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OpenvSwitch流表查找分析
流表查找过程是OpenvSwitch核心中的核心。在此之前,庾志辉写过关于对OpenvSwitch(下文简称OVS)源代码分析的系列博客(链接如下:/yuzhihui_no1/article/details,时间是2014年9月25日,sdnlab前几个月时间也对这个OVS源代码分析系列进行了转载(链接如下:/3206.html)。文中的分析对于研究OVS的人来说有很大的帮助,减少了许多阅读代码的弯路,在这里对他表示感谢。有一点不足的是,由于庾志辉当时分析的应该是OVS2.0(或者2.1)的代码,之后OVS对其自身查表的过程进行了改进,因此当前OVS版本(2.4)中描述的查表算法与庾志辉当时分析的流表查找过程已经有了一些区别。为此,本文对新改进的OpenFlow流表查找算法进行分析,供大家参考、交流。在庾志辉博客中已经提到的内容就不在此赘述,主要讲一些区别(即OVS流表查找改进的地方)以及个人的一些理解。
文中的分析主要参考来源于两篇论文以及OVS2.4源码,如下:
[1]N.Shelly,E.Jackson,T.Koponen,N.McKeown,andJ.Rajahalme.FlowCachingforHighEntropyPacketFields.InProc.ofHotSDN,2014.
[2]PfaffB,PettitJ,KoponenT,etal.ThedesignandimplementationofOpenvSwitch[C]//12thUSENIXSymposiumonNetworkedSystemsDesignandImplementation.2015.(NSDI2015BestPaperAward)
[3]OpenvSwitchversion2.4./releases/openvswitch-2.4.0.tar.gz
背景
在一个网络交换设备中,报文的处理流程可简化为以下三个步骤:协议解析,表项查找,动作执行(包含转发、对报文的修改等动作),如图1所示。由于表项的数目可能很大,匹配的形式包括最长前缀匹配、精确匹配、范围匹配,设计高效的查表算法一直是网络研究人员追求的目标。表项查找设计涉及到两个方面:表项数据结构的组织和查表算法的执行。
图1报文处理流程
OVS是部署在服务器内部,用于实现虚拟机之间交换的OpenFlow软件交换机。软件交换机通常运行在通用处理器(CPU)之上,因此其查表时间相比于用ASIC、TCAM、NP等硬件实现更慢。与传统的路由器、交换机不同,OpenFlow的匹配域包含了L2-L4等匹配域。由于匹配域增多,为了防止表项产生组合爆炸问题,OpenFlow规范中指出,其转发过程采用多级流水线查表设计。这样一来,OVS高效查表的难度和挑战进一步加大,其查表设计就显得尤为重要,直接影响软件转发的性能。
本文将从表项查找的两个方面,表项数据结构的组织(MegaflowCache+MicroflowCache)和查表算法(元组空间搜索),对OVS的流表查找过程进行详细分析。
OpenFlow流Cache的设计改进过程
一直以来,流Cache是提高查表性能的有效手段,已经被广泛应用于报文查表加速。它将数据平面的转发路径分为快速路径(即流Cache)和慢速路径,利用流量局部特性,使得大部分报文命中快速路径中的表项,从而提高转发性能。OVS也采用了流Cache设计思路。
OpenFlow流Cache的组织架构改进经历了三个阶段。
在早期OVS的版本中,为缓解多级流表查表慢的问题,OVS在内核态采用MicroflowCache方法。MicroflowCache是基于Hash的精确匹配查表(O(1)),表项缓存了多级查表的结果,维护的是每条链接粒度的状态。MicroflowCache减少了报文进用户态查多级表的次数。一条流的首报文进入用户态查表后,后续的报文都会命中内核中的MicroflowCache,加快了查表速度。但是对于大量短流的网络环境来说,MicroflowCache命中率很低,导致大部分报文仍然需要到用户态进行多级流表查找,因此转发性能提升有限。
而后,为了解决MircoflowCache存在的问题,OVS采用MircoflowCache代替了MegaflowCache。与MircoflowCache的精确Hash查表不同,MegaflowCache支持带通配的查表,所以可减少报文至用户空间查表的次数。庾志辉的博客中当时分析的就是关于megaflow的数据结构和查表流程,相关内容不在此赘述,请看
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