一种OpenFlow交换机中的报文分类方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种OpenFlow交换机中的报文分类方法，涉及计算机下一代网络技 术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，传统的IP包流量识别和QoS控制技术，仅对IP包头中的五元组信息进行分 析，确定流量的基本信息，五元组信息包括：源地址、目的地址、源端口、目的端口以及协议 类型。
[0003] 传统IP路由器也只是通过五元组获得的信息来实现一定程度的流量识别和OoS 保证的，但是随着网络上应用类型的不断丰富，仅仅分析IP包的四层以下的内容，已经不 能真正判断流量中的业务类型，更不能判断基于开放端口、随机端口等方式进行传输的应 用类型，甚至应用的具体内容特征。
[0004] OpenFlow交换机，维护一个FlowTable并且只按照FlowTable进行转发， FlowTable并非指IP五元组，在OpenFlowL 0中，定义了包括端口号、VLAN、L2/L3/L4信息 的12个关键字，在OpenFlowl. 3中，更是定义了 39个关键字。每个字段都是可以通配的，网 络的运行商可以决定使用何种力度的流，比如运营商只需要根据目的IP进行路由，那么流 表中就可以只有目的IP字段是有效的，其它全为通配。OpenFlow交换机中的数据包分类， 通过将数据包中的各个字段和FlowTable中的规则的匹配结果，确定对该数据包的执行动 作。
[0005] 其中，OpenFlow vl. 0在实际部署和应用中面临的问题之一就是TCAM存储器成本 问题。在传统网络设备中，TCAM主要用于FIB、MAC、MPLS Lable和ACL表，因为每个表的 匹配字段长度不一，所以可以分别设计，并且具有最大容量限制以期达到最小的开销。而在 OpenFlow交换中，不再区分匹配长度较短的FIB、MAC、MPLS Lable表以及较长的ACL表，而 一律采用具有最大长度的流表项记录代替。对OpenFlow vl. 0而言，流表的匹配字段长度 长达252位，而一般的IPv4RIB TCAM匹配字段长度只有60至80位，其开销增加了三倍以 上。因此如何减少流表的尺寸是OpenFlow面临的一个难题。
[0006] 为了解决上述问题，OpenFlow vl. 1设计了多级流表来减少流表的开销，将流表进 行特征提取，进而将匹配过程分解成多个步骤，形成流水线的处理形式，从而降低总的流表 记录条数。例如：原始流表共有10000条，如果将其分解成先匹配VLAN和MAC地址，再匹配 IP地址和传输层头部等两个独立的流表，那么每个流表的数量可能均小于1000条，使得流 表总数小于2000条。
[0007] 传统的包分类算法技术，针对传统的五元组，从各种不同的角度进行算法的设计， 如利用前缀构建字典树、利用范围构建决策树、基于维度分解的合并策略，然而这些传统的 算法并不适合这种多维字段的匹配，但是目前并没有针对超过五元组的多域进行数据包分 类的算法。
[0008] 网络流量的不断增长和流量控制粒度不断精细，使得OpenFlow交换机中的关键 字个数不断地增加，现有的OpenFlow比较成熟而内容较为新颖的标准是vl. 3,它的关键字 达到了 39个，这就使得一个大的流表不能满足查找时间的要求，而多级流标目前也只是停 留在设想阶段，目前也没有任何组织提出针对它的具体的实现方式。因此，如何划分多级流 表，划分之后使用什么算法实现数据包与规则特征库的匹配，以满足数据包的查找速度，同 时能较好的实现规则的动态更新，提出一种切实可行的符合OpenFlow交换机的报文分类 算法，成为当前需要解决的重要问题。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种报文分类方法，通过对关键字进行不同的 分类，划分出三种类型的流表，针对每一级流表，提出一种符合其特性的数据包分类算法， 最终将三种不同的算法进行级联，以实现整个交换机的报文分类。
[0010] 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
[0011] -种OpenFlow交换机中的报文分类方法，包括：
[0012] 步骤1)预先根据交换机中所采取的规则集中各个规则中的关键词，分别按照精 准值、前缀值、范围值进行分类；
[0013] 步骤2)根据分类后的关键词对规则集中的规则构建一个三级级联的流表，用以 作为交换机对报文分类的分类依据，包括：
[0014] 根据精准值形成的第一流表TableO、根据前缀值形成的第二流表Tablel和根据 范围值形成的第二流表Tab I e2，其中，每一级流表的输入是上级流表的输出；
[0015] 步骤3)从交换机源端口接收数据流中的IP包，分别按照精确值、前缀值、范围值 提取相应的字段；
[0016] 步骤4)对接收到的IP包根据第一流表、第二流表和第二流表的顺序逐个流表进 行匹配，以此对IP包中的报文进行分类。
[0017] 进一步地，优选的是，还包括：
[0018] 步骤5)若此IP包在某一个流表中找到了对应的匹配规则，按照相应规则的动作 进行处理，并从交换机源端口接收下一个IP包；
[0019] 若没有找到与该IP包匹配的规则，则向一控制器提交信息，由控制器对上述规则 集或者流表进行后续处理。
[0020] 进一步地，优选的是，所述步骤2)中，具体包括：
[0021] 采取哈希算法、Grid of Trie算法、Hicuts树算法分别对规则集中的精确值、前缀 值、范围值进行预处理，从而根据所有规则集中的不同字段构建对应的数据结构。
[0022] 进一步地，优选的是，采取哈希算法对规则集中的精准值进行预处理，包括：
[0023] 以规则集中的精确字段部分作为输入，参数个数为numl，确定一个hash哈希函数 H(kl, k2,…，knuml)，所述哈希函数米用Bloom Filter数据结构，Bloom Filter基于hash 查找，并利用位数组表示一个集合，其基于所述位数组判断一个元素是否属于这个集合；
[0024] 其中K1，K2, Knuml是指每条规则中的每个匹配字段的具体数值，Kl代表VLAN匹 配字段的一个具体数值，作为此Hash函数的参数输入；
[0025] 若不同的规则映射到相同的节点位置，则采用链表的方式进行连接，其中，Hash表 中每个节点位置存储规则的数目和代表规则优先级的id号码。
[0026] 进一步地，优选的是，采用Grid of Trie算法对前缀值进行预处理，包括：
[0027] 遍历所述Hash表中的节点位置，若当前节点中包含的的规则集个数大于给定的 第一阈值，则以该节点为根节点，利用前缀字段建立一 Grid-of-Trie数据结构；
[0028] 其中，Grid-of-Trie数据结构中每个节点都由三个分支，分别为0、1、*，其中0表 示该数值的二进制表示中某一位数值为〇, 1表示该数值的二进制表示中某一位的值为1，* 代表通配，最终匹配的规则都集中在叶节点中。
[0029] 进一步地，优选的是，采用Hicuts算法对范围值进行预处理，包括：
[0030] 遍历Grid-of-Trie树中的叶子节点，若当前节点中包含的规则集个数大于给定 的第二阈值；
[0031] 则以该节点作为根节点，利用范围字段建立对应的Hicuts数据结构，并据此存储 对应的规则，且所述Hicuts数据结构采用了一颗决策树作为快速查找的数据结构，其内部 节点包含适当的分类导向信息，但不存储任何规则，其叶节点存储一个小型的规则子集。
[0032] 进一步地，优选的是，步骤2)中，具体包括：
[0033] 对规则集中的规则进行Hash映射，判断此规则中精确值字段部分是否是通配，若 是通配，则跳至步骤（12);
[0034] 若非通配，按照预先定义的布隆过滤器（Bloom Filter)Hash数据结构，对规则做 一个映射，将其分配到相应的节点；返回到（11)开始的位置、继续处理下一条规则；
[0035] (12)在Hash表中设置一个固定的节点，用来存储内容为通配的规则，将此规则存 储在这一节点中。
[0036] 进一步地，优选的是，步骤4中，具体包括：
[0037] 基于第一流表，利用精确值字段，通过预先建立的哈希函数，定位和此数据包相匹 配的记录；
[0038] 其中，若对应记录的个数少于设定的最大值，则对该记录内的规则进行线性查找， 并找到最佳匹配的规则集，并执行对应的处理动作；
[0039] 若对应的记录个数大于设定的最大值，则进入第二流表，根据第二流表中的维度 进行最大匹配前缀的查找，直到找到最终的叶子节点；
[0040] 若该叶子节点包含的规则集小于限定的最大值，则对该叶子节点内的规则进行线 性查找，并找到最佳匹配的规则集，按照规则集中的规则对应的行为进行转发操作；
[0041] 若第二流表中的叶子节点中包含的规则集个数大于给定的最大值，则进入第三流 表，按照范围进行查找，直到最终的叶子节点，在叶子节点内进行线性查找，并找到最佳匹 配规则，按照相应的行为对IP包进行处理。
[0042] 进一步地，优选的是，步骤4中，具体包括：
[0043] 首先提取IP包的关键词，并读取第一流表TableO,判断该IP包的精确值字段是否 为通配，若为通配，直接进入Tablel ;
[0044] 否则将字段通过Hash函数进行映射，找到哈希表中与该规则匹配的节点；
[0045] 若该节点中包含的规则集的个数大于给定的阈值，此IP包进入Tablel继续匹配， 否则在该节点内对其余字段进行线性匹配，找到与该IP包最佳匹配的规则，跳至步骤5 ;
[0046] 其次进入第二流表Tablel，判断该IP包的前缀字段是否为通配，若为通配，进入 相应的分支；
[0047] 否则按照Trie的流向进入最终匹配的叶子节点，进入叶节点后，判断该叶子节点 包含的规则个数是否大于给定的阈值，若大于给定的阈值，进入第三流表Table2 ;否则在 该叶子节点中对其余的匹配域进行线性匹配，找到最佳的匹配规则，跳至步骤5 ;
[0048] 最后进入第三流表Table2,按照范围值字段进行最后的匹配，通过对范围字段的 查找，找到最佳的匹配叶子节点，在叶子节点中进行线性查找，找到最佳匹配规则。
[0049] 利用本发明，可以为解决OpenFlow交换机中软