[发明专利]一种QoS感知的OpenFlow流表查找方法

说明书

本发明公开了一种QoS感知的OpenFlow流表分级存储架构及应用，本发明架构将高优先级流存储在TCAM中，保证了高优先级流的分组查找性能；采用Cuckoo哈希结构设计精确流缓存机制，存储低优先级和无优先级活跃精确流，使这些精确流中的数据包直接命中缓存，进而快速找到对应的SRAM流表项，显著降低平均流表查找时间，提升OpenFlow交换机性能。本发明方法为不同优先级的网络流提供对应的流表查找速度：高优先级流中的网络分组直接命中TCAM流表，快速找到对应的流表项；低优先级流中的网络分组查找命中Cuckoo缓存，直接定位到对应的SRAM流表项；无优先级流中的大部分分组能直接命中Cuckoo缓存，少部分分组需进一步采用元组空间搜索法查找SRAM流表，整体查找效率较高。

技术领域

本发明涉及OpenFlow流表技术领域，特别涉及一种QoS感知的OpenFlow 流表分级存储架构及应用。

背景技术

在软件定义网络SDN数据平面中，主流OpenFlow交换机采用TCAM存储流表。这是因为TCAM支持通配查找，且能在一个时钟周期内输出查找结果。然而，TCAM单比特成本高、能耗大、集成度低，容量有限。随着OpenFlow协议版本的演进，流表匹配字段数量不断增加，单条流表项的存储开销大幅度增长。同时，当SDN在广域网、数据中心等大规模网络进行应用部署时，网络并发流数量庞大，造成OpenFlow交换机中的流表项数量显著增多。这两个因素产生的乘法效应导致OpenFlow流表规模迅速增大，流表占用的存储资源急剧上升，很容易超出TCAM的存储容量。

到目前为止，解决这一问题的主流方案是采用三态内容可寻址存储器 (TernaryContent Addressable Memory，TCAM)和静态随机存储器(Static Random Access Memory，SRAM)相结合的方式存储流表。为了实现通配查找，SRAM流表通常将所有流表项按掩码划分为若干个元组即子流表，进而运用元组空间搜索法(Tuple Space Search，TSS)对子流表逐个进行哈希查找。对于查找SRAM的每个数据包，在找到对应的流表项之前，需要逐个遍历子流表，导致查找开销很大。因此，如何提高SRAM流表查找速度，已成为OpenFlow交换机亟需解决的性能问题之一。在此基础上，OpenFlow交换机需要为不同优先级的网络流提供相适应的流表查找性能，以保障网络服务质量QoS。

网络服务质量(Quality of Service，QoS)是指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术，是用户和服务网络之间关于信息传输质量的约定，其目标是为Internet应用提供服务区分和性能保证。服务区分是指网络能根据不同的应用的需求，为其提供不同的网络服务。对SDN数据平面而言，根据流的相对重要性，将流赋予不同的传输优先级，并为高优先级流提供各种优先存储、转发等策略来支持QoS。

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种新型网络创新架构，其核心思想是将逻辑控制平面与数据转发平面相分离，并为应用提供灵活的编程接口，显著提升了网络的灵活性、可管控性和可编程性。控制平面与数据平面之间通过SDN控制数据平面接口(control-data-plane interface，简称CDPI)进行通信，主要负责将控制器中的转发规则下发至转发设备，最主流的南向接口协议是OpenFlow协议。OpenFlow最基本的特点是基于流(Flow)的概念来匹配转发规则，每一个交换机都维护一个流表(Flow Table)，依据流表中的转发规则进行转发，而流表的建立、维护和下发都是由控制器完成。