段　通,蘭巨龍,胡宇翔,劉釋然

(國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,河南鄭州 450002)

一種支持網(wǎng)絡(luò)功能演進(jìn)的可重構(gòu)數(shù)據(jù)平面

段通,蘭巨龍,胡宇翔,劉釋然

(國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,河南鄭州 450002)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系在安全、服務(wù)質(zhì)量保證、流量調(diào)度等方面難以適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,而新型網(wǎng)絡(luò)體系如SDN(Software Defined Networking)、NDN(Named Data Networking)等,由于路由器、交換機(jī)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電路固化,限制了新型網(wǎng)絡(luò)功能的試驗和部署.針對此問題,本文設(shè)計了支持網(wǎng)絡(luò)功能演進(jìn)的可重構(gòu)數(shù)據(jù)平面(Reconfigurable Dataplane for network Function Evolution,RDFE),通過插入用戶配置單元的方式對數(shù)據(jù)包解析、匹配和處理過程進(jìn)行編程,從而支持用戶自定義的功能部署;其次,針對RDFE提出基于樹型結(jié)構(gòu)的解析映射和匹配映射算法,將用戶定制功能映射到硬件結(jié)構(gòu)中;最后,基于NetFPGA-10G板卡完成了RDFE的原型實現(xiàn),與現(xiàn)有的Kangroo、EPC(Elastic Protocol Customizable)、LabelCast等方案相比具有更高的轉(zhuǎn)發(fā)速率和更低的資源利用率.

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面;功能定制;可編程;可重構(gòu);NetFPGA

1　引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展,傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系難以適應(yīng)用戶不斷增長的需求,如XIA(eXpressive Internet Architecture)[1]、NDN(Named Data Networking)[2]、Nebula[3]、VxLAN[4]等新的體系隨之涌現(xiàn).這些體系定義了新的網(wǎng)絡(luò)功能,對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在解析、匹配、動作等方面的處理能力有了新的需求.然而受到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商和協(xié)議開發(fā)環(huán)境的限制,新型功能設(shè)備的開發(fā)和部署面臨諸多困難.如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠在解析、匹配、動作等方面支持用戶定制,那么將大大降低新型網(wǎng)絡(luò)功能的試驗和部署難度,從而為網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新和演進(jìn)提供一個更加開放的平臺.

為支持網(wǎng)絡(luò)功能的快速創(chuàng)新和部署,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備首先要能夠支持靈活的數(shù)據(jù)包解析,以便提取出功能所需的匹配域.為此,CAFE[5]和 SwitchBlade[6]在包頭解析模塊中設(shè)計了任意比特抽取器,其目的就是支持?jǐn)?shù)據(jù)包頭部任意比特域的自由組合,從而支持用戶自定義的匹配域提取方式.為實現(xiàn)靈活高性能的包頭解析模塊,Huber等人[7]提出了Kangaroo結(jié)構(gòu),利用可編程的協(xié)議樹可同時解析多種數(shù)據(jù)包,達(dá)到40Gbps的包頭解析能力.劉中金等人[8]提出彈性協(xié)議可定制的數(shù)據(jù)包查找結(jié)構(gòu)EPC(Elastic Protocol Customizable)及映射算法,其核心思想是在數(shù)據(jù)包解析模塊中加入存儲匹配域偏移量信息的存儲單元,并利用偏移量信息將所需的匹配域提取出來.EPC僅能支持4個匹配域的提取,不能滿足多匹配域的處理需求.

以上研究工作僅針對包頭解析部分進(jìn)行研究,而事實上網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)還需要設(shè)備具備包頭解析后的后續(xù)處理能力(如匹配、查找、操作等).軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking,SDN[9])通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制邏輯轉(zhuǎn)移到控制器內(nèi),從而支持用戶功能定制.但是在數(shù)據(jù)平面,其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅能處理現(xiàn)有的MPLS和TCP/IP數(shù)據(jù)包,對于新型網(wǎng)絡(luò)體系的數(shù)據(jù)包處理并不支持.PLUG[10]為實現(xiàn)匹配查找資源對不同協(xié)議的適配,提出協(xié)議自適應(yīng)的硬件架構(gòu)及編譯器,它將硬件架構(gòu)分為處理能力相同的Tile,利用Tile之間的靈活組合來實現(xiàn)對不同匹配查找需求的適配,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較高,且需要全新的編譯系統(tǒng)與之匹配,且目前尚未實現(xiàn).Pat等人[11]設(shè)計了可編程的多級流表架構(gòu),各級流表包含匹配、查找、動作等資源,且流表之間可動態(tài)組合.其架構(gòu)偏理想化,需要巨大的存儲資源和處理時延,因此并未得到業(yè)界的廣泛響應(yīng).LabelCast[12]針對現(xiàn)有SDN的不足,通過定義Label表和Cast表對除SDN之外的新型網(wǎng)絡(luò)體系的轉(zhuǎn)發(fā)行為進(jìn)行抽象和普適.其數(shù)據(jù)平面在服務(wù)器中實現(xiàn),轉(zhuǎn)發(fā)性能較低.

基于以上分析,本文提出支持功能演進(jìn)的可重構(gòu)數(shù)據(jù)平面結(jié)構(gòu)以及用戶功能定制的映射算法,其主要有兩方面的貢獻(xiàn):(1)實現(xiàn)了任意協(xié)議的識別和匹配域提取;(2)實現(xiàn)了處理能力和處理開銷對任意功能的適配.其次,基于NetFPGA-10G[13]平臺完成了所提結(jié)構(gòu)的原型實現(xiàn),結(jié)果顯示與已有方案相比RDFE具有更高的轉(zhuǎn)發(fā)速率和更低的資源利用率.

2　設(shè)計目標(biāo)

本文的目標(biāo)是設(shè)計一種新型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面,以支持網(wǎng)絡(luò)功能的演進(jìn).對此,本文將其分為三個子目標(biāo):(1)支持用戶定制的協(xié)議解析;(2)實現(xiàn)靈活可編程的數(shù)據(jù)包處理;(3)內(nèi)部資源可動態(tài)組合.

(1)用戶可定制的協(xié)議解析.支持用戶定制的協(xié)議解析是實現(xiàn)新功能的關(guān)鍵.考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包頭內(nèi)包含類型域和匹配域,其中類型域用于標(biāo)識數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型,用T表示;匹配域用于匹配查找并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)的處理,用F表示.多數(shù)據(jù)包的協(xié)議解析過程可用多叉樹表示,例如圖1左側(cè)圖所示,每個類型域或匹配域都是一個樹節(jié)點.兩個數(shù)據(jù)包的第一層協(xié)議包格式相同,均為{F1,T1};第二層協(xié)議包格式不同,通過T1的值來識別,對應(yīng)2棵以T1為根節(jié)點的子樹.左邊子樹代表數(shù)據(jù)包的第二層協(xié)議對應(yīng)匹配域F2和F3;右邊子樹代表數(shù)據(jù)包的第二層協(xié)議對應(yīng)匹配域FII和類型域TII,類型域TII的值指示第三層協(xié)議對應(yīng)匹配域FIII.如果能夠利用解析樹進(jìn)行協(xié)議相應(yīng)匹配域的精確提取,即可實現(xiàn)對任意協(xié)議數(shù)據(jù)包處理的支持.

(2)靈活可編程的數(shù)據(jù)包處理.數(shù)據(jù)包處理過程主要包括匹配、查找、動作三個方面,其中匹配查找是實現(xiàn)靈活可編程數(shù)據(jù)包處理的關(guān)鍵.對此,可用匹配樹表示數(shù)據(jù)包的處理過程,每一個匹配域都是一個樹節(jié)點,每一種功能對應(yīng)一個匹配樹中的子樹,樹的匹配域節(jié)點表示該功能所需要的匹配域,樹的葉子節(jié)點則指向相應(yīng)的操作類型.例如圖1右側(cè)圖所示的4種功能,其中功能1對應(yīng)左邊子樹,其操作域為匹配域F1,動作類型為action1;功能4的操作域則由F1/F3/F4/F5這四種匹配域組成,動作類型為action4.如果能夠?qū)⑵ヅ錁溆成涞綌?shù)據(jù)包處理單元,即可實現(xiàn)靈活可編程的數(shù)據(jù)包處理.

(3)內(nèi)部資源可動態(tài)組合.任何功能的數(shù)據(jù)包處理過程都可抽象成“匹配+查找+動作”的過程,但不同功能所定義的匹配域數(shù)量和長度以及動作類型都不相同.在不額外占用資源的情況下,如果能利用匹配查找資源的組合來實現(xiàn)對不同功能所需資源的適配以達(dá)到可重構(gòu)的效果,那么將大大減少額外的處理開銷.

3　RDFE整體架構(gòu)

基于以上目標(biāo),本文提出如圖2左圖所示的支持網(wǎng)絡(luò)功能演進(jìn)的可重構(gòu)數(shù)據(jù)平面(Reconfigurable Dataplane for network Function Evolution,RDFE),它主要由包頭解析器(parser)和元處理單元(cell)組成.其中,包頭解析器用于識別數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型,同時根據(jù)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型得到相應(yīng)所需的匹配域并將其組合成包頭域,向后級元處理單元輸出.元處理單元是最基本的數(shù)據(jù)包處理單元,用來實現(xiàn)“匹配+查找+動作”的操作.元處理單元之間通過元數(shù)據(jù)(metadata)進(jìn)行信息傳遞,實現(xiàn)元處理單元之間的組合.

通過對包頭解析器的配置和元處理單元的組合可達(dá)到內(nèi)部邏輯重構(gòu)的目的,從而實現(xiàn)用戶功能定制.以圖2右側(cè)兩個子圖為例,假設(shè)一個元處理單元能夠處理24bit的匹配域,則對于MPLS功能,其核心LSR所需的匹配域長度為20bit,動作是簡單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),利用一個元處理單元即可實現(xiàn),見左圖;而右圖則是針對私有網(wǎng)絡(luò)訪問企業(yè)網(wǎng)的一個用例,先利用NAT功能將數(shù)據(jù)包的私有IP轉(zhuǎn)化為公用IP,再用ACL功能實現(xiàn)訪問接入控制,該處理過程需要使用四個元處理單元的組合實現(xiàn):前用兩個元處理單元做IP地址的匹配及修改,實現(xiàn)NAT功能;后兩個元處理單元做IP地址和TCP端口號的匹配及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)/丟棄操作,實現(xiàn)ACL功能.

3.1包頭解析器

在以上結(jié)構(gòu)中,包頭解析器是實現(xiàn)對新型數(shù)據(jù)包格式支持的關(guān)鍵模塊.它根據(jù)用戶的配置識別數(shù)據(jù)包的類型域,同時根據(jù)類型域提取相應(yīng)匹配域并將其組合得到包頭域(header)向后級元處理單元輸出.

包頭解析器結(jié)構(gòu)如圖3所示,它包含4個部分:類型域提取模塊、匹配查找模塊、匹配域提取模塊和匹配域組合模塊.其中類型域提取模塊用于識別數(shù)據(jù)包頭并提取類型域.數(shù)據(jù)包通過總線傳輸,每次傳輸數(shù)據(jù)總線位寬大小的數(shù)據(jù)塊.首先,類型域提取模塊將狀態(tài)設(shè)置為第一個類型域所在的數(shù)據(jù)塊編號;當(dāng)數(shù)據(jù)塊到達(dá),將數(shù)據(jù)塊編號與當(dāng)前狀態(tài)對比,若相等則根據(jù)從RAM1中讀取的偏移量將數(shù)據(jù)塊中的類型域提取出來,并將類型域和當(dāng)前狀態(tài)一起送往匹配查找模塊.當(dāng)接收到從匹配查找模塊輸出的下一狀態(tài),類型域提取模塊將當(dāng)前狀態(tài)更新至下一狀態(tài).匹配查找模塊包含一個TCAM單元和一個RAM2存儲單元.其中TCAM中存放狀態(tài)信息和用戶定制的類型域信息,RAM2中存放類型域所對應(yīng)的匹配域的偏移量信息.匹配查找模塊利用TCAM匹配類型域和狀態(tài),根據(jù)匹配結(jié)果在RAM2中讀取得到下一狀態(tài)和對應(yīng)匹配域的偏移量,并分別向類型域提取模塊和匹配域提取模塊輸出.匹配域提取模塊根據(jù)匹配域的偏移量將所需匹配域提取出來.最后,匹配域組合模塊將提取得到的匹配域組合成包頭域并送往后級元處理單元處理.

3.2元處理單元

元處理單元是最基本的數(shù)據(jù)包處理單元,它可抽象為“匹配+查找+動作”的處理過程,如圖4所示.元處理單元由匹配域選擇器、流表匹配單元、動作處理器組成.

其中匹配域選擇器將包頭域中的用戶關(guān)心的匹配域提取出來組成操作域,如圖4(b)所示.當(dāng)包頭域到達(dá),選擇器會從RAM讀取用戶配置的匹配域選擇信息,并根據(jù)這些匹配域選擇信息將包頭域中的所需字段提取出來組成操作域.流表匹配單元使用“TCAM+SRAM”實現(xiàn)“匹配+查找”,其中TCAM存放用戶下發(fā)的處理域,SRAM存放動作字段.動作執(zhí)行器接收到動作字段后根據(jù)動作字段進(jìn)行數(shù)據(jù)包的處理以及元數(shù)據(jù)的修改.當(dāng)所需處理域?qū)挾瘸^一個元處理單元匹配能力時,可通過兩個元處理單元相連,使同一個匹配域在兩個元處理單元中組合.

4　功能定制映射算法

用戶在功能定制時不會直接對硬件進(jìn)行編程,而是通過映射機(jī)制將用戶定制的數(shù)據(jù)包協(xié)議格式及所需處理過程到硬件存儲結(jié)構(gòu)中去.這一過程涉及到兩個操作:解析樹的映射和匹配樹的映射.本文定義如下變量:

表1　主要的符號定義及具體含義

定義1如果匹配域f存在于連續(xù)兩個數(shù)據(jù)塊內(nèi),則稱f可拆分,記為Cut(f).

定義2如果匹配域f1,f2,…,fm相鄰且在同一個數(shù)據(jù)塊內(nèi),則稱f1,f2,…,fm可合并,記為Combine(f1,f2,…,fm).

算法1給出了解析樹的映射過程,映射過程考慮兩方面的因素:(1)考慮數(shù)據(jù)總線位寬的限制,當(dāng)數(shù)據(jù)總線位寬較短時,一個時鐘周期內(nèi)無法將整個數(shù)據(jù)包頭取出,那么就需要將數(shù)據(jù)包頭根據(jù)數(shù)據(jù)總線位寬進(jìn)行分割,將被分割的匹配域進(jìn)行拆分,生成兩個偏移量對;(2)考慮匹配域?qū)挾?如果將不同匹配域的偏移量映射到RAM中的不同行中,那么將會造成存儲資源浪費,當(dāng)匹配域?qū)挾容^小時,可以利用相鄰匹配域節(jié)點的合并以減少存儲開銷.

算法2給出了匹配樹的映射過程.映射過程考慮兩方面的因素:一是考慮處理域掩碼的設(shè)定,這是由于匹配樹的不同子樹所需處理域和最終的處理動作都不同,這就需要設(shè)定合適的掩碼以支持多功能并存;二是考慮元處理單元中處理域?qū)挾鹊南拗?根據(jù)處理域?qū)挾冗M(jìn)行匹配樹的映射及元處理單元之間的組合,以減少TCAM存儲開銷.

5　性能分析

本文基于NetFGPA-10G[13]板卡完成了RDFE的原型實現(xiàn),包括收發(fā)單元、處理單元以及配置單元,其中收發(fā)單元包含4個帶寬為10Gbps的物理端口和1個虛擬端口,物理端口與外部網(wǎng)絡(luò)相連,虛擬端口通過DMA與主機(jī)虛擬網(wǎng)卡相連;處理單元是RDFE的邏輯承載單元,包含包頭解析器和4級元處理單元;配置單元接收上層用戶的配置信息并將表項下發(fā)到處理單元中去.

本節(jié)對RDFE進(jìn)行性能評估,并與現(xiàn)有可編程數(shù)據(jù)平面做對比評價.

5.1存儲開銷分析

本文與文獻(xiàn)[8]中所提解析結(jié)構(gòu)EPC及其算法做對比分析,假設(shè)需要設(shè)備提取7種協(xié)議包(802.3、MPLS、802.1Q、IPv4、IPv6、TCP和UDP)的所有匹配域,這些協(xié)議對應(yīng)的總位寬為78byte,類型域?qū)挾葹?byte,解析樹節(jié)點數(shù)目為41.表2對比了總線位寬為64bit時兩種結(jié)構(gòu)及對應(yīng)算法所需的存儲空間.

表2　存儲資源需求

結(jié)果表明,通過解析樹和匹配樹的壓縮,可以使整體RAM存儲需求減少18%,TCAM存儲需求不變.且與EPC的存儲需求相比,RDFE的RAM存儲需求要減少12.7倍,TCAM存儲需求減少32.1%.

5.2資源與性能分析

本節(jié)首先分析包頭解析器的資源占用和轉(zhuǎn)發(fā)性能;然后,分析元處理單元處理域?qū)挾葘Y源利用率產(chǎn)生的影響,并選定64bit為元處理單元的處理域?qū)挾?最后分析元處理單元級數(shù)對資源開銷的影響.

(1)包頭解析器性能分析

將數(shù)據(jù)總線位寬設(shè)為1024bit,在不添加元處理單元的情況下對包頭解析器進(jìn)行布局布線,布局布線時鐘為178.6MHz,也即理論上最高可滿足182.8Gbps的轉(zhuǎn)發(fā)速率.圖5對比了RDFE的包頭解析器與現(xiàn)有可編程包頭解析器Kangaroo[7]和EPC[8]的性能.

從實驗結(jié)果可以看出,相比于Kangaroo,RDFE是在Slice資源開銷提高24%、BRAM資源降低58%的同時具有4倍的轉(zhuǎn)發(fā)速率;相比于EPC,雖然RDFE的轉(zhuǎn)發(fā)速率要低10%,但同時資源開銷也降低了24%.

(2)元處理單元處理域?qū)挾葘Y源的影響

假設(shè)單個功能所需的匹配域數(shù)目和長度一定,那么當(dāng)元處理單元的處理域?qū)挾容^小時,需要多個元處理單元組合實現(xiàn),其資源開銷較大;但由于表項粒度較小,因此表項利用率較高.相反,當(dāng)處理域?qū)挾容^大時,資源開銷較小,但表項利用率較低.考慮到單個網(wǎng)絡(luò)功能所需的匹配域數(shù)目十分有限[8],為不失一般性,現(xiàn)從最常用的匹配域PORT、VLAN ID、MAC/IP源/目的地址、TCP源/目的端口中隨機(jī)選出3個匹配域作為處理域,統(tǒng)計不同處理域長度下元處理單元的平均資源開銷和平均表項利用率,見表3.

表3　不同處理域?qū)挾葘Y源的影響

實驗結(jié)果表明,處理域為16bit時,表項利用率最高,但其資源開銷最大.當(dāng)處理域?qū)挾仍?4bit時,與32bit相比其表項利用率僅低了4.3%,但資源開銷卻減少了56%;與96bit相比其資源開銷僅高出3%,表項利用率上高出了10%.事實上,處理域?qū)挾鹊淖顑?yōu)設(shè)置是資源開銷和表項利用率的博弈,結(jié)果表明處理域?qū)挾仍?4bit時是一個較好的折中.

(3)元處理單元級數(shù)對資源的影響

元處理單元的級數(shù)會影響整體資源開銷,采用64bit作為每級元處理單元的處理域?qū)挾?總線位寬為64bit.圖6對比了在不同端口數(shù)下,元處理級數(shù)對資源開銷的影響.

結(jié)果表明,隨著元處理單元級數(shù)的增加,Slice資源和BRAM資源均接近線性增長.當(dāng)使用5個網(wǎng)絡(luò)端口時,平均每個元處理單元需要3439個Slice和23個BRAM,占總體片內(nèi)資源的9%.

5.3整體轉(zhuǎn)發(fā)性能

當(dāng)進(jìn)行整體實現(xiàn)時,考慮除RDFE的功能部分外還需實現(xiàn)收發(fā)單元和配置單元,因此為降低資源開銷,數(shù)據(jù)總線位寬采用64bit,每級元處理單元的處理域?qū)挾榷?4bit.當(dāng)使用1級元處理單元(記作RDFE1)時布局布線時鐘為172.6MHz,即最高可滿足滿足54Gbps的轉(zhuǎn)發(fā)速率;當(dāng)使用4級元處理單元(記作RDFE4)時,布局布線時鐘為163.8MHz,也即最高可滿足51.3Gbps的轉(zhuǎn)發(fā)速率.圖7對比了RDFE與LabelCast[12]的整體轉(zhuǎn)發(fā)速率.

結(jié)果表明,RDFE的轉(zhuǎn)發(fā)速率隨著并行數(shù)(LabelCast是線程數(shù))的上升接近線性增長;而隨著元處理單元的增多,導(dǎo)致資源開銷增長,RDFE的轉(zhuǎn)發(fā)速率略微下降.與LabelCast相比,RDFE的轉(zhuǎn)發(fā)速率提升了近4倍.

6　結(jié)束語

針對當(dāng)前新型網(wǎng)絡(luò)功能的試驗和部署困難的問題,本文設(shè)計并基于NetFPGA-10G平臺實現(xiàn)了支持功能演進(jìn)的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面RDFE,通過可編程的數(shù)據(jù)包解析和數(shù)據(jù)包處理達(dá)到內(nèi)部邏輯可重構(gòu)的目的,從而支持用戶定制的功能部署;此外,針對RDFE提出協(xié)議映射和匹配映射算法,分別將用戶定制的匹配域提取和數(shù)據(jù)包處理過程映射到硬件結(jié)構(gòu)中.與已有方案相比,RDFE具有更高的轉(zhuǎn)發(fā)速率和更低的資源利用率.所提結(jié)構(gòu)對未來可編程數(shù)據(jù)平面的發(fā)展具有重要意義.

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Lv Gao-feng,Sun Zhi-gang,Li Tao.LabelCast:A general abstraction for the forwarding plane of SDN [J].Chinese Journal of Computers,2012,35(10):2037-2047.(in Chinese)

[13]Github,Inc.NetFPGA-10GProject [EB/OL].https://github.com/NetFPGA/NetFPGA-public/wiki,2014.

段通男,1992年生于河南駐馬店.現(xiàn)為國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心碩士研究生.主要研究方向為可編程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面.

E-mail:duantong21@126.com

蘭巨龍男,1962年生于河北張北.現(xiàn)為國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心總工程師、教授、博士生導(dǎo)師.主要研究方向為新一代信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵理論與技術(shù).

E-mail:ndscljl@163.com

胡宇翔男,1982年生于河南周口.現(xiàn)為國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心講師.主要研究方向為新一代信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵理論與技術(shù).

劉釋然男,1990年生于河南洛陽.現(xiàn)為國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心碩士研究生.主要研究方向為新一代信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵理論與技術(shù).

A Reconfigurable Dataplane Enabling Network Function Evolution

DUAN Tong,LAN Ju-long,HU Yu-xiang,LIU Shi-ran

(National Digital Switching System Engeineering & Technology Research Center,Zhengzhou,Henan 450002,China)

The traditional network system is difficult to adapt to the development of the Internet in some aspects such as security,QoS (Quality of Service) guarantee,and traffic scheduling.But emerging network architectures like SDN (Software Defined Networking) and NDN (Named Data Networking) are limited in the experiment and deployment of new functions based on the inflexible circuits of traditional network devices like routers and switches.This paper is devoted to dealing with this problem.Firstly,we design a reconfigurable network dataplane to enable network function evolution.The dataplane uses configure units to program the parser,match tables and action processor,which enables the deployment of customized functions.Secondly,we propose tree-based parser-mapping and match-mapping algorithms to map user-defined network functions to hardware.Finally,we implement a NetFPGA10G-based prototype of RDFE which achieves higher forwarding rate and lower resource utilization compared with Kangroo,EPC (Elastic Protocol Customizable) and LabelCast programmble dataplanes.

network dataplane;function customization;programmable;reconfigurable;NetFPGA

2014-12-26;

2015-04-07;責(zé)任編輯:覃懷銀

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃課題(973計劃)項目(No.2012CB315901,No.2013CB329104);國家自然科學(xué)基金(No.61372121);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)課題(No.2013AA013505)

TP393

A

0372-2112 (2016)07-1721-07

??學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.07.029