40Gbps业务管控系统中HBS—TCAM算法的研究

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信 息 工 程 大 学 学 报
２ １ 年 ０１
Ｋ ｕｈＭｏ ｉ Ｐａ （ ＭＰ 算 法 、 ｏｅ． ｏｒ （ Ｍ） 法 、 ｈ ．ｏａｉ Ａ 。 法 以 及 Ｃ ｍ ｎｚ ｎ ｔ． ｒ ｓ ｒ ｔ Ｋ ） ｒ— ｔ Ｂ ｙ ｒ ｏｅ Ｂ Ｍ 算 Ａ ｏＣ ｒｓ ｋ（ Ｃ） 算 ｃ ｏ ｍｅｔ ． Ｗａｅ（ Ｗ） 法 。改 进型 的 Ａ ｏＣ ｒｓ ｋＢ ｙｒ ｏ Ａ Ｂ 算 法 和 Ｓ ｔｉ ｏｅ－ ｏｅＨ ｒ ｏｌ ｌｒＣ 算 ｔ ｈ —ｏａｉ — ｏｅ— ｒ ｃ Ｍｏ ｅ（ Ｃ Ｍ） ｅｗｓ Ｂ ｙｒ ｅ Ｍｏｒ— ｏｓ ｏ ｐ
额 外 的 Ｒ Ｍ 进 行 复 杂 的 范 围 编 码 ， 而 节 约 存 储 空 间 。 Ｒ Ｔ Ａ 算 法 通 过 修 改 Ｔ Ａ 内 部 构 造 ， 实 Ａ 从 Ｍ—Ｃ Ｍ Ｃ Ｍ 来
现一个 高效 的范 围匹配单元 Ｒ ｎｅＭａ ｈｎ ｅ （ ＭＣ ， 而在 不 用外 在存 储 器 的情 况 下大 大节 约 了存 ａ ｇ— ｔ ｉｇＣ ｌ Ｒ ） 从 ｃ ｌ 储 空 间。但 当模 式集 中存储 的模式 过长 时 ， 不仅 需要更 长 的 匹配周 期 ， 还要 占据更 多 的存 储 空 间 ， 而影 从 响着 Ｔ Ａ 算法 的性 能。 目前对 于 Ｔ Ａ 的研 究 主要 集 中存 ： 对 关键 字 中的 五元 组 进行 预 编 码 ， 而 Ｃ Ｍ Ｃ Ｍ ① 从 减小表 项数 目， 节约 Ｔ Ａ 的存储 空间 ’ ； Ｃ Ｍ ②对 Ｔ Ａ 的 内部结 构进 行 改进 型设 计 ， 而更 好 的服 务 于 Ｃ Ｍ 从 范 围匹配和节 能 ， 但大 部分设计 采 用 的是 小容 量 的芯 片 ， 对于 商 用 的高 速 环境 下 的大 容量 Ｔ Ａ 查 Ｃ Ｍ
式 ， 以表达 庞大 的数据 集提高 查找效 率 ， 短查 找时 间并节约 存储 资源 ， 用 缩 但该算法 存在 一定 的冲突概 率 。 Ｄ ａｍ ｐ ｒ ａ 在 文 献 ［ ０ 中改 进 了 Ｂｏｍ Ｆｌ ｒ ｈｒ ａｕｉ ｒ ｋ １］ ｌ —ｉｅ 算法 ， 出 了并 行 的 Ｂｏｍ—ｉｅ ｏ ｔ 提 ｌｏ Ｆｌ ｒ的硬 件实 现算 法 ， 大 ｔ 大 提 高了查 找速 率 。利 用 Ｔ Ａ Ｔ ｒａｙＣ ｎｅ ｔ ｄ ｒｓａ ｌ Ｍｅ ｏｙ 三态 内容 寻址 存储 器 ） 现 的高速 模 Ｃ Ｍ（ ｅｎ ｒ ｏｔｎ Ａ ｄｅｓｂｅ ｍ ｒ， 实 式 匹配算 法 ， 主要 是 围绕 Ｔ Ａ ： 的 宽输 入 和 高 速并 行 查 找 的 特点 ， 其查 表 方 式 做 进一 步 的优 化 。 Ｃ Ｍ 芷片 对 Ｔ Ａ 的缺点是 容量 小 ， 处 理范 围 匹配 和 多模 式 匹配 时 （ 五 元组 中 Ｉ Ｃ Ｍ 在 如 Ｐ号 和 端 口号 均须 做 范 围 匹配 时 ） 往往需 将一 条表项拆 成 多条 。这样便 需 要 通过 一种 高 效 的表 项 管理 机 制 ， 减 少待 匹配 的表 项 ， ， 来 从 而节约 Ｔ Ａ 昂 贵 的存 储 空 间 ， Ｃ Ｍ 实现 范 围 匹配 的 目的 。代 表算 法有 Ｄ Ｅ 算 法 （ ｙａ ｉ Ｒ ｎｅＥ ｃ— ＲＳ Ｄ ｎ ｍ ｃ ａ ｇ ｎ ｏ ｄ ｇＳｈ ｍ ） Ｒ Ｃ Ｍ 算 法 （ ａ ｇ— ｔ ｉｇＴ ｒａ ｏｔｎ Ａ ｄｅｓｂｅＭｅ ｒ） Ｒ Ｓ算法 利用 ｉ ｃｅ ｅ 和 Ｍ Ｔ Ａ ｎ Ｒ ｎｅＭａ ｈｎ ｅｎｒ Ｃ ｎｅ ｔ ｄ ｒｓ ｌ ｃ ｙ ａ ｍｏ 。Ｄ Ｅ ｙ
摘要： 当前 ， 骨干 网（ ａｋ ｏｅＩｔｒｅ） Ｂ ｃ ｂ ｎ ｎｅｎ ｔ 的吞 吐 率 已接 近 或达 到 ４ Ｇ ｐ ， ０ ｂ ｓ 高速 的模 式 匹 配算 法
业 已成 为 互 联 网管 控 系统 中 实 时 业 务 识 别 的 瓶 颈 。 针 对 ４ Ｇ ｐ ０ ｂ ｓ业 务 管 控 系 统 中对 高 速 模 式 匹 配 算 法 的 需 求 ， 出 了 一 种 基 于 半 字 节 匹 配 和 Ｓ Ａ 拓 展 来 提 升 Ｔ Ａ 查 找 系 统 性 能 的 算 提 Ｒ Ｍ Ｃ Ｍ 法一 Ｈ ＳＴ Ａ 算 法 。 理 论 分 析 和 实 验 结 果 表 明 ， 算 法 可 以 明 显 提 高 业 务 识 别 的吞 吐 率 ， Ｂ —Ｃ Ｍ 该 并 能 保 证 很 好 的 精 度 ， 而提 升 了 Ｔ Ａ 查 找 系 统 的 性 能 。 从 Ｃ Ｍ 关 键 词 ： 度 报 文 检 测 ； 式 匹 配 ；Ｃ Ｍ 深 模 ＴＡ 中 图 分 类 号 ：Ｐ ９ Ｔ ３３ 文献 标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １ ０ ７ （ ０ ） ３— ３ ９— ５ １ ７ — ６ ３ ２ １ ０ ０ ６ ０ １
（ ＭＨ） 法 在 空间 和时间损 耗上要 优 于传 统 的算 法 ， Ｂ 算 但基 于 软件 的算法 由于依 靠 处理 器来 完 成 ， 随着
模 式集 的增加 ， 此类算 法 的空间 复杂度 或时 间复杂度 也 急剧 增加 。 目前 基 于 软件 实现 的 算法 吞 吐率 一般
小于 １ ｂｓ ， 以满足 ４ Ｇ ｐ Ｇ ｐ 难 ０ ｂ ｓ网络 线 速 的 需 求 。
Ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ＢＳ－ ｓａ ｃ ｎＨ ＴＣＡＭ ｇ ｒ ｔ ｍ ｎ ４ Ａｌ ｏ ｉｈ ｉ ０Ｇ ｂ ｐｓＢｕｓｎｅ ｓ ｉ ｓ
Ｍ ａ ｇ ｍ ｅ ｔ ａ ｎｔ ｏ ｙ ｔ ｍ ｎａ ｅ ｎ ｎｄ Ｃｏ ｒ ｌ Ｓ ｓ ｅ
ＣＨＥＮ Ｚｈ ｎ — ｕ ｅ ｇ ｈ ，ＴＩ ｅ ｇ ＡＮ Ｆ ｎ ，ＺＨＡＯ Ｂｏ
Ａｂｓ ｒ ｃ ４ ｔ ａ ｔ： ０Ｇｂ ｕ ｉ ｅ ｓ ｐｓ ｂ ｓ ｎ ｓ ｍａ ａ ｅ ｅ ｔ ａ ｄ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｆ ｒ ｈ ｇ － ｐ ｅ ｔｅ ｎ ｎ ｇ ｍ ｎ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ｏ ｉ ｈ－ ｅ ｄ ｐａ ｔ ｒ ｍａ ｃ ｎｇ ｌ ｏ ｓ ｔ ｈｉ ａ ｇ ‘ ＿
ａ ｃ ｆＴＣＡＭ ｏ ｋ ｙ ｔ ｍ ． ｎ ｅｏ ｌ ｏ ｕｐ ｓ ｓｅ Ｋ ｅ ｒ ｓ： Ｉ ｐ ｔｅ ｎ ｍ ａ ｃ ｉ ｇ；ＴＣＡＭ ｙ ｗｏ ｄ ＤＰ ； ａ ｔ ｒ ｔ ｈ ｎ
０ 引 言
随着互 联 网给人们 带来越 来越 多 的便 利 ， 们 对互联 网的依 赖 程度 也 日益 加 深 。但 日益 繁多 的新 型 人
业 务 、２ Ｐ Ｐ服 务 的 泛 滥 、 Ｄ Ｓ攻 击 以及 对 流 量 内 容 监 控 的 需 要 也 引 起 了 国 家 以 及 运 营 商 的 高 度 关 注 。 因 Ｄ ｏ
此 ， 于互联 网 流量 的实时业 务识 别技术 应运 而生 。传统 的业务 识别 主要是 基 于端 口号 检测 的方法 ， 随 基 但 着 隐形端 口技 术 的出现 ， 这种方 法 已不能 精确判 断 出业 务类 型 。现有 的识别 方法 是应 用 Ｄ Ｉ Ｄ ｅ ａｋｔ Ｐ （ ｅｐＰ ｃ ｅ Ｉｓｅｔ ｎ 深度 报文检 测 ） 综 合 匹 配数 据 包 的五 元 组 以及 部 分 报 文 负 载 来 达 到精 确 识 别 业 务类 型 的 目 ｎｐｃｉ ． ｏ ， 的 。随着模式 集长 度 的爆 炸增 长 ， 同时骨 干 网络 的吞 吐率 也在 由 １ Ｇ ｐ 提 高到 ４ Ｇ ｐ 的背 景下 ， 究高 ０ ｂｓ ０ ｂｓ 研 效 的模 式 匹配 算法 来提 高业务 识别 的吞 吐率和精 确度 也 日显重要 。 对 于模式 匹配算 法 ， 按照实 现途 径有 基于软 件和 基 于硬件 两 种实 现 方式 。传 统 的基 于 软件 的算 法 有
（ ．ｎ ｔｕｅｏ ｎｏｍａｉｎＥ ｇｎ ｅｉｇ ｎｏｍａｉｎ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＵ ｉｅｓ ｙ ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ２，Ｃ ｉａ １ Ｉｓｉ ｔ ｆＩｆｒ ｔ ｎ ｉｅｒ ，Ｉｆｒ ｔ ｎ ｉｅ ｒ ｎｖ ｒｉ ，Ｚ ｅ ｇｈ ｕ４ ０ ０ ｔ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈｎ ；
２ Ｈｅ ａ ｒｒ ｃ ｓＭｉｔｎ ｅ ，Ｚ ｅ ｇｈ ｕ４ ０ ０ ． ｎ ｎＰ ｏｉ ｅ ｌａ ｙＡｒａ ｈ ｎ ｚｏ ５ ０ ３，Ｃｈｎ ） ｎ ｉ ｉａ
ｒｔ ｍ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｙ ａ ｖ ｒ ｉ ｈ ｄｅ ｎ ｉ ｈ ｉ ｒ ｐ ｓ ｄ ｂ ｅ ｙｈ ｇ ｍａ ｄ．Ｔｈ ｓｐａ ｅ ｒ ｐ ｓ ｓ ＨＢＳ— ｉ ｐ ｒｐ ｏ ｏ ｅ ＴＣＡＭ ｌ ｏ ｉ ｍ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅｔ ｅ ａｇ ｒｔ ｈ ｔ ｎ ａ ｃ ｈ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆＴＣＡＭ ｏ ｋ ｐ ｓ ｓｅ ， ｂ ｓ ｄ ｏ ａｆｂ ｔ ｔ ｈ ｎ ｎ ＲＡＭ — ａ ｅ ｐ ｎ ｉｎ，ｔ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｏ ｌｏ ｕ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ｈ ｌ ｙｅ ｍａｃ ｉ ｇ ａ ｄ Ｓ ｂ ｓ ｄ Ｅｘ ａ ｓｏ ｏ ｍｅ ｔａ ｃ ｒ ｃ ｅ ｕｉｅ ｅ ｔ ．Ｔｈ ｏｅ ｉａ ｎａｙ ｉ ｎ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｈ ｔｔ ｅ ＨＢＳ— ｅ ｃ ｕ ａ ｙｒ ｑ ｒ ｍ ｎ ｓ ｅ ｒ ｔｃ ｌａ ｌ ｓｓａ ｄ ｅ ｐ ｒｍ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｔ ａ ｈ ＴＣＡＭ ａｇ ｒｔｍ ｓｃ ｎ ｓｇ ｆｃ ｎ ｌ ｉ ｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｅｖ ｃ ｄ ｎ ｉ ｃ ｔｏ ａ ｃ ｒ ｃ ｌｏ ｉ ｈ ａ ｉｎｉ ａ ｔｙ ｍ ｒｖ ｈ ｓ ｒ ｉｅ ｉ ｅ ｔ ａｉｎ ｃ ｕ ａ ｙ， ｔ ｕ ｎ ａ ｃ ｈ ｅ ｆｒ — ｉ ｉ ｆ ｈ ｓ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｐ ｒｏｍ
了业 务 识 别 的 精 确 度 。
１ Ｔ Ａ 的工 作 方 式 Ｃ Ｍ
表系统 的处理 流程上 没有做 出改进 。 本 文 针 对 ４ Ｇ ｐ 环 境 下 业 务 识 别 的 特 点 ， 出 一 种 拓 展 Ｔ Ａ 系 统 存 储 空 间 的 算 法 ， 半 字 节 匹 配 ０ ｂｓ 提 Ｃ Ｍ 将
和 ＳＡ Ｒ Ｍ拓展 应用 到 Ｔ Ａ 的查找 系统 中 ， 高 了算 法的吞 吐率 ， Ｃ Ｍ 提 同时 拓展 了 Ｔ Ａ 的存 储 空间 ， 保 证 Ｃ Ｍ 也
第１ ２卷 第 ３期
２ ０１ １年 ６ 月
Ｖｏ ．１ １ ２ ＮＯ ３ ．