的流规则有限，因此可能会有一部分数据分组在TCAM中无法找到对应的流表项，无法进行转发处理，从而需要发送packet-in消息给控制器。这些数据分组的TCAM失败查找会产生大量的能耗。针对这个问题，研究人员提出了一种基于分段熟化布鲁姆过滤器(SegmentedAgingBloomFilter，SA-BF)的OpenFlow节能存储架构(以下称为现有技术方案二)，如附图3所示。现有技术方案二的查找过程是：当OpenFlow交换机收到一个数据分组后，通过包预处理统一编码生成独特的可编码的二进制代码字节，然后使用哈希方式查找SA-BF中存储所有TCAM流表项信息的活跃块。若活跃块查找成功，则意味着该数据分组能够在TCAM中匹配到对应的流表项，需要进一步查找TCAM。否则，说明该数据分组隶属于新流，查找TCAM必定失败，则可直接发送packet-in消息到控制器，请求下发对应的流规则。该方案使得新流的数据分组不需要查询TCAM，从而有效降低了能耗。上述方案一基于网络流量局部性设计了预测缓存，通过使用预测缓存直接转发大量的数据分组，避免了查找TCAM流表，大幅度降低了能耗。然而，还存在有以下缺陷：(1)该方案使用CAM实现预测缓存，其查找能耗依旧较高。CAM与TCAM的区别是能否支持三态数据的存储与查找，但两者均采用并行查找方法，查找能耗均比一般的器件高。(2)在该方案中，若数据分组查找缓存失败，接着命中某条TCAM流表项，则将该流表项替换到缓存中。由于网络中并发流的数量非常庞大，而TCAM容量有限，这将会产生频繁的缓存替换，严重影响流表查找性能，增加能耗开销。(3)该方案的OpenFlow流表查找不支持规则依赖。当OpenFlow流表项之间存在依赖关系时，随着依赖流表项的增加、删除、替换等系列操作，缓存项与流表项之间的映射可能会发生变化，从而导致缓存查找结果出现错误。上述方案二采用分段伸长式过滤器直接判断出属于新流的网络分组，避免其TCAM流表查找操作，进而降低查找能耗。然而，还存在有以下缺陷：(1)在OpenFlow查找过程中，一条新流中往往只有第一个数据分组会查找失败，经由控制器下发新规则后，后续数据分组都会成功匹配。该方案的过滤器仅能够预测出新流第一个数据分组查找TCAM失败，仅降低了第一个数据分组的TCAM查找能耗，后续大量的数据分组依然需要查找TCAM流表，降低能耗有限。(2)为了支持通配流表项查找，该方案将通配流规则统一编码成普通规则，以配合过滤器实现预测查找。然而，在该方案中，掩码长度不同，数据分组编码而成的规则不同，因此唯有探测到正确的掩码长度才能匹配到对应的通配流规则。虽然本方案可并行探测多个掩码长度，但其探测能耗较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，能够支持多优先级的OpenFlow流表查找，解决因规则依赖导致的缓存查找不一致问题，保证流表查找的正确性，并能够降低流表查找能耗。本专利技术提供了一种支持规则依赖的高能效Open本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100、建立支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找架构；所述架构包括：TCAM流表、DRAM流表以及使用SRAM为存储介质的流表缓存；/n所述TCAM流表用于存储流表项标识字段和优先级字段；所述DRAM流表用于存储流表项内容字段，还存储有活跃精确流列表；所述流表缓存中每条缓存项存储有活跃精确流签名、TCAM流表项索引值以及时间戳；所述架构在流表项更新阶段，将使用规则依赖算法对所述流表缓存与所述TCAM流表之间的映射关系进行自适应调整；/nS200、当OpenFlow交换机接收到数据分组后，提取流关键字，根据流关键字查找流表缓存，若流表缓存查找失败，则进入步骤S300；若流表缓存查找成功，则获取与所述数据分组对应的TCAM流表项索引值，并读取TCAM流表的标识字段中的匹配字段，判断流关键字与匹配字段是否一致，若一致，则根据对应的DRAM流表中的动作集执行相关操作；若不一致，则进入步骤S300；/nS300、进行TCAM流表查找；若TCAM流表查找失败，则将所述数据分组封装成packet-in消息发送给SDN控制器，以请求SDN控制器下发对应的流规则；若TCAM流表查找成功，则根据对应的DRAM流表中的动作集执行相关操作，并判断当前流是否进入活跃状态，若进入活跃状态，则将当前流存储至流表缓存中，并将当前流的信息插入至对应的DRAM流表中的活跃精确流列表中，更新DRAM流表；若未进入活跃状态，则更新DRAM流表。/n...

【技术特征摘要】
1.一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、建立支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找架构；所述架构包括：TCAM流表、DRAM流表以及使用SRAM为存储介质的流表缓存；
所述TCAM流表用于存储流表项标识字段和优先级字段；所述DRAM流表用于存储流表项内容字段，还存储有活跃精确流列表；所述流表缓存中每条缓存项存储有活跃精确流签名、TCAM流表项索引值以及时间戳；所述架构在流表项更新阶段，将使用规则依赖算法对所述流表缓存与所述TCAM流表之间的映射关系进行自适应调整；
S200、当OpenFlow交换机接收到数据分组后，提取流关键字，根据流关键字查找流表缓存，若流表缓存查找失败，则进入步骤S300；若流表缓存查找成功，则获取与所述数据分组对应的TCAM流表项索引值，并读取TCAM流表的标识字段中的匹配字段，判断流关键字与匹配字段是否一致，若一致，则根据对应的DRAM流表中的动作集执行相关操作；若不一致，则进入步骤S300；
S300、进行TCAM流表查找；若TCAM流表查找失败，则将所述数据分组封装成packet-in消息发送给SDN控制器，以请求SDN控制器下发对应的流规则；若TCAM流表查找成功，则根据对应的DRAM流表中的动作集执行相关操作，并判断当前流是否进入活跃状态，若进入活跃状态，则将当前流存储至流表缓存中，并将当前流的信息插入至对应的DRAM流表中的活跃精确流列表中，更新DRAM流表；若未进入活跃状态，则更新DRAM流表。


2.根据权利要求1所述的一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，其特征在于，还包括OpenFlow流表插入：
当OpenFlow交换机接收到SDN控制器下发的带ADD命令的flow_mod消息后，提取流规则信息，检测TCAM流表中是否存在空表项，若存在空表项，则将流规则信息插入至空表项中，并将该流规则作为待检测规则，对其进行规则依赖合并调整操作；若不存在空表项，则进行TCAM流表踢除操作，以留出一条空表项，将流规则信息插入至空表项中，并将该流规则作为待检测规则，对其进行规则依赖合并调整操作。


3.根据权利要求2所述的一种支持规则依赖的高能效OpenFlow流表查找方法，其特征在于，所述进行规则依赖合并调整操...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兵，邬仁庚，罗争，赵锦元，曾振国，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43