[发明专利]一种支持QoS的OpenFlow流表节能存储架构及其方法

说明书

本发明提供了一种支持QoS的OpenFlow流表节能存储架构及其应用，本发明架构包括三层：优先流/大象流层、老鼠流层以及活跃连接缓存层，优先流/大象流层采用TCAM以及DRAM作为存储介质，老鼠流层采用SRAM以及DRAM作为存储介质，活跃连接缓存层采用SRAM作为存储介质，采用Cuckoo哈希结构缓存活跃连接和TCAM中流表项的映射关系。本架构采用TCAM优先存储优先流表项的标识字段，实现优先数据分组的快速流表查找，从而保障了网络服务质量。同时设计Cuckoo缓存动态存储大象流中的当前活跃连接和对应的TCAM流表项索引值，使得大部分数据分组命中缓存，进而根据命中的缓存项的地址找到对应的流表项，从而绕过TCAM流表查找流程，大大降低流表查找能耗开销。

技术领域

本发明涉及OpenFlow流表领域，特别是涉及一种支持QoS的OpenFlow流表节能存储架构及其方法。

背景技术

为了满足多媒体应用和云用户对网络传输质量的不同要求，提高网络资源利用率，保障服务质量(Quality of Service，QoS)一直都是网络领域的热点问题。软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)作为一种新型网络架构，将控制逻辑从数据转发设备中分离，形成了逻辑上集中的控制平面，进而获得网络全局视图和状态信息。因此，相比于传统网络，SDN对QoS的管理更加简单灵活。在SDN网络中，控制平面借助全局网络信息，根据上层应用为不同的网络流指定特定的转发决策，并以流规则的形式下发交由数据平面的SDN交换机执行转发操作，从而实现流量的QoS管理。

目前，OpenFlow交换机通常采用三态内容可寻址存储器(Ternary ContentAddressable Memory，TCAM)存储流表。然而，TCAM成本高、集成度低、容量有限，难以满足大规模流表的存储空间需求。当网络中出现大量并发流时， TCAM流表会被完全填满，将导致OpenFlow交换机发生流表溢出问题。此时，需要应用替换策略，剔除TCAM中的一些流表项，以容纳新的流表项。然而，如果被剔除的流表项用于转发优先流的数据包，那么将会导致控制器重新生成并安装对应的流规则，进而影响优先流的分组转发性能。因此，需要合理管理不同服务类型(TOS)优先级的流表项，以保障网络服务质量。

TCAM具有并行查找整个数据集的能力，能够实现OpenFlow流表的快速查找，但也产生了巨大的能耗，其每比特消耗的能量大约是静态随机存储器(static random accessmemory，SRAM)的150倍。随着SDN网络的大规模部署与 OpenFlow协议的不断演进，OpenFlow流表规模日益增大，其所需的TCAM容量逐渐增大，能耗也将随之上升。因此，如何降低OpenFlow流表查找的能耗成为目前亟待解决的关键问题。

如附图1所示，提供了一个典型的OpenFlow流表查找方案，它的工作原理如下：

当OpenFlow交换机收到一个网络分组，首先进行首部解析，提取其关键字段，例如：源/目的IP地址、源/目的端口、协议类型等，确定匹配字段。然后，依据匹配字段查找TCAM流表。若查找成功，则执行对应流表项中的动作集，若查找不成功，则将分组封装成Packet-in消息发送给控制器，待控制器生成对应的流规则并下发给OpenFlow交换机后，进而依据流规则转发处理分组。

目前OpenFlow流表查找的优化方案主要包括：OpenFlow流表包预测电路查找方案以及OpenFlow流表低功耗分组处理方案，具体如下：

如附图2所示，方案一为OpenFlow流表包预测电路查找方案，工作原理如下：