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面向全可编程网络数据平面的资源优化方法

更新时间：2019-12-25 08:45:14 大小：1M 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：可编程网络数据平面 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

现有数据平面无法在整体上支持网络功能的创新和演进,因此面向用户可编程的新型网络数据平面技术发展迅速.针对现有可编程数据平面硬件开销过大且缺乏资源优化的问题,从解析器、匹配表、动作执行器三个方面建立了资源开销模型,并分别提出了类型域合并、匹配域偏移量合并、“域-字”拆分合并映射等资源优化方法.基于Net FPGA的仿真结果表明,与现有机制相比,所提方法减小了38%左右的资源开销


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面向全可编程网络数据平面的资源优化方法.pdf 1M

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10  
Vol． 46 No． 10  
Oct． 2018  
第
2018  
期
10  
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA  
学
报
年
月
面向全可编程网络数据平面的资源优化方法  
，
，
申 涓 段 通 兰巨龙  
(
，
450002)  
国家数字交换系统工程技术研究中心 河南郑州  
:
，
现有数据平面无法在整体上支持网络功能的创新和演进 因此面向用户可编程的新型网络数据平面技  
摘
要
．
，
、
、
术发展迅速 针对现有可编程数据平面硬件开销过大且缺乏资源优化的问题 从解析器 匹配表 动作执行器三个方面  
，
、
、“  
-
”
．
建立了资源开销模型 并分别提出了类型域合并 匹配域偏移量合并 域 字 拆分合并映射等资源优化方法 基于  
NetFPGA ， 38%  
，
．
的仿真结果表明 与现有机制相比 所提方法减小了  
左右的资源开销  
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
网络数据平面 可编程 硬件结构 资源优化  
:
TP393  
:
A
:
0372-2112 ( 2018) 10-2423-07  
文章编号  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 10． 016  
文献标识码  
电子学报  
The Resource Optimization Towards  
Fully-Programmable Network Dataplane  
SHEN Juan，DUAN Tong，LAN Ju-long  
( National Digital Switching System Engineering ＆ Technological Research Center，Zhengzhou，Henan 450002，China)  
Abstract: The existing network data plane could not support the evolution and innovation of network functions，thus  
the new data plane technology for user-programmability is developing rapidly． For the huge amount of hardware resource  
costs and the lack of responsible resource optimization，a resource cost model combining parser，match table，and action pro-  
cessor is built，and the corresponding resource optimization methods like type field combination，match field offset combina-  
tion and“field-to-word”mapping are proposed． The NetFPGA-based experimental results show that the proposed mecha-  
nism can reduce hardware resource cost by 38% compared to existing mechanisms．  
Key words: network dataplane; programmable; hardware structure; resource optimization  
．
价值  
1
引言  
，
在数据平面 的 可编程结 构 方 面 大 多 数 研 究 如  
OpenFlow 、Forwarding Metamorphosis 、P4 、POF  
［5］  
［6］  
［7］  
［8］  
，
随着未来网络研究的开展 新型网络技术如网络  
虚拟化［1］ 网络功能虚拟化  
tion，NFV) ［2］  
［9］  
、
( Network Function Virtualiza-  
( Protocol Oblivious Forwarding) 、dRMT  
，
等 均从不同方  
，
( Soft-  
等 新型网络体系如软件定义网络  
，
面提出了可编程数据处理流水线结构 但基本思想都  
ware-Defined Networking，SDN) ［3］  
、
( Named  
、
、
命名数据网络  
．
是对解析器 匹配单元 处理器这三个主要模块进行编  
Data Networking，NDN) ［4］  
．
，
程 其中 包头解析模块负责将数据包中的匹配域提取  
， ，  
出来 以便后续匹配模块进行查找 如果包头解析模块  
等随之涌现 为支持这些新型  
技术的实现 基于可编程技术的数据平面设计成为业  
，
，
可以支持用户自定义的解析流程 则可以支持新型网  
．
，
界关注的重点 然而 现有可编程数据平面的研究均着  
、
［10］  
． Kangroo 、CAFE  
络协议包头的添加  
［11］等包头解析器  
重研究如何实现更灵活的 甚至达到逐比特编程的可  
，
均采用自定义偏移的方式进行灵活包头解析 用户可  
通过配置包头解析器内的存储单元实现对解析状态机  
，
编程能力 却均未考虑可编程粒度过细导致的硬件资  
．
，
源开销急速膨胀问题 在资源有限的硬件中 如何在保  
．
的控制 这种解析方式可以精确到字节级甚至比特级  
，
证可编程能力的基础上尽可能减小硬件资源开销 对  
，
的提取 但这种任意比特域抽取的方式在灵活度高的  
未来可编程网络设备的开发和实现具有重要的实用  
: 2017-02-21;  
:
: 2018-02-27;  
:
收稿日期  
修回日期  
基金项目 国家网络空间安全专项课题  
( No． 61521003)  
责任编辑 李勇锋  
( No． 2017YFB0803204) ;  
863  
( No． 2015AA016102) ;  
高技术研究发展计划 国家自然科学基金群体创  
国家  
新项目  
2424  
2018  
电
子
学
报
年
．
情况下也带来了资源开销过大等问题 在匹配和处理  
， ，  
性 本文选取业界通用的全可编程数据平面结构 从解  
，OpenFlow TCP/IP  
、
、
模块的灵活性提升方面  
议包进行灵活匹配和处理 通过对数据包中十元组的  
． OpenFlow  
针对传统  
协
析器 匹配表 动作执行器三个方面分析了影响其资源  
，
，
;
，
开销的因素 建立了资源开销模型 其次 基于该模型分  
、
、
;
，
匹配来识别各种类型的数据流  
的局限是缺  
TCP/IP  
别提出了解析 匹配 处理模块的资源优化方法 最后  
，
NetFPGA-10G  
，
乏较强的动作处理可编程能力 即无法支持除  
通过在  
平台上的资源仿真 验证了所提  
．
协议以外的新型网络协议数据包的处理 在  
POF、P4  
，
，
38%  
和
方法的优化效果 与现有方案相比 降低了近  
．
的硬  
［12］  
ClickNP  
，
中 用户可以定义每个匹配表所需匹配的匹  
件资源开销 所提资源优化方法对可编程数据平面的  
．
硬件实现具有一定实用价值  
，
，
配域 并且配置精确到比特级的动作指令 可实现对新  
、
/
．
型网络协议包头的修改 添加 删除等操作 这种方案的  
2
面向全可编程结构的资源开销模型  
，
．
灵活度极高 也带来了硬件层面较高的硬件资源开销  
，
为不失一般性 本文以目前可编程能力最强的交  
，
在资源优化方面 现有针对可编程数据平面结构  
换机硬件结构［6］为基础 分析可编程数据平面的资源  
，
， :  
的资源优化方法大都集中在用户配置层面 即 如何通  
．
、
开销并提出优化方法 该结构因其全可编程的 灵活度  
，
．
过最优的用户配置 减少对硬件可编程单元的使用 如  
，
达比特级的多级流表流水线设计 并引起了学术界和  
．
，
在配置解析器时 通过压缩匹配域偏移量来减小解析  
器内部可编程单元的存储开销［13，14］ 在配置匹配表时  
产业界的巨大反响  
1
;
，
通过多匹配表的组合［15，16］和单匹配表内匹配表项的组  
，
该结构如图 所示 主要由包头解析器和多级流表  
合［17］来减小表项的存储开销 在配置动作执行器时 通  
．
，
，
组成 其中 包头解析器用于识别数据包的协议类型 同  
;
，
过元动作单元之间的组合来［6］减小动作单元的使用  
时根据数据包的协议类型得到相应所需的匹配域并将  
．
，
;
其组合成包头域 向多级流表输出 各级流表是最基本  
:
以上研究主要存在两方面的问题 一是大都集中在用  
，
“
+
+
”
的数据包处理单元 用来实现 匹配 查找 动作 的  
．
，
户配置层面如何更好地利用可编程单元 而未考虑其  
操作 流表内的匹配域选择器和动作执行器支持用户  
;
硬件结构本身的资源开销优化 二是仅考虑单个模块  
，
的动态配置 可以实现流表匹配域的选取以及协议无  
，
的资源开销优化 而数据处理流水线的开销是由各个  
．
．
，
关的动作处理 流表之间通过元数据进行信息传递 实  
．
现匹配表之间的组合  
模块的可编程性协同作用的结果  
，
基于以上分析 如何从整体上对可编程数据平面  
，
．
的硬件开销进行优化 是亟待完善的问题 为不失一般  
;
，
1
．
提取 是指从一个比特向量中摘取出相应  
本章首先给出本文所用相关概念的定义 其次 分  
定义  
、
、
，
，
别对包头解析器 匹配单元 动作执行器三个模块的资  
．
长度比特向量的操作 一般为连续提取方式 即摘取连  
．
源开销进行建模  
续的比特组成相应长度的比特向量 提取过程需要三  

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