CN101491029B - 以太网层2协议包交换 - Google Patents

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Abstract

在一个实施例中，一种装置包括接入节点，并且接入节点包括端口。接入节点可操作来根据唯一的提供商虚拟局域网标签(S-TAG)和分配给每个端口的唯一的IEEE 802.1Q标签头(C-TAG)来执行下行链路交换。

Description

以太网层2协议包交换
相关申请的交叉引用
本申请要求来自2006年7月14日提交的美国临时专利申请60／807,430的优先权。美国临时专利申请60／807,430通过引用以其全部内容合并在此。
技术领域
本公开一般地涉及数字计算机网络技术，并且更具体地，涉及改进的以太网服务。
背景技术
包交换描述了其中基于包含在每个包内的目的地地址经由网络路由相对小的称为包的数据单元的网络类型。将通信分解成包使相同的数据路径能够在网络中的许多用户间被共享。这种在发送者和接收者之间的通信类型被称为是无连接的(而不是专用的)。互联网中的大部分流量使用包交换并且互联网基本是一个无连接的网络。
发明内容
本发明的一个技术方案提供了一种包交换方法，该方法包括：将唯一的提供商虚拟局域网标签(S-TAG)分配给一组端口并且另外将唯一的IEEE802.1Q标签头(C-TAG)分配给该组端口中的每个端口以实现N：1虚拟局域网(VLAN)分配方案，该组端口包括在通信地将用户边缘(CE)设备连接到提供商边缘(PE)设备的接入节点中；在该接入节点处接收来自所述CE设备的帧，所述帧包含层2(L2)协议包；将标签插入所述帧，所述标签包括所述S-TAG和相应的C-TAG；并且根据所述S-TAG将包含所述标签的L2协议包转发到所述PE设备。
本发明的另一技术方案提供了一种包括接入节点的装置，所述接入节点通信地将用户边缘(CE)设备连接到提供商边缘(PE)设备并包括一组端口，将唯一的提供商虚拟局域网标签(S-TAG)分配给该组端口并且另外将唯一的IEEE802.1Q标签头(C-TAG)分配给该组端口中的每个端口以实现N：1虚拟局域网(VLAN)分配方案，其中，所述接入节点可操作来接收来自所述CE设备的包含层2L2协议包的帧，将包括所述S-TAG和相应的C-TAG的标签插入所述帧，并且根据所述S-TAG将包含所述标签的L2协议包转发到所述PE设备。
附图说明
图1A是说明使用集线器(hub)的以太网LAN的图；
图1B是说明使用以太网交换机的以太网LAN的图；
图2A是说明如何根据IEEE802.1Q将VLAN标签插入到未标记的以太网帧内部以创建已标记的以太网帧的图；
图2B是说明Q-中-Q的已标记以太网帧的图；
图3是说明适用于本发明实施例的网络的图；
图4是说明适用于本发明实施例的网络部分的图；
图5是说明根据本发明的某些实施例实现N：1VLAN方案的方法的图。
具体实施方式
1.概述
根据本发明的一个示例实施例的方法包括将提供商虚拟局域网标签(S-TAG)和IEEE802.1Q标签头(C-TAG)分配给一组端口以实现N：1虚拟局域网(VLAN)分配方案，该组端口包括在通信地将用户边缘(CE)设备连接到提供商边缘(PE)设备的接入节点中。本方法还包括接收来自CE设备的帧和根据S-TAG和C-TAG交换该帧，该帧包含层2(L2)协议包。
根据本发明的一个示例实施例的装置包括接入节点，该接入节点包括端口，该接入节点可操作来根据唯一的提供商虚拟局域网标签(S-TAG)和分配给每个端口的唯一的IEEE802.1Q标签头(C-TAG)执行下行链路交换。
根据本发明的另一个示例实施例，逻辑可被编码到一个或多个可触媒体中以便执行，并且在被执行时可操作来将标签插入到从用户边缘(CE)设备发送的帧中，该标签包括提供商虚拟局域网标签(S-TAG)和IEEE802.1Q标签头(C-TAG)，并且根据S-TAG和C-TAG执行下行链路交换。
2.示例实施例
介质访问控制(MAC)地址是分配给以太网网络设备以便在网络中标识它的唯一的十六进制序列号。随同以太网设备，该地址可在制造时永久地设置或在安装期间配置。每个网络设备具有至少一个唯一的MAC地址，这样它就能够仅接收发送到它的帧。如果MAC地址不是唯一的，将没有办法在两个站点之间进行区分。
网络中的设备监测网络流量并且在每个帧中搜寻它们自己的MAC地址以确定它们是否应该对其进行解码。存在特殊情况，用于向网络中的每个设备广播。虽然诸如网络接口卡(NIC)之类的一些类型的网络设备通常具有单个MAC地址，但是诸如路由器、网桥和交换机之类的其它类型的网络设备可具有多个MAC地址。具有多个MAC地址的网络设备通常为网络设备上的每个端口具有一个MAC地址。
以太网使用可变长度数据帧来从源向一个或多个目的地发送信息。每个以太网帧都具有两个字段，定义为源和目的地地址，其分别指出帧发起的网络设备的MAC地址和帧去往的网络设备的MAC地址。
以太网层2(L2)交换使帧能够根据它们的MAC地址在网络中被交换。当帧到达交换机时，交换机检查该帧的目的地MAC地址，并且如果该帧的目的地MAC地址已知的话，则将该帧发送到它从其得知该目的地MAC的输出端口。
在以太网L2交换中的两个重要的元素是MAC地址和虚拟局域网(VLAN)。以与网际协议(IP)路由经由层3(L3)IP地址在网络中定位站点相同的方式，以太网L2交换经由MAC地址定位终端站点。但是，不像IP，在IP中，IP地址由管理员分配并且可在不同的专用网络中被重用，MAC地址被假定为全局唯一的，因为它们指示硬件本身。这样，MAC地址通常不是由网络管理员分配。在某些情况下，MAC地址可被重写或复制，但这不是标准。
以太网是广播媒体。在没有VLAN概念的情况下，由局域网(LAN)中的站点发送的广播被发送到所交换的LAN的所有物理段(physicalsegment)。VLAN概念允许将LAN分割成逻辑实体，并且流量被局限在那些逻辑实体内。例如，一个大学校园可被分配多个VLAN-一个专门用于教员、一个专门用于学生并且第三个专门用于来访者。在这些VLAN的每一个内的广播流量与其它VLAN隔离。
图1A是说明使用集线器的以太网LAN的图，而图1B是说明使用以太网交换机的以太网LAN的图。
对于图1A的以太网集线器，LAN中的所有站点A1、A2、B1、B2共享相同的物理段。例如，一个10-Mbps的集线器允许共享10-Mbps带宽的站点之间的广播和单播流量。
另一方面，例如，图1B的以太网交换机允许每个段一个100-Mbps的连接，并且它将LAN分割成两个逻辑域，VLAN10和VLAN20。
VLAN的概念独立于站点本身。VLAN是由交换机进行的分配。在图1B中，端口1和2分配给VLAN10，而端口3和4分配给VLAN20。当站点A1和A2发送流量时，交换机标记该流量使其具有分配给接口的VLAN并且根据VLAN号来作交换决定。结果是VLAN内的流量与其它VLAN内的流量隔离。
MAC学习使以太网交换机能够学习网络中站点的MAC地址，以识别在哪个端口发送流量。LAN交换机通常会保留MAC学习表(或桥接表)和VLAN表。
MAC学习表将MAC／VLAN与给定端口相关联，并且VLAN表将端口与VLAN相关联。与图1B的以太网交换机相关联的MAC学习表和VLAN表呈现在图1B的右侧。MAC学习表和VLAN表显示以太网交换机已经学到了分别在端口1、2、4和3上的站点A1、A2、B1和B2的MAC地址。它还显示端口1和2与VLAN10相关联并且端口3和4与VLAN20相关联。
通过引用被结合的IEEE802.1Q定义了以太网帧如何被标记以具有VLAN ID。VLAN ID可由交换机而不是终端站点分配。在这种情况下，交换机将VLAN号分配给端口，并且在该端口上接收的每个帧都被分配该VLAN ID。以太网交换机在相同的VLAN之间交换帧。不同的VLAN之间的流量被发送到交换机自身内的路由功能(如果交换机支持L3转发)或外部路由器。
图2A是说明如何根据IEEE802.1Q将VLAN标签插入到未标记的以太网帧200内部以创建已标记的以太网帧250的图。
参考图2A，未标记的以太网帧200包括目的地MAC地址205、源MAC地址210、类型字段215和数据220。
为了创建已标记的以太网帧250，802.1Q标签头225被插入到源MAC地址210和类型字段215之间。802.1Q标签头225由2-字节的类型字段225a和2-字节的标签控制信息(TCI)字段225b组成。
类型字段225a被设置为0X8100以指示802.1Q已标记帧。TCI字段225b最左边的3比特指示根据IEEE802.1Q的优先级，IEEE802.1Q通过引用而被合并在此。802.1Q优先级字段可指定多达八种可用于在网络内提供不同级别的服务的不同优先级级别。TCI字段225b最右边的12比特构成VLAN ID字段，其允许分配多达4096(212)个VLAN号以便区分不同的VLAN已标记帧。
诸如城域以太网之类的某些以太网应用要求对L2交换的扩展。一个示例是实现VLAN堆叠的能力——即，给相同的以太网帧打上多个VLAN标记，创建VLAN ID的栈。接着，不同的实体可在VLAN栈的不同级别上执行L2交换。该VLAN堆叠的概念可方便地称为“Q-中-Q”，其是“IEEE802.1Q中的IEEE802.1Q”的缩写。
图2B是说明传统的Q-中-Q的已标记以太网帧270的图。当与图2A的已标记以太网帧250相比较时，可以看到Q-中-Q以太网帧270包括附加的插入在源MAC地址210和802.1Q标签头225之间的提供商VLAN(PVLAN)标签260。
像802.1Q标签头225一样，PVLAN标签260由2-字节类型字段260a和2-字节TCI字段260b组成。
为了方便，802.1Q标签头225可称为C-TAG，并且PVLAN标签260可称为S-TAG。
图3是说明适用于本发明实施例的示例网络300的图。
参考图3，网络300包括服务提供商(SP)网络305，其例如可以是城域以太网网络(MEN)。MEN是覆盖城市区域的基于以太网标准的计算机网络。
网络300还包括至少一个处于SP网络305边缘的提供商边缘(PE)设备310，其通过以太网上行链路325通信地连接到接入节点315。接入节点315例如可以是数字订户线路接入复用器(DSLAM)。适用于本发明的实施例的其它网络可包括不止一个接入节点315，每个所述接入节点都通过其自己的以太网上行链路325通信地连接到对应的PE310。
网络300还包括大量用户边缘(CE)设备320，其每个都通过链路335通信地连接到接入节点315。每个链路335可使用任何传输技术，即，帧中继、异步传输模式(ATM)、以太网VLAN等。
这样，每个CE320都通过其对应的链路335、接入节点315、和以太网上行链路325(它们被共同称为虚拟用户网络接口(VUNI))通信地连接到PE310。对于接入节点315期望的是维护用于每个CE320的虚拟UNI。
在接口A和接口B之间的区域中，其也可称作为聚合网络(aggregation network)，L2协议通常是有效的。以太网本地管理接口(E-LMI)是该协议的一个示例。E-LMI协议允许用于MEN的UNI处的服务的配置和状态信息从MEN被传送到连接到UNI处的MEN的CE设备。关于E-LMI协议的进一步细节可在2004年3月26日提交的美国专利申请序列号10／811,458中找到，并且其通过引用而被结合于此。
图4是说明适用于本发明实施例的示例网络部分400的图。
参考图4，网络部分400包括通过以太网上行链路420通信地连接到DSLAM430的PE设备410。DSLAM430通过链路445和455通信地连接到DSL调制解调器440和450。DSL调制解调器440、450被认为是CE设备，DSL调制解调器440属于用户A并且DSL调制解调器450属于用户B。像图3中的PE310一样，PE410是到SP网络(未示出)的网关，该SP网络可以是MEN。
如图4中所示，DSL调制解调器440、450可发送和接收代表视频、数据、基于网际协议的语音(VoIP)的帧以及未标记的帧。许多SP的目标是依靠帧的类型来提供各种类别的服务。作为一个示例，当网络中存在拥塞时，可能期望以损失数据帧为代价来向用户的VoIP帧给予优先权。在VoIP、数据和视频之间进行区别以提供对于特定类型的帧的优先处理可称作为“三重播放”(triple play)。
类似于上面图3中所述的情况，以太网上行链路420、DSLAM430、和链路445、455构成了用于用户A、B中每一个的虚拟UNI。不仅期望维护用于每个用户的CE和PE之间的虚拟UNI，而且期望提供不同类别的服务，例如如上所述的三重播放。这些双重目的可使用至少两个主要类别的VLAN分配范例来完成。
根据第一类别的VLAN分配范例，使用唯一S-TAG或唯一S-TAG、C-TAG对将唯一VLAN标识分配给DSLAM430的端口。应当在聚合网络中维护S-TAG的唯一性。该范例可表示为1：1VLAN，以指示端口和VLAN之间的一对一映射。
下面出现的表格1A和1B说明了实现1：1VLAN方案的常规方法。当参考表格1A和1B以及本说明书中下面的其它表格时，有助于继续参考图4。
表格1A说明了可用于为了提供诸如三重播放之类的服务类别而标识用户和数据帧类型的示例1：1VLAN方案。在该VLAN方案中，DSLAM430从用户A和B接收不同类型的帧。DSLAM430将S-TAG插入帧内以唯一地标识端口或用户，并且还插入C-TAG以标识帧的类型。帧然后被发送到PE410。
如表格1A中所示，S-TAG值101与用户A相关联，并且C-TAG值10和11分别用于表示VoIP帧或数据帧。如果来自用户A和B的帧是未标记的，那么DSLAM将不会插入C-TAG。
表格1B说明了由DSLAM430维护的用于表格1A中描述的1：1VLAN方案的用户查找表。从PE410接收的下行链路帧被根据表格1B交换。如表格1B中所示，DSLAM430根据S-TAG值知道用于每个所接收帧的确切目的地或端口(用户A或用户B)。
表格1A
S-TAG C-TAG 数据源；帧类型
101 10 用户A；VoIP
101 11 用户A；数据
101 未标记 用户A；未标记
102 10 用户B；VoIP
102 11 用户B；数据
102 未标记 用户B；未标记
表格1B
S-TAG 目的地
101 用户A
102 用户B
表格2A说明了可用于为了提供诸如三重播放之类的服务类别而标识用户和数据帧类型的另一示例1：1VLAN方案。在该VLAN方案中，DSLAM430从用户A和B接收不同类型的帧。在该方案中，DSLAM430将S-TAG和C-TAG插入帧内，类似于表格1A中描述的方案。然而，在该方案中，S-TAG用于标识帧的类型，并且C-TAG用于标识端口或用户。
如表格2A中所示，C-TAG值10和11分别与用户A和B相关联，而S-TAG值101、102、和104分别用于表示VoIP帧、数据帧和未标记帧。
表格2B说明了由DSLAM430维护的用于表格2A中描述的1：1VLAN方案的服务查找表。如表格2B中所示，DSLAM430根据S-TAG值知道用于从PE410接收的每个帧的确切帧类型。DSLAM430还根据如表格2A中指定的C-TAG值知道用于每个所接收帧的确切目的地或端口(用户A或用户B)。
表格2A
S-TAG C-TAG 数据源；帧类型
101 10 用户A；VoIP
101 11 用户B；VoIP
102 10 用户A；数据
102 11 用户B；数据
104 10 用户A；未标记
104 11 用户B；未标记
表格2B
S-TAG 帧类型
101 VoIP
102 数据
104 未标记
根据第二类别的VLAN分配范例，相同的S-TAG或S-TAG、C-TAG对被分配给DSLAM430上的一组端口。该范例可表示为N：1VLAN以指示端口和VLAN之间的多对一映射。用于分组端口的示例标准可以是相同的发起虚拟专用网络(VPN)、相同的服务、相同的“目的地”服务提供商(SP)等。
表格3A说明了可用于为了提供诸如三重播放之类的服务类别而标识数据帧类型的示例N：1VLAN方案。在该VLAN方案中，DSLAM430从用户A和B接收不同类型的帧。在该方案中，DSLAM430插入S-TAG以标识帧的类型。S-TAG值101、102和104分别用于表示VoIP帧、数据帧和未标记帧。
然而，正如在操作该种类N：1VLAN方案的网络中的通常情况那样，DSLAM430在减少使用VLAN空间的工作中将会忽略C-TAG并且不将C-TAG插入到未标记帧内。
表格3A
S-TAG C-TAG 数据源；帧类型
101 不关心(DC) 用户A；VoIP
101 DC 用户B；VoIP
102 DC 用户A；数据
102 DC 用户B；数据
104 DC 用户A；未标记
104 DC 用户B；未标记
表格3B
S-TAG 帧类型
101 VoIP
102 数据
104 未标记
当来自PE410的下行链路的帧随后被接收以用于递送到适当用户时，DSLAM430能够根据S-TAG值确定帧类型，如表格3B中所示。
因为在该N：1VLAN方案中C-TAG值被忽略，所以DSLAM430必须根据某些其它字段执行下行链路交换。这通常使用目的地MAC地址205来执行，该地址形成了如图2A和2B中所示的未标记以太网帧、根据IEEE802.1Q的已标记以太网帧和Q-中-Q已标记以太网帧的部分。
如上所说明，诸如E-LMI之类的L2控制协议通常运行在CE和PE之间的聚合网络中。聚合网络中诸如E-LMI之类的L2控制协议的存在可能造成问题，因为下行链路交换通常基于目的地MAC地址205。例如，E-LMI帧使用标准多播(MCAST)地址作为目的地MAC地址205，使得不可能使用目的地MAC地址将下行链路帧交换到适当用户。该问题也可能存在于其它L2协议。
为解决上述问题，当以N：1VLAN模式操作时，DSLAM430应当以与对于1：1VLAN方案所描述的类似的方式操作。这样，根据本发明的示例实施例，DSLAM430可使用唯一的S-TAG将L2协议帧转发到PE410。
又根据本发明的示例实施例，DSLAM可将唯一值分配给每个端口并且向PE410表明其为L2协议帧内的C-TAG帧。
图5是说明根据本发明的某些实施例实现N：1VLAN方案的示例方法的图。图5示出了从CE发送到DSLAM的未标记E-LMI帧A以及从DSLAM发送到PE的已标记E-LMI帧B。
如图5中所示，DSLAM将特定标签550插入到帧A以产生帧B，其否则与帧A相同。特定标签550由以太网类型(Etype)字段552、S-TAG554、另一Etype字段556和C-TAG558组成，其中每一个为两字节长。
帧A和帧B中对于两个帧来说公共的部分包括目的地MAC地址(DA)字段500、源MAC地址(SA)字段510、E-LMI类型字段520、数据字段530、和循环冗余码校验(CRC)字段540。这些字段500、510、520、530、540中每一个的字节大小在字段左侧示出。
上述和图5中示出的N：1VLAN方案类似于上面表格2A中所述的1：1VLAN示例，其也使用唯一S-TAG和C-TAG，但是不根据C-TAG执行下行链路交换。在该情况下，DSLAM使用唯一S-TAG来将E-LMI包隧穿到PE，并且另外将唯一值分配给每个端口且将它作为C-TAG帧发送到PE。这样，下行链路交换是根据特定标签550而不是根据如在标准E-LMI中的目的地MAC地址而以该N：1VLAN方案执行的。
根据本发明的其它示例实施例，类似于上述实施例的N：1VLAN方案可用可运行在聚合网络中的其它L2协议来实现。其它L2协议可包括Cisco发现协议(CDP)、单向链路检测(UDLD)、端口聚合协议(PAgP)、基于端口的网络访问控制(IEEE802.1X)和链路聚合控制协议(LACP)。在这些情况下，类似于使用E-LMI作为聚合网络中的L2协议的上述实施例，DSLAM使用唯一S-TAG来将L2协议包隧穿到PE，并且另外将唯一值分配到每个端口且将它作为L2协议包内的C-TAG帧发送到PE。
本领域技术人员将会认识到，这里教导的原理可以许多其它有利方式适合于特定应用。尤其是，本领域技术人员将会认识到，示出的实施例仅仅是许多可替代实施方式的示例，在阅读了本公开后，所述许多可替代实施方式将变得明显。
前述实施例是示例。尽管说明书在多个地方可能引用“一”、“一个”、“另一个”或“某些”实施例，这不是必然意味着每个这种引用是针对相同实施例的或者意味着特征仅应用到单个实施例。

Claims (9)

1.一种包交换方法，包括：
将唯一的提供商虚拟局域网标签S-TAG分配给一组端口并且另外将唯一的IEEE 802.1Q标签头C-TAG分配给该组端口中的每个端口以实现N:1虚拟局域网VLAN分配方案，该组端口包括在通信地将用户边缘CE设备连接到提供商边缘PE设备的接入节点中；
在该接入节点处接收来自所述CE设备的帧，所述帧包含层2L2协议包；
将标签插入所述帧，所述标签包括所述S-TAG和相应的C-TAG；并且
根据所述S-TAG将包含所述标签的L2协议包转发到所述PE设备。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述L2协议包包括从由Cisco发现协议CDP包、单向链路检测UDLD包、端口聚合协议PAgP包、基于端口的网络访问控制IEEE 802.1X包和链路聚合控制协议LACP包组成的组中选择的一个。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述接入节点包括数字订户线路接入复用器DSLAM。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标签包括：
布置为邻近于所述S-TAG的第一两字节以太网类型Etype字段；和
布置为紧接在所述S-TAG和所述C-TAG之间的第二两字节Etype字段。
5.一种包括接入节点的装置，所述接入节点通信地将用户边缘CE设备连接到提供商边缘PE设备并包括一组端口，将唯一的提供商虚拟局域网标签S-TAG分配给该组端口并且另外将唯一的IEEE 802.1Q标签头C-TAG分配给该组端口中的每个端口以实现N:1虚拟局域网VLAN分配方案，
其中，所述接入节点包括：
用于接收来自所述CE设备的包含层2L2协议包的帧的部件；
用于将包括所述S-TAG和相应的C-TAG的标签插入所述帧的部件；以及
用于根据所述S-TAG将包含所述标签的L2协议包转发到所述PE设备的部件。
6.根据权利要求5所述的装置，所述接入节点还包括：
用于使用上行链路与位于服务提供商SP网络边缘处的提供商边缘PE设备通信的部件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述SP网络包括城域以太网MEN。
8.根据权利要求6所述的装置，所述接入节点包括数字订户线路接入复用器DSLAM，所述DSLAM能操作来根据所述S-TAG将层2L2协议包转发到所述PE设备。
9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述标签包括：
布置为邻近于所述S-TAG的第一两字节以太网类型Etype字段；和
布置为紧接在所述S-TAG和所述C-TAG之间的第二两字节Etype字段。
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