软件定义互连数据平面资源优化技术研究

发布时间：2020-06-02 03:57

【摘要】：软件定义互连(Software Defined Interconnection,SDI)等新一代体系架构将网络控制与数据转发功能进行分离,并提供其开放式的可编程接口,打破了原有一体化的设备壁垒,增强了网络的服务能力,提高了网络的灵活性和可扩展性,有力地推动了网络功能和网络应用的创新部署。而数据平面作为整个网络控制转发和数据处理的基础支撑,为新型网络的发展演进提供内在推动力。数据平面的网络元件根据协议解析图进行网络数据流的数据解析和字段提取,同时根据控制器下发的规则流表进行字段匹配并处理数据包。因此,数据平面决定着整个网络的处理速率和服务能力,需要在有限的资源下,实现灵活而又高效的网络功能。目前,数据平面仍存在一些问题亟需解决:解析状态转移结构难以实现灵活性与高效性的平衡;多级流表结构实现资源优化,但同时带来较多匹配查找周期;网络中流表规模扩张,加之多匹配域表项结构,致使现有规则表项间存在较多冗余,存储效率低下。本文依托于国家科技重大专项(No.2016ZX01012101)——“基于软件定义互连的xxx器件”,以软件定义思想为理论指导,对现有数据平面解析表项和匹配表项进行分析,分别从可编程解析表项的生成优化、多级流表构建过程中存储资源优化以及表项存储过程中冗余信息优化三个方面进行研究,旨在提高软件定义互连数据平面的资源利用效率和数据处理性能,进而建立灵活高效的信息交换平台。论文的主要研究内容包括:1.针对当前网络转发设备中的解析器难以应对快速变化的网络需求问题,利用可编程的解析表项结构,提出一种基于动态规划的可编程解析表项生成系统。首先,通过配置不同的协议解析图,可实现协议灵活定制。此外,针对短字节包头协议,设计相应的动态规划算法将解析图节点进行压缩和聚合,使单个周期解析多个数据包头。最后,仿真实验表明,该方案在较低的资源利用情况下减少了解析周期。2.针对多级流表划分过程中带来的流表级数与匹配周期之间的平衡问题,提出基于表项类别优先的多级流表构建方法。通过分析不同表项类别匹配域间的相关性,定义匹配域相容度概念,并建立基于相容度最大的优化模型,给出求解多级流表划分集合的类别优先算法。随后提出适用于本方案的匹配查找结构及相应的表项更新策略。最后,通过仿真实验,验证本方案在提高资源利用率下有效缓和多级流表带来的匹配周期增加。3.针对网络快速发展所带来的表项位宽和规模扩张问题,提出一种基于独立规则集位提取的包分类规则集压缩方法。首先,通过分析多匹配域规则流表匹配域间的逻辑关系,利用冗余信息进行匹配域合并。然后基于规则独立性,将包分类规则集划分为多个独立规则子集。随后对独立规则子集进行可区分的位提取,进一步压缩存储空间。最后,通过仿真实验与对比分析,本文所提方案能够有效减少所用TCAM存储空间。
【图文】：

生成系统,表项,可编程,包头

图 2.1 可编程解析表项生成系统整体架构析器别和提取包头中特定字段的过程。传统的交换机架构中协议的解析过程固化到交换芯片内部，，从而各层协议的级设备或添加新的协议都要重新设计硬件，故无法适应求。为了实现灵活的数据包解析，首先需要能够进行任数据包包头中包含着类型域和匹配域，类型域表明包头查找要抽取的字段。协议的解析过程可以用多叉树来表就要实现一个可配置的协议树。如图 2.2 所示，协议树进行配置，协议树的匹配域节点以 F（Field）表示，类型域层的包头解析都可以表示为{T，F}的形式，例如第一层数的第一层节点；第二层数据包包头根据类型域的值可IIF }分别对应协议树的第二层子节点；再根据下一层类包格式，如此进行迭代得到完整的协议解析过程。通过

架构图,解析器,可编程,架构

图 2.2 协议树示例实现本系统的基础模块，可承载解析映射生成的表项块、匹配域提取模块、编程配置模块及匹配域缓存和.3 所示。其中，可通过上层接口进行配置的 TCAM 元，用于存储用户自定义的解析图信息。首先，用户首段数据起始地址和初始类型，存储在 First_Add 寄中存储的状态转移表来实现任意协议的可定制。其中value）并进行匹配，而 RAM 存储该协议匹配域的偏移包头类型（Next header）。数据流经由收发模块接收并域提取模块提取类型字段并送往 TCAM 中，查表判别地址进而得到匹配域信息偏移和下一类型域字段。匹息将数据包的匹配域提取出来，送往匹配域缓存和组取的全部匹配域进行合并，生成整体包头向量发送到读取地址类型域提取
【学位授予单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0

【参考文献】