CN101409676A - 一种电信以太网路由的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电信以太网路由的方法和系统，将彼此联网的以太网交换设备组成一个域；为域内的每台以太网交换设备分配不同的网段地址；域中的边界以太网交换设备为每个可见的外部主机分配不同主机地址；进入域的以太网报文到达边界以太网交换设备时，将该报文中的源地址替换为新的以太网地址，包括该边界以太网交换设备的网段地址和为发出该报文的源主机分配的主机地址，并根据目的地址向域内转发；离开域的以太网报文中到达边界以太网交换设备时，根据分配的主机地址与实际主机地址的对应关系，将该报文中的包含有网段地址和主机地址的目的地址替换为实际的外部主机地址，并向域外转发到目的主机。本发明解决了PE设备上MAC地址爆炸的问题。

Description

一种电信以太网路由的方法和系统

技术领域

本发明涉及电信以太网技术，特别是指一种电信以太网路由的方法和系统。

背景技术

目前电信以太网网络主要包括VPLS(Virtual Private LANServices，虚拟专用局域网业务)和PBB(Provider BackboneBridge，运营商骨干桥)等技术。VPLS技术要求在PE(ProviderEdge，运营商边缘)设备之间建立Full Mesh的全连接，但这样会导致VC数量过多的问题(即所谓N平方问题)。在PE设备增加的情况下这个问题变得极为明显。为了解决这个问题，VPLS升级成为H-VPLS(Hierarchical VPLS，层次化VPLS)技术。通过将PE设备层次化，有效地降低了需要直接建立Full Mesh全连接的PE数量，由此降低了VC(Virtual Circuit，虚电路)连接数。

但H-VPLS技术带来一个新问题：对于每一个用户VPN(Virtual Private Network虚拟专用网络)而言，加入这个VPN的PE设备除不需要记忆此VPN中从本地接入的MAC(MediumAccess Control Layer介质访问控制层)外，需要记忆本VPN中所有其他MAC地址。对于处于网络汇聚点的同时承载很多VPN的PE设备而言，这会带来两个问题，其一是在进行高速转发时需要从很大的MAC地址与VPLS目标地址映射表中进行检索，其二是过大的MAC地址表本身会超出系统的限制。

PBB技术是将用户报文进行MacInMac封装，网络拓扑则与前述H-VPLS技术基本一致。在决定封装后的报文的目标MAC地址时也需要进行同样的检索。PBB技术，以及其他类似的技术，显然也会与H-VPLS技术一样，面临同样的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种电信以太网路由的方法和系统，解决电信以太网网络中，H-VPLS以及类似网络拓扑下，需要进行FullMesh全连接的、处于汇聚点的H-VPLS及PBB的PE设备中MAC地址爆炸的问题。

基于上述目的本发明提供的一种电信以太网路由的方法，包括：

将彼此联网的以太网交换设备组成一个域；

为域内的每台以太网交换设备分配不同的网段地址；

进入域的以太网报文到达边界以太网交换设备时，该边界以太网交换设备将该报文中的源地址替换为新的以太网地址，该新的以太网地址中包括该边界以太网交换设备的网段地址和为发出该报文的源主机分配的主机地址，并根据目的地址向域内转发；

离开域的以太网报文中到达边界以太网交换设备时，该边界以太网交换设备将该报文中的包含有网段地址和主机地址的目的地址替换为实际的外部主机地址，并向域外转发到目的主机。

可选的，该方法所述主机地址由所述边界以太网交换设备在源主机发送的报文第一次进入该边界交换设备时分配，并将分配的主机地址与实际主机地址的对应关系保存在本地。

可选的，该方法所述新的以太网地址分为前后两部分，前部分作为网段地址，后部分作为分配的主机地址。

可选的，该方法对于用户侧发来的以太网报文，以太网交换设备根据自身原有的路由表转发。

可选的，该方法所述以太网交换设备为以下一种或一种以上组合：二、三层以太网交换机、以太网中的PE运营商边缘设备。

可选的，该方法所述以太网地址为以太网MAC地址。

基于上述目的，本发明还提供了一种电信以太网路由的系统，包括主机和以太网交换设备，包括：

多个彼此联网的以太网交换设备组成一个域，域内的每台以太网交换设备分配有不同的网段地址；

边界以太网交换设备在进入域的以太网报文到达该边界以太网交换设备时，将该报文中的源地址替换为新的以太网地址，该新的以太网地址中包括该边界以太网交换设备的网段地址和为发出该报文的源主机分配的主机地址，并根据目的地址向域内转发；

边界以太网交换设备在离开域的以太网报文中到达该边界以太网交换设备时，将该报文中的包含有网段地址和主机地址的目的地址替换为实际的外部主机地址，并向域外转发到目的主机。

可选的，该系统所述主机地址由所述边界以太网交换设备在源主机发送的报文第一次进入该边界交换设备时分配，并在该边界交换设备本地保存将分配的主机地址与实际主机地址的对应关系。

可选的，该系统所述新的以太网地址分为前后两部分，前部分作为网段地址，后部分作为分配的主机地址。

可选的，该系统对于用户侧发来的以太网报文，以太网交换设备根据自身原有的路由表转发。

可选的，该系统所述以太网交换设备为以下一种或一种以上组合：二、三层以太网交换机、以太网中的PE运营商边缘设备。

可选的，该系统所述以太网地址为以太网MAC地址。

从上面所述可以看出，本发明提供的电信以太网路由的方法和系统，将MAC地址通过划分网络地址和主机地址的方式层次化；将层次化MAC(Hierarchical MAC，下文简称HMAC)地址按层次(网络地址)归并；归并后的HMAC路由表远远小于每个MAC一个条目的传统MAC地址表，节省了存储空间、查表时间，可以提高设备稳定性、实现高速转发；将转发时需要查找的表格由原来的每MAC一条记录缩减为每网段一条记录，极大地缩减了电信以太网中PE设备上需要记忆的MAC地址数量，既提高了查找和转发的效率，又解决了PE设备上MAC地址爆炸的问题。

另外，本发明还可以从IP协议簇中移植成熟的路由协议，如EIGRP/OSPF等，生成HMAC路由表；优化网络结构，当前IP层能提供的功能理论上都可以在MAC层实现，如实现自动流量均衡等；巧妙地实现了HMAC到MAC的转换，提供了实现HMAC方案的现实可能性；提出了HMAC域的概念，域内按HMAC规则进行高速转发，域边界上执行HMAC到MAC的地址转换，主要的工作被转移到域边界执行；由于边界交换机只需要记忆本地接入的域外MAC地址，可以进一步将MTU纳入域中，由MTU执行转换操作，进一步减轻PE的压力，充分发挥周边设备能力。

附图说明

图1为本发明实施例MAC地址层次化的H-VPLS网络结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

对于一般的以太网MAC地址来说，共有6字节，将其分为前后两部分。前部分作为网段地址，后部分作为主机地址。作了这种划分的MAC地址可命名为层次化MAC地址(Hierarchical MAC，下文简称HMAC)。区分前后两部分的具体技术，既可以固定化，也可以采用类似IP的掩码技术动态地指定。

另外，也可以前部分作为主机地址，后部分作为网段地址；或者，也可以将以太网MAC地址中的某一段作为网段地址，剩余部分或者另外某一段作为主机地址等，总之分配方法可以采取多种方式。

升级具有二层交换能力的设备，包括普通的二、三层以太网交换机、电信以太网网络中的PE设备等以太网交换设备(本说明书在下文中简称“HMAC交换机”)，使其具有利用HMAC的优点进行快速交换的能力。

彼此联网的具有HMAC交换能力的设备形成一个HMAC域。

HMAC域内的每一台HMAC交换设备被赋予一个HMAC的网段地址。

在HMAC域的边界上，HMAC边界交换机为每一个可见的外部主机(拥有一个唯一的MAC地址)分配一个HMAC主机地址。HMAC边界交换机自身的网络号加上由其分配给外部主机的HMAC主机地址组成一个完整的HMAC主机地址。

每一个进入HMAC域的以太网报文，由边界HMAC交换机将其源MAC地址替换为自己为其分配的HMAC地址后在HMAC域内转发。

根据上面所述，该分配的HMAC地址为网段地址+主机地址形式，网段地址是指该边界HMAC交换机的网段地址，主机地址是发送该报文的源主机的HMAC主机地址，该主机地址由该边界HMAC交换机在源主机发送的报文第一次进入该边界HMAC交换机时分配，并将分配的主机地址与实际主机地址的对应关系保存在本地。另外，主机地址也可以预先分配并将主机地址与实际主机地址的对应关系保存在该边界HMAC交换机中。

报文离开HMAC域的时候，边界HMAC交换机做下面的操作：

1)如果目的MAC地址是广播地址，边界HMAC交换机不作更改，直接向域外转发；

2)如果目的MAC地址是单播地址，则此地址必为HMAC地址。边界交换机将此HMAC替换为对应的主机MAC。

需要强调的是边界HMAC交换机没有更改离开域的报文中的源MAC地址。

所述如果目的MAC地址是单播地址，则此地址必为HMAC地址的原因如下：

根据报文在进入和离开HMAC域时的源/目的MAC地址的替换规则，一个穿越了HMAC域的报文在抵达目的主机的时候，其源MAC地址一定是HMAC地址。这一点决定了目的主机通过ARP应答机制学习到的穿越HMAC域的远端主机IP对应的MAC一定是HMAC地址，因而也决定了该主机在向穿越HMAC域的远端主机发送单播报文的时候，报文的目的MAC地址一定是HMAC地址；这最终决定了进入HMAC域的单播报文的目的MAC地址一定是HMAC格式。

HMAC域内的所有交换机按HMAC网络号对路由进行归并。对于目标HMAC地址是域内其他交换机的报文，完全按HMAC路由表进行高速交换操作。目标HMAC网段是本机的报文，则为即将从本机离开HMAC域的报文，按前述规则，边界HMAC交换机将其目标HMAC地址替换为外部主机的实际MAC地址后向HMAC域外转发。另外，对于广播和多播报文，由于其目的地址不会是HMAC格式，仍按传统规则进行转发。

地址的替换操作与根据HMAC进行高速交换是彼此分离的操作。应用到H-VPLS网络中，可以将地址替换操作放在MTU(Multi-Tenant Unit，多租户单元)上。PE交换机中只有极简单的路由表(每个边界交换机对应于一条HMAC路由)执行基于HMAC的高速交换。

参见图1所示，下面用一个典型的电信以太网H-VPLS VPN的场景来介绍这个方案：

以太网MAC地址共6字节，不妨将前2字节定义为网段地址，而将后4字节定义为主机地址。

假设某企业用户有5个位于不同地理位置的办公场所，每个场所均有20台主机，分别通过5个不同的PE接入到同一个VPN。

首先要求所有的PE设备进行软件升级，以支持利用HMAC层次化特性进行高速交换。同时，本例中还要求PE设备支持MAC-HMAC地址替换。形成Full Mesh的PE组成一个HMAC域。

为每台PE分配一个唯一的HMAC网段地址

简单起见，每PE分配一个HMAC网段地址即可。此网段理论上可以超越用户VPN。本例中假设依次分配00:01至00:05为PE设备的HMAC网段地址。

对于每台PE而言，为每台通过该PE进入HMAC域的用户设备分配一个HMAC主机地址。

此操作在PE首次学习到设备MAC地址的时候执行。网段地址加主机地址形成一个完整的6字节HMAC地址。因为PE的网段地址是HMAC域内唯一的，因此要求HMAC主机地址做到本地唯一，这样即可保证HMAC地址全局唯一。

PE并不要求拥有该MAC的设备将原MAC地址改为自己为之分配的HMAC地址，而只将此HMAC保存在本地。

本例中，从PE A进入HMAC域的主机A1将被分配HMAC地址00:01:00:00:00:01，其他主机类推。

对于每一个通过此PE进入HMAC域的以太网报文，PE将该报文中的源MAC地址替换为PE为之分配的HMAC地址。

这样，报文在抵达目的主机的时候源MAC地址总是HMAC地址。这个结果意味着目的主机学习到的其他主机的MAC地址均为HMAC地址，进而该主机发出的所有报文的目标MAC地址也均为HMAC地址。简言之，只要确保所有进入HMAC域的报文的源地址均被替换为HMAC地址，就可以保证所有进入HMAC域的报文的目标MAC地址为HMAC地址。

本例中，主机A1发出的报文在进入PE A之后，报文源MAC地址将被替换为PE A为其分配的HMAC地址00:01:00:00:00:01。网络上由其他PE接入的主机将在MAC地址学习过程中学习到主机A1的MAC地址为00:01:00:00:00:01。类推，由PE B接入的主机B1将被分配00:02:00:00:00:01的HMAC地址，并被A1学习到。

PE执行基于HMAC的高速封装和交换

此时PE上所有报文的目标MAC地址均为HMAC地址，PE可以利用HMAC具有的层次的特点进行高效的操作。

不同于普通的以太网交换，电信以太网中的PE设备需要对报文进行封装以便于在核心层传送，并在离开时解封装。H-VPLS技术需要在用户侧报文到来时对报文进行MPLS封装，并根据报文的目标MAC地址决定封装后的MPLS包的投送路径；PBB则对用户侧报文进行MacInMac封装，亦根据报文的目标MAC决定封装后报文的外层目标MAC地址。

在MAC地址层次化以后，只需根据HMAC地址的网段即可决定封装后报文的投送路径(H-VPLS)或外层目标MAC(MacInMac)。

对于用户侧送来的报文(其目标HMAC地址的网段地址部分必然指向VPN中其他PE)，可以根据有限的路由表进行转发。对于本例中HMAC网段为00:01的PE而言，其路由表将只有4条，分别指向另外4台PE。路由表可以静态设定，也可引入成熟的路由协议(如OSPF、IS-IS等)的HMAC版来动态生成。

对于网络侧送来的报文(其他PE通过Mesh连接送达，目标HMAC地址必然为本地)，则在将报文解封装后，根据目标HMAC查找相应的物理端口，并将报文的目标地址改为设备原始MAC地址后转发。

本实施例中，A1发往B1的报文，目标MAC地址为00:02:00:00:00:01，在进入PE A之后，PE A根据其HMAC网段地址00:02与只有4个表项的HMAC交换路由表比对，即可迅速判断出此报文应送往PE B。HMAC路由表的生成，可以通过移植IP协议中成熟的路由协议(如OSPF/EIGRP等)到MAC层来实现。所述路由表参见表1所示：

HMAC网段	目标PE
		00:01:00:00:00:00/16	Self
00:02:00:00:00:00/16	PE B
		00:03:00:00:00:00/16	PE C
00:04:00:00:00:00/16	PE D
		00:05:00:00:00:00/16	PE E

表3

采用层次化方案前后效果对比：

之前，此VPN在每台PE上需记忆4×20＝80个远端MAC地址参见表2所示，并在每一次转发时检索此表；假如每PE上有1000个VPN，则有1000×80＝80000个MAC地址需要记忆。

Host	MAC	目标PE
			B1	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE B
B2	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE B
			……	……	……
B20	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE B
			C1	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE C
C2	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE C
			……	……	……
C20	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE C
			D1	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE D
D2	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE D
			……	……	……
D20	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE D
			E1	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE E
E2	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE E
			……	……	……
E20	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	PE E

表2

之后，每台PE上需记忆4条路由表和每VPN 20个本地MAC地址，参见表3所示，并在报文进入和离开时各进行一次MAC地址替换操作。假如每PE上有1000个VPN，则有4条路由和1000×20＝20000个MAC需要记忆。

Host	MAC	HMAC
			A1	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	00:01:00:00:00:01
A2	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	00:01:00:00:00:02
			……	……	……
A20	＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊：＊＊	00:01:00:00:00:14

表3

更一般地，假如需要建立Full Mesh连接的PE有N个，每PE有M个主机接入，则采用层次化方案之前，每台PE需要记忆的MAC地址数为(N-1)×M，而采用层次化方案之后则变为M个MAC和N条路由。M、N越大，层次化的效果越明显。

事实上，HMAC地址的分配和替代工作可以转移到MTU上进行(需要将二层以太网交换机升级以支持此功能)，根据HMAC域的设定，PE上路由表的条数等价于边界交换机的数量。这个数量将远远小于主机数量，由此可以实现PE的高速转发。

本发明的描述是为了示例和说明起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (12)

1.一种电信以太网路由的方法，其特征在于，包括：

将彼此联网的以太网交换设备组成一个域；

为域内的每台以太网交换设备分配不同的网段地址；

进入域的以太网报文到达边界以太网交换设备时，该边界以太网交换设备将该报文中的源地址替换为新的以太网地址，该新的以太网地址中包括该边界以太网交换设备的网段地址和为发出该报文的源主机分配的主机地址，并根据目的地址向域内转发；

离开域的以太网报文中到达边界以太网交换设备时，该边界以太网交换设备将该报文中的包含有网段地址和主机地址的目的地址替换为实际的外部主机地址，并向域外转发到目的主机。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主机地址由所述边界以太网交换设备在源主机发送的报文第一次进入该边界交换设备时分配，并将分配的主机地址与实际主机地址的对应关系保存在本地。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述新的以太网地址分为前后两部分，前部分作为网段地址，后部分作为分配的主机地址。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于用户侧发来的以太网报文，以太网交换设备根据自身原有的路由表转发。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以太网交换设备为以下一种或一种以上组合：二、三层以太网交换机、以太网中的PE运营商边缘设备。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以太网地址为以太网MAC地址。

7.一种电信以太网路由的系统，包括主机和以太网交换设备，其特征在于，包括：

多个彼此联网的以太网交换设备组成一个域，域内的每台以太网交换设备分配有不同的网段地址；

边界以太网交换设备在进入域的以太网报文到达该边界以太网交换设备时，将该报文中的源地址替换为新的以太网地址，该新的以太网地址中包括该边界以太网交换设备的网段地址和为发出该报文的源主机分配的主机地址，并根据目的地址向域内转发；

边界以太网交换设备在离开域的以太网报文中到达该边界以太网交换设备时，将该报文中的包含有网段地址和主机地址的目的地址替换为实际的外部主机地址，并向域外转发到目的主机。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述主机地址由所述边界以太网交换设备在源主机发送的报文第一次进入该边界交换设备时分配，并在该边界交换设备本地保存将分配的主机地址与实际主机地址的对应关系。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述新的以太网地址分为前后两部分，前部分作为网段地址，后部分作为分配的主机地址。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，对于用户侧发来的以太网报文，以太网交换设备根据自身原有的路由表转发。

11.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述以太网交换设备为以下一种或一种以上组合：二、三层以太网交换机、以太网中的PE运营商边缘设备。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述以太网地址为以太网MAC地址。

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