[发明专利]基于FPGA的匹配动作表的处理方法、逻辑电路和设备

说明书

本发明提供了一种基于FPGA的匹配动作表的处理方法、逻辑电路和设备，所述基于FPGA的匹配动作表的处理方法包括：CPU配置查找表项；当一个网络包的包头信息、元组数据信息被输入后，从包头信息和元组数据信息提取查找关键字；将关键字送入查找表进行匹配查找；查找完成后，查找表输出匹配成功或失败的信号、以及匹配结果数据；如果匹配成功，则按照匹配结果中的动作码选择一个动作执行单元执行动作，对包头协议字段和元组数据进行相关操作后，送给下级匹配动作表，进行后续包处理。采用本发明的技术方案，可实现任意查找关键字的选择，任意包头协议字段的逻辑、算术运算和修改，做到了占用FPGA逻辑资源少，运行速度快。

技术领域

本发明涉及网络技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的匹配动作表的处理方法、逻辑电路和设备。

背景技术

软件定义网络（Software-Defined Networks，SDN）诞生于2006年。2009年，SDN入选麻省理工科技评论的 “未来十大突破性技术”。SDN的设计核心就是控制平面与数据平面分离，其主张通过集中式的控制器平台实现网络的控制。在SDN架构中，控制平面是逻辑集中的，通过某种协议将控制信息下发至底层的数据平面去执行。所以，控制平面被称为SDN的大脑，指挥整个数据网络的运行。得益于集中控制的优势，控制平面的存在使得网络的部署和配置更加智能和简化。支持编程的SDN控制平面使得网络更加智能，更加灵活和易于拓展。控制器通过SDN的南向协议的API可以对数据平面的网元设备下发指令，完成控制平面与数据平面的控制传输。

SDN实现了控制平面的可编程，但数据平面依然采用固定功能的交换机实现，这些传统交换机只支持已有的网络协议，不支持新定义的网络协议。随着数据中心的蓬勃发展，越来越多的新网络协议将被应用于数据中心，这些固定功能的交换机严重阻碍了这些新网络协议的应用。为了让数据平面同样具备可编程能力，2014年斯坦福大学的Nick McKeown教授和普林斯顿大学的Jennifer Rexford教授等人提出了P4(Programming Protocol-Independent Packet Processors)编程语言。

P4是一种协议无关的数据包处理编程语言，P4支持用户自定义匹配字段，协议解析过程和转发过程，从而能实现真正意义上的协议无关可编程网络数据平面。Barefoot公司研发的Tofino芯片完全支持P4语言编程，通过使用P4对报文解析器（Parser），匹配动作表（Match-Action Table）和报文逆解析器（Deparser）这三个模块的描述，可实现传统网络设备的功能，也可实现创新的网络功能。Tofino芯片虽然支持P4编程，并且其接口带宽达到了6.5Tbps，但其价格昂贵，不适合于像智能网卡这样只需较小接口带宽能力的应用场合，而FPGA以其可编程性和价格相对较低，成为了较小接口带宽网络应用的首选，基于FPGA的P4交换机已成为当前的研究热点。

如前所述，匹配动作表是三个P4语言描述的可编程模块之一，P4语言允许任意包头协议字段作为匹配表的查找关键字，并且允许动作执行单元对任意包头协议字段做逻辑运算或算术运算，Tofino芯片通过一个很大的多路选择电路来实现查找关键字的选择，然后在动作执行单元预置了几百个简化指令的处理器，这些硬件电路都耗费了大量的逻辑资源，这也是ASIC实现可编程交换机所需要付出的代价。由于Tofino芯片采用了7nm的工艺，这些逻辑资源只占用了整个芯片面积的7%，因此匹配-动作电路对整个芯片成本的影响并不突出，但如果FPGA使用同样的电路来实现匹配动作表，那么硬件电路所占用的逻辑资源对于FPGA设计将是一场灾难，以从1024比特的包头数据选择32比特的IP地址查找关键字为例，多路选择电路会占用3000多个FPGA的LUTs，如果使用Xilinx的Zynq 7z100，该款FPGA有277400个LUTs，按照十个匹配动作表估算，仅匹配动作表的查找关键字选择电路就会用掉Zynq 7z100的11%的逻辑资源，这么大的逻辑资源占用，是FPGA设计不可接受的。