基于bf_tcam實(shí)現(xiàn)零范圍擴(kuò)張的高效范圍匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于Bloom filter算法和TCAM(Ternary Content Addressable Memory，三態(tài)內(nèi)容尋址存儲(chǔ)器)實(shí)現(xiàn)零范圍擴(kuò)張的高效范圍匹配方法，主要用于解決報(bào)文分 類中端口范圍匹配，存儲(chǔ)保護(hù)中訪存地址的審查等，實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)控制、安全過(guò)濾、帶寬控制等 功能，廣泛應(yīng)用于防火墻、路由器、交換機(jī)、分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、可信計(jì)算安全平臺(tái)等設(shè)備中。 這些應(yīng)用對(duì)查找性能要求很高，高速的范圍匹配是其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)支撐。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前業(yè)界普遍使用TCAM實(shí)現(xiàn)高速查找表。和普通內(nèi)存通過(guò)地址尋找內(nèi)容不同， TCAM通過(guò)內(nèi)容定位地址，它將查找輸入的關(guān)鍵字和所有表項(xiàng)進(jìn)行并行比較來(lái)定位關(guān)鍵字匹 配的存儲(chǔ)地址，根據(jù)得到的地址在RAM中索引規(guī)則內(nèi)容。TCAM可以在固定的時(shí)鐘周期完成查 找操作，目前其時(shí)鐘周期可以達(dá)到2ns，實(shí)現(xiàn)500MSPS的查找速率。TCAM三態(tài)特性需要使用多 達(dá)16個(gè)晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)比特的存儲(chǔ)，導(dǎo)致芯片面積較大且價(jià)格不菲，而其并行比較特性 使得功耗很高，一個(gè)18Mbit的TCAM功耗高達(dá)15W。
[0003] TCAM突出的問(wèn)題在于其不適于實(shí)現(xiàn)范圍匹配，它的三態(tài)性便于實(shí)現(xiàn)精確匹配和前 綴匹配。比如TCAM可以方便地表達(dá)報(bào)文分類中的協(xié)議字段和IP地址字段，但端口范圍無(wú)法 直接實(shí)現(xiàn)。目前已有方案是將范圍匹配轉(zhuǎn)換成前綴匹配和精確匹配，一個(gè)范圍字段往往映 射出多條匹配表項(xiàng)，稱為范圍擴(kuò)張 (range expansion)。范圍擴(kuò)張降低了TCAM空間使用效 率，造成了較大的配置負(fù)載，提高了更新代價(jià)，同時(shí)使TCAM的功耗問(wèn)題雪上加霜。
[0004] 文獻(xiàn)"面向存儲(chǔ)和功耗優(yōu)化的TCAM報(bào)文分類算法研究（2013年解放軍信息工程大 學(xué)碩士論文)"提出一種基于域轉(zhuǎn)換的范圍匹配算法DTRM(Domain Transformation for Range Match)，充分利用TCAM表項(xiàng)中的冗余位壓縮規(guī)則集，理想情況下可使范圍擴(kuò)張因子 達(dá)到1.21以下，TCAM空間利用率提高到82 %以上。文獻(xiàn)"基于TCAM的范圍匹配方法一一C-TCAM(通信學(xué)報(bào)，2012,33( 1 ) :31-37 )"提出一種基于TCAM的范圍匹配方法C-TCAM (Compressed TCAM)，通過(guò)二級(jí)壓縮將2個(gè)擴(kuò)展后的表項(xiàng)壓縮成一個(gè)，最壞情況下范圍擴(kuò)張 因子為W-1或W-2(W為關(guān)鍵字位寬，如端口號(hào)位寬為16)，同時(shí)減少查找過(guò)程中無(wú)效表項(xiàng)參與 比較來(lái)降低功耗。文獻(xiàn)"Space-Efficient TCAM-Based Classification Using Gray Coding(IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS,2012,61(1): 18-30)"提出了基于格雷碼的范 圍編碼方法SRGE(Short Range Gray Encoding)，利用格雷碼相鄰編碼之間只有一位不同 的特點(diǎn)對(duì)規(guī)則集進(jìn)行壓縮，但隨著范圍長(zhǎng)度增加格雷編碼效率大打折扣，只適用于較小范 圍，最壞情況下擴(kuò)展因子達(dá)到了2W-2。報(bào)文分類中要同時(shí)匹配源端口和目的端口兩個(gè)字段， 上述文獻(xiàn)為代表的范圍匹配方案擴(kuò)張因子是單字段下的平方，大幅增加了規(guī)則表項(xiàng)，造成 大量存儲(chǔ)冗余，同時(shí)提高了更新操作的復(fù)雜性和TCAM功耗，如最差情況下DTRM造成49倍擴(kuò) 張，C-TCAM造成225倍擴(kuò)張，SRGE造成784倍擴(kuò)張，同時(shí)DTRM和C-TCAM每條表項(xiàng)需要額外使用 32個(gè)比特。文南犬"A Fast Range Matching Architecture with Unit Storage Expansion Ratio and High Memory Utilization using SBiCAM for Packet Classification(2014 Annual IEEE India Conference)"提出一種用于范圍查找的新型存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)SBiCAM (Smart Binary Content Addressable Memory)，無(wú)需規(guī)則擴(kuò)展，直接實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵字與表項(xiàng)并 行比較大小，而傳統(tǒng)的TCAM只能判斷是否相等，因而可實(shí)現(xiàn)高效的范圍匹配。但其缺陷顯而 易見(jiàn)，SBiCAM是一種新型電路，投入實(shí)際應(yīng)用尚需時(shí)日，從TCAM的發(fā)展歷程可以判斷SBiCAM 即使投入生產(chǎn)也要經(jīng)歷一段漫長(zhǎng)歷程才能達(dá)到較理想的性能以滿足應(yīng)用需求。近年來(lái)出現(xiàn) TCAM分塊存儲(chǔ)策略，按照前綴長(zhǎng)度進(jìn)行分類存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了前綴子集內(nèi)表項(xiàng)的隨機(jī)存放，提高 了更新性能，而且查找操作只涉及TCAM部分區(qū)域，大幅降低了TCAM工作功耗，其中引入 Bloom filter對(duì)前綴分類處理是最近幾年的一個(gè)創(chuàng)新。文獻(xiàn)"Longest Prefix Matching Using Bloom FiIters(IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING,2006,14(2):397-409)" 利用Bl〇〇m_filter算法先對(duì)關(guān)鍵字的前綴長(zhǎng)度進(jìn)行預(yù)判斷，再利用哈希查找表搜索前綴 值，最差情況下需要使用N/2(N為前綴子集表項(xiàng)的最大數(shù)目）次哈希查找實(shí)現(xiàn)匹配，查找性 能較TCAM差許多；文獻(xiàn)"基于并行BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的路由查找算法(通信學(xué)報(bào)，2012，33(2): 61-68)"提出BF_BP模型，第一步與文獻(xiàn)"Longest Prefix Matching Using Bloom Filters"相 似，使用Bloom filter匹配前綴長(zhǎng)度，第二步利用BP反射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)前綴值匹配，然而其 不足之處在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比TCAM配置與更新要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，需要多次訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)神經(jīng)單元 學(xué)習(xí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于Bloom filter算法和TCAM實(shí)現(xiàn)零范 圍擴(kuò)張的高效范圍匹配算法，以解決基于TCAM實(shí)現(xiàn)范圍匹配方法存在的存儲(chǔ)利用率低、功 耗大的問(wèn)題，本算法高效性體現(xiàn)在:高效存儲(chǔ)、高速查找及低功耗。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明具體方案如下。
[0007] 一種基于BF_TCAM實(shí)現(xiàn)零范圍擴(kuò)張的高效范圍匹配方法，適用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中端口 范圍匹配、存儲(chǔ)保護(hù)中訪存地址審查，設(shè)計(jì)了基于最長(zhǎng)共同前綴的分段匹配（Segmented Match on Longest Common Prefix,SMLCP)算法，將范圍匹配轉(zhuǎn)化為前綴匹配和特征區(qū)間 比對(duì)兩個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)了零范圍擴(kuò)張，使TCAM存儲(chǔ)空間利用率達(dá)到100%;根據(jù)SMLCP算法設(shè)計(jì) 了BF_TCAM模型，結(jié)合Bloom filter的前綴分類處理優(yōu)勢(shì)和TCAM的高速查找特性，在保持高 性能的同時(shí)大幅降低TCAM功耗;范圍區(qū)間[s，t]內(nèi)任意一整數(shù)點(diǎn)X，其二進(jìn)制編碼可以分為 最長(zhǎng)共同前綴和偏移量?jī)啥?，其中LCP是區(qū)間內(nèi)所有整數(shù)點(diǎn)的最長(zhǎng)共同前綴，如LCP([37， 57])=001*_##是范圍[37,57]的1^^，40的二進(jìn)制編碼分為001*_##和01000兩部分，* 表示不關(guān)心;SMLCP算法利用范圍區(qū)間的這種特性，將匹配過(guò)程分段進(jìn)行，其具體步驟如下：
[0008] 步驟一，查找與關(guān)鍵字X任意長(zhǎng)度前綴相匹配的范圍區(qū)間，至多有W個(gè)范圍的LCP與 X相匹配，W為X二進(jìn)制編碼位寬；
[0009] 步驟二，根據(jù)X的偏移量精確挑選出匹配的范圍。
[0010] 算法的關(guān)鍵在于第一步將搜索范圍縮小至W個(gè)以下，從而大幅減小了查找范圍。 [0011]使用分類處理思想，根據(jù)前綴長(zhǎng)度劃分范圍子集，各子集獨(dú)立并行處理，能夠隨機(jī) 插入或刪除表項(xiàng)，支持增量更新，從而提高了更新性能;利用Bloom filter對(duì)關(guān)鍵字各長(zhǎng)度 前綴進(jìn)行預(yù)判斷，過(guò)濾無(wú)關(guān)范圍子集參與比較，從而大大降低功耗;針對(duì)Bloom filter無(wú)法 刪除元素的缺陷設(shè)計(jì)Bloom filter計(jì)數(shù)器，將位數(shù)組的每一位擴(kuò)展為計(jì)數(shù)器，每增加或刪 除一個(gè)元素時(shí)執(zhí)行加1或減1操作；設(shè)計(jì)BF_TCAM模型，分為前綴預(yù)處理（Bloom filter Preprocessing，BFPP)單元，TCAM_RAM單元（附優(yōu)化的區(qū)間比較器），更新單元和狀態(tài)單元； BFPP單元對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行判斷，篩選出關(guān)鍵字所在的前綴子集;TCAM_RAM單元存儲(chǔ)所有范圍 的LCP、特征區(qū)間及附屬信息(Acs_Inf or)，每個(gè)前綴子集對(duì)應(yīng)一組TCAM_RAM，由片選信號(hào)進(jìn) 行選擇；更新單元維護(hù)Bloom fiIter計(jì)數(shù)器，實(shí)時(shí)更新BFPP單元的Bloom fiIter和TCAM_ RAM，有效減少了電路資源開(kāi)銷;狀態(tài)單元記錄工作狀態(tài)，指示關(guān)鍵字是否有效;利用SMLCP 特征區(qū)間比對(duì)特點(diǎn)優(yōu)化了比較器設(shè)計(jì)，降低電路資源開(kāi)銷。
[0012] 配置過(guò)程分為4個(gè)步驟：
[0013]步驟1、獲取范圍區(qū)間；
[0014]步驟2、計(jì)算范圍區(qū)間的lcp，根據(jù)LCP前綴長(zhǎng)度劃分子集；
[0015] 步驟3、首先訓(xùn)練各子集的Bloom filter