一种基于tcam的包匹配方法
【专利摘要】本发明提供一种基于TCAM的包匹配方法，该方法包括：根据包转发速率r和TCAM芯片的时钟周期t计算空间压缩等级n；该空间压缩等级n为原TCAM芯片中可被压缩为1条表项的原表项数量；根据所述压缩等级n选择合适类型的TCAM芯片；根据压缩等级n，对原TCAM芯片进行压缩；当获取到匹配关键字时，将该匹配关键字与压缩后的TCAM芯片的规则库进行对比，执行n个时钟周期的匹配操作，得到匹配结果。该方案根据网络设备的包转发速率要求动态选择TCAM条目压缩等级，确保了在高速良好的用户体验的前提下，提高了TCAM芯片的空间利用率，并降低了能耗；且实现了TCAM芯片的动态选择，降低TCAM芯片的选购时间和费用。
【专利说明】-种基于TCAM的包匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及互联网数据包分类【技术领域】，具体涉及一种基于TCAM的包匹配方法。
【背景技术】
[0002] 随着互联网越来越深入人们的日常生活，网络流量不断增大，各种网络应用的数 量也飞速增长，同时，随之而来的新型网络恶意攻击也不断出现，从而导致了越来越多的网 络核心路由设备出现网络拥塞现象，严重降低了网络核心路由设备的转发性能。鉴于此， 为识别网络中的流量类型以提供更优的服务质量和网络安全水平，数据包分类技术应运而 生，且已成为现有互联网架构的核心组成部分。其中，基于三态内容寻址存储器（TCAM)的 高速数据包分类机制因具有极高的包匹配速率，已成为了包分类技术的事实工业标准。
[0003]TCAM芯片规则库中的每条规则表达为严格的三态（0,1和*)格式，S卩TCAM中每 一位比特只能取三种值：〇, 1和*(代表无关项）。如果一个字符串与某规则中所有的0和 1位相同，则表明该字符串符合该规则。例如，字符串" 110110"和" 110010"都符合规则 "11**10"。TCAM通过并行地将搜索关键词与规则库中的所有规则进行对比，并在固定时钟 周期内返回位于TCAM较低地址位置的匹配结果，以实现高速的匹配操作。为降低能耗，现 有TCAM芯片大多支持全局掩码寄存器（GMR)和局部掩码寄存器（BMR)。如图1所示，GMR 决定了在包规则匹配中的参与匹配操作的纵向比特位置范围（如GMR0和GMR2)，而BMR 决定了在匹配操作中应被启用或禁用的TCAM内存块（例如BlockO)。GMR和BMR协同操作 可实现降低TCAM芯片能耗的功能。
[0004]TCAM芯片规则库三态表述的固有特征，决定了在范围字段的匹配过程中将不可避 免产生范围扩张问题。在典型的IPv4规则判定中，协议号和源IP地址、目的IP地址均可 表述为前缀格式，即所有的无关项*均分布于三态字符串的末尾位置（例如11010***)，这 使得数据包中上述三个字段信息均可直接存储于TCAM中作为一条表项。然而，数据包中的 源端口号和目的端口号信息在规则判定中表征为实数范围，例如，[1，65535]的范围字段 需要30个前缀格式的三态字符串来表征，而表征源端口号和目的端口号均属于[1，65535] 的规则判定则需要多达30X30 = 900个TCAM表项，这显然导致了严重的范围扩张问题。同 时，范围扩张引起的表项剧增也加大了TCAM芯片的功耗，影响TCAM芯片的实际应用效果。
[0005] 因此，如何提高TCAM芯片的空间利用率，以减轻范围扩张带来的负面影响，对基 于TCAM的数据包分类技术的发展具有至关重要的推动作用。
[0006] 为解决上述问题，现有技术提出了一种C-TCAM(Compressed-TCAM:压缩的TCAM): 采用二级压缩机制，将原先占据两条TCAM表项的每两个范围字段（如传输层端口号字段） 压缩存储到一条TCAM表项中，以提高TCAM芯片的空间利用率。
[0007] 但是，C-TCAM不具备TCAM芯片类型选择功能，不能根据网络设备转发速率的不同 需求而动态适配TCAM芯片类型及空间压缩等级，导致芯片空间利用率不高，且能耗较高。 例如，对于IPv4分组分类而言，若TCAM芯片位宽为144比特时，因为非范围字段包括源地 址、目的地址和协议字段总长度共72比特，范围字段包括源端口和目的端口总长度共32比 特，因此，采用C-TCAM后，每条TCAM表项的剩余比特宽度为8比特（144-72-32X2 = 8); 然而，若采用576比特位宽的TCAM芯片时，C-TCAM方法导致每条TCAM表项的剩余比特宽 度多达440比特，单条TCAM表项空间利用率仅为23. 6%。产生这种想象的原因是：C-TCAM 算法不具备动态TCAM芯片类型选择功能，只能固定地采用范围字段二级压缩机制，而不能 根据网络设备转发速率需求自适应地调整范围字段压缩等级。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提出一种基于TCAM的包匹配方法，基于网络设备转发速率来完 成TCAM芯片类型动态选择及范围字段压缩等级智能核定，在保证网络设备正常转发速率 的基础上，提高TCAM芯片的空间利用率。
[0009]为达上述目的，本发明提供了一种基于TCAM的包匹配方法，包括：
[0010] 根据包转发速率r和TCAM芯片的时钟周期t计算空间压缩等级n;该空间压缩等 级n为原TCAM芯片中可被压缩为1条表项的原表项数量；
[0011] 根据所述压缩等级n选择合适类型的TCAM芯片；
[0012] 根据压缩等级n，对原TCAM芯片进行压缩；所述压缩包括：将原TCAM芯片中占据n 条表项中的n对源端口号和目的端口号压缩为1条表项，按照表项位置自上而下的顺序依 次执行；
[0013] 当获取到匹配关键字时，将该匹配关键字与压缩后的TCAM芯片的规则库进行对 t匕，执行n个时钟周期的匹配操作，得到匹配结果。
[0014] 其中，所述根据包转发速率r和TCAM芯片的时钟周期t计算空间压缩等级n包 括：
[0015] 根据以下公式计算包转发速率：定义网络最小包大小为xbit，如果某网络设备接 口带宽为ybit/s，则TCAM-PC的包转发速率需要达到的数值可计算如下：
[0016]r=y/x；
[0017] 其中，x为网络最小包大小，单位为bit;y为网络设备接口带宽，单位为bit/s;
[0018] 计算所述网络最小包的处理时延：
[0019]d= 1/r
[0020] 根据以下公式计算TCAM芯片压缩等级n:
[0021] ?中/，1 艮口：
[0022]
【权利要求】
1. 一种基于TCAM的包匹配方法，其特征在于，包括： 根据包转发速率r和TCAM芯片的时钟周期t计算空间压缩等级n;该空间压缩等级n为原TCAM芯片中可被压缩为1条表项的原表项数量； 根据所述压缩等级n选择合适类型的TCAM芯片； 根据压缩等级n，对原TCAM芯片进行压缩；所述压缩包括：将原TCAM芯片中占据n条 表项中的n对源端口号和目的端口号压缩为1条表项，按照表项位置自上而下的顺序依次 执行； 当获取到匹配关键字时，将该匹配关键字与压缩后的TCAM芯片的规则库进行对比，执 行n个时钟周期的匹配操作，得到匹配结果。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据包转发速率1和TCAM芯片的时 钟周期t计算空间压缩等级n包括： 根据以下公式计算包转发速率需要达到的数值：r=y/x； 其中，x为网络最小包的大小，单位为bit;y为网络设备接口带宽，单位为bit/s; 计算所述网络最小包的处理时延： d= 1/r 根据以下公式计算TCAM芯片压缩等级n: ?中々1;即：
其中，t为TCAM芯片的时钟周期，单位为秒。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，如TCAM芯片的最大位宽为M，则，则为获 得尽可能大的空间压缩率，n应为：
s为源IP地址的长度、d为目的IP地址的长度、p为协议号的长度、s'为源端口号的 长度、d'为目的端口号的长度。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述压缩等级n选择合适类型的 TCAM芯片，包括： 所述合适类型的TCAM芯片的位宽z取满足如下条件的最小整数值： (s+d+p) + (s' +d'）n<z<M，且zGC; 其中，C为TCAM类型的集合，C= {c|cGN}(N= 1，2,3，"-)。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据压缩等级n，对原TCAM芯片进行 压缩包括： 每条压缩的表项中，高优先级的规则存储于偏左侧的位置，低优先级的规则存储于偏 右侧位置。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将该匹配关键字与压缩后的TCAM芯 片的规则库进行对比，执行n个时钟周期的匹配操作，得到匹配结果，包括： 在第i个时钟周期，全局掩码寄存器GMR激活GMRO+GMRi，iG[l，n]，禁用其它所有比 特位以降低能耗； 若发现一条匹配规则存储于TCAM内存块Blockm，则在下一个时钟周期内，激活编号 小于或等于m的所有地址块，禁用其它的地址块，以进一步降低能耗； 当所有n个时钟周期的匹配操作全部完成时，从匹配到的规则中选取地址最低的规则 作为最终的匹配结果。
【文档编号】H04L12/741GK104410573SQ201410698719
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】王凯, 吴恒奎 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所