[发明专利]用于数据中心的可扩展组播转发方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及数据中心，更具体地，涉及一种用于数据中心的可扩展组播转发方案。

背景技术

随着互联网和云计算服务等应用的发展，数据中心的规模日益增大，数据中心所包含的机器数量也越来越多(万台级别)。由于数据中心内部服务器间的数据通信相对于互联网具有高密度集中性和比较规则的网络层次拓扑结构，因此数据中心中的网络架构成为了当前研究的热点。

越来越多的应用(如在线视频)和数据中心本身的需求(如数据备份等)使用组播功能。相对于一对一的单播路由，组播路由主要应用于一对多的服务，即一个组播源提供服务，所有加入该组播组的成员就可以接收源提供的服务(如视频，文件拷贝等)。数据中心是将大量的服务器进行互连，并为上层的应用提供高效和容错的路由转发服务。因此，对于组播转发机制提出了更高的要求。然而，当前数据中心内的组播转发仍然采用的是针对互联网应用的方式，存在着转发表过大、交换机性价比低、以及可扩展性差等固有弊端。针对这些问题，需要一种新的方法来解决数据中心内组播转发的可扩展性问题，能够采用新的路由查找机制，并实现对转发表存储的改进。

互联网上单播的应用相对于组播更加广泛，因此大部分网络设备供应商生产的网络设备在路由模块的设计上，主要针对的是单播路由，同时具备组播路由功能。由于IPv4地址在单播路由上的聚合特性，使得在路由器中，进行路由表查找采用的是最长匹配方式。如：当数据包目的地址为1.2.3.4时，若当前路由表中有1.0.0.0/8，1.2.0.0/16，1.2.3.0/24三条表项匹配，则以最长匹配的1.2.3.0/24作为命中项。这种最长匹配的要求使得路由查找成为数据包转发过程中最耗时的步骤。

路由表查询的时间复杂度主要与路由表的存储方式有关。如表1所示的是一个地址无序的路由表。表项以以太网地址(MAC地址)作为索引，内容是一个转发端口的比特位图(Interface Bitmap)，查询命中某项后，根据存储的端口比特位图(比特位为1对应的端口)，从相应端口发送出去。由于表1的索引是无序的，因此在根据数据包目的地址进行查询时，需要遍历整个路由表，时间复杂度为0(N)。

表1

表2所示是一个有序的路由表，即根据MAC地址进行排序后的路由表，因此查找索引时可以采用二分查找，时间复杂度为0(log₂N)。

表2

但是，这两种存储方式以及一些树型结构存储方式下的路由查找时间复杂度都不能满足互联网和大规模数据中心对路由表查询的要求：近似0(1)。

目前网络设备提供商大都采用三态内容寻址存储器(TCAM：Ternary Content Addressable Memory)来完成路由查找过程。这是一种硬件方式实现的路由表并行查找方法，能够得到近似0(1)的时间复杂度，即通过对路由表读取一次就可以得到查找结果，并完成最长匹配。它是从CAM的基础上发展而来的。一般的CAM存储器中每个比特位的状态只有两个，“0”或“1”，而TCAM中每个比特位有三种状态，除掉“0”和“1”外，还有一个“DON’T CARE”状态，所以称为“三态”，它是通过掩码来实现的，正是TCAM的这个第三种状态特征使其既能进行精确匹配查找，又能进行模糊匹配查找。然而TCAM的性价比低，可扩展性差，通过下面的表3可以看出TCAM在价格和功耗上都远远高于SRAM。

表3

因此，使用DRAM或SRAM替代TCAM，并实现路由表查找接近0(1)时间复杂度的方法成为了当前网络设备供应商研究的主要方向。DRAM的访存速度(10～20纳秒)相比于SRAM(～2纳秒)过低，功耗与SRAM相当，因此，当前的研究集中于采用SRAM代替TCAM。