[发明专利]基于FPGA可编程会话表的处理方法、逻辑电路和设备

说明书

本发明提供了一种基于FPGA可编程会话表的处理方法、逻辑电路和设备，该处理方法包括如下步骤：从输入信号的包头信息选择查找关键字，然后使用查找关键字进行会话表查找，计算会话表的HASH桶索引号，并使用HASH桶索引号读取DDR内存中的多个会话表项，接着使用查找关键字和读取的多个会话表项中的匹配关键字进行比较，如果相同则认为会话表匹配，根据匹配会话表中的操作数，执行修改包头信息、元数据信息、会话表操作数的动作，最后将修改后的包头信息、元数据信息送给后续的包转发模块，将修改后的会话表项回写到DDR内存中。采用本发明的技术方案，大大降低了FPGA会话管理的设计难度，显著缩短了研发周期。

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种基于FPGA（Field ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列）可编程会话表的处理方法、逻辑电路和设备。

背景技术

在网络中，会话是两个通信设备之间的信息交换，会话在某个时间点建立，然后在稍后的某个时间点被结束。在TCP/IP协议中，一条会话由五元组（源IP地址、目的IP地址、源端口号、目的端口号、协议类型）唯一标识，基于五元组建立的查找表称为会话表。会话表在网络设备中有广泛的应用，例如在防火墙中建立会话表，可实现TCP的状态检测以及内网和外网IP地址的转换；在DPI（深度报文检测）设备中建立会话表，可实现上下行流量统计和TCP重传包统计；在四层负载均衡设备中建立会话表，利用会话表中的服务器外部和内部IP地址映射关系，可将同一条会话的所有数据包转发到被选中的同一个内部服务器，保证了内部服务器对同一条服务请求响应的完整性；在5G核心网的UPF网元中建立会话表，可实现基于会话的GTP隧道封装解封装、流量统计、计费信息发送以及路由转发等功能。

随着5G、物联网、云计算、AR与VR等技术的应用，全球网络流量面临爆发式增长，网络设备的接口带宽向着25G、40G，甚至100G演进，网络设备需要处理的会话新建速率达到了每秒百万条以上，并发会话数达到了千万甚至上亿条。对于传统的基于X86架构的纯软件网络设备，CPU无法将成千上万条会话表缓存到cache中，只能存储到DDR内存，而现在计算机的内存运行速度只有CPU速度的400分之一，软件收到的每个包都需要读取内存查询会话表，并且需要再次写内存更新会话表，这耗费了大量CPU运算资源，整个系统的性能也会随着会话表数量的增加而急剧下降。

采用NP（网络处理器）管理会话表，NP本质上还是CPU对指令代码的执行，因此和X86架构一样，需要先读取内存查询会话表，然后根据会话表内容执行动作，最后需要写内存更新会话表，CPU对指令的串行执行，以及对DDR内存的频繁读写，同样造成了会话表管理的性能瓶颈。

采用FPGA管理会话表，可以充分利用FPGA在并行处理能力方面的优势，将会话表查询、会话表动作执行、会话表更新做为流水线的不同处理阶段，实现并行处理，这大大提高了会话表处理的性能，很容易实现百万级新建，千万级并发的会话表管理。但采用FPGA管理会话表的难点在于设计难度较大，功能移植和升级困难，目前FPGA设计需要使用专用的硬件描述语言Verilog或VHDL，从电路级设计整个系统，存在开发门槛高、设计复杂、工作量大的困难，并且一旦基于FPGA的会话表管理功能设计、验证完成后，如果需要修改会话表功能或者改变DDR内存接口，则又要面对硬件电路的重新设计和验证，其开发周期远大于软件设计。在保证FPGA高性能管理会话表的同时，需要找到一种方法降低FPGA会话表管理设计和修改的难度，增强会话表管理功能的可移植性。

P4是一种协议无关的数据包处理编程高级语言，用于网络的数据平面编程。P4语言支持对报文解析器（Parser），匹配-动作表（Match-Action Table）和报文逆解析器（Deparser）这三个模块的完全可编程，同时也支持调用用户自定义的外部对象（Externobjects），利用P4语言的这个特性，考虑将会话表管理的固定功能做成一个外部对象，然后在P4程序中调用，将会话表管理的可编程功能定义为动作（Action），使用P4语言来描述该动作，这样就可以使用高级语言实现会话表管理功能的设计，达到降低设计难度，增强设计可移植性的目的。

发明内容