[发明专利]一种高性能的OpenFlow虚拟流表查找方法

说明书

本发明提供一种高性能的OpenFlow虚拟流表查找方法，其针对OpenFlow虚拟交换机中流表查找开销大的问题，首先设计流表项缓存机制，使得大部分数据包直接命中缓存找到对应的流表项，从而绕过掩码探测过程和掩码探测对应的流表查找过程；其次设计SMA1掩码启发策略，每次将成功探测的活跃掩码前移一个位置，使得所有活跃掩码经过一系列访问后调整到掩码数组的靠前位置，从而减少数据包的平均掩码探测次数；此外还采用可扩展计数型SCBF过滤器快速判定流表查找失败结果，同时保证假阳性错误率始终保持在较低的水平，从而避免掩码探测失败时的流表查找遍历过程。本发明能显著降低数据包的平均流表查找开销，大大加快包分类速度，有效提升OpenFlow虚拟交换机的分组交换性能。

技术领域

本发明涉及一种OpenFlow虚拟流表查找方法，尤其涉及一种高性能的OpenFlow虚拟流表查找方法。

背景技术

网络虚拟化通过软硬件解耦以及功能抽象，使网络功能不再依赖于专用硬件，硬件资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，能有效解决现有网络体系的僵化问题，被普遍认为是构建下一代网络的关键技术。OpenFlow协议是目前应用最广泛的南向接口协议之一，它将网络协议栈扁平化，将各层网络协议首部的重要字段作为流表项的匹配域，并支持通配符实现任意字段的组合，从而实现网络流的细粒度灵活管理。OpenFlow虚拟交换机也因成本低、配置灵活、便于调度部署，已广泛应用于各类云环境中，尤其是云数据中心。

OpenFlow虚拟交换机通常运行在通用PC((personal computer，个人计算机)上，往往采用SRAM和DRAM等地址寻址存储器存储OpenFlow流表。由于OpenFlow引入通配符，使得流表查找无法直接使用哈希表等传统的高效查找方式。目前主流的OpenFlow虚拟交换机采用元组空间搜索法(TSS)，将所有规则按照各字段前缀长度的组合划分成比规则数目小得多的元组集合，然后在这些元组里进行哈希查找。元组(即流表)由具有相同字段前缀的流规则(即流表项)组成，并通过与匹配字段一一对应的掩码加以标识。

对于每个到达的数据包，OpenFlow虚拟交换机依据其匹配字段组成的流标识符，逐个探测掩码，即将流标识符与对应的掩码进行与运算，然后在对应的流表中查找匹配流表项，进而实现数据包的转发处理。由于每个数据包通常最多成功探测一个掩码，而探测成功前每次探测掩码都会失败，需要查找遍历流表。因此，数据包的流表查找开销很大，严重制约OpenFlow虚拟交换机的包分类速度。

OpenFlow虚拟交换机由于采用纯软件交换方式，当进入实际大规模部署时，将面临着严重的数据转发性能瓶颈，而OpenFlow流表查找是影响数据转发性能的关键环节之一。

如图1所示的OpenFlow虚拟交换机的流表查找过程：OpenFlow虚拟交换机每收到一个数据包时，首先解析其各层协议首部，提取其中的关键字段，并计算流标识符fid。然后，依次探测掩码数组中的每个掩码，即将流标识符fid与掩码进行与运算，得到关键字key_i，进而在流表中查找对应的流表项。如果查找成功，则执行对应流表项中的动作集，并进行更新处理。如果查找失败，则探测下一个掩码。若所有掩码探测失败，则该数据包封装成流安装请求发送给SDN控制器，等待SDN控制器下发对应的流规则，以便处理数据包，并更新流表。

在上述流表查找过程中，每个数据包都需要逐个探测掩码查找流表，直到成功探测某个掩码或者所有掩码探测完毕为止。这就是说，数据包在成功探测到一个掩码之前，所有的掩码探测均会失败，需要反复查找遍历流表，导致流表查找开销大。更为严重的是，当OpenFlow虚拟交换机部署在高速网络中时，网络数据包流异常密集。例如：当网络流量达到千兆级时，每秒到达的数据包个数可达百万级。这导致OpenFlow虚拟交换机的流表查找开销极大，迫切需要加以优化。

目前，OpenFlow虚拟交换机的流表查找优化方案主要包括：掩码缓存机制、MTF掩码启发策略、CBF查找过滤方法。这三种优化方案的原理步骤分别介绍如下。

【方案一】掩码缓存机制