CN116074401B

CN116074401B - 一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法

Info

Publication number: CN116074401B
Application number: CN202310358801.4A
Authority: CN
Inventors: 谭小彬; 李尚蔚; 吕礼童; 袁莘智; 王顺义; 杨坚; 郑烇
Original assignee: Institute of Artificial Intelligence of Hefei Comprehensive National Science Center
Current assignee: Institute of Artificial Intelligence of Hefei Comprehensive National Science Center
Priority date: 2023-04-06
Filing date: 2023-04-06
Publication date: 2023-07-18
Anticipated expiration: 2043-04-06
Also published as: CN116074401A

Abstract

本发明涉及网络信息技术领域，公开了一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法，包括以下步骤：TCP流区分；TCP有限状态机；应用层支持；数据包重传。本发明中的传输层协议在可编程交换机数据平面实现了TCP连接的建立和释放、数据传输，利用可编程交换机线速转发的特性，减少了TCP连接与传输的时延，减少应用时延。本发明中的传输层协议可以在可编程交换机上进行TCP的修改与定制，相比于在服务器（用户端）上修改TCP协议栈，具有快速部署、易于规模化的优势。打破了原有在服务器上修改调试TCP协议栈复杂耗时的模式，给网内应答与网内计算提供了更灵活有效的方式。

Description

一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法

技术领域

本发明涉及网络信息技术领域，具体涉及一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法。

背景技术

随着网络基础设施的发展，衍生出如数据中心网络、信息中心网络等新型的网络场景与对应的新型网络技术。新型网络场景要求网络转发具有更高的交换速度、更灵活转发的策略。传统的商用网络可编程交换机具有封闭黑盒、不可编程的特点，设备所支持协议、表项空间和转发逻辑在设备出场时就已固定，相对于网络技术的快速发展，具有滞后性。当网络中需要灵活部署新型协议、隧道封装以及转发逻辑时，传统交换机无法做到灵活支持。而软件可编程交换机虽然支持灵活定义转发逻辑、部署新型协议，但速度远低于硬件实现的传统可编程交换机，无法满足新场景的需求。

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）作为一种新型的网络架构，将传统商用可编程交换机中的控制平面与数据平面进行分离，实现了控制平面可编程。虽然用户可以通过SDN下发流表的方式修改转发逻辑与实时策略，然而数据平面仍然封闭，设备所支持的协议与字段仍然是在出厂时就已确定，用户只能通过现有协议定义流表项，无法部署新的协议。

可编程交换机实现了数据平面可编程，对可编程交换机转发流程进行了抽象并支持用户定义解析与转发逻辑，在保证转发灵活性的同时，采用硬件保证了转发速度。可编程交换机的出现降低了网络复杂度，为新型网络技术提供了良好的载体，衍生出了一系列新型场景，如在网计算、带内网内遥测（Inband Network Telemetry，INT）等。

在目前的可编程交换机应用场景，如在网计算中，可编程交换机常作为端系统直接提供服务并与服务器互传数据。而现有端设备软件大量使用传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）作为传输层协议，因此在可编程交换机上实现定制化TCP协议，可以减少传统软件迁移至新场景下的适配工作并大幅度降低传输时延，获得复用现有软件架构、减少重复开发的效果。部署在可编程交换机的TCP协议可以作为基础套件，广泛应用于在网计算、网内缓存、网内资源调度等新型网络场景中。

不同于传统计算机，可编程交换机由于硬件设备限制，片上存储较少；并且为了保证可编程交换机极高的转发速度，可编程交换机一个流水线中的可编程处理模块数量有限，对处理模块中的操作方式与操作次数也有较大限制。因此，在可编程交换机上实现TCP协议，有如下需求：①需要对TCP功能进行定制以适应可编程交换机特殊的硬件环境；②TCP功能应当能够对新型网络场景的应用层提供良好支持；③实现的TCP协议应当具有可拓展性，且用户端与可编程交换机建立TCP连接前不需要修改自身代码。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法，包括以下步骤：

步骤一、TCP流区分：

当用户端与可编程交换机建立TCP连接或传输TCP数据时，会产生TCP流；通过对TCP流的数据包进行协议解析获取TCP流数据包的包头内容，进而得到TCP流对应的TCP流序列号；

步骤二、TCP有限状态机：

通过TCP状态机表记录不同TCP流序列号对应的TCP流状态、窗口大小与偏移量；

在TCP状态机表中，可编程交换机根据解析得到的TCP流序列号确定TCP流状态：

若此时TCP流序列号对应的TCP流状态为CLOSED，则执行状态转移动作，将TCP状态机表中TCP流序列号对应的TCP流状态修改为SYN_RECV；

若此时TCP流序列号对应的TCP流状态为ESTABLISHED，可编程交换机根据接收到的TCP流数据包中的发送窗口字段，修改TCP状态机表中TCP流序列号对应的窗口大小与偏移量；

步骤三、应用层支持：

将应用层功能加入到可编程交换机的处理流水线，可编程交换机通过应用层功能对接收到的TCP流数据包进行修改得到待返回数据包，将待返回数据包发送至用户端；

步骤四、数据包重传：构建重传缓冲区，重传缓冲区对暂未收到ACK确认的待返回数据包进行缓存，当待返回数据包满足重传条件或被ACK确认后，则从重传缓冲区移出；

满足重传条件包括满足超时重传和满足冗余ACK重传；

满足超时重传：重传缓冲区中缓存的未ACK确认的待返回数据包的缓存时间超出给定时间，重新发送该待返回数据包；

满足冗余ACK重传：可编程交换机在收到TCP流的数据包时进行冗余ACK判断，统计各个TCP流的冗余ACK，对冗余ACK达到数量上限的TCP流重新发送重传缓冲区中缓存的未ACK确认的待返回数据包；冗余ACK是指用户端接收到超过自身期望的报文段时重新发送的包含期望报文段的ACK包。

具体地，步骤一中，通过哈希计算、提取端口号以及自设置的头部信息解析TCP流数据包的数据链路层、网络层和传输层的包头内容，得到所述的TCP流序列号。

具体地，步骤二中，采用寄存器表的形式构建所述TCP状态机表。

具体地，步骤三中，将待返回数据包发送至用户端前，修改待返回数据包的数据链路层、网络层和传输层的包头内容。

具体地，步骤四中，在可编程交换机的片上存储中以寄存器表的方式构建重传缓冲区。

具体地，当用户端向可编程交换机传输TCP数据时，采用iWARP类型的远程数据存储传输方式，将数据传输至可编程交换机。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明中的传输层协议在可编程交换机数据平面实现了TCP连接的建立和释放、数据传输，利用可编程交换机线速转发的特性，减少了TCP连接与传输的时延，减少应用时延。

本发明中的传输层协议可以在可编程交换机上进行TCP的修改与定制，相比于在服务器（用户端）上修改TCP协议栈，具有快速部署、易于规模化的优势。打破了原有在服务器上修改调试TCP协议栈复杂耗时的模式，给网内应答与网内计算提供了更灵活有效的方式。

针对可编程交换机在现有网络中作为服务端的特点：可编程交换机常常作为服务端使用、只需要被动的接受连接的建立与释放、不需要主动进行数据传输，本发明中的传输层协议对原有TCP状态机进行了裁剪，部署于可编程交换机上的TCP状态机仅为原有状态机中的服务端部分。同时，针对网络场景的特点，在连接释放时采用三次挥手的快速释放机制。

本发明中的传输层协议可以支持可编程交换机与多个服务器同时建立TCP连接，可以同时支持不同的应用层功能，从而使单台可编程交换机可以虚拟化为多台支持不同功能的可编程交换机，以支持网络切片。

此外，iWARP作为一种基于TCP实现的远程数据存储（Remote Direct MemoryAccess，RDMA）方式，需要在传输两端建立TCP通信的情况下才能使用，本发明中的传输层协议可以支持可编程交换机与服务器之间采用iWARP进行RDMA传输，加速传输速率。

附图说明

图1为本发明中的传输层协议实现方法流程图；

图2为本发明中的传输层协议的TCP有限状态机图；

图3为以网内聚合为例的实施例拓扑图；

图4是以网内聚合为例的实施例时序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，本实施例中的一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法，包括以下步骤：

步骤S1、TCP流区分：

步骤S1中当服务器（用户端）与可编程交换机建立TCP连接或传输TCP数据时，需要对TCP流进行区分，从而在后续处理中维护相关连接信息。对TCP流数据包进行协议解析的方式获取其数据链路层、网络层、传输层的包头内容，根据解析得到包头内容通过哈希计算、提取端口号、自设置的头部信息等手段，得到对应的TCP流序列号，通过TCP流序列号即可区分不同的TCP流，且作为之后流表匹配的表项入口。

本实例中，网络拓扑如图3所示，网络中具有四个服务器，全部连接至部署有本发明中的传输层协议的可编程交换机。服务器为用户端，可编程交换机为服务端。

应用层功能以常见的在网计算应用——网内聚合为例。所有服务器采用TCP连接至可编程交换机，采用iWARP类型的远程数据存储（Remote Direct Memory Access，RDMA）传输方式，将待聚合数据传输至可编程交换机，可编程交换机将各服务器传输的数据进行聚合后，根据各个服务器的需要发回。

本发明的步骤S1，对应于图4中各个服务器向可编程交换机主动建立TCP连接。以服务器A为例，服务器A向可编程交换机发送SYN（Synchronize Sequence Numbers，同步序列号）数据包，请求与可编程交换机建立TCP连接。可编程交换机收到SYN数据包后解析SYN数据包的数据链路层、网络层、传输层的包头内容，采用哈希计算、提取四元组信息、自设置的头部信息等方式从包头内容获得SYN数据包所对应的TCP流序列号，这里设服务器A对应的TCP流序列号为0。

步骤S2、TCP有限状态机与流量控制，具体包括以下步骤。

步骤S21、TCP有限状态机：

考虑到可编程交换机在网络结构和新型网络场景中的特殊性，即可编程交换机常作为服务端而非用户端，不需要主动发起或释放TCP连接，故需要裁剪原有交换机中的用户端部分，合并TCP连接建立时的状态与释放时的状态，以适应可编程交换机的环境。采用寄存器表的形式记录不同TCP流序列号对应的TCP流状态，根据TCP有限状态机定义的状态转移动作，通过流表匹配步骤S1中解析得到的TCP流序列号，执行相对应的状态转移动作，对寄存器表中的TCP流状态进行修改。

步骤S21中，因考虑到可编程交换机常作为服务端而非用户端，不需要主动发起或者释放TCP连接。本发明设计并部署于可编程交换机上的TCP有限状态机如图2所示。其中虚线部分为原TCP状态机中的服务端部分，本发明将该部分部署于可编程交换机中，实现了服务器以用户端的身份向可编程交换机建立TCP连接并实现数据传输。以服务器A为例，其发送的SYN包在步骤S1中进行解析并得到TCP流序号为0后，进入如图1所示的TCP状态机表，若此时TCP状态机表中对应的TCP流序列号状态为CLOSED，则执行相应的动作：进行状态转移，修改TCP状态机表中对应的状态为SYN_RECV。

附图中所用到的TCP状态名称均为计算机网络领域中的常用名词，对照解释如下：

CLOSED：侦听状态，侦听来自远方TCP端口的连接请求，合并了原有TCP状态机中的CLOSED与LISTEN状态；

SYN_SENT：发送连接请求后等待匹配的连接请求；

SYN_RCVD：收到并回发连接请求后，等待对方对连接请求的确认；

ESTABLISHED：连接成功建立，可以进行数据传输；

FIN_WAIT_1：等待远程TCP的连接中断请求，或者先前的连接中断请求的确认；

FIN_WAIT_2：等待远程TCP的连接中断请求；

CLOSE_WAIT：采用三次挥手断开TCP连接，合并了原有TCP状态机中的CLOSED_WAIT与LAST_ACK状态

CLOSEING：等待远程TCP对连接中断的确认；

TIME_WAIT：等待以确保远程TCP接收到连接中断请求的确认。

步骤S22、流量控制：

为了保证可编程交换机发送的数据包不至于淹没服务器，采用回退N帧（go-back-N，GBN）与累计确认的流量控制机制。TCP状态机表中同时记录TCP流的发送窗口大小与滑动窗口的偏移量，通过滑动窗口的方式控制数据包的发送。可编程交换机每次可以发送最大不超过窗口大小的数据包数，而对于收到的ACK包采取累计确认的方式进行确认。

当服务器A与可编程交换机完成三次握手成功建立连接后，即TCP状态机表中0号TCP流的状态为ESTABLISHED时，可编程交换机会根据接收到的ACK数据包中的发送窗口字段修改TCP状态机表中的窗口大小与偏移量，以保证之后发送的数据包不会超过发送窗口限制。

步骤S3、应用层支持与包头修改，具体包括如下步骤：

步骤S31、应用层支持：

通过在可编程交换机中部署传输层协议，可以在可编程交换机端复用现有软件架构，减少重复开发，应用层功能如网内聚合、gRPC应答等可以作为可编程交换机处理流水线的一个环节，通过对接收到的数据包进行修改得到待返回数据包。

本实施例的应用层支持以网内聚合为例。值得注意的是，本发明中的应用层支持可以是各种基于本发明传输层协议实现的应用。网内聚合的过程为：①各个连接至可编程交换机的服务器向可编程交换机发送待聚合数据；②数据在可编程交换机完成聚合；③服务器可以向可编程交换机获取聚合后的数据。

例如：①服务器A向可编程交换机发送数据‘1’，服务器B向可编程交换机发送数据‘2’，服务器C向可编程交换机发送数据‘3’；②可编程交换机聚合后得到结果‘6’；③服务器D获取可编程交换机中聚合后的数据‘6’。

步骤S32、数据包头修改：

该步骤中，根据网内聚合或TCP连接建立的数据包类型计算待返回数据包的包头，包括MAC头、IP头、TCP头等内容，用于确认转发端口、对换IP地址、修改数据包长度字段、对换TCP端口、修改TCP流序列号与确认号、修改TCP标志位等。在完成修改后对待返回数据包进行转发传输。

步骤S4、数据包重传。本发明的步骤S4对应图1中的超时重传部分，当步骤S3中发送的数据包超过预定时间，会在步骤S4中进行重传；具体包括如下步骤。

步骤S41、重传缓冲区数据结构：

考虑到在进行TCP传输时，需要对于丢失的数据包进行重传。本发明在片上存储上以寄存器表的方式构建重传缓冲区，重传缓冲区会对暂未收到ACK确认的数据包进行缓存，当数据包满足重传条件或被ACK确认后，会从重传缓冲区移出。例如服务器A发送的SYN数据包被可编程交换机接收到后，回发的SYN+ACK数据包将在发送后缓存至该重传缓冲区中，并设置计时器，等待之后被确认或触发重传条件。

步骤S42、重传触发形式：支持两种重传触发形式，包括超时重传，以及冗余ACK重传：

①超时重传。对重传缓冲区中的数据包设置计时器，在超出给定时间时，重新发送重传缓冲区中缓存的未确认数据包。例如可编程交换机向服务器A发出数据包后，会将未收到确认的数据包缓存至重传缓冲区中，如果触发了超时机制，会将重传缓冲区中的数据包进行重传，直至收到ACK确认为止。

②冗余ACK重传。冗余ACK是指接收端接收到超过自身期望的报文段时重新发送的包含期望报文段的ACK包。可编程交换机通过匹配-动作表(match-action table)，在收到数据包时进行冗余ACK判断，使用寄存器表统计各个TCP流的冗余ACK，对达到上限的TCP流重新发送重传缓冲区中缓存的未确认包。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种在可编程交换机上的传输层协议实现方法，包括以下步骤：

步骤一、TCP流区分：

步骤二、TCP有限状态机：

步骤三、应用层支持：

满足重传条件包括满足超时重传和满足冗余ACK重传；

2.根据权利要求1所述的在可编程交换机上的传输层协议实现方法，其特征在于，步骤一中，通过哈希计算、提取端口号以及自设置的头部信息解析TCP流数据包的数据链路层、网络层和传输层的包头内容，得到所述的TCP流序列号。

3.根据权利要求1所述的在可编程交换机上的传输层协议实现方法，其特征在于，步骤二中，采用寄存器表的形式构建所述TCP状态机表。

4.根据权利要求1所述的在可编程交换机上的传输层协议实现方法，其特征在于，步骤三中，将待返回数据包发送至用户端前，修改待返回数据包的数据链路层、网络层和传输层的包头内容。

5.根据权利要求1所述的在可编程交换机上的传输层协议实现方法，其特征在于，步骤四中，在可编程交换机的片上存储中以寄存器表的方式构建重传缓冲区。

6.根据权利要求1所述的在可编程交换机上的传输层协议实现方法，其特征在于，当用户端向可编程交换机传输TCP数据时，采用iWARP类型的远程数据存储传输方式，将数据传输至可编程交换机。