CN101129032A - 硬件抽象层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硬件抽象层。可以通过使为了处理一个接口管理器下的所有逻辑和物理的相关接口所需的所有功能和算法记住虚拟接口和逻辑接口之间的绑定,并维护属于虚拟接口的端口和实际的逻辑端口的状态,来在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能。当实际接口关闭时,虚拟接口可以随之关闭。绑定还可以包括限定。所有这些绑定可以位于单个路由信息库(RIB)数据库中,从而不需要在各个地方保持多个绑定。此外,控制平面中的硬件抽象层随后还可以镜像到数据平面中,从而不需要客户创建执行相同任务的层。
Description
技术领域
本发明涉及网络交换机。更具体地说,本发明涉及在网络交换体系结构中使用的硬件抽象层。
背景技术
网络交换机是用于产生和断开两个端点之间的数据连接的硬件设备。交换机可以用来创建多对端点之间的虚拟电路、通过将数据分组转向它们预期的目的地来完成与无连接网络中的路由器相似的任务。
传统地,交换机具有两个软件平面(software plane):控制平面和数据平面。控制平面是该系统的负责提供系统的实际功能和特征的部分。数据平面负责向将交换机连接到外部世界的端口实际发送数据和从所述端口实际接收数据。在一些情况下,独立的处理器(“网络处理器”)也可以控制这些端口。从纯体系结构的观点来看,控制平面和数据平面之间的到不同处理器的分离是取决于系统的,并且还可以在该交换机上使用的操作系统中执行。
许多现有技术的交换机遵循控制平面和数据平面的这种分离。为了方便专门针对控制平面设计的软件,已经通过添加到控制平面的附加软件来利用应用程序编程接口(API),以与数据平面进行交互。这些API被总称为硬件抽象层API(HAL API)。
局域网(LAN)技术通常区分交换功能和路由功能。交换功能涉及使用封装数据分组的以太网帧的介质访问控制(MAC)地址将分组从源端口传输到目的地端口。这些交换机通常被称为集线器(hub)。另一方面,路由涉及基于分配给计算机的互联网协议(IP)地址作出(basing)转发决策。然后,以太网帧封装源和目的地端点的IP分组和IP地址。结果,因为在处理IP分组之前以太网帧必须被剥离,所以在路由器中解析分组目的地比在交换机中解析分组目的地花费更长的时间。
现代的交换和路由系统实际上可以进行组合,以使得能够基于MAC地址或基于IP地址的以太网帧的交换。目前,这些能力可以被包含到在控制系统的端口的交换系统中使用的实际网络处理器内。这样,需要将新的能力添加到数据平面,以便于这种组合了新的技术发展水平的功能。此外,虚拟LAN使得能够在LAN的物理拓扑中创建虚拟网络拓扑。这使得能够使用相同的以太网物理链路来分离该LAN中的数据流。从拓扑学的角度看,物理LAN拓扑和虚拟LAN段表示虚拟地独立的不同虚拟LAN,从而提高安全性。
然而,这些系统的主要缺点出现在它们的设计阶段。设计者必须实现以下组成部分:
1.用于将路由和接口管理与控制平面进行接口连接的机制。
2.将配置和登录功能从控制平面传播到数据平面的机制。
3.用于控制分组处理(handle)的分组驱动器(在将分组传送到数据平面的IP转发器/路由栈之前从硬件组件截取分组的层)。
4.异常分组处理器(捕获传送IP路由栈不知道如何处理的拓扑信息的控制分组,检查它们并将它们转发给适当的L2协议,以进行进一步的处理)。
5.接口管理器层(使虚拟接口的创建、处理和管理便利,并维护虚拟端口和物理端口之间的绑定,以及处理集合物理端口(aggregatedphysical port)到虚拟集合端口的创建和管理、这些虚拟端口之间的分组的分配(distribution)并维护虚拟和物理端口的管理状态)。
6.在硬件抽象层和硬件集成平面之间镜像功能的组件(将HAL API扩展到数据平面,并将基于硬件的PI提供给到实际硬件驱动器的API的接口)。
7.HIP API和硬件驱动器的API之间的软件中介层(shim layer)(在数据平面中),该软件中介层将HIP API翻译成该驱动器的API。
8.框架(chassis)和堆栈支持,包括可靠的数据传输机制和发现机制。
9.将管理接口层从控制平面扩展到数据平面。
将这种大负担施加给交换机的设计者增加了他们的开发费用以及开发时间。传统上,在创建功能、数据结构和通信路径的不必要的副本的许多情况下,以ad-hoc的方式执行这些功能,而不考虑抽象的功能之间的相互关系。此外,很多时候,交换机软件被发布给需要定制它们以与他们自己的硬件一起工作的客户。因此,对于所有这些组件的设计负担被施加给客户。需要的是不要求设计者或客户参与这种耗时的开发的解决方案。
发明内容
可以通过使为了处理一个接口管理器下的所有逻辑和物理的相关接口所需的所有功能和算法记住虚拟接口和逻辑接口之间的绑定,并维护属于虚拟接口的端口和实际的逻辑端口的状态,来在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能。当实际接口关闭(go down)时,虚拟接口可以随之关闭。绑定还可以包括限定(definition)。所有这些绑定可以位于单个路由信息库(RIB)数据库中,从而不需要在各个地方保持多个绑定。此外,控制平面中的硬件抽象层随后还可以镜像到数据平面中,从而不需要客户创建执行相同任务的层。
附图说明
包含附图并构成本说明书的一部分,附图示出了本发明的一个或更多个实施方式,并且与详细说明一起用于解释本发明的原理和实现。
图1是表示根据本发明的实施方式的网络交换机体系结构的图。
图2是表示在根据本发明的实施方式的网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能的方法的图。
具体实施方式
这里在计算机、服务器、软件的系统环境下描述本发明的实施方式。本领域的普通技术人员将认识到本发明的以下详细描述仅是说明性的并且并不旨在受到任何方式的限制。本领域的技术人员在本公开的帮助下将容易地想到本发明的其他实施方式。现在将对附图中所示的本发明的实现进行详细说明。在整个附图和下面的详细描述中,使用相同的标号来指代相同或相类的部分。
为了清楚起见,没有示出和描述在此所述的实现的全部常规(routine)特征。当然,应该理解,在任何这种实际实现的开发中,必须进行许多具体实现的决策以达到开发人员的具体目标(例如,符合与应用和商业相关的限制),并且这些具体目标根据实现和开发人员而变化。此外,应该理解,尽管这种开发努力可能是复杂而耗时的,但是对于受益于本公开的本领域的普通技术人员来说将是常规的工程任务。
根据本发明,组件、处理步骤和/或数据结构可以使用各种类型的操作系统、计算平台、计算机程序和/或通用机器来实现。此外,本领域的普通技术人员将认识到,在不偏离在此公开的发明思想的范围和精神的情况下,还可以使用具有较不通用特性的设备,例如硬连线设备、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等。
可以通过使为了处理一个接口管理器下的所有逻辑和物理的相关接口所需的所有功能和算法记住虚拟接口和逻辑接口之间的绑定,并维护属于虚拟接口的端口和实际的逻辑端口的状态,来在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能。当实际接口关闭时,虚拟接口可以随之关闭。绑定还可以包括限定。所有这些绑定可以位于单个数据库中,从而不需要在各个地方保持多个绑定。控制平面处理所有接口,就好像它们是物理接口一样,由此改善控制平面对决策的路由和转发,从而提高了性能、网络弹性(resilliancy)和网络稳定性。此外,绑定可以被结合到实际的物理芯片中。此外,控制平面中的硬件抽象层随后还可以被镜像到数据平面中,从而不需要客户创建执行相同任务的层。此外,接口管理器维护从驻留在控制平面中的路由信息库(RIB)导出的系统范围的转发信息库(FIB)。正在出现的新的下一代网络处理器还能够维护内部转发数据库(FDB)。然后,网络处理器可以基于它们的内部转发数据库以线速(wire speed)作出转发决策。网络处理器的FDB在其整体容量上要小得多。结果,网络处理器能够仅维护系统范围的FIB的一部分。当网络处理器需要转发分组时,所述网络处理器在其内部FDB中查找匹配目的地MAC或者IP地址匹配。如果网络处理器找到匹配,则网络处理器将分组转发到正确的端口。如果没有找到,则NP将分组转发到数据平面的分组处理器(handler)。分组处理器检查该分组,并检验IP栈是否可以将该转发解析到正确端口,如果不可以,则将该分组传送到接口管理器。因为接口管理器维护并更新FIB,所以其具有更高的解析该转发决策的可能性。如果接口管理器解析了该转发决策,则它更新NP FDB,并且还使用对IP的FIB的直接访问来更新IP栈的FIB。这种机制是唯一的,并且由于分组不必被转发到控制平面来进一步解析转发决策,所以该机制使得能构进行更快的转发决策和解析。只有在网络拓扑中出现新的主机、网络单元或变化时,才需要将分组转发到控制平面以进行解析。
分组处理器还截取控制分组,并将它们发送到分组处理器。然后,分组处理器检查控制分组的类型,如果这些分组针对L2(以太网型控制分组),则将所述分组传送到后端套接字层分组处理器,然后被发送到正确的L2协议以进行进一步处理。针对路由协议的控制分组遵循基于正常IP的分组转发。
当一起工作时,这些功能提供了性能上的显著提高,并且使得能够在兆兆位每秒的范围内优化能够转发分组的新一代网络处理器的转发能力。因此,以具有最小分组延迟、抖动以及漂移(wonder)的线速来执行数据流的交换与转发。
已经开发了平台集成体系结构,以便于下一代交换和路由系统的设计。平台集成体系结构提供了为了提供这种新的功能所需的控制平面和数据平面之间的更紧密的结合。该体系结构的两个主要组件是硬件抽象层(HAL)组件和驻留在数据平面中的硬件集成平面(HIP)组件。
HAL/HIP软件组件形成唯一地绑定控制平面和数据平面的硬件服务层。可以对HAL/HIP API进行扩展,以将先进的功能添加到系统中,以利用提供先进网络功能(例如,MPLS、多播以及服务质量和通信量工程)的新的网络处理器。
使用HAL/HIP硬件服务层,系统设计者仅需要提供以下组成部分:
1.HIP API和硬件驱动器的API之间的软件中介层(在数据平面中),该软件中介层将HIP API翻译成该驱动器的API。
图1是表示根据本发明的实施方式的网络交换机体系结构的图。
唯一需要开发的软件组件是硬件服务中介层100。通过使用接口管理器102维护虚拟接口和逻辑接口之间的绑定以及它们的限定(全部位于数据平面中的单个数据库中),以及通过将控制平面的硬件抽象层复制到数据平面的硬件抽象层104来实现该软件组件。
根据系统,这可以代表在系统设计中节省了40%到50%的额外费用,并潜在地减少了30%到40%的上市时间。
该数据平面的实现使得能够高度模块化、控制平面协议和应用程序与OS和交换硅平台的灵活和优化的集成。在该实现中,控制平面协议和应用程序全部从硬件、操作系统和系统基础结构中抽象出来,并且可以透明地工作在具有相同的数据平面实现的任意平台中。协议和应用程序可以独立于底层平台以颗粒的(granular)方式添加或去除。
该创新的实现基于涵盖L2端口、L3接口、集合(L2或L3)、交换的虚拟接口以及所有可能的L2/L3/VLAN/集合分级结构(hierarchy)的综合体系结构。所有这些接口和分级结构被表示成在逻辑上隔离所有硬件平台细节的控制平面。通过单个外壳命令(shell command)改变系统配置的灵活性使得能够适应快速变化的L2/L3交换的需要,特别是在网络操作者并入额外的先进功能(例如,VoIP、视频流、安全性和无线)时。
该先进的实现可以用分布式数据平面和中央冗余控制平面来构建。当具有单个管理点时,该实现自动发现硬件系统拓扑,并且在可堆栈的系统或基于框架的系统中在支持完全分布的数据平面方面选择主/从实例。
在开发新产品时,基于这种先进的数据平面体系结构的实现是在不同交换平台之间高度可移植,从而使得能够进行高度的实现再利用,并且对于快速的上市时间更加重要。这具有以下优点:
1.控制平面协议和应用程序以唯一和创新的方式从HW、OS以及系统基础结构中抽象出来,并且可以透明地跨不同的硬件平台和操作系统进行工作。在开发新产品时,基于这种先进的数据平面体系结构的实现是在不同交换平台之间高度可移植,使得能够进行高度的实现再利用,并且对于快速的上市时间更加重要。
2.协议和应用程序可以独立于底层平台以颗粒的方式添加或去除。
3.这种创新的实现基于涵盖L2端口、L3接口、集合(L2或L3)、交换的虚拟接口以及所有可能的L2/L3/VLAN/集合分层结构的“整体(holistic)”方法。以这种唯一的方法,所有这些接口和分层结构被表示成在逻辑上隔离所有硬件平台细节的控制平面。
4.这种创新的L2/L3集成方法提供了在通过单个外壳命令改变系统配置方面的灵活性,以使得能够适应快速变化的L2/L3交换的需要,特别是在网络操作者并入额外的先进功能(例如VoIP、视频流、安全性和无线)时。
5.这种创新的方法保留了以上所有的优点(与hw平台无关的控制平面、模块化的控制平面、唯一的L2/L3混合实现等),同时通过唯一的方式(在该方式中,通过仔细构造(craft)的接口管理器、分组异常处理器和HAL API来更新NP FDB和IP栈的FIB并且使条目(entry)老化(aged))使得分布式数据平面能够具有中央控制平面实现,以具有最高的性能和扩展性(scalability)。
通过使接口管理器记住虚拟接口和逻辑接口之间的绑定,并在维护始终由控制平面RIB更新的FIB的同时,维护属于虚拟接口的端口和实际的逻辑端口的状态,可以实现该优点。当实际接口关闭时,虚拟接口可以随之关闭。绑定还可以包括限定。所有这些绑定可以位于单个数据库中,从而不需要在各个地方保持多个绑定。此外,绑定可以被结合到实际的物理芯片中,并且FIB/RIB绑定可以随着网络拓扑的改变而快速更新。
控制平面的硬件抽象层随后还可以被镜像到数据平面中,从而不需要客户创建执行相同任务的层。
图2是表示在根据本发明的实施方式的网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能的方法的流程图。可以在硬件、软件或其任意组合中执行该方法的各个动作。在200处,可以接收针对网络交换机的虚拟接口和一个或更多个逻辑接口之间的绑定的请求。该绑定可以包括与网络交换机的属于虚拟接口的端口有关的信息。在202处,可以接收针对该绑定的限定。在204处,可以在网络交换机的控制平面中的单个RIB数据库和数据平面中的导出的FIB中维护该绑定和限定。在206处,还可以在网络交换机的数据平面中的单个数据库中维护该绑定的状态。在208处,可以将该绑定链接到物理芯片。
在210处,可以确定该绑定的状态是否表示逻辑接口关闭。如果是,则在212处,可以关闭由该绑定指定的对应虚拟接口。RIB和FIB被立即更新,并且拓扑变化被传播到网络的其余部分。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式和应用,但是本领域技术的人员在本公开的帮助下将明白,在不偏离这里的本发明的思想的情况下,可以进行比上述更多的修改。因此,除了受所附权利要求的精神限制以外,本发明不受其他限制。
本申请要求基于Vividh Siddha、Kunihiro Ishiguro和Willie Hernandez于2005年2月25日提交的序列号为60/656,756、标题为“硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer)”的临时申请的优先权。
Claims (25)
1.一种在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能的方法,所述方法包括:
接收针对所述网络交换机的虚拟接口和一个或更多个逻辑接口之间的绑定的请求;
接收针对所述绑定的限定;以及
在所述网络交换机的所述数据平面中的单个数据库中维护所述绑定和所述限定。
2.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
在所述网络交换机的所述数据平面中的所述单个数据库中维护所述绑定的状态。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述绑定是与所述网络交换机的属于所述虚拟接口的端口有关的信息。
4.根据权利要求2所述的方法,该方法还包括:
在所述绑定的状态表示逻辑接口关闭的情况下,关闭由所述绑定指定的对应虚拟接口。
5.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
将所述绑定链接到物理芯片。
6.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
将硬件抽象层从所述网络交换机的控制平面复制到所述网络交换机的所述数据平面上。
7.根据权利要求1所述的方法,其中,所述单个数据库是转发信息库,并且所述方法还包括:
从路由信息库中导出所述转发信息库。
8.根据权利要求1所述的方法,该方法还包括:
更新用于网络处理器的芯片的转发数据库和用于连接到所述网络交换机的IP栈的转发信息库。
9.一种网络交换机,该网络交换机包括:
控制平面;以及
连接到所述控制平面并且包括接口管理器的数据平面,其中,所述接口管理器被构造为:接收针对所述网络交换机的虚拟接口和一个或更多个逻辑接口之间的绑定的请求;接收针对所述绑定的限定;以及在所述网络交换机的所述数据平面中的单个数据库中维护所述绑定和所述限定。
10.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述接口管理器还被构造为在所述网络交换机的所述数据平面中的所述单个数据库中维护所述绑定的状态。
11.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述绑定是与所述网络交换机的属于所述虚拟接口的端口有关的信息。
12.根据权利要求10所述的网络交换机,其中,所述接口管理器还被构造为在所述绑定的状态表示逻辑接口关闭的情况下,关闭由所述绑定指定的对应虚拟接口。
13.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述接口管理器还被构造为将所述绑定链接到物理芯片。
14.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述控制平面包括硬件抽象层,并且所述数据平面还包括所述硬件抽象层的复制版本。
15.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述单个数据库是转发信息库,并且所述接口管理器还被构造为从路由信息库中导出所述转发信息库。
16.根据权利要求9所述的网络交换机,其中,所述接口管理器还被构造为更新用于网络处理器的芯片的转发数据库和用于连接到所述网络交换机的IP栈的转发信息库。
17.一种在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能的设备,所述设备包括:
用于接收针对所述网络交换机的虚拟接口和一个或更多个逻辑接口之间的绑定的请求的装置;
用于接收针对所述绑定的限定的装置;以及
用于在所述网络交换机的所述数据平面中的单个数据库中维护所述绑定和所述限定的装置。
18.根据权利要求17所述的设备,该设备还包括:
用于在所述网络交换机的所述数据平面中的所述单个数据库中维护所述绑定的状态的装置。
19.根据权利要求17所述的设备,其中,所述绑定是与所述网络交换机的属于所述虚拟接口的端口有关的信息。
20.根据权利要求18所述的设备,该设备还包括:
在所述绑定的状态表示逻辑接口关闭的情况下,用于关闭由所述绑定指定的对应虚拟接口的装置。
21.根据权利要求17所述的设备,该设备还包括:
用于将所述绑定链接到物理芯片的装置。
22.根据权利要求17所述的设备,该设备还包括:
用于将硬件抽象层从所述网络交换机的控制平面复制到所述网络交换机的所述数据平面上的装置。
23.根据权利要求17所述的设备,其中,所述单个数据库是转发信息库,并且所述设备还包括:
用于从路由信息库中导出所述转发信息库的装置。
24.根据权利要求17所述的设备,该设备还包括:
用于更新用于网络处理器的芯片的转发数据库和用于连接到所述网络交换机的IP栈的转发信息库的装置。
25.一种机器可读的程序存储装置,该程序存储装置包含有可由所述机器执行用来执行在网络交换机的数据平面中提供交换和路由功能的方法的指令的程序,所述方法包括:
接收针对所述网络交换机的虚拟接口和一个或更多个逻辑接口之间的绑定的请求;
接收针对所述绑定的限定;以及
在所述网络交换机的所述数据平面中的单个数据库中维护所述绑定和所述限定。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120704 Termination date: 20140224 |