一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法

1.一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建基于硬件加速的NFV分类器；NFV分类器由软件部分和硬件部分组成，其中软件部分包括流表配置部件，硬件部分包括流表管理部件，流表存储器，报文接收部件，流表查询部件，报文处理部件，报文发送部件；流表配置部件为软件实现的功能模块，部署运行于NFV网络环境的操作系统中；流表管理部件、报文接收部件、流表查询部件、报文处理部件、报文发送部件为在网卡FPGA中实现的功能模块，部署运行于网卡FPGA中；流表存储器为网卡FPGA中实现的存储空间；流表配置部件与流表管理部件、NFV管理与编排器相连，它从NFV管理与编排器中接收NFV服务功能链管理数据sfc_struct，并将服务功能链管理数据sfc_struct转换为流表管理数据，将流表管理数据发送给流表管理部件；sfc_struct包括7个域：服务功能链管理命令即sfc_cmd，服务功能链编号即sfc_id，服务功能链管理数据的报文原始目的IP地址即sfc_dip1、报文原始端口号即sfc_dport1，服务功能链管理数据对应服务功能链报文的目的IP地址即sfc_dip2、服务功能链报文的目的端口号即sfc_dport2，服务功能链管理数据对应的网络协议号即sfc_proto；以下均以“->”表示sfc_struct的某个域；流表管理数据flow_struct包括7个域：流表管理命令即flow_cmd，流表编号即flow_id，流表管理数据的报文原始目的IP地址即flow_dip1、报文原始端口号即flow_dport1，流表处理后报文的目的IP地址即flow_dip2、流表处理后报文目的端口号即flow_dport2，流表管理数据对应网络协议号即flow_proto；流表配置部件通过数组flowid_used[FLOWN]和链表数组sfc_flow[SFCN]来维护服务功能链编号和流表编号之间的关系；数组flowid_used的第i个元素flowid_used[i]取值0或者1，i＝1,2,…,FLOWN；flowid_used[i]取值为0时，表示流表编号i未被使用；flowid_used[i]取值为1时，表示流表编号i已被使用；其中FLOWN表示NFV分类器可支持的最大流表数量；链表数组sfc_flow的第j个元素sfc_flow[j]为1个链表，j＝1,2,…,SFCN，该链表存储属于编号为j的服务功能链的所有流表的编号，链表中一个元素为属于服务功能链j的一个流表的编号其中SFCN表示NFV分类器可支持的最大服务功能链数量；服务功能链管理命令和流表管理命令有2种取值：0，1；服务功能链管理命令取值0表示增加服务功能链管理数据；取值1表示删除服务功能链管理数据；流表管理命令取值0表示增加流表管理数据；取值1表示删除流表管理数据；流表管理部件与流表配置部件和流表存储器相连，它从流表配置部件接收流表管理数据，将流表管理数据转化成流表数据结构后存储到流表存储器；流表存储器与流表管理部件和流表查询部件相连，是网卡内FPGA中的数据存储器，用于存储流表数据结构；流表数据结构包括3个域：流表编号即flow_id，流表处理报文目的IP地址即flow_dip2和流表处理后报文目的端口号即flow_dport2；报文接收部件与以太网接口即网卡MAC层和流表查询部件相连，它从以太网接口接收外部输入报文，将输入报文发送给流表查询部件；流表查询部件与报文接收部件、报文处理部件和流表存储器相连，它从报文接收部件接收输入报文，从输入报文中提取出五元组信息(源IP地址，目的IP地址，源端口，目的端口，协议号)，对五元组信息计算哈希值，并根据哈希值从流表存储器中查找对应的流表数据结构；查到后，将输入报文和流表数据结构一并发送给报文处理部件；报文处理部件与流表查询部件和报文发送部件相连，它从流表查询部件接收输入报文和对应的流表数据结构，根据流表规则处理报文，并将处理后的报文发送给报文发送部件；报文发送部件与报文处理部件相连，并通过网卡驱动和协议栈与NFV服务功能链相连，它从报文处理部件接收处理后的报文，将处理后报文发送给NFV服务功能链；第二步，NFV分类器按2.1～2.5的流程进行初始化，监听NFV管理与编排器并从NFV管理与编排器接收服务功能链管理数据，完成报文流表的管理；同时NFV分类器按2.6～2.11的流程监听网卡MAC层，接收网卡MAC层发送的输入报文，根据输入报文的流表数据结构完成报文分类处理，并发送给NFV服务功能链；具体步骤如下：2.1流表配置部件进行初始化，具体步骤如下：2.1.1根据NFV网络需求确定FLOWN和SFCN 的值；2.1.2流表配置部件初始化数组flowid_used的每个元素为0，即令flowid_used[1]，…，flowid_used[i]，…，flowid_used[FLOWN]均＝0；2.1.3流表配置部件初始化链表数组sfc_flow的每个元素为空，即令sfc_flow[1]，…，sfc_flow[j]，…，sfc_flow[SFCN]均为空；2.1.4流表配置部件初始化时间t＝当前操作系统时间；2.2流表配置部件监控NFV管理与编排器是否发送了服务功能链管理数据，如果发送了服务功能链管理数据，转步骤2.3；如果没有发送，转步骤2.2.1；2.2.1获取当前操作系统时间t1，若(t1-t)<T，转2.2继续监控；若(t1-t)>＝T，转第三步；所述T为超时阈值；2.3流表配置部件更新t为当前操作系统时间，接收服务功能链管理数据sfc_struct，并根据服务功能链管理数据sfc_struct更新数组flowid_used和sfc_flow，构建流表管理数据，具体步骤如下：2.3.1从数组flowid_used中找出第一个为0的元素，如果所有元素均为1，则找出第一个元素；2.3.3将i1插入链表sfc_flow[sfc_struct->sfc_id]中，其中sfc_struct->sfc_id为sfc_struct的sfc_id，sfc_flow[sfc_struct->sfc_id]为链表数组sfc_flow的第sfc_struct->sfc_id个元素；2.3.4定义流表管理数据flow_struct，令：flow_struct->flow_id＝i1；flow_struct->flow_cmd＝sfc_struct->sfc_cmd；flow_struct->flow_dip1＝sfc_struct->sfc_dip1；flow_struct->flow_dport1＝sfc_struct->sfc_dport1；flow_struct->flow_dip2＝sfc_struct->sfc_dip2；flow_struct->flow_dport2＝sfc_struct->sfc_dport2；flow_struct->flow_proto＝sfc_struct->sfc_proto；2.4流表配置部件将flow_struct发送给流表管理部件；2.5流表管理部件从流表配置部件接收flow_struct，根据flow_struct构建流表数据结构，并更新流表存储器，具体步骤如下：2.5.1对flow_struct->flow_dip1、flow_struct->flow_dport1和flow_struct->flow_proto计算哈希值，令为flow_hash；2.5.2如果flow_struct->flow_cmd为0，转步骤2.5.3，否则转步骤2.5.4；2.5.3将flow_struct->flow_id、flow_struct->flow_dip2、flow_struct->flow_dport2依次存入流表存储器中第flow_hash个流表数据结构，分别作为第flow_hash个流表数据结构的flow_id，flow_dip2和flow_dport2，转步骤2.2；2.5.4将流表存储器中第flow_hash个流表数据结构的数据全部设置为0，转步骤2.2；2.6报文接收部件初始化时间t2＝0，并开始计时；2.6.1报文接收部件监控网卡MAC层是否有输入报文到达，如果有，转步骤2.7，如果没有，则转步骤2.6.2；2.6.2获取当前计时时间t3，若(t3-t2)<T，转2.6.1继续监控；若(t3-t2)>＝T，转第三步；2.7报文接收部件更新t2为当前计时时间，从网卡MAC层接收输入报文，令为pkt，将pkt发送给流表查询部件；2.8流表查询部件从报文接收部件接收pkt，根据pkt在流表存储器中查找匹配的流表数据结构，具体步骤如下：2.8.1从pkt中提取报文目的IP地址pkt_dip，目的端口pkt_dport和协议号pkt_proto；2.8.2对pkt_dip、pkt_dport和pkt_proto计算哈希值pkt_hash；2.8.3在流表存储器的第pkt_hash位置处分别提取出流表数据结构的流表编号，记为pkt_fid、流表处理报文目的IP地址，记为pkt_fip、流表处理后报文目的端口号，记为pkt_fport；2.8.4如果pkt_fid为0，将pkt转发至报文发送部件，转步骤2.11；否则，将pkt以及pkt_fip、pkt_fport转发至报文处理部件，转步骤2.9；2.9报文处理部件从流表查询部件接收pkt、pkt_fip、pkt_fport，修改报文pkt目的IP地址、计算并更新IP校验和，得到报文pkt1，并将pkt1发送给报文发送部件；2.10报文发送部件从报文处理部件接收pkt1，并将pkt1根据pkt1的目的IP地址转发至对应的NFV服务功能链，完成报文分类，转步骤2.6.1继续监听接收输入报文；2.11报文发送部件从流表查询部件接收报文pkt，并将pkt根据pkt目的IP地址转发至对应的NFV服务功能链，完成报文分类，转步骤2.6.1继续监听接收输入报文。第三步，此时表示NFV分类器已经有长达T的时间未从NFV管理与编排器接收到输出服务功能链管理数据，或报文接收部件已经有长达T的时间未从网卡MAC层接收到输入报文，说明网络出现了故障，结束。 2.如权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于所述服务功能链管理命令和流表管理命令取值相同。 3.如权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于所述FLOWN＝1000，SFCN＝100；所述T设置为30分钟。 4.如权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于2.3.1步所述从数组flowid_used中找出第一个为0的元素的方法为：2.3.1.1定义循环变量i1，令i1＝1；2.3.1.2如果flowid_used[i1]＝0，结束，否则转步骤2.3.1.3；2.3.1.3令i1＝i1+1，如果i1≤FLOWN，转步骤2.3.1.2，否则转步骤2.3.1.4；2.3.1.4令i1＝1，转步骤2.3.2。 5.如权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于2.5.1步和2.8.2所述计算哈希值的方法是CRC32算法。 6.如权利要求1所述的一种基于FPGA硬件加速的NFV网络流量分类方法，其特征在于2.9步所述报文处理部件计算并更新IP校验和，得到报文pkt1，并将pkt1发送给报文发送部件的方法是：2.9.1报文处理部件将报文pkt的目的IP地址修改为pkt_fip，将报文pkt的目的端口号修改为pkt_fport，得到报文pkt1；2.9.2报文处理部件计算并更新报文pkt1的IP校验和；2.9.3报文处理部件将处理后的报文pkt1发送给报文发送部件。