基于非易失存储器的混合TCAM研究与设计

发布时间：2020-07-19 11:45

【摘要】：软件定义网络(SDN)是一种新兴的网络模式,它通过将网络的控制平面和数据平面进行解耦来简化网络管理。其中交换机作为数据转发的设备,而实际上网络管理则由逻辑上集中的服务器来进行控制。通过将控制平面转移到逻辑为中心的控制器上,SDN提供了可编程功能并且用于动态地控制和管理交换机中的数据包的转发和处理。在SDN中,网络流量是由一组存储在交换机中的三态内容寻址存储器(TCAM)的流表所管理。TCAM可以以线性的速度与到来的数据包和存储在TCAM中的所有流表进行并行比较。然而,现在的商业交换机的TCAM容量很少。另一方面,更加细化的SDN策略导致更大更多的流表数量的增长,这些流表需要存储和保持在SDN交换机的TCAM中,以保证快速的网络需求。尽管TCAM由于它的性能优势变得不可缺少,但是本身也带来了不可忽视的代价。例如,TCAM耗能比较大、价格昂贵、比一般存储器RAM需要占更大的芯片面积。这主要是由于现在的商业交换机中的TCAM是由静态随机存取存储器(SRAM)组成,而SRAM的高耗能和低密度等特性极大地限制了 TCAM的容量,加剧了 SDN交换机的处理负担和延迟。由于网络中的数据流量持续增长,增加TCAM容量的同时最小化TCAM的使用代价已经成为了一个挑战。最近,新型非易失性存储器件(NVM)由于它的低静态功耗和高密度等优点,像电阻式存储器件(ReRAM)已经被引入来实现TCAM。与传统的由SRAM组成的TCAM(sTCAM)相比,由NVM组成的TCAM(nvTCAM)可以获得更高的存储容量和更低的能量消耗。然而,nvTCAM由于固有的高的写延迟操作,因此也不是完美的解决方案。此外,TCAM中的流表的更新操作本身也是一个缓慢的过程,现在的基于SRAM的交换机仅仅支持每秒40至50条流表的更新。这个更新操作对于由NVM组成的交换机会更加严重,极大地限制了大型网络中的网络性能。本论文提出了一个由NVM组成的TCAM(nvTCAM)和基于SRAM组成的TCAM(sTCAM)的混合TCAM架构,利用nvTCAM存储更多的并且能够捕获更多流量的流表来增加缓存命中率,并且利用一小块sTCAM来处理那些未命中或者命中次数比较少的流表来降低所提出的混合TCAM的更新代价。考虑到缓存流表的特殊依赖特性,本文提出了有效的流表迁移替换策略充分利用nvTCAM和sTCAM的优势来获得混合TCAM架构的更好的性能。实验结果显示本论文提出的混合TCAM架构(由nvTCAM和sTCAM组成)比当前的TCAM架构的性能更有效。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP333
【图文】：

单元制造,非易失性存储器,电阻式,非易失存储器

导致规则数量的倍增式爆炸。因此，虽然组合是ＳＤＮ的一个很有考虑到当今交换机上可用的ＴＣＡＭ空间十分有限，这些特性还远外研究现状逡逑来，国内外针对当前ＳＤＮ交换机中存储流表的器件ＴＣＡＭ的研究得了可观成果。当前关于ＴＣＡＭ的研究主要包括改变存储介质以及则缓存策略。逡逑非易失存储器组成的ＴＣＡＭ的相关研究逡逑ＣＭＯＳ层面上提高ＴＣＡＭ的容量是十分困难的，因此国内外的研究新型存储器比如非易失存储器（ＮＶＭ），利用ＮＶＭ的高密度以及特点对ＴＣＡＭ进行设计和优化。逡逑Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ＳＲＡＭ邋ＴＣＡＭ邋Ｂｉｔ邋Ｃｅｌｌ逡逑

入口交换,分配权,交换机,规则集

比如，一个流表规则可以跨越多个分区，在这种情况下，流表规则将被拆逡逑分成多个规则，每个分区保存部分初始规则。例如，对于一个含有流表规则逡逑Ｒ１，．．．，Ｒ７，的流表规则，如图１－２所示的图案投影，其中每个流表规则具有两个通逡逑配符字段Ｆ１和Ｆ２，ＤＩＦＡＮＥ算法将流表规则分成四个不同的分区Ａ，邋Ｂ，Ｃ，Ｄ，逡逑并将每个分区安装在单独的授权的交换机上。逡逑对于分区Ａ进入的数据包，如果入口交换机有一个处理数据包的流表规则，逡逑它将封装数据包并将其发送到相应的出口交换机。如果入口交换机没有处理数据逡逑包的ｔ荒表规则，则会将数据包转发到管理分区Ａ的权限交换机之一。然后，权限逡逑交换机会转发数据包，并在入口交换机上安装这个流表规则，以便处理这个流的逡逑剩余数据包而不会命中权限交换机。其实ＤＩＦＡＮＥ是最近最少使用的（ＬＲＵ）缓逡逑存方法，它在入口交换机上对新数据包进行反应式安装流表规则，同时丢弃最近逡逑６逡逑

缓存,规则集,空间问题,硬件

这个流表规则集随着流量权重的变化而变化。例如，考虑表１－３中的流表规则集逡逑合，其中每个流表规则具有两个字段，：Ｆ１和Ｆ２可以取值在１到１００之间。该流表逡逑规则表的图形投影如图１－３所示。图１－３中显示为点的六个流经过这个路由器。从逡逑表中可以看出，所有这些流都命中表１－３中的前三条规则之一。然后，软件组件逡逑创建一个单独的流表规则，如虚线框所示，匹配所有六个流，并将其保存在硬件逡逑缓存中。这个新规则只需要一个条目，而不需要存储原来的三个策略。请注意，逡逑７逡逑

【相似文献】