[发明专利]面向网络功能虚拟化的高性能设计方法

说明书

面向网络功能虚拟化的高性能设计架构是一个高效的网络功能虚拟化框架通过聚合服务链中网络功能对数据流的操作来消除网络功能中的处理冗余，以实现高效的网络数据通路。本设计架构在每个网络功能中建立本地动作匹配表来记录对数据流中数据包以及网络功能状态的操作行为，并建立全局动作匹配表来聚合所有本地动作匹配表，同时使用事件触发表和新的数据包处理模式来保证网络功能在运行时的逻辑正确性，以及通过网络功能函数的并行化来提高系统的性能。本发明在保证网络功能逻辑正确性的情况下，显著优化了网络功能服务链的处理延时以及吞吐率。

技术领域

本发明属于网络技术领域，涉及网络功能虚拟化(NFV)的性能优化，特别涉及一种面向网络功能虚拟化的高性能设计方法。

背景技术

网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)是指在软件中实现网络功能(NF，如入侵检测，监控和负载平衡等)，以实现更具弹性的管理和更低的网络系统成本。网络功能通常连接在一起形成一个串行的服务链，而NFV运行商通过服务链引导数据包进行传递。然而，网络功能的软件化实现也带来了较大的性能问题。现有研究表明，当数据包通过含有多个网络功能的长链时，包处理性能会严重下降。

NFV的性能问题促使研究人员提出了一些解决方案，以提升服务链处理数据包的性能。现有研究主要从两个角度出发：(1)一类工作专注于直接加速NFV的数据平面路径，包括使用特殊硬件(例如FPGA和GPU)来加速单个NF的性能，以及引入NF之间数据包传输的共享内存机制(例如NetVM和ClickOS)来加速服务链的性能。(2)另一类研究提议并行执行NF以加速服务链(例如，NFP和Parabox)。这类研究的分析表明，服务链内部的某些NF之间并没有依赖关系，因此可以并行执行。我们将NF并行化执行称为拓宽数据路径，因为它试图在原有数据路径上同时执行网络功能。

然而，以上两种服务链性能优化方法有一个共同的假设：网络功能是模块化的，即一个网络功能的处理与下一个网络功能处理之间的仍然是互相隔离的。因此，服务链的处理性能存在一个上限。即使使用了上述两类优化方法，性能下降也是不可避免的。如果我们不打破NF处理的边界，例如合并作用于数据包的多次修改，则可能会有一些处理冗余是现有两类优化无法消除的。加速这些操作不能完全消除冗余；而并行化它们则未必可行，因为它们可能不是独立的(例如，如果它们会对数据包的相同域进行写入操作)。这种冗余操作可能会随着链的长度而增加，因而当服务链足够长时，处理性能会显著下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面向网络功能虚拟化的高性能设计方法，搭建一个在单机实现的网络功能(NF)链，通过缓存每条数据流对应的NF操作，来提高NF链的处理性能，降低NF链上数据包的处理延迟的包处理系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种面向网络功能虚拟化的高性能设计方法，其特征在于，对每条数据流的第一个数据包和之后的数据包进行不同的处理，其中：

对数据流的第一个数据包处理步骤如下：

步骤(11)，数据包经过包分类器，计算数据包对应数据流的FID，在GMAT中寻找对应数据流的处理动作缓存；

步骤(12)，如果在GMAT没有找到对应数据流的处理动作缓存，则新建一个对于该数据流的空缓存并分配一个新的FID，然后将数据包发送给NF链进行进行处理并记录处理操作；

步骤(13)，NF链中的每个NF正常处理数据包，将处理动作按FID编号缓存到LMAT中，然后将数据包传递给下一个NF，所述处理动作包括对头部的动作和对NF内部状态的动作；

步骤(14)，每个NF将LMAT中对于数据流的头部动作以及状态动作可能触发的事件列表与对应行为上传到GMAT中，并将所有的NF头部动作按顺序叠加，建立新的数据流缓存以备后续使用；