TCAM存储高效的OpenFlow多级流表映射机制
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１ ＴＣＡＭ 中流表查找问题
流表查找是指网络设备根据数据包的包头信息 将数据包按照一定的规则进行分类和处理。在一个 流表中包括 Ｎ 条规则，每 条 规 则 表 示 为｛Ｒｉ，１≤ｉ≤ Ｎ｝，包括 ３ 个部分：１）匹配域，一般是由 ｄ 元 组 构 成（Ｆ１，Ｆ２，…，Ｆｄ），其 中 Ｆｉ 既 可 以 是 前 缀，也 可 以 是范围，或者是一个特定值；２）优先级 Ｐｒｉ（Ｒｉ），定 义了规则之间的优 先 级 关 系，本 文 定 义 优 先 级 数 值 较小的规则优先级较 高；３）处 理 操 作 Ａｃｔｉｏｎ（Ｒｉ）， 定义了匹配后的数据包操作方式。查找过程是指将 数据包中 提 取 出 的 数 据 域 与 流 表 中 的 规 则 进 行 匹 配，得到优先级最高 的 一 条 规 则 并 执 行 相 应 的 处 理 操作。
国家“八六三”高技术项目（２０１３ＡＡ０１０６０１；２０１３ＡＡ０１０６０５）； 国 家 科 技 重 大 专 项 项 目 （２０１３ＺＸ０３００２００１） 中兴通讯产学研合作基金 作 者 简 介 ：刘 中 金 （１９８８— ），男 （汉 ），山 东 ，博 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：曾 烈 光 ，教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｌｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
现有 研 究 主 要 集 中 在 单 个 ＴＣＡＭ 来 节 省 流 表 存储 效 率 和 提 高 查 找 速 度 ，或 ［５－１０］ 者 通 过 多 个 ＴＣＡＭ 进行 并 行 查 找 。 ［１１－１２］ 但 这 些 算 法 在 存 储 空 间上还有进一步压 缩 的 空 间，如 果 把 单 个 流 表 中 的 一些匹配域进行正 交 拆 分，分 别 压 缩 存 储 在 多 个 流 表 中 ，就 可 以 有 效 地 降 低 单 个 流 表 的 存 储 空 间 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｏｗ－ｔａｂｌｅ ｂａｓｅｄ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ ｅｎａｂｌｅｓ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｄａｔａ ｐｌａｎｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｓｉｚｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｓｔｏｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ＴＣＡＭ ｉｎ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ，ｓｏ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａｎ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｔａｂｌｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｔｈａｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｓｔｏｒｅｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ＴＣＡＭ ｍｅｍｏｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈａｔ ｍａｐｓ ａ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔａｂｌｅｓ ｆｏｒ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｌｏｏｋ ｕｐ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ＴＣＡＭ ｕｓａｇｅ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｔａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｂｙ １７％ —９５％ ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｓｃａｌａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｄａｔａ ｐｌａｎｅｓ．
（清华大学 电子工程系，微波与数字通信国家重点实验室，北京 １０００８４）
摘 要：基于流表的转发机制为 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 提供了灵活的可 编程能力，但是 随 着 网 络 功 能 的 不 断 膨 胀 ，ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换 机中的流表规模呈现出不断增长的趋势，这些流表难 以 在 交 换机有限的三态内容寻址存储器（ＴＣＡＭ）中进行 存 储，成 为 网络发展的一个瓶颈。为了高效地利用有限 的 ＴＣＡＭ 资 源 进行流表存储，该文提出一 种 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多 级 流 表 结 构 及 其 映射算法，将单一流表映射到多级流表中进行高效存 储 和 查 找。仿真结果表 明：该 文 所 提 方 法 比 单 一 流 表 的 存 储 方 法 节省１７％～９５％的 ＴＣＡＭ 资源。这对 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 数 据 平 面 查找结构及其扩展性设计具有重要意义。
图 ２ 多 流 表 查 找 结 构
２．２ 映 射 算 法 本文提出的流表映射方法将单个流表的部分匹
配域提取出来存储 到 新 的 流 表 中，并 通 过 压 缩 这 部 分匹配域来节省总体的 ＴＣＡＭ 存储空间。
对于单一流表而言，如果流表中有 Ｎ 条宽度为
刘中金，等： ＴＣＡＭ 存储高效的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多级流表映射机制
ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｊｉｎ，ＬＩ Ｙｏｎｇ，ＳＵ Ｌｉ，ＪＩＮ Ｄｅｐｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｌｉｅｇｕａｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｒｅ ａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）
图１ 中 给 出 了 一 个 典 型 的 基 于 ＴＣＡＭ 的 流 表 存储格式。由于 ＴＣＡＭ 允 许 输 入 同 时 匹 配 所 有 的 表 项 ，并 在 单 个 时 钟 周 期 内 输 出 查 找 结 果 ，因 此 查 找 速度非常快，是 进 行 流 表 查 找 的 理 想 存 储 器 件；但 是 ＴＣＡＭ 的一个显著缺点在于它的存储效率低，其 单比 特 所 需 的 存 储 单 元 是 ＳＲＡＭ 的 ６ 倍，单 片 ＴＣＡＭ 容量通常不到２０Ｍｂ［１３］。
基于 上 述 发 现，本 文 提 出 一 种 多 级 的 流 表 存 储 结 构 和 查 找 算 法 ：首 先 ，在 单 个 流 表 中 ，按 照 优 先 级 进 行 排 序 ；其 次 ，对 每 个 匹 配 域 计 算 映 射 增 益 ，按 照
收 稿 日 期 ：２０１３－０８－０１ 基 金 项 目 ：国 家 “九 七 三 ”重 点 基 础 研 究 项 目 （２０１３ＣＢ３２９１０５）；
如何将单一流表存储到多级流表中将会影响到 整体的存储效率，合 理 地 选 择 匹 配 域 进 行 映 射 和 存 储将影响多级流表的利用率。下面对所提的存储结 构和从单一 ＴＣＡＭ 表到多 ＴＣＡＭ 表的映射算法进 行阐述。 本 文 的 设 计 目 标 主 要 包 括 以 下 三 点：首 先 ，映 射 前 后 的 查 找 结 果 必 须 一 致 ；其 次 ，映 射 要 能 够降低整体 ＴＣＡＭ 的存储需求；最后，每一级流表 的存储和查找结构足够简单。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＯｐｅｎＦｌｏｗ；ｄａｔａ ｐｌａｎｅ； ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅｓ；ｔｅｒｎａｒｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｍｅｍｏｒｙ
由于 互 联 网 中 路 由 和 交 换 设 备 的 封 闭 特 性，用 户难以定制自己的 网 络 设 备，使 得 网 络 创 新 的 步 伐
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Ｗ 的 表 项，那 么 所 需 的 ＴＣＡＭ 存 储 空 间 为 ＮＷ。
每个表项具有ｄ源自文库个匹配域Ｆｉ，ｉ＝１，２，…，ｄ，如 果 只
十分缓慢。ＯｐｅｎＦｌｏｗ［１－２］通过分离 网 络 的 数 据 平 面 和控制平面，开放基 于 流 表 的 交 换 机 以 及 采 用 集 中 式的控制器使得网络的编程和控制变得十分灵活， 大大降低了网络创 新 的 难 度，备 受 工 业 界 和 研 究 人 员的关注。
三态内 容 寻 址 存 储 器 （ＴＣＡＭ）在 一 个 时 钟 周 期内就可以输出查 找 结 果，在 流 表 查 找 上 有 着 优 异 的性能表现，因此 ＴＣＡＭ 被广泛用在 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换机中 进 行 流 表 存 储 和 查 找 处 理。 但 是 在 Ｏｐｅｎ－ Ｆｌｏｗ 协议规范中，单个表项的匹配域超过 １０ 个，宽 度 超 过 ２００ｂ。 由 于 网 络 功 能 的 快 速 膨 胀 ，造 成 表 项 数不断增加，比如 在 一 个 １００ 个 节 点 的 数 据 中 心 网 络中，每１秒建立 的 ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流 数 目 通 常 在 几 万的量级；而商用的 ＴＣＡＭ 的容量很小，能够存储 的表项数十 分 有 限，商 用 的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换 芯 片 仅 能 支持１０４个 ＴＣＡＭ 表项［３－４］。因此，ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换机面临着流表存 储 资 源 不 足 的 挑 战，难 以 在 大 规 模网络中应用。
ＩＣＳＳＮＮ １ １１０－２０２０２－３０／０５Ｎ４
清华大学学报 （自然科学版） ２０１４年 第５４卷 Ｊ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖ（Ｓｃｉ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌ），２０１４，Ｖｏｌ．５４，
第４期 Ｎｏ．４
６／２５ ４３７－４４２
ＴＣＡＭ 存储高效的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多级流表映射机制
刘 中 金 ， 李 勇 ， 苏 厉 ， 金 德 鹏 ， 曾 烈 光
２ 存 储 结 构 及 映 射 算 法
２．１ 结 构 设 计 为了充分 利 用 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 中 的 存 储 资 源，本 文
提出图２中的多级 流 表 查 找 结 构，每 一 级 流 表 由 一 个 ＴＣＡＭ 和 一 个 双 端 口 ＳＲＡＭ 相 连 构 成，其 中 ＴＣＡＭ 用于存 储 流 表 匹 配 域，ＳＲＡＭ 用 于 存 储 查 找匹配后的中间 变 量 如 跳 转 关 系、匹 配 集 合 等。 查 找过程中，每级流表 的 会 将 所 有 的 匹 配 结 果 传 递 到 集中的计算单元中 进 行 处 理，基 于 这 些 信 息 进 行 判 断得到最终的结果。
图１ 基于 ＴＣＡＭ 的流表存储格式
ＯｐｅｎＦｌｏｗ 流表中的的 匹 配 域 从 传 统 包 分 类 使 用的五元组扩展到 了 十 元 组，不 仅 匹 配 宽 度 扩 展 到 了２００ｂ以上，而 且 不 同 功 能 的 组 合 使 得 流 表 的 表 项数急剧增加。例 如，假 设 交 换 机 需 要 根 据 数 据 包 的目的ＩＰ 字段定义 Ｍ 种ＩＰ 转发规则，同时要根据 这些 数 据 包 的 ＴＣＰ 字 段 进 行 Ｎ 种 端 口 过 滤 规 则，
关 键 词 ：ＯｐｅｎＦｌｏｗ；数 据 平 面 ；多 级 流 表 ；三 态 内 容 寻 址 存 储器
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ３９３．１ 文 章 编 号 ：１０００－００５４（２０１４）０４－０４３７－０６
文 献 标 志 码 ：Ａ
ＴＣＡＭ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｔａｂｌｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ
由于这两种规则是正 交 的，在 单 个 流 表 中 就 需 要 Ｍ ×Ｎ 条表 项 存 储 这 些 规 则。 考 虑 十 个 匹 配 域 相 互 正 交 组 合 ，流 表 中 的 表 项 数 就 会 呈 现 爆 炸 性 的 增 长 ， 那么 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交换机存储资源将难以支持如此多 的表项。本文考虑利用 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 的多级流表结构 减少由于正交操作 产 生 的 表 项，上 述 规 则 如 果 分 别 存 储 在 ２ 个 流 表 中 分 别 进 行 查 找 ，那 么 只 需 要 （Ｍ ＋ Ｎ）个 表 项 就 可 以 完 成 规 则 存 储 ，大 大 节 约 了 流 表 存 储所需的 ＴＣＡＭ 资源。
４３８
清 华 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
２０１４，５４（４）
映射增益从大到小的顺序将匹配域逐个从原流表中 提 取 出 来 并 在 新 的 一 级 流 表 中 进 行 压 缩 存 储 ；这 样 在给定的延时限制下不断迭代映射。基于实际流表 的仿真结果表 明：与 单 一 流 表 的 存 储 方 法 相 比，本 文 所 提 算 法 ＴＣＡＭ 整 体 存 储 容 量 压 缩 １７％ ～９５％ 。
流表查找是指网络设备根据数据包的包头信息 将数据包按照一定的规则进行分类和处理。在一个 流表中包括 Ｎ 条规则，每 条 规 则 表 示 为｛Ｒｉ，１≤ｉ≤ Ｎ｝，包括 ３ 个部分：１）匹配域，一般是由 ｄ 元 组 构 成（Ｆ１，Ｆ２，…，Ｆｄ），其 中 Ｆｉ 既 可 以 是 前 缀，也 可 以 是范围，或者是一个特定值；２）优先级 Ｐｒｉ（Ｒｉ），定 义了规则之间的优 先 级 关 系，本 文 定 义 优 先 级 数 值 较小的规则优先级较 高；３）处 理 操 作 Ａｃｔｉｏｎ（Ｒｉ）， 定义了匹配后的数据包操作方式。查找过程是指将 数据包中 提 取 出 的 数 据 域 与 流 表 中 的 规 则 进 行 匹 配，得到优先级最高 的 一 条 规 则 并 执 行 相 应 的 处 理 操作。
国家“八六三”高技术项目（２０１３ＡＡ０１０６０１；２０１３ＡＡ０１０６０５）； 国 家 科 技 重 大 专 项 项 目 （２０１３ＺＸ０３００２００１） 中兴通讯产学研合作基金 作 者 简 介 ：刘 中 金 （１９８８— ），男 （汉 ），山 东 ，博 士 研 究 生 。 通 信 作 者 ：曾 烈 光 ，教 授 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｅｎｇｌｇ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
现有 研 究 主 要 集 中 在 单 个 ＴＣＡＭ 来 节 省 流 表 存储 效 率 和 提 高 查 找 速 度 ，或 ［５－１０］ 者 通 过 多 个 ＴＣＡＭ 进行 并 行 查 找 。 ［１１－１２］ 但 这 些 算 法 在 存 储 空 间上还有进一步压 缩 的 空 间，如 果 把 单 个 流 表 中 的 一些匹配域进行正 交 拆 分，分 别 压 缩 存 储 在 多 个 流 表 中 ，就 可 以 有 效 地 降 低 单 个 流 表 的 存 储 空 间 。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｏｗ－ｔａｂｌｅ ｂａｓｅｄ ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ ｅｎａｂｌｅｓ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｎ ｔｈｅ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｄａｔａ ｐｌａｎｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｓｉｚｅ，ｓｏ ｔｈａｔ ｉｔ ｃａｎ ｎｏｔ ｂｅ ｓｔｏｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｅｄ ＴＣＡＭ ｉｎ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｅｓ，ｓｏ ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ａｎ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｔａｂｌｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｔｈａｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｓｔｏｒｅｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ＴＣＡＭ ｍｅｍｏｒｉｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｈａｔ ｍａｐｓ ａ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｔａｂｌｅｓ ｆｏｒ ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｌｏｏｋ ｕｐ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ＴＣＡＭ ｕｓａｇｅ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｔａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｂｙ １７％ —９５％ ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆｏｒ ｓｃａｌａｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｄａｔａ ｐｌａｎｅｓ．
（清华大学 电子工程系，微波与数字通信国家重点实验室，北京 １０００８４）
摘 要：基于流表的转发机制为 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 提供了灵活的可 编程能力，但是 随 着 网 络 功 能 的 不 断 膨 胀 ，ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换 机中的流表规模呈现出不断增长的趋势，这些流表难 以 在 交 换机有限的三态内容寻址存储器（ＴＣＡＭ）中进行 存 储，成 为 网络发展的一个瓶颈。为了高效地利用有限 的 ＴＣＡＭ 资 源 进行流表存储，该文提出一 种 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多 级 流 表 结 构 及 其 映射算法，将单一流表映射到多级流表中进行高效存 储 和 查 找。仿真结果表 明：该 文 所 提 方 法 比 单 一 流 表 的 存 储 方 法 节省１７％～９５％的 ＴＣＡＭ 资源。这对 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 数 据 平 面 查找结构及其扩展性设计具有重要意义。
图 ２ 多 流 表 查 找 结 构
２．２ 映 射 算 法 本文提出的流表映射方法将单个流表的部分匹
配域提取出来存储 到 新 的 流 表 中，并 通 过 压 缩 这 部 分匹配域来节省总体的 ＴＣＡＭ 存储空间。
对于单一流表而言，如果流表中有 Ｎ 条宽度为
刘中金，等： ＴＣＡＭ 存储高效的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多级流表映射机制
ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇｊｉｎ，ＬＩ Ｙｏｎｇ，ＳＵ Ｌｉ，ＪＩＮ Ｄｅｐｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｌｉｅｇｕａｎｇ
（Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｗａｒｅ ａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８４，Ｃｈｉｎａ）
图１ 中 给 出 了 一 个 典 型 的 基 于 ＴＣＡＭ 的 流 表 存储格式。由于 ＴＣＡＭ 允 许 输 入 同 时 匹 配 所 有 的 表 项 ，并 在 单 个 时 钟 周 期 内 输 出 查 找 结 果 ，因 此 查 找 速度非常快，是 进 行 流 表 查 找 的 理 想 存 储 器 件；但 是 ＴＣＡＭ 的一个显著缺点在于它的存储效率低，其 单比 特 所 需 的 存 储 单 元 是 ＳＲＡＭ 的 ６ 倍，单 片 ＴＣＡＭ 容量通常不到２０Ｍｂ［１３］。
基于 上 述 发 现，本 文 提 出 一 种 多 级 的 流 表 存 储 结 构 和 查 找 算 法 ：首 先 ，在 单 个 流 表 中 ，按 照 优 先 级 进 行 排 序 ；其 次 ，对 每 个 匹 配 域 计 算 映 射 增 益 ，按 照
收 稿 日 期 ：２０１３－０８－０１ 基 金 项 目 ：国 家 “九 七 三 ”重 点 基 础 研 究 项 目 （２０１３ＣＢ３２９１０５）；
如何将单一流表存储到多级流表中将会影响到 整体的存储效率，合 理 地 选 择 匹 配 域 进 行 映 射 和 存 储将影响多级流表的利用率。下面对所提的存储结 构和从单一 ＴＣＡＭ 表到多 ＴＣＡＭ 表的映射算法进 行阐述。 本 文 的 设 计 目 标 主 要 包 括 以 下 三 点：首 先 ，映 射 前 后 的 查 找 结 果 必 须 一 致 ；其 次 ，映 射 要 能 够降低整体 ＴＣＡＭ 的存储需求；最后，每一级流表 的存储和查找结构足够简单。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＯｐｅｎＦｌｏｗ；ｄａｔａ ｐｌａｎｅ； ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅｓ；ｔｅｒｎａｒｙ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｍｅｍｏｒｙ
由于 互 联 网 中 路 由 和 交 换 设 备 的 封 闭 特 性，用 户难以定制自己的 网 络 设 备，使 得 网 络 创 新 的 步 伐
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Ｗ 的 表 项，那 么 所 需 的 ＴＣＡＭ 存 储 空 间 为 ＮＷ。
每个表项具有ｄ源自文库个匹配域Ｆｉ，ｉ＝１，２，…，ｄ，如 果 只
十分缓慢。ＯｐｅｎＦｌｏｗ［１－２］通过分离 网 络 的 数 据 平 面 和控制平面，开放基 于 流 表 的 交 换 机 以 及 采 用 集 中 式的控制器使得网络的编程和控制变得十分灵活， 大大降低了网络创 新 的 难 度，备 受 工 业 界 和 研 究 人 员的关注。
三态内 容 寻 址 存 储 器 （ＴＣＡＭ）在 一 个 时 钟 周 期内就可以输出查 找 结 果，在 流 表 查 找 上 有 着 优 异 的性能表现，因此 ＴＣＡＭ 被广泛用在 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换机中 进 行 流 表 存 储 和 查 找 处 理。 但 是 在 Ｏｐｅｎ－ Ｆｌｏｗ 协议规范中，单个表项的匹配域超过 １０ 个，宽 度 超 过 ２００ｂ。 由 于 网 络 功 能 的 快 速 膨 胀 ，造 成 表 项 数不断增加，比如 在 一 个 １００ 个 节 点 的 数 据 中 心 网 络中，每１秒建立 的 ＴＣＰ 和 ＵＤＰ 流 数 目 通 常 在 几 万的量级；而商用的 ＴＣＡＭ 的容量很小，能够存储 的表项数十 分 有 限，商 用 的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换 芯 片 仅 能 支持１０４个 ＴＣＡＭ 表项［３－４］。因此，ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交 换机面临着流表存 储 资 源 不 足 的 挑 战，难 以 在 大 规 模网络中应用。
ＩＣＳＳＮＮ １ １１０－２０２０２－３０／０５Ｎ４
清华大学学报 （自然科学版） ２０１４年 第５４卷 Ｊ Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖ（Ｓｃｉ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌ），２０１４，Ｖｏｌ．５４，
第４期 Ｎｏ．４
６／２５ ４３７－４４２
ＴＣＡＭ 存储高效的 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 多级流表映射机制
刘 中 金 ， 李 勇 ， 苏 厉 ， 金 德 鹏 ， 曾 烈 光
２ 存 储 结 构 及 映 射 算 法
２．１ 结 构 设 计 为了充分 利 用 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 中 的 存 储 资 源，本 文
提出图２中的多级 流 表 查 找 结 构，每 一 级 流 表 由 一 个 ＴＣＡＭ 和 一 个 双 端 口 ＳＲＡＭ 相 连 构 成，其 中 ＴＣＡＭ 用于存 储 流 表 匹 配 域，ＳＲＡＭ 用 于 存 储 查 找匹配后的中间 变 量 如 跳 转 关 系、匹 配 集 合 等。 查 找过程中，每级流表 的 会 将 所 有 的 匹 配 结 果 传 递 到 集中的计算单元中 进 行 处 理，基 于 这 些 信 息 进 行 判 断得到最终的结果。
图１ 基于 ＴＣＡＭ 的流表存储格式
ＯｐｅｎＦｌｏｗ 流表中的的 匹 配 域 从 传 统 包 分 类 使 用的五元组扩展到 了 十 元 组，不 仅 匹 配 宽 度 扩 展 到 了２００ｂ以上，而 且 不 同 功 能 的 组 合 使 得 流 表 的 表 项数急剧增加。例 如，假 设 交 换 机 需 要 根 据 数 据 包 的目的ＩＰ 字段定义 Ｍ 种ＩＰ 转发规则，同时要根据 这些 数 据 包 的 ＴＣＰ 字 段 进 行 Ｎ 种 端 口 过 滤 规 则，
关 键 词 ：ＯｐｅｎＦｌｏｗ；数 据 平 面 ；多 级 流 表 ；三 态 内 容 寻 址 存 储器
中 图 分 类 号 ：ＴＰ ３９３．１ 文 章 编 号 ：１０００－００５４（２０１４）０４－０４３７－０６
文 献 标 志 码 ：Ａ
ＴＣＡＭ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｆｌｏｗ ｔａｂｌｅ ｍａｐｐｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ＯｐｅｎＦｌｏｗ ｍｕｌｔｉｐｌｅ－ｔａｂｌｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ
由于这两种规则是正 交 的，在 单 个 流 表 中 就 需 要 Ｍ ×Ｎ 条表 项 存 储 这 些 规 则。 考 虑 十 个 匹 配 域 相 互 正 交 组 合 ，流 表 中 的 表 项 数 就 会 呈 现 爆 炸 性 的 增 长 ， 那么 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 交换机存储资源将难以支持如此多 的表项。本文考虑利用 ＯｐｅｎＦｌｏｗ 的多级流表结构 减少由于正交操作 产 生 的 表 项，上 述 规 则 如 果 分 别 存 储 在 ２ 个 流 表 中 分 别 进 行 查 找 ，那 么 只 需 要 （Ｍ ＋ Ｎ）个 表 项 就 可 以 完 成 规 则 存 储 ，大 大 节 约 了 流 表 存 储所需的 ＴＣＡＭ 资源。
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清 华 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）
２０１４，５４（４）
映射增益从大到小的顺序将匹配域逐个从原流表中 提 取 出 来 并 在 新 的 一 级 流 表 中 进 行 压 缩 存 储 ；这 样 在给定的延时限制下不断迭代映射。基于实际流表 的仿真结果表 明：与 单 一 流 表 的 存 储 方 法 相 比，本 文 所 提 算 法 ＴＣＡＭ 整 体 存 储 容 量 压 缩 １７％ ～９５％ 。