[发明专利]一种基于TCAM的区域匹配装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及互联网高速报文分类技术，尤其涉及一种基于三态内容寻址存储器(TCAM)的区域匹配装置和方法。

背景技术

互联网路由交换网络设备中，通过采用报文分类技术，可将到达的报文分组的头部信息和分类规则库中的规则条件进行匹配，以根据匹配结果实现所述分类规则的动作，包括报文转发、丢弃、排队等，以此实现访问控制、安全过滤、带宽控制等的功能。与IP路由查找过程相类似，报文分类功能处在网络设备的数据平面，由于需要对报文进行复杂的处理，因此，对网络设备的性能要求很高。另外，与IP路由查找只对报文头部的目的地址进行最长匹配的处理方式不同，报文分类则需要对报文头部的多个字段，如源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议等字段同时进行包括前缀匹配、精确匹配和区域匹配等项工作，因此报文分类往往成为路由交换网络设备的报文处理瓶颈。

目前，业界普遍采用三态内容寻址存储器(TCAM，Ternary Content Address-able Memory)来实现高速报文分类。可将TCAM配置成36、72、144、288或576比特/位(bit)等宽度，以用于存储固定宽度的查找条件，对于32bit的IPv4路由查找，一般配置成36bit；对于IPv4报文分类，规则条件包括源地址、目的地址、源端口、目的端口和协议共104bit，一般配置成144bit的宽度。这样每个规则条件可以用一个TCAM表项来表示。与普通内存中通过地址查找内容的方式不同，TCAM是通过内容来定位地址，它将查找关键字和所有TCAM表项进行并行比较来定位关键字匹配的存储地址，然后根据得到的存储地址获取存储在快速静态随机存取存储器(SRAM)中的规则动作。TCAM的并行特性使得报文分类查找可以在固定的时钟周期内完成。目前TCAM的时钟周期可高达2ns，能够满足500MBps查找速率的要求，而由于TCAM的三态特性，需要采用多达16个晶体管来实现一个比特位的存储，这将会导致芯片面积较大而且成本较高；而TCAM的并行特性还会使得芯片功耗增大，例如一个18Mbit的TCAM功耗可达15W。因此在单板线卡设计中必须充分考虑TCAM的成本、功耗和体积因素，并充分利用TCAM的每个比特。

现有技术条件下，有效利用TCAM来实现高速报文分类的困难主要在于，TCAM不适合实现区域匹配，虽然利用TCAM的三态特性可以很容易的实现规则条件中的前缀匹配和精确匹配，比如规则条件中的地址字段和协议字段；但是规则条件中的区域字段，如端口区域等则无法直接实现。因此，还必须转换成前缀匹配和精确匹配。一个包含区域字段的规则需要转换成多个规则才能存放在TCAM中，此现象称之为区域扩张(Range Expansion)，区域扩张会大大降低TCAM的使用效率。

目前，常用的利用TCAM来实现报文分类的方法通常有如下几种：

基于硬件的区域匹配方法，如采用扩展三态内容寻址存储器(E-TCAM)的方法直接修改TCAM硬件以支持区域匹配，可以降低90％的功耗，由于需要对TCAM硬件进行修改，因而会增加每比特的成本，且还存在兼容性和扩展性问题，短期内无法大规模部署和实现。