[发明专利]一种支持网络流量抖动的OpenFlow虚拟流表弹性加速查找方法

说明书

本发明提供一种支持网络流量抖动的OpenFlow虚拟流表弹性加速查找方法，其针对网络流量抖动性，基于网络流量局部性设计了一种动态可伸缩缓存，以存储网络中的所有活跃精确流。当网络流量出现抖动现象时，根据活跃精确流的数量变化适应性调整缓存容量，以始终取得高缓存利用率和高缓存命中率。对于属于活跃精确流的多数分组，将查找命中缓存，并根据命中缓存项中存储的流表项索引值定位对应的流表项，进而根据其中的动作集快速完成转发处理。只有属于空闲精确流的少数分组，在缓存查找失效后，需进一步查找流表。综合而言，即使在网络流量发生抖动的情况下，网络分组也将稳定保持较高的平均查找速度，从而实现OpenFlow虚拟流表的弹性加速查找。

技术领域

本发明涉及一种OpenFlow虚拟流表查找方法，尤其涉及一种支持网络流量抖动的OpenFlow虚拟流表弹性加速查找方法。

背景技术

软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)作为一种新兴的网络架构，将数据转发与控制逻辑分离，通过以OpenFlow为代表的南向接口协议对数据交换设备进行集中式管控，并为上层应用提供统一的编程接口，显著提升了网络的灵活性、开放性和可编程性。在SDN数据平面中，OpenFlow协议支持远程管理和操作交换机中的流表，包括添加、修改和删除流表项,使控制器能灵活定制数据分组在底层交换网络中的传输路径。进一步，OpenFlow将各层协议首部中的关键字段作为流表项的匹配字段，并在匹配字段中引入通配符，实现了网络流的细粒度灵活管理。然而，这也使得OpenFlow虚拟流表无法直接使用哈希方法实现快速查找。

为实现OpenFlow虚拟流表的通配查找，目前主流的OpenFlow虚拟交换机采用元组空间搜索法(TSS)，为每条流规则定义与其匹配字段结构相同的掩码，以标识匹配字段中的所有通配符位置。在此基础上，依据掩码将OpenFlow虚拟流表中的所有流表项划分成比流表项数量少得多的若干元组，进而在这些元组中进行哈希查找。对于到达OpenFlow虚拟交换机的每个数据分组，由于无法确定其对应的掩码和元组，需逐个探测掩码即依次查找各个元组，直到在某个元组中成功匹配一条流表项或探测完所有掩码为止。这意味着，每个数据分组需查找遍历多个元组，流表查找速度慢。更为严重的是，当网络流量激增时，元组数量和规模迅速增长，后续到达的分组需查找数量更多、规模更大的元组，导致查找速度显著下降。

图1展示了一种典型的OpenFlow虚拟流表查找过程，其工作原理如下：

(1)当数据分组到达OpenFlow虚拟交换机时，首先解析其各层协议首部，提取其中的关键字段，计算流标识符fid；(2)依次探测掩码数组中的掩码，即将流标识符fid与掩码mask_i进行与运算，得到关键字key_i，进而在对应的元组中查找匹配的流表项；(3)若查找成功，则执行该流表项中的动作集，并更新流表项信息(如计数器)。否则，继续探测下一个掩码；(4)若所有掩码探测均失败，则将该分组信息封装成Packet-in消息发送给SDN控制器，待SDN控制器生成并下发对应流规则后,再转发处理分组。同时,根据流规则新建一条流表项,并根据掩码将其加入OpenFlow虚拟流表中的对应元组。

目前，OpenFlow虚拟流表查找的主要优化方案是运用缓存技术，通过缓存近期出现的流以绕过流表查找过程，具体如下：

如图2所示的【方案一】是一种基于多级缓存的OpenFlow虚拟流表查找方案，该方案在OpenFlow虚拟交换机的内核空间设置微流缓存和宏流缓存。首先，从用户空间的流表中选取不相交且没有优先级的宏流，缓存至内核空间，构成宏流缓存，进而采用元组空间搜索法实现缓存查找。然后，将宏流缓存中最近出现的精确流与其掩码的对应关系存入微流缓存，使缓存流中的数据分组直接定位对应的掩码，进而根据该掩码找到对应的元组。