一種基于tcam的包匹配方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于TCAM的包匹配方法，該方法包括：根據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率r和TCAM芯片的時(shí)鐘周期t計(jì)算空間壓縮等級(jí)n；該空間壓縮等級(jí)n為原TCAM芯片中可被壓縮為1條表項(xiàng)的原表項(xiàng)數(shù)量；根據(jù)所述壓縮等級(jí)n選擇合適類型的TCAM芯片；根據(jù)壓縮等級(jí)n，對(duì)原TCAM芯片進(jìn)行壓縮；當(dāng)獲取到匹配關(guān)鍵字時(shí)，將該匹配關(guān)鍵字與壓縮后的TCAM芯片的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，執(zhí)行n個(gè)時(shí)鐘周期的匹配操作，得到匹配結(jié)果。該方案根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的包轉(zhuǎn)發(fā)速率要求動(dòng)態(tài)選擇TCAM條目壓縮等級(jí)，確保了在高速良好的用戶體驗(yàn)的前提下，提高了TCAM芯片的空間利用率，并降低了能耗；且實(shí)現(xiàn)了TCAM芯片的動(dòng)態(tài)選擇，降低TCAM芯片的選購(gòu)時(shí)間和費(fèi)用。
【專利說(shuō)明】-種基于TCAM的包匹配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包分類【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于TCAM的包匹配方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著互聯(lián)網(wǎng)越來(lái)越深入人們的日常生活，網(wǎng)絡(luò)流量不斷增大，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的數(shù) 量也飛速增長(zhǎng)，同時(shí)，隨之而來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò)惡意攻擊也不斷出現(xiàn)，從而導(dǎo)致了越來(lái)越多的網(wǎng) 絡(luò)核心路由設(shè)備出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了網(wǎng)絡(luò)核心路由設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能。鑒于此， 為識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的流量類型以提供更優(yōu)的服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)安全水平，數(shù)據(jù)包分類技術(shù)應(yīng)運(yùn)而 生，且已成為現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的核心組成部分。其中，基于三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器（TCAM)的 高速數(shù)據(jù)包分類機(jī)制因具有極高的包匹配速率，已成為了包分類技術(shù)的事實(shí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]TCAM芯片規(guī)則庫(kù)中的每條規(guī)則表達(dá)為嚴(yán)格的三態(tài)（0,1和*)格式，S卩TCAM中每 一位比特只能取三種值：〇, 1和*(代表無(wú)關(guān)項(xiàng)）。如果一個(gè)字符串與某規(guī)則中所有的0和 1位相同，則表明該字符串符合該規(guī)則。例如，字符串" 110110"和" 110010"都符合規(guī)則 "11**10"。TCAM通過(guò)并行地將搜索關(guān)鍵詞與規(guī)則庫(kù)中的所有規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，并在固定時(shí)鐘 周期內(nèi)返回位于TCAM較低地址位置的匹配結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)高速的匹配操作。為降低能耗，現(xiàn) 有TCAM芯片大多支持全局掩碼寄存器（GMR)和局部掩碼寄存器（BMR)。如圖1所示，GMR 決定了在包規(guī)則匹配中的參與匹配操作的縱向比特位置范圍（如GMR0和GMR2)，而BMR 決定了在匹配操作中應(yīng)被啟用或禁用的TCAM內(nèi)存塊（例如BlockO)。GMR和BMR協(xié)同操作 可實(shí)現(xiàn)降低TCAM芯片能耗的功能。
[0004]TCAM芯片規(guī)則庫(kù)三態(tài)表述的固有特征，決定了在范圍字段的匹配過(guò)程中將不可避 免產(chǎn)生范圍擴(kuò)張問(wèn)題。在典型的IPv4規(guī)則判定中，協(xié)議號(hào)和源IP地址、目的IP地址均可 表述為前綴格式，即所有的無(wú)關(guān)項(xiàng)*均分布于三態(tài)字符串的末尾位置（例如11010***)，這 使得數(shù)據(jù)包中上述三個(gè)字段信息均可直接存儲(chǔ)于TCAM中作為一條表項(xiàng)。然而，數(shù)據(jù)包中的 源端口號(hào)和目的端口號(hào)信息在規(guī)則判定中表征為實(shí)數(shù)范圍，例如，[1，65535]的范圍字段 需要30個(gè)前綴格式的三態(tài)字符串來(lái)表征，而表征源端口號(hào)和目的端口號(hào)均屬于[1，65535] 的規(guī)則判定則需要多達(dá)30X30 = 900個(gè)TCAM表項(xiàng)，這顯然導(dǎo)致了嚴(yán)重的范圍擴(kuò)張問(wèn)題。同 時(shí)，范圍擴(kuò)張引起的表項(xiàng)劇增也加大了TCAM芯片的功耗，影響TCAM芯片的實(shí)際應(yīng)用效果。
[0005] 因此，如何提高TCAM芯片的空間利用率，以減輕范圍擴(kuò)張帶來(lái)的負(fù)面影響，對(duì)基 于TCAM的數(shù)據(jù)包分類技術(shù)的發(fā)展具有至關(guān)重要的推動(dòng)作用。
[0006] 為解決上述問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)提出了一種C-TCAM(Compressed-TCAM:壓縮的TCAM): 采用二級(jí)壓縮機(jī)制，將原先占據(jù)兩條TCAM表項(xiàng)的每?jī)蓚€(gè)范圍字段（如傳輸層端口號(hào)字段） 壓縮存儲(chǔ)到一條TCAM表項(xiàng)中，以提高TCAM芯片的空間利用率。
[0007] 但是，C-TCAM不具備TCAM芯片類型選擇功能，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速率的不同 需求而動(dòng)態(tài)適配TCAM芯片類型及空間壓縮等級(jí)，導(dǎo)致芯片空間利用率不高，且能耗較高。 例如，對(duì)于IPv4分組分類而言，若TCAM芯片位寬為144比特時(shí)，因?yàn)榉欠秶侄伟ㄔ吹?址、目的地址和協(xié)議字段總長(zhǎng)度共72比特，范圍字段包括源端口和目的端口總長(zhǎng)度共32比 特，因此，采用C-TCAM后，每條TCAM表項(xiàng)的剩余比特寬度為8比特（144-72-32X2 = 8); 然而，若采用576比特位寬的TCAM芯片時(shí)，C-TCAM方法導(dǎo)致每條TCAM表項(xiàng)的剩余比特寬 度多達(dá)440比特，單條TCAM表項(xiàng)空間利用率僅為23. 6%。產(chǎn)生這種想象的原因是：C-TCAM 算法不具備動(dòng)態(tài)TCAM芯片類型選擇功能，只能固定地采用范圍字段二級(jí)壓縮機(jī)制，而不能 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速率需求自適應(yīng)地調(diào)整范圍字段壓縮等級(jí)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提出一種基于TCAM的包匹配方法，基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)速率來(lái)完 成TCAM芯片類型動(dòng)態(tài)選擇及范圍字段壓縮等級(jí)智能核定，在保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常轉(zhuǎn)發(fā)速率 的基礎(chǔ)上，提高TCAM芯片的空間利用率。
[0009]為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于TCAM的包匹配方法，包括：
[0010] 根據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率r和TCAM芯片的時(shí)鐘周期t計(jì)算空間壓縮等級(jí)n;該空間壓縮等 級(jí)n為原TCAM芯片中可被壓縮為1條表項(xiàng)的原表項(xiàng)數(shù)量；
[0011] 根據(jù)所述壓縮等級(jí)n選擇合適類型的TCAM芯片；
[0012] 根據(jù)壓縮等級(jí)n，對(duì)原TCAM芯片進(jìn)行壓縮；所述壓縮包括：將原TCAM芯片中占據(jù)n 條表項(xiàng)中的n對(duì)源端口號(hào)和目的端口號(hào)壓縮為1條表項(xiàng)，按照表項(xiàng)位置自上而下的順序依 次執(zhí)行；
[0013] 當(dāng)獲取到匹配關(guān)鍵字時(shí)，將該匹配關(guān)鍵字與壓縮后的TCAM芯片的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行對(duì) t匕，執(zhí)行n個(gè)時(shí)鐘周期的匹配操作，得到匹配結(jié)果。
[0014] 其中，所述根據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率r和TCAM芯片的時(shí)鐘周期t計(jì)算空間壓縮等級(jí)n包 括：
[0015] 根據(jù)以下公式計(jì)算包轉(zhuǎn)發(fā)速率：定義網(wǎng)絡(luò)最小包大小為xbit，如果某網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接 口帶寬為ybit/s，則TCAM-PC的包轉(zhuǎn)發(fā)速率需要達(dá)到的數(shù)值可計(jì)算如下：
[0016]r=y/x；
[0017] 其中，x為網(wǎng)絡(luò)最小包大小，單位為bit;y為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口帶寬，單位為bit/s;
[0018] 計(jì)算所述網(wǎng)絡(luò)最小包的處理時(shí)延：
[0019]d= 1/r
[0020] 根據(jù)以下公式計(jì)算TCAM芯片壓縮等級(jí)n:
[0021] ?中/，1 艮口：
[0022]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于TCAM的包匹配方法，其特征在于，包括： 根據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率r和TCAM芯片的時(shí)鐘周期t計(jì)算空間壓縮等級(jí)n;該空間壓縮等級(jí)n為原TCAM芯片中可被壓縮為1條表項(xiàng)的原表項(xiàng)數(shù)量； 根據(jù)所述壓縮等級(jí)n選擇合適類型的TCAM芯片； 根據(jù)壓縮等級(jí)n，對(duì)原TCAM芯片進(jìn)行壓縮；所述壓縮包括：將原TCAM芯片中占據(jù)n條 表項(xiàng)中的n對(duì)源端口號(hào)和目的端口號(hào)壓縮為1條表項(xiàng)，按照表項(xiàng)位置自上而下的順序依次 執(zhí)行； 當(dāng)獲取到匹配關(guān)鍵字時(shí)，將該匹配關(guān)鍵字與壓縮后的TCAM芯片的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，執(zhí) 行n個(gè)時(shí)鐘周期的匹配操作，得到匹配結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)速率1和TCAM芯片的時(shí) 鐘周期t計(jì)算空間壓縮等級(jí)n包括： 根據(jù)以下公式計(jì)算包轉(zhuǎn)發(fā)速率需要達(dá)到的數(shù)值：r=y/x； 其中，x為網(wǎng)絡(luò)最小包的大小，單位為bit;y為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口帶寬，單位為bit/s; 計(jì)算所述網(wǎng)絡(luò)最小包的處理時(shí)延： d= 1/r 根據(jù)以下公式計(jì)算TCAM芯片壓縮等級(jí)n: ?中々1;即：
其中，t為TCAM芯片的時(shí)鐘周期，單位為秒。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，如TCAM芯片的最大位寬為M，則，則為獲 得盡可能大的空間壓縮率，n應(yīng)為：
s為源IP地址的長(zhǎng)度、d為目的IP地址的長(zhǎng)度、p為協(xié)議號(hào)的長(zhǎng)度、s'為源端口號(hào)的 長(zhǎng)度、d'為目的端口號(hào)的長(zhǎng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述壓縮等級(jí)n選擇合適類型的 TCAM芯片，包括： 所述合適類型的TCAM芯片的位寬z取滿足如下條件的最小整數(shù)值： (s+d+p) + (s' +d'）n<z<M，且zGC; 其中，C為TCAM類型的集合，C= {c|cGN}(N= 1，2,3，"-)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)壓縮等級(jí)n，對(duì)原TCAM芯片進(jìn)行 壓縮包括： 每條壓縮的表項(xiàng)中，高優(yōu)先級(jí)的規(guī)則存儲(chǔ)于偏左側(cè)的位置，低優(yōu)先級(jí)的規(guī)則存儲(chǔ)于偏 右側(cè)位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述將該匹配關(guān)鍵字與壓縮后的TCAM芯 片的規(guī)則庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，執(zhí)行n個(gè)時(shí)鐘周期的匹配操作，得到匹配結(jié)果，包括： 在第i個(gè)時(shí)鐘周期，全局掩碼寄存器GMR激活GMRO+GMRi，iG[l，n]，禁用其它所有比 特位以降低能耗； 若發(fā)現(xiàn)一條匹配規(guī)則存儲(chǔ)于TCAM內(nèi)存塊Blockm，則在下一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，激活編號(hào) 小于或等于m的所有地址塊，禁用其它的地址塊，以進(jìn)一步降低能耗； 當(dāng)所有n個(gè)時(shí)鐘周期的匹配操作全部完成時(shí)，從匹配到的規(guī)則中選取地址最低的規(guī)則 作為最終的匹配結(jié)果。
【文檔編號(hào)】H04L12/741GK104410573SQ201410698719
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】王凱, 吳恒奎 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所