[发明专利]基于哈希表和TCAM表的MAC地址硬件学习方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及MAC（Media Access Control，媒体访问控制）地址学习领域，特别是涉及一种基于HASH（哈希）表和TCAM（Ternary Content Addressable Memory，三态内容寻址存储器）表的MAC地址硬件学习方法及系统。

背景技术

随着经济全球化的发展，越来越多的企业分布范围日益扩大，迫切需要电信运营商提供链路连接，以便将企业各分支机构囊括进来，组成企业内部的专用网络。在这样的市场需求下，VPLS（Virtual Private Lan Service，虚拟专用局域网业务）技术应运而生，VPLS技术结合了以太网技术和MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）技术的优势，通过运营商提供的IP（Internet Protocol，网际协议）/MPLS网络连接地域上隔离的多个由以太网构成的LAN（Local Area Network，局域网），实现了对传统LAN功能的仿真，使它们像一个LAN那样工作。

VPLS通过查找对应VSI（Virtual Switch Instance，虚拟转发实例）的MAC地址转发表，来指导用户报文的转发，而MAC地址转发表是通过MAC地址学习功能创建的。因此，MAC地址学习功能是实现VPLS的关键因素。

MAC地址学习的2个触发条件是：

（1）某个VSI收到源MAC是未知单播地址时；

（2）某个VSI收到一个已知的源MAC地址，但是对应的转发表项需要更新，例如：接收VP（Virtual Port，VSI中的虚拟交换端口）发生了变化。

在MAC地址学习中地址冲突是不可避免的问题，原因是MAC地址有48bit，而VSI根据设备容量的不同取值一般大于10bit（即最少支持1k个VSI）。理论上如果要避免MAC地址冲突，则需要穷举所有MAC地址组合情况，至少需要2^58=256P（计算机存储单位，1Peta=1024T）个表项，显然不可能用硬件来缓存如此大数量级的表项。

目前解决MAC地址冲突的方法有以下三种：

（1）依赖主控CPU（Central Processing Unit，中央处理器）来协助解决地址冲突：一种MAC地址软件学习方法，即在主控CPU上通过实现“冲突链表”算法来解决地址冲突问题。由于主控CPU通常用来运行复杂的路由协议，本身负担已经较重，因此，非常浪费宝贵的主控CPU处理资源，而且与MAC地址硬件学习方法相比，该MAC地址软件学习方法的学习速率比较低。

（2）单哈希表缓存冲突方法：一种MAC地址硬件学习方法，使用一个哈希表来缓存MAC地址冲突，即通过扩大哈希表的容量，以降低冲突产生的概率，是一种最简单、最常见的缓存冲突方法。

哈希算法将任意长度的二进制值映射为固定长度的较小二进制值，以实现数据的压缩，并通过将原始数据打散和离散，以抑制映射后产生的数据冲突。常用的哈希算法有MD2（Message Digest Algorithm2，消息摘要算法第二版）、MD5（Message Digest Algorithm5，消息摘要算法第五版）、CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）32等。实际应用中常采用CRC32来作为哈希算法。以64K地址表为例，将VSI和源MAC用CRC32算法计算出32bit的哈希散列值，并将32bit结果的高、低16bit异或之后截取低16bit（2^16=64K）作为索引值，去索引RAM中的表项。如果两个MAC地址16bit离散值相同，则其中一个MAC地址无法被缓存；此时，只能期望两个MAC地址CRC32Hash值的bit17不同，并将表项容量由64k扩展128k，以此来进一步缓解冲突。

单哈希桶缓存冲突方法通过扩展离散值bit数的方法来降低冲突概率，每增加1bit离散值，需要将冲突表容量扩展一倍，因此对冲突表资源浪费很大。而且，由于这种办法完全依赖离散值进行表项的定位，不管如何扩容表项，始终无法缓存离散值完全相同的多个MAC地址。另外，当MAC地址样本发生变化时，并不能保证系统设计时所允许的冲突概率。