传统交换机支持OpenFlow的变身大法

作者：洪建明，深圳市泰信通信息技术有限公司解决方案总监，曾在国内知名网络厂商任职十多年，对网络芯片架构有较深的造诣。

OpenFlow 定义的交换机包括报文多元组的匹配，进行查找和转发，交换机可以对各种类型报文任意bit进行匹配，即进行查找。任何交换的基本原理都是查找、转发。而查找是核心。

当前各大网络设备厂商纷纷推出自己支持OpenFlow的交换机，而这些交换机是如何支持OpenFlow复杂的报文查找呢？

硬件搭台，软件唱戏，任何软件的功能基石都是硬件，软件没有硬件的支持都是空中楼阁。目前SDN交换机主要有两类，采用传统商用芯片和专门开发支持OpenFlow的ASIC，其中最方便快捷推出的就是采用传统商用芯片的SDN交换机。传统芯片里面除了二层表，三层表，还有一个叫ACL表的查找模块，该模块采用TCAM结构，基本可以实现报文任意bit的匹配，也就可以用来进行OpenFlow对现有字段的匹配，甚至可以进行未来需要变化的新增种类报文的匹配。

TCAM是Ternary Content Addressable Memory的缩写，中文:三重内容可寻址内存。memory是根据地址来访问存储的内容，而TCAM恰好相反，它是根据内容去找到地址。memory中每个bit都只能表示两个值:0或1,而TCAM每个bit可表示三个值:0，1和X，X表示don't care，这个X其实是靠一个对应的mask bit来控制的，实际上TCAM每个bit物理上是2个bit。

根据内容去找到地址怎么理解呢？平常的memory是根据地址来访问存储的内容，好比说酒店里301房间住的客人叫张三，我们想知道301住着谁，就查下301房间的登记的人员，一看叫张三。而根据内容去找到地址刚好反过来，有人到酒店说，我们找一个叫张三的，酒店前台就挨个查看酒店每个房间登记的客人名单，最后查出张三在301，这个过程可比查301住的谁要复杂，因为要一个房间一个房间的确认客人叫什么。

有人问，那这个有啥复杂的，挨个看不就行了。可是我们现在时间比较急，想尽快知道张三在哪，所以酒店就通过消防广播对所有房间同时进行呼叫，说请张三听见就答应一声，酒店里所有人都听见了，除了张三其他人都没有答复，只有张三回复了下前台说，我住301,然后前台的人就知道了张三住301，这就是TCAM的查找原理。

回到memory存储的数据上，假设存储器的4个地址存着四个数据，如下

CPU访问时，输出地址0，就得到55这个数据。输出地址2就得到77这个数据，这就是正常的存储器访问。我们如果需要知道77存在哪里地址，CPU只能是先发地址0，读出55，发现不是我们需要的，再发地址1，读出数据是66，发现还不是我们需要的，再发地址2，读出数据是77，这就是我们需要的数据77，CPU一共进行了3次读取操作。如果我们需要知道88存在哪个地址，CPU就必须读4次才能知道地址是3。如果是10万个地址呢？

而TCAM的操作是这样的，收到需要匹配的数据和所有地址存储的数据同时（注意，是同时）进行比较，哪个地址存储的数据匹配上了就输出其地址，没有匹配的就不输出。输出地址就是下一步动作的索引。

查找某个数据在哪个地址，用TCAM的办法一次就搞定了，而不论有多少个地址。那么代价呢？CPU逐个查找的方式虽然慢，但是只需要重复读出来、比较的动作，只需要能对一个数据进行对比即可。TCAM的方式是有100个数据，则需要支持100个数据同时比较，如果有10000个数据，则需要支持10000个数据同时比较，耗费的资源也就按比例线性增加。

TCAM的三重内容指的是除了上面说到的数据匹配，还有和数据一样多的一个mask控制数据，以便对不需要匹配的bit进行过滤，也就是匹配的数据无论多少，再翻一倍……

回到我们采用TCAM方式来实现OpenFlow，假设按照OpenFlow要求，我们需要对数据包的前100bit进行任意匹配，那么我们就需要每个地址存储100bit的数据以便进行匹配，而我们需要进行10000种不同的包类型进行匹配，那么就需要10000个地址来存储，每个地址100bit，也就是我们需要能够同时对100*10000=1000000bit进行比较，找出对应的地址，加上三重内容，同时比较的数据就变成了2000000bit。这就变成了一个非常庞大的比较芯片。

当我们查出某个数据存在的地址后，这个地址就可以作为一个索引，也就是另外一个标准memory的地址，该地址里面就存在这个包要做什么操作，例如转发到某个端口，或者修改某个特征，然后再转发。也就是OpenFlow规定的action，这个其实非常简单，复杂的就是前面说的所有地址空间的数据同时进行匹配。

完成一次匹配需要大量的比较资源，传统芯片这部分匹配模块就不能做的太大容量，一般也就支持4K流表，也就是对4K种不同类型的输入数据进行匹配。对于一个支持成千上万用户的传统交换机来说，变成支持OpenFlow的SDN交换机后，居然只能支持4K流表，简直就是沦为玩具一般，似乎就不太实用了。专门进行OpenFlow流表的新兴ASIC呢？大部分似乎也是基于TCAM这种方式，同样由于上面说的TCAM的原因，依然流表数量有限。

流表数量不足，是否说传统交换机就不能支持OpenFlow了？然而并不是的，例如泰信通SDN控制器的一体化转发设计，不再被芯片的TCAM限制，在使用传统芯片架构的交换机的情况下突破4K的TCAM限制，实现控制转发分离的一体化转发模式，真正兼容传统，焕发SDN的光彩。如需了解更详细的方案介绍，欢迎您与泰信通联系！