CN104702496A - 封包交换系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种封包交换系统及方法。封包交换系统包含：分别具有储存多个封包流程表的记忆单元的多个封包交换模块及耦接于封包交换模块的控制模块。控制模块包含用以储存计算机可执行的多个指令的记忆体以及处理器，处理器是用以执行指令，以进行下列动作：产生对应于目标封包交换模块的流程项目；判断目标封包交换模块的记忆单元的储存剩余量小于临界值；自其他封包交换模块中，选择转发封包交换模块；以及根据流程项目新增转发流程项目于目标封包交换模块的封包流程表及新增处理流程项目至转发封包交换模块的封包流程表。

Description

封包交换系统及方法

技术领域

本发明是有关于一种技术，且特别是有关于一种封包交换系统及方法。

背景技术

因应日趋复杂的网络环境，传统网络交换器与路由器的功能繁多，致使网络传输效能低落，而且受到网络硬件设备的操作系统局限，管理者难以依照需求自由管理网络封包传递路径。因此，2008年美国史丹佛大学（StanfordUniversity）开始推动一项实验性技术“OpenFlow”，期望能够以开放式网络管理架构来提高网络效能与弹性应用需求，协助网络服务供应商更为精确的网络管理能力。

OpenFlow的技术内容指的是将过去统一由网络交换器／路由器执行的网络路径控管与数据封包传输功能区分开来，让网络路径控管的功能另外以安装OpenFlow控制软件的控制服务器来决定。其中，OpenFlow交换器所储存的管理流程表（flow table）是由控制服务器进行管理。数据封包传输与处理，则由OpenFlow交换器根据流程表中储存的项目（entry），包含匹配条件与对应处理动作来进行。

然而，OpenFlow交换器中的记忆体储存量有限。当使用者为使交换器更具效率而增加过多项目于流程表中时，将使记忆体无法负荷，反而无法提升效率。

因此，如何设计一个新的封包交换系统及方法，以提升测试的效率与速度，乃为此一业界亟待解决的问题。

发明内容

因此，本发明的一方面是在提供一种封包交换系统，包含：多个封包交换模块以及控制模块。封包交换模块分别包含储存多个封包流程表的记忆单元。控制模块耦接于封包交换模块，以更新封包流程表，控制模块包含用以储存计算机可执行的多个指令的记忆体以及处理器，处理器是用以执行指令，以进行下列动作：产生对应于封包交换模块其中的一目标封包交换模块的流程项目（entry）；判断目标封包交换模块的记忆单元的储存剩余量小于临界值；自其他封包交换模块中，选择具有储存剩余量不小于临界值的记忆单元的转发封包交换模块；以及根据流程项目新增转发流程项目于目标封包交换模块的封包流程表及新增处理流程项目至转发封包交换模块的封包流程表。其中，当目标封包交换模块接收对应转发流程项目的封包，是根据转发流程项目转发封包至转发封包交换模块，以使转发封包交换模块根据处理流程项目对封包进行处理。

依据本发明一实施例，其中流程项目包含至少一匹配条件以及至少一封包内容处理动作，转发流程项目包含至少部分匹配条件及转发处理动作，处理流程项目包含匹配条件以及封包内容处理动作。

依据本发明另一实施例，其中目标封包交换模块判断封包满足至少部分匹配条件，以根据转发处理动作转发封包至转发封包交换模块，转发封包交换模块判断封包满足匹配条件，以根据封包内容处理动作对封包进行处理。

依据本发明又一实施例，其中处理流程项目还包含封包回送处理动作，转发封包交换模块还根据封包回送处理动作回送封包至目标封包交换模块。

依据本发明再一实施例，其中流程项目还包含传送（forwarding）处理动作，处理器还新增包含至少部分匹配条件以及传送处理动作的传送流程项目于目标封包交换模块的封包流程表，以使目标封包交换模块自转发封包交换模块接收封包后，判断封包满足至少部分匹配条件，以根据传送处理动作传送封包至目标封包交换模块外。其中目标封包交换模块根据传送流程项目传送封包至目的封包交换模块或目的主机。

依据本发明更具有的一实施例，其中封包交换模块分别为OpenFlow封包交换模块。

依据本发明再具有的一实施例，其中记忆单元为三元内容定址记忆体（Ternary Content Addressable Memory；TCAM）。

依据本发明的一实施例，其中当处理单元判断目标封包交换模块的记忆单元的储存剩余量不小于临界值时，处理单元直接新增流程项目至目标封包交换模块的封包流程表，以使当目标封包交换模块接收对应流程项目的封包，是根据流程项目对封包进行处理。

本发明的另一方面是在提供一种封包交换方法，应用于封包交换系统中，封包交换系统包含多个封包交换模块以及控制模块，其中封包交换模块分别包含储存多个封包流程表的记忆单元，控制模块耦接于封包交换模块，以更新封包流程表，并包含用以储存计算机可执行的多个指令的记忆体以及可执行指令的处理器，封包交换方法包含：使处理器产生对应于封包交换模块其中的一目标封包交换模块的流程项目；使处理器判断目标封包交换模块的记忆单元的储存剩余量小于临界值；使处理器自其他封包交换模块中，选择具有储存剩余量不小于临界值的记忆单元的转发封包交换模块；使处理器根据流程项目新增转发流程项目于目标封包交换模块的封包流程表及新增处理流程项目至转发封包交换模块的封包流程表；以及当目标封包交换模块接收对应转发流程项目的封包，是根据转发流程项目转发封包至转发封包交换模块，以使转发封包交换模块根据处理流程项目对封包进行处理。

依据本发明一实施例，其中流程项目包含至少一匹配条件以及至少一封包内容处理动作，转发流程项目包含至少部分匹配条件及转发处理动作，处理流程项目包含匹配条件以及封包内容处理动作。

依据本发明另一实施例，封包交换方法其中还包含：使目标封包交换模块判断封包满足至少部分匹配条件，以根据转发处理动作转发封包至转发封包交换模块；以及使转发封包交换模块判断封包满足匹配条件，以根据封包内容处理动作对封包进行处理。

依据本发明又一实施例，其中处理流程项目还包含封包回送处理动作，封包交换方法还包含：使转发封包交换模块根据封包回送处理动作回送封包至目标封包交换模块。

依据本发明再一实施例，其中流程项目还包含封包传送处理动作，封包交换方法还包含：使处理器新增包含至少部分匹配条件以及传送处理动作的传送流程项目于目标封包交换模块的封包流程表；使目标封包交换模块自转发封包交换模块接收封包后，判断封包满足至少部分匹配条件，以根据传送处理动作传送封包至目标封包交换模块外。其中目标封包交换模块根据传送流程项目传送封包至目的封包交换模块或目的主机。

依据本发明更具有的一实施例，其中封包交换模块分别为OpenFlow封包交换模块。

依据本发明再具有的一实施例，其中记忆单元为三元内容定址记忆体。

依据本发明的一实施例，其中封包交换方法还包含：当处理单元判断目标封包交换模块的记忆单元的储存剩余量不小于临界值时，处理单元直接新增流程项目至目标封包交换模块的封包流程表；以及当目标封包交换模块接收对应流程项目的封包，是根据流程项目对封包进行处理。

应用本发明的优点在于通过将原流程项目的处理流程新增于转发封包交换模块，避免目标封包交换模块由于记忆体储存空间不足造成溢位（overflow），而轻易地达到上述的目的。

附图说明

图1A为本发明一实施例中，一种封包交换系统的示意图；

图1B为本发明一实施例中，图1A的封包交换系统的方块图；

图2为本发明一实施例中，流程项目的虚拟码的范例示意图；

图3A及图3B分别为本发明一实施例中，封包交换系统实际运作时的示意图；

图4A为本发明一实施例中，转发流程项目的虚拟码的示意图；

图4B为本发明一实施例中，处理流程项目的虚拟码的示意图；

图4C为本发明一实施例中，传送流程项目的虚拟码的示意图；以及

图5为本发明一实施例中，一种封包交换方法的流程图。

具体实施方式

请参照图1A及图1B。图1A为本发明一实施例中，一种封包交换系统1的示意图。图1B为本发明一实施例中，图1A的封包交换系统1的方块图。封包交换系统1包含：封包交换模块100、110以及控制模块120。

于一实施例中，封包交换模块100及110分别为一OpenFlow封包交换模块。需注意的是，图1A及图1B所绘示的封包交换模块100及110的数目仅为一范例。于其他实施例中，其数目可依实际需求进行调整。

于一实施例中，封包交换模块100及110分别包含记忆单元130及140，以储存封包流程表105及115。于一实施例中，记忆单元130及140可为三元内容定址记忆体（Ternary Content Addressable Memory；TCAM），而封包流程表105及115则可为三元内容定址记忆体规则表。需注意的是，三元内容定址记忆体中能定义三种状态，即1、0与不计（don’t care）的状态。于其他实施例中，封包交换模块100及110亦可能以其他的记忆体实现，以储存其他格式的封包流程表105及115。

封包流程表105及115于一实施例中，可分别包含多个流程项目。各个流程项目可包含例如，但不限于匹配条件、封包内容处理动作及封包传送处理动作。

其中，匹配条件可为封包内部信息或是封包外部信息。举例来说，封包内部信息可为例如，但不限于网际网络协定（Internet Protocol；IP）地址、网际网络协定类型(IP type)、虚拟网络（Virtual Local Area Network；VLAN）辨识码、服务类别（Class of Service；CoS）、差分服务代码点（DifferentiatedServices Code Point；DSCP）、甚至是包含封包档头（header）与否、封包档头内容或其排列组合。

封包外部信息可包含例如，但不限于封包来源、输入端口的端口号或其排列组合。但本发明并不以上述列举项目为限，其他的一般网络设定与信息，如乙太网络类型（Ether Type）、来源媒体存取控制（source media accesscontrol；Src MAC）地址、目的媒体存取控制（destination media access control；Dst MAC）地址、来源与目的网络地址（Internet protocol；IP）等，均得作为匹配条件。

因此，封包交换模块100及110可根据封包流程表105及115，在所接收到的封包190符合其中一个流程项目中的匹配条件时，对此封包190执行此流程项目中的封包内容处理动作，并且依封包传送处理动作传送至目的封包交换模块或是目的主机。其中，如图1A所示，封包190可来自例如，但不限于由主机170的封包。在经由处理后，封包190则可传送至例如，但不限于主机180。

于其他实施例中，封包交换模块100及110亦可接收来自其他封包交换模块的封包，并将此封包处理后，传送至其他封包交换模块。

请参照图2。图2为本发明一实施例中，流程项目200的虚拟码的范例示意图。流程项目200可包含匹配条件210、220、230、封包内容处理动作240、245及传送处理动作250、255。

以封包交换模块100为例，封包交换模块100可依据流程项目200判断接收到的封包是否符合匹配条件，例如但不限于图2绘示，包含串流控制传输通讯协定（stream control transmission protocol；SCTP）的匹配条件210，以及包含网络地址的匹配条件220及230。

封包交换模块100进一步依据相符的匹配条件执行对应的封包内容处理动作240、245调整封包的内容，并依据传送处理动作250、255传送封包至例如但不限于图2绘示的主机180。

请再次参照图1A及图1B。控制模块120耦接于封包交换模块100及110，以更新封包流程表105及115。于不同实施例中，控制模块120可为任何具有网络通讯界面，并支持OpenFlow协定规格的装置，最简单的方式可以是一部个人计算机（personal computer；PC），或者，也可以是一部网络服务器（server），但本发明不以此为限。

控制模块120中包含用以储存计算机可执行的多个指令的记忆体150以及处理器160。当指令由处理器160执行时，可提供封包交换系统1的功能。以下将就处理器160执行的处理动作进行说明。

请参照图3A及图3B。图3A及图3B分别为本发明一实施例中，封包交换系统1实际运作时的示意图。在阐述封包交换系统1的实际运作过程时，是搭配图1B绘示的各元件进行说明。

处理器160产生对应于封包交换模块100及110其中的一目标封包交换模块的流程项目，例如图2所绘示的流程项目200。于一实施例中，当使用者欲对封包交换系统1中的封包交换模块100及110的封包传送及处理程序进行调整时，可通过操作界面（未绘示）传送指令至控制模块120的处理器160，以产生流程项目200。于本实施例中，此流程项目200所对应的目标封包交换模块为封包交换模块100。

处理器160进一步判断封包交换模块100中的记忆单元130的储存剩余量是否小于临界值。当储存剩余量不小于临界值时，如图3A所示，处理器160直接将此流程项目200增加至封包交换模块100的记忆单元130所储存的封包流程表105中。

此时，当封包交换模块100接收到封包190，并判断此封包190符合流程项目200中的匹配条件时，将直接依据后续的处理动作进行处理，以将内容经修改的封包190’传送至主机180。举例来说，当封包190符合匹配条件210及220时，将进行封包内容处理动作240，并依传送处理动作250传送处理后的封包190’至主机180。而当封包190符合匹配条件210及230时，将进行封包内容处理动作245，并依传送处理动作255传送处理后的封包190’至主机180。

另一方面，当处理器160进一步判断封包交换模块100中的记忆单元130的储存剩余量小于临界值时，将选择储存剩余量不小于临界值的转发封包交换模块，例如封包交换模块110。于一实施例中，处理器160可进一步选择封包交换系统1中，其记忆体具有最大储存剩余量的封包交换模块做为转发封包交换模块。

根据流程项目200，处理器160将如图3B所示新增转发流程项目400及传送流程项目420于封包交换模块100的封包流程表105，并新增处理流程项目410至封包交换模块110的封包流程表115。

请同时参照图4A、图4B及图4C。图4A为本发明一实施例中，转发流程项目400的虚拟码的示意图。图4B为本发明一实施例中，处理流程项目410的虚拟码的示意图。图4C为本发明一实施例中，传送流程项目420的虚拟码的示意图。

以下将搭配图3B详细说明在记忆单元130的储存剩余量小于临界值的状况下，处理器160对封包流程表105及115进行的调整，以及封包交换模块100及110依此调整对封包190进行的处理。

以前述的流程项目200为例，于一实施例中，转发流程项目400包含流程项目200中的匹配条件210以及转发处理动作430。因此，封包交换模块100在接收到符合匹配条件210的封包190时，将执行转发处理动作使封包190转发至封包交换模块110。需注意的是，虽然流程项目200包含匹配条件210、220及230，但于本实施例中封包190仅需满足匹配条件210即可进行转发。于其他实施例中，亦可设定为需同时满足匹配条件210及220，或是同时满足匹配条件210及230才进行转发。

处理流程项目410包含原流程项目200中的匹配条件210、220、230、封包内容处理动作240、245以及封包回送处理动作440、445。于一实施例中，处理流程项目410可选择性地还包含其他的匹配条件，例如图4B所示的匹配条件450，以进一步确定封包190是由封包交换模块100转发而来。

因此，封包交换模块110接收到封包190，并判断此封包190符合匹配条件时，将可依据后续的封包处理动作，例如封包内容处理动作240及封包内容处理动作245对封包190进行处理。接着，封包交换模块110可依据封包回送处理动作440、445将封包190回送至封包交换模块100。

传送流程项目420则包含原流程项目200中的匹配条件210以及传送处理动作250。于一实施例中，传送流程项目420可选择性地还包含其他的匹配条件，例如图4C所示的匹配条件460，以进一步确定封包190是由封包交换模块110回送而来。并且，需注意的是，在本实施例中，由于原流程项目200中的传送处理动作250及255为相同，因此在传送流程项目420仅需设置一个传送处理动作250即可。于其他实施例中，如不同的封包内容处理动作对应至不同的传送处理动作为不同，亦可增设其他的匹配条件以进行判断，并执行不同的传送处理动作。

因此，本发明的封包交换系统1在封包交换模块100中的记忆单元130储存空间不足时，可通过控制模块120动态地调整封包交换模块100及110的封包流程表105及115，使可能具有大量数据内容的处理动作转而记录于封包流程表115。因此，封包交换模块100将担任转发的角色，以由封包交换模块110进行实际的封包内容处理。封包交换模块100将可避免由于记忆单元储存量不足而产生的溢位现象。

请参照图5。图5为本发明一实施例中，一种封包交换方法500的流程图。封包交换方法500可应用于如图1A及图1B所示的封包交换系统1，或经由其他硬件元件如数据库、一般处理器、计算机、服务器、或其他具特定逻辑电路的独特硬件装置或具特定功能的设备来实作，如将程式码和处理器/芯片整合成独特硬件。此方法可实作为一计算机程式，并储存于一计算机可读取记录媒体中，而使计算机读取此记录媒体后执行即时地点推荐方法。计算机可读取记录媒体可为只读记忆体、快闪记忆体、软盘、硬盘、光盘、随身盘、磁带、可由网络存取的数据库或熟悉此技艺者可轻易思及具有相同功能的计算机可读取记录媒体。

封包交换方法500包含下列步骤（应了解到，在本实施方式中所提及的步骤，除特别叙明其顺序者外，均可依实际需要调整其前后顺序，甚至可同时或部分同时执行）。

于步骤501，使处理器160产生对应于目标封包交换模块的流程项目。于本实施例中，目标封包交换模块为封包交换模块100。

于步骤502，使处理器160判断目标封包交换模块（封包交换模块100）的储存剩余量小于临界值。

于步骤503，使处理器160选择储存剩余量不小于临界值的转发封包交换模块。于本实施例中，转发封包交换模块为封包交换模块110。

于步骤504，使处理器160根据流程项目200新增转发流程项目400于目标封包交换模块（封包交换模块100）的封包流程表105及新增处理流程项目410至转发封包交换模块（封包交换模块110）的封包流程表115。

于步骤505，当目标封包交换模块（封包交换模块100）接收对应转发流程项目400的封包190，是根据转发流程项目400转发封包至转发封包交换模块（封包交换模块110）。

于步骤506，转发封包交换模块（封包交换模块110）根据处理流程项目410对封包190进行处理。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (18)

1.一种封包交换系统，其特征在于，包含：

多个封包交换模块，分别包含储存多个封包流程表的一记忆单元；以及

一控制模块，耦接于所述封包交换模块，以更新所述封包流程表，该控制模块包含用以储存计算机可执行的多个指令的一记忆体以及一处理器，该处理器是用以执行所述指令，以进行下列动作：

产生对应于所述封包交换模块其中的一目标封包交换模块的一流程项目；

判断该目标封包交换模块的该记忆单元一储存剩余量小于一临界值；

自其他所述封包交换模块中，选择具有该储存剩余量不小于该临界值的该记忆单元的一转发封包交换模块；以及

根据该流程项目新增一转发流程项目于该目标封包交换模块的所述封包流程表及新增一处理流程项目至该转发封包交换模块的所述封包流程表；

其中，当该目标封包交换模块接收对应该转发流程项目的一封包，是根据该转发流程项目转发该封包至该转发封包交换模块，以使该转发封包交换模块根据该处理流程项目对该封包进行处理。

2.根据权利要求1所述的封包交换系统，其特征在于，该流程项目包含至少一匹配条件以及至少一封包内容处理动作，该转发流程项目包含至少部分该匹配条件及一转发处理动作，该处理流程项目包含该匹配条件以及该封包内容处理动作。

3.根据权利要求2所述的封包交换系统，其特征在于，该目标封包交换模块判断该封包满足至少部分该匹配条件，以根据该转发处理动作转发该封包至该转发封包交换模块，该转发封包交换模块判断该封包满足该匹配条件，以根据该封包内容处理动作对该封包进行处理。

4.根据权利要求2所述的封包交换系统，其特征在于，该处理流程项目还包含一封包回送处理动作，该转发封包交换模块还根据该封包回送处理动作回送该封包至该目标封包交换模块。

5.根据权利要求4所述的封包交换系统，其特征在于，该流程项目还包含一传送处理动作，该处理器还新增包含至少部分该匹配条件以及该传送处理动作的一传送流程项目于该目标封包交换模块的所述封包流程表，以使该目标封包交换模块自该转发封包交换模块接收该封包后，判断该封包满足至少部分该匹配条件，以根据该传送处理动作传送该封包。

6.根据权利要求5所述的封包交换系统，其特征在于，该目标封包交换模块根据该传送流程项目传送该封包至一目的封包交换模块或一目的主机。

7.根据权利要求1所述的封包交换系统，其特征在于，所述封包交换模块分别为一OpenFlow封包交换模块。

8.根据权利要求1所述的封包交换系统，其特征在于，该记忆单元为一三元内容定址记忆体。

9.根据权利要求1所述的封包交换系统，其特征在于，当该处理单元判断该目标封包交换模块的该记忆单元的该储存剩余量不小于该临界值时，该处理单元直接新增该流程项目至该目标封包交换模块的所述封包流程表，以使当该目标封包交换模块接收对应该流程项目的该封包，是根据该流程项目对该封包进行处理。

10.一种封包交换方法，应用于一封包交换系统中，其特征在于，该封包交换系统包含多个封包交换模块以及一控制模块，其中所述封包交换模块分别包含储存多个封包流程表的一记忆单元，该控制模块耦接于所述封包交换模块，以更新所述封包流程表，并包含用以储存计算机可执行的多个指令的一记忆体以及可执行所述指令的一处理器，该封包交换方法包含：

使该处理器产生对应于所述封包交换模块其中的一目标封包交换模块的一流程项目；

使该处理器判断该目标封包交换模块的该记忆单元一储存剩余量小于一临界值；

使该处理器自其他所述封包交换模块中，选择具有该储存剩余量不小于该临界值的该记忆单元的一转发封包交换模块；

使该处理器根据该流程项目新增一转发流程项目于该目标封包交换模块的所述封包流程表及新增一处理流程项目至该转发封包交换模块的所述封包流程表；以及

当该目标封包交换模块接收对应该转发流程项目的一封包，是根据该转发流程项目转发该封包至该转发封包交换模块，以使该转发封包交换模块根据该处理流程项目对该封包进行处理。

11.根据权利要求10所述的封包交换方法，其特征在于，该流程项目包含至少一匹配条件以及至少一封包内容处理动作，该转发流程项目包含至少部分该匹配条件及一转发处理动作，该处理流程项目包含该匹配条件以及该封包内容处理动作。

12.根据权利要求11所述的封包交换方法，其特征在于，还包含：

使该目标封包交换模块判断该封包满足至少部分该匹配条件，以根据该转发处理动作转发该封包至该转发封包交换模块；以及

该转发封包交换模块判断该封包满足该匹配条件，以根据该封包内容处理动作对该封包进行处理。

13.根据权利要求11所述的封包交换方法，其特征在于，该处理流程项目还包含一封包回送处理动作，该封包交换方法还包含：

使该转发封包交换模块根据该封包回送处理动作回送该封包至该目标封包交换模块。

14.根据权利要求13所述的封包交换方法，其特征在于，该流程项目还包含一传送处理动作，该封包交换方法还包含：

使该处理器新增包含至少部分该匹配条件以及该封包传送处理动作的一传送流程项目于该目标封包交换模块的所述封包流程表；

使该目标封包交换模块自该转发封包交换模块接收该封包后，判断该封包满足至少部分该匹配条件，以根据该传送处理动作传送该封包。

15.根据权利要求14所述的封包交换方法，其特征在于，该目标封包交换模块根据该传送流程项目传送该封包至一目的封包交换模块或一目的主机。

16.根据权利要求10所述的封包交换方法，其特征在于，所述封包交换模块分别为一OpenFlow封包交换模块。

17.根据权利要求10所述的封包交换方法，其特征在于，该记忆单元为一三元内容定址记忆体。

18.根据权利要求10所述的封包交换方法，其特征在于，还包含：

当该处理单元判断该目标封包交换模块的该记忆单元的该储存剩余量不小于该临界值时，该处理单元直接新增该流程项目至该目标封包交换模块的所述封包流程表；以及

当该目标封包交换模块接收对应该流程项目的该封包，是根据该流程项目对该封包进行处理。