[发明专利]一种OpenFlow大规模流表弹性节能与高效查找系统及方法

说明书

本发明公开了本发明提供一种OpenFlow大规模流表弹性节能与高效查找架构及方法，包括：活跃精确流层，用于缓存网络中的活跃精确流表项，实现高速低功率的流表缓存查找；汇聚流层，用于存储通配流表项，以缓解TCAM存储容量不足问题，提高TCAM缓存命中率；所述汇聚流层包括TCAM和DRAM；个体流层，用于存储暂不满足聚合条件的精确流表项，以提升OpenFlow交换机的分组转发能力；所述个体流层包括SRAM和DRAM。本发明方法使用十字链表构建稀疏网格，动态申请缓存空间，能存储下所有满足条件的精确流，不存在空表项，具有很高的空间利用率,能适应网络流量的动态变化，富有弹性。

技术领域

本发明涉及OpenFlow流表领域，具体涉及一种OpenFlow大规模流表弹性节能与高效查找系统及方法。

背景技术

软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)作为一种新型的网络架构，将传统转发设备中的控制功能抽离出来，统一集中到SDN控制器中，以管理数据平面中的所有转发设备，进而实现对网络流量的灵活控制。SDN控制器根据全局网络视图制定流规则，通过南向协议接口统一下发，交由数据平面的交换机进行学习缓存以生成本地规则集，从而指导网络分组的处理。OpenFlow协议是目前应用最广泛的南向接口协议之一，其提取各层网络协议首部的重要字段作为流表项的匹配域，实现了网络协议栈的扁平化，进而组合不同字段以实现不同粒度的流量管理。OpenFlow流表作为数据平面流量管理的关键技术，每张流表都安装了许多流表项，用于指导OpenFlow交换机对网络分组进行正确的转发处理，流表中的每个字段都可以通配，以灵活处理不同粒度的流。因此，OpenFlow流表作为OpenFlow交换设备的核心组件，其存储与转发对数据交换性能有着至关重要的影响。

根据流规则中是否携带通配符，OpenFlow流表可以分为精确流表项和通配流表项。精确流表项只能处理转发网络中某条流的数据分组，而通配流表项携带有通配符，支持“0、1、中间态”三种数据查找，能够处理转发网络中多条流中的数据分组。因此，为提高分组转发性能，OpenFlow交换机常常使用TCAM存储通配流表，其能在单个周期内输出所有结果，查找速度快。

但同时会出现以下问题：

1、流表弹性节能查找问题

OpenFlow交换机通常使用三态内容可寻址寄存器(Ternary ContentAddressable Memory，TCAM)存储流表，以支持网络分组的高效流表查找与快速转发。然而，由于TCAM流表查找能耗大，部分工作提出可采用静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)等低功耗存储器构建流缓存，存储TCAM中的部分流表项，并使用哈希查找方式，实现OpenFlow流表的快速节能查找。然而，由于网络流量很大程度上受用户行为和应用特性影响，具有较强的突发性与动态性。因此，在节能缓存设计中应重点考虑其伸缩性，即节能缓存能及时随着网络流量的动态变化，进行自适应大小调整，以实现查找效率与节能效果的动态均衡。现有的节能方案往往需预先设置流缓存大小，伸缩性差，容易产生以下问题：若节能缓存设置过小，则其能够容纳的流表项数量有限，将会导致部分重要流表项因哈希冲突而无法缓存，从而使得缓存命中率低下，节能效果不佳；若节能缓存设置过大，虽然能够容纳所有重要流表项，但由于哈希算法的不均匀性，使得缓存中存在众多空表项，造成缓存空间的浪费。

2、大规模流表查找性能问题

当SDN部署在广域网、数据中心等大规模网络场景中时，网络并发流数量巨大，使得OpenFlow交换机中流表项数量显著增多。此外，随着OpenFlow协议的不断演进，流表匹配字段数量显著增加，单条流表项的存储开销大幅增长。这两个因素的乘法效应导致了OpenFlow流表规模的急速膨胀，流表存储与查找性能面临挑战。目前，TCAM作为主流的流表存储介质，用以实现流表的快速查找。然而，TCAM容量有限，无法存储所有流表项，容易导致流表失配而频繁调用控制器，进而增加了数据分组的处理时延。