IETCAM:基于信息熵的低功耗TCAM分类器

目前,三态内容寻址器被广泛应用于数据平面的高速转发,但现有的索引式TCAM在降低功耗和运行时间等方面仍存在问题.针对这些不足,提出了一种基于信息熵的低功耗索引式TCAM分类器,利用了信息熵技术,有效地解决了规则集在TCAM子块中分布不均、功耗较大的问题.实验表明,在2k大小的规则集下,该算法相较于经典的SmartPC算法平均可以提高63％的功耗降低率,运算时间更新速度缩小了97％,存储开销仅增加了10％.     

基于决策树映射的低功耗TCAM包分类方案

为了实现网络流的线速转发,高性能交换机普遍采用三态内容寻址存储器(TCAM)来构建其包分类引擎。针对TCAM功耗高的问题,近年来出现了许多低功耗索引方案,实现了TCAM存储块的选择性激活以降低功耗,但这些索引方案普遍采用自底向上的局部优化算法来构建,无法有效实现流表规则的均匀划分,严重影响了TCAM的存储效率及功耗降低效果。提出并实现了一种基于决策树映射的TCAM低功耗索引方案,在极大降低功耗的同时提升了TCAM的存储效率。利用规则普遍存在的小域特征,将原始规则集划分为若干个规则子集,然后针对各个子集的特征域,采用自顶向下的方式分别构建平衡决策树,最后通过对各个决策树进行贪心遍历,从而得到TCAM索引列表。实验表明,针对规模为十万条的规则集,算法在仅使用额外1.3%存储空间开销的同时实现了98.2%的功耗降低。     

基于三态位分割的低功耗TCAM报文分类算法

针对传统基于TCAM的报文分类算法存在功耗较大的问题, 提出了一种基于三态位分割的低功耗TCAM报文分类算法——TSP-PR(tri-state-based partition for power reduction)。利用TCAM支持三态位的特点, 设计标志位选取函数动态选取标志位划分规则集, 报文查找时只选取与待匹配报文相关的子集参与比较, 减少了参与匹配的表项数目, 从而达到了降低功耗的目的。实验表明, 相对于传统基于TCAM的报文分类算法, TSP-PR算法在付出较小存储代价的情况下功耗减少了60%以上。     

支持压缩和多下一跳查找的路由查找方案

TCAM(ternary content addressable memory)是目前流行的一种高速路由查找技术.TCAM具有查找速度快、操作简单的优点,但同时它也具有3个明显的缺点:成本高、功耗大和路由更新复杂.路由器为了实现负载平衡以及策略路由,在路由表中保存着相当数量的具有多个下一跳的路由表项.基于TCAM技术,提出一种支持多下一跳的高速路由查找方案.方案通过两级索引表实现了多下一跳路由的存储和快速访问.为了提高TCAM的更新效率,方案还提出了一个N子空间TCAM更新算法.该算法对目前实际网络中的路由表,可达到近似O(1)的更新复杂度.为了减少TCAM的成本和功耗,方案中还使用了有效的路由压缩技术.压缩技术基于Trie树结构,实现简单.应用压缩技术,对于实际网络中的路由表,可减少20%的路由.该查找方案可以很容易地应用到未来的IPv6网络中.     

基于TCAM的高效浮动关键词匹配算法

针对传统浮动关键词匹配算法功耗高和速率低的问题,提出一种基于三态内容寻址寄存器(TCAM)的高效匹配算法。该算法应用关键词分类数据结构,将关键词存储在不同的TCAM模块中,并只将疑似关键词送入TCAM中查找匹配,从而减少每次访问TCAM查找的表项数目,提高一个查询周期内待匹配报文的移动速度。仿真结果表明,与传统算法相比,该算法功耗较低、匹配速度较快。     

基于并行字符索引的多步长正则表达式匹配算法

深度包检测（deep packet inspection ,DPI）是网络入侵检测与防御系统（network intrusion dete‐ction and prevention system ,NIDPS）的核心．基于三态内容可寻址存储器（ternary content addressable memory ,TCAM ）的正则表达式匹配算法提高了数据包的处理速度,成为DPI技术的一个重要研究方向．TCAM 具有查找速度快、存储空间小等特性,且能耗与存储空间成正比．由于DFA的存储空间开销比较大,且存储空间大小随着DFA步长数的增加而指数倍增,基于TCAM的DFA面临高能耗的问题,特别是多步长DFA ．提出一种基于并行字符索引的多步长正则表达式匹配算法（multi‐stride parallel character‐indexed DFA ,PCIDFA ）,对确定型有限自动机（deterministic finite automaton ,DFA ）构造并行字符索引,通过比特位图取交集,减少匹配时激活的TCAM 块数,显著降低TCAM 能耗．实验结果表明：与多步长DFA相比,多步长PCIDFA在TCAM 能耗上减少了99．8％以上,在 TCAM 存储空间开销上减少了48．5％～65．3％,在吞吐量上提高了1．9～2．6倍．     

基于前缀扩展的三级索引路由查找算法

根据路由表前缀扩展特性,采用特殊的结构构造索引表,提出了一种基于3级索引的储存表查找方法,进行流水线方式的并行查找。引入了缓冲池的思想,提出了一种改进的路由表更新方法,同时该算法支持动态更新。与基于压缩算法相比,该算法数据结构简单;与传统TCAM路由查找相比,可以节省约40％的功耗。此外,该算法在查找性能、路由更新和存储空间方面也有很大优势,能够达到最少访问一次存储器．最多需要访问3次实现处理一个IP数据包．     

基于信息熵的兴趣度规则挖掘算法

传统关联规则挖掘方法通常产生海量杂乱的规则,它们对用户而言是冗余的.为解决该问题,文中提出一种基于信息熵的兴趣度规则挖掘算法.通过变量相关性分析剔除原始规则集中虚假、错误的规则,并在信息熵的基础上提出度量关联规则兴趣度的框架.该算法不依赖用户先验知识,能无偏地表达数据包含的信息.在真实和仿真数据集上的实验验证该算法能有效挖掘兴趣度规则,且性能比传统算法更优.     

AdpCAM：基于TCAM的低功耗IP查表算法*

非对称前缀分布算法（AdpCAM）是一个新颖的降低TCAM功耗的解决方案。该算法在保证TCAM有较高利用率的前提下,有效地降低了功率消耗,并将其限制在可预知的范围内。这种算法支持路由表的快速更新。仿真和应用证明了该算法的可行性和实用性。     

SDN交换机转发规则TCAM存储优化综述

软件定义网络(SDN)将传统网络的控制平面和数据平面解耦,通过控制平面的控制器灵活地对网络进行管理,目前应用最广泛的控制协议是OpenFlow.三态内容寻址存储器(TCAM)查找速度快、支持三态掩码存储,在SDN网络中应用广泛.但TCAM成本高、功耗大,并且在存储含有范围字段匹配域的规则时候存在范围膨胀问题,因此交换机中可存储的转发规则数量,尤其是匹配域的数量和类型都比较多的OpenFlow规则数目非常有限,这成为约束SDN网络大规模扩展和应用的瓶颈.研究机构从不同角度提出了针对SDN中交换机转发规则的TCAM存储优化方案.本文从转发规则存储架构优化、本地交换机转发规则压缩、全局转发规则动态优化以及控制器参与的网络转发规则管理四个角度总结了相关研究工作,并提出了适合未来SDN网络的转发规则存储的综合优化方案.     

A space- and power-efficient multi-match packet classification technique combining TCAMs and SRAMs

Packet classification is implemented in modern network routers for providing differentiated services based on packet header information. Traditional packet classification only reports a single matched rule with the highest priority for an incoming packet and takes an action accordingly. With the emergence of new Internet applications such as network intrusion detection system, all matched rules need to be reported. This multi-match problem is more challenging and is attracting attentions in recent years. Because of the stringent time budget on classification, architectural solutions using ternary content addressable memory (TCAM) are the preferred choice for backbone network routers. However, despite its advantage on search speed, TCAM is much more expensive than SRAM, and is notorious for its extraordinarily high power consumption. These problems limit the application and scalability of TCAM-based solutions. This paper presents a tree-based multi-match packet classification technique combining the benefits of both TCAMs and SRAMs. The experiments show that the proposed solution achieves significantly more savings on both memory space and power consumption on packet matching compared to existing solutions.     

一种基于TCAM的有效包分类方法

基于三态内容可寻址内存(TCAM)的包分类方法不能有效解决区间膨胀的问题。为此,提出一种有效包分类方法。对包分类规则集中各个域的不同区间进行分组,利用Shadow Encoding方法对同一分组中的所有区间进行重新编码,依据重新编码的区间结果改写原始规则集。实验结果表明,该方法可以平均压缩75.90%的TCAM存储空间。     

Power efficient packet classification using cascaded bloom filter and off-the-shelf ternary CAM for WDM networks

In wavelength division multiplexing (WDM) networks, tens or hundreds of wavelengths can be transmitted over a single fiber. As transmission line speed goes to 10 Gb/s and beyond, ternary CAM (TCAM) is usually employed for wire speed packet classification. To the best of authors’ knowledge, this is the first paper that addresses the impact of WDM transmission on the power consumption of packet classification. We show that as the number of wavelengths increases in the WDM networks, the power consumption of TCAMs can become the limiting factor for WDM network expansion. For example, the power consumption of IPv4 and IPv6 packet classification with merely 32 channels at 40 Gb/s can be as high as 700 and 1400 W, respectively, while technology wise it is feasible to transmit over 500 channels over a single fiber. Existing power efficient TCAM designs require special modification to TCAM cell structures, which makes the adoption of the technology difficult. This paper proposes a novel approach which cascades bloom filter with off-the-shelf TCAM to greatly reduce the power consumption of packet classification. In particular, the proposed solution takes advantage of the fact that bloom filters may give false positive alarms but never give false negative alarms. By eliminating majority of non-matching packets before passing the packets to the TCAM, the TCAM is only activated to exam packets with a high potential of matching in the filter set. The proposed scheme greatly reduces the activation frequency of the TCAM, thus achieving great power savings.     

基于TCAM的二级路由查找

功率消耗大是三态内容寻址存储器(TCAM)的主要缺点之一。根据TCAM的可配置特性，提出了基于TCAM的二级路由查找，大大降低了TCAM的功耗。给出了基于比特选择的二级路由查找方案并对其进行了性能分析。最后介绍了二级路由查找下的路由更新算法。     

实现IPv6数据包分类的算法研究

三重可寻址内存（Ternary Content Addressable Memory,TCAM）能提供持续吞吐量和单一系统结构,这非常有利于实现包分类,特别是对将来基于IPv6的网络尤其如此。但是它也有缺点,比如路径有限、价格昂贵和电源消耗。为此提出了一种有效算法,对可寻址端口地址加密来减少需要的TCAM。该新方案能够将现实世界IPv6路由表的128位前缀加密成11位,并且仍然保留无类域间路由的属性。     

基于Trie树分割路由表降低TCAM功耗的方法

TCAM已成为在路由器设计中实现路由查找的硬件方案,具有速度快、实现简单的优点,但其功耗较高.该文提出了一种基于trie树的结构进行路由表分割、降低TCAM功耗的方法,同传统的TCAM相比,前缀数量达到200时降低大约80%的功耗,前缀数量越多,相对降低的比例越大.     

基于硬件的定长移位高速浮动关键词匹配算法

针对浮动关键词匹配问题,提出了一种基于TCAM的定长移位匹配算法.该算法通过对移动步长的灵活控制有效降低了存储器的访问频率,提高了系统速率.通过分析空间复杂度,该算法与其它移位加速算法相比,在一定的范围之内对TCAM容量的需求也具有明显的优势.算法性能分析和仿真表明,该算法不仅可以实现任意长度模式的线速搜索,还可以使系统所能支持的模式集规模达到几万条.