CN101507186B - 以太网交换 - Google Patents

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Abstract

一种在以太网交换机(1)中的方法，以及具有装置(702，704，706)的太网交换机(1)，用于通过在交换机的每个界面输出端口(3a-d)中的泛洪缓冲器中对接收到的具有未知目的地地址的单播包排队来处理这些包，其中在泛洪缓冲器中的流量作为低优先级流量被调度。

Description

以太网交换
技术领域
本发明涉及在以太网交换机中的方法，以及提供了用于处理接收到的单播包，特别是用于处理接收到的具有对交换机未知的目的地地址的以太网单播包的装置的以太网交换机。
背景技术
当今有各种能够进行基于数据包的使用IP(因特网协议)的多媒体通信，例如，固定或者移动电脑和电话，而多媒体服务通常使用基于IP的表示媒体内容的编码数据的传输，例如视频、音频和文本。
IP-TV(因特网协议电视)通过宽带连接将电视/视频内容发布到客户/用户，该内容优选地被连接到电视显示器的机顶盒接收，其可以位于客户/用户的家中。
在传统的有线电视中，所有的可用频道同时传输到每个用户，对于频道数目产生了限制并且造成带宽的不足和质量的下降。在IP-TV中，相反地，当观看者改变频道或者选择节目时，只有被请求的内容才被传送到观看者的机顶盒中。IP-TV提供了高的图像质量以及声音质量，允许互动并观看“基于需求”的使用者选择的内容。
标准的IP-TV要求每秒5-6兆比特的传输比特率，而HD IP-TV要求每秒12-20兆比特。具有优势的是，该发布涉及以太网的使用，优选的是分别支持每秒千兆比特或每秒10千兆比特的数据传输比特率的千兆以太网(GbE)或10千兆以太网(10GbE)。今天以太网是最广泛地使用的LAN标准，包括用于在公共总线上连接几个通信设备的交换式2层网络(switched layer-2network)标准，其可以形成网段(segment)。若干个网段可以连接到一个以太网交换机以形成合适的网络拓扑，例如树，并且以太网交换机可以互连，例如以环形拓扑，从而连接大量的以太网网络中的通信设备。
根据QoS(服务质量)以高达8个不同的优先级对流量进行传输，并且在以太网数据包的CoS(服务类别)区域中指出优先级。以太网数据包通过称为MAC(媒体接入控制)的协议形成，其通过在数据前添加头部来封装负载数据(payload data)，该头部包括目的地地址和源地址。
以太网使用两个地址来识别每个数据包的源和目的地，并且该地址常常被称为MAC地址，其对每个设备是唯一的。目的地地址可以指定单个接收设备或者接收节点(单播)，接收设备组(多播)，或者所有接收设备的组(广播)。
在LAN的单播传输中，包从单个源发向在LAN中的一个指定的单个目的地，而在广播传输中，包从一个源发向是与LAN相连的所有设备的组的目的地。在多播传输中，包从一个或多个设备的组的源，发向是与LAN相连的一个或多个设备的组的目的地。因此，多播是指将相同的包同时发送给选定的客户组的网络技术。和广播传输不同，只有在设备属于特定的多播地址，它才会接收多播传输，并且多播组的成员身份是动态的。在以太网包中的目的地地址指出该包是要发给所有连接着的设备的广播包，还是只发给选定的设备组的多播包。
以太网交换机是在以太网LAN的两个或多个网段之间的网桥，交换机具有两个或多个界面端口，并且和集线器不同其可以将接收到的数据包只传送到想要的一个或多个端口。因此，交换机可以减少以太网LAN的不同网段上的包的数量，以及在网段上的负荷，提高总体性能，并且减低被连接到LAN的某个网段的没有授权的计算机观测的风险。
当交换机从端口接收到以太网包，它检查在包的头部的源地址和接收的端口的记录，了解通过每个端口连接的设备的MAC地址。在MAC地址和交换机的界面端口之间的联系被存储在交换机中的MAC表中。因此，交换机了解到将MAC地址联系到特定的端口并且将该联系存储在MAC表中，而这一过程通常被称为MAC了解(learning)。然而，在某个超时时间间隔(time-out interval)之后，存储的联系通常会被从MAC表中删除。
当收到包时，交换机也检查目的地地址，并扫描MAC表以找到目的地地址的MAC地址，从而来看是否存储了界面端口的联系，例如，由于在之前已经从具有和目的地地址相同的MAC地址的源地址收到的包。
如果头部指示广播目的地，则通过除了引入端口以外的交换机的所有端口传输包。
如果头部指示单播目的地，并且在MAC表中找到了MAC地址且这个地址不与接收所经过的端口，即引入端口相联系，交换机将包转发到与这个MAC地址相联系的端口。
如果头部指示单播目的地，并且在MAC表中找到了这个目的地地址的MAC地址，但这个地址与引入端口，即接收包所经过的端口相联系，则该包被丢弃，因此其一定已经被和引入端口相连的设备接收了。
然而，如果头部指示单播目的地并且MAC地址在MAC表中没有被找到，则目的地设备的位置对交换机是未知的。在没有包已经在此之前从目的地设备被接收时，或者在目的地设备的MAC地址已经被删除时，例如，由于最近的重启动或者结束了的MAC表的超时间隔，目的地设备的位置将对于交换机是未知的。因为交换机不能在MAC表中找到该MAC地址，所以无法确定连接着的目的地设备的端口。因此，交换机将会通过将包从交换机的所有的输出(outgoing)端口，但不经过引入端口发出来“广播”该包，因为与LAN的这个网段相连的设备一定已经接收了该包。交换机通过所有的输出端口传输具有未知的目的地地址的单播包的过程一般被称为泛洪(flooding)，或者单播泛洪。这使得即使MAC地址对LAN的一个或者多个交换机未知，包可以快速地被传送到它们的目的地，但缺点是消耗了更多的资源。
因此，单播泛洪的出现是正常的，但是由于特定情况下，将泛洪更大数量的包，其可能影响网络性能。这样的情况可能是，例如，由于增加或减少了交换机而改变了拓扑结构，链路失效，LAN的配置改变，或者硬件替换，并且当拓扑改变时，存储的在MAC地址和端口之间的联系不再相关。因此，交换机必须删除在MAC表中的所有条目从而最小化被误引向的包。在MAC表的刷新，例如删除之后，接收的包的目的地的MAC地址将会对交换机未知，并且该包会被通过除了引入端口之外的所有的端口“广播”。然而，交换机会检查接收到的包的头部，确定源地址，并且在MAC表中增加源的MAC地址和引入端口的联系作为新条目，并且最终创建更新的MAC表。
如果在LAN中存在向同一目的地的多个路径，并且包具有未知的目的地，泛洪会导致包被发送回原交换机。生成树协议设计为通过屏蔽冗余路径并且保证在网络中的每两个交换机之间只存在唯一的一个有效路径来防止网络中的循环。这时通过网桥协议数据单元(BPDUs)识别将被阻止的路径，即端口的方式来执行的。生成树协议(STP)将减少在拓扑改变的情况下的MAC表的超时间隔，并且这会增加未知目的地地址的出现，而且由于接收的单播包引起输出端口的泛洪。根据快速生成树协议(RSTP)，MAC表会在拓扑改变时立即刷新，这会导致接收到的单播包的泛洪，直到新的条目增加到MAC表中。
另一个普遍使用的以太网协议是以太网自动保护交换(EAPS)，提供互连的以太网交换机的以太网环拓扑，每个交换机连接通信设备的段。EAPS在以太网环中出现链路失效时提供快速的恢复机制，不限定环中的节点数，但链路失效包括MAC表的刷新，导致交换机的泛洪。
具有未知的MAC地址的单播包的泛洪将造成相对小的下行链路端口的过度超负荷，从而导致朝向任何超负荷的下行链路端口的数据流量的延迟或丢失。
以太网交换机接收具有关于服务质量有不同的流量优先级的流量，其通过在接收的以太网包中的以太网服务类别(P比特)或者IP服务类别来指示出。通常基于每个包的服务设定类别，流量在输出界面端口中的不同的输出优先级缓冲器中被调度和逻辑排队，并且在MAC地址对交换机未知是也是真实的。因此，泛洪的高优先级流量将经过交换机的每个输出端口以高优先级传输，导致超负荷以及遗失和丢失的包。
在以太网用于传输高优先级数据流量时泛洪的结果会更大，例如IP-TV，VoIP以及游戏。当失效影响高优先级流量时，流量将会在许多没有接收机的端口上被泛洪，导致在低优先级流量和在高优先级流量中的包丢失，因为在泛洪期间过度的流量。
因此，在以太网中单播包的泛洪带来问题，尤其是对于与例如在多媒体传输中的EAPS和RSTP相连使用的10千兆以太网和千兆以太网的高比特率，所述多媒体传输例如为IP-TV，VoIP，导致多媒体内容的传输的干扰。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，并且提供对所接收的具有对交换机未知的目的地地址的以太网单播包的高效处理，从而降低因泛洪而造成的传输遗失。该目标以及其它目标通过根据所附独立权利要求的以太网交换机中的方法，以及该以太网交换机而实现。
根据一个方面，提供了在以太网交换机中的一种方法，用于处理接收到的以太网单播包，该交换机具有两个或多个界面端口，并且每个端口被提供了逻辑上分为不同优先级缓冲器的输出缓冲器。该方法包括如下步骤：
-确定接收到的单播包的目的地地址和流量优先级；
-搜索所存储的所述目的地地址和交换机的界面端口之间的联系；
-如果找到联系，根据其流量优先级，该包在相联系的界面端口中的输出缓冲器的一个所述的优先级缓冲器中被调度和排队；
-如果没找到联系，通过在交换机的每个界面输出端口中的预先确定的泛洪缓冲器中对包排队来对包泛洪，其中在所述泛洪缓冲器中的流量作为低优先级流量被调度。
在所述泛洪缓冲器中的流量可以以最低流量优先级来被调度。
根据其流量优先级，包可以在所述泛洪缓冲器中的逻辑分离的优先级泛洪缓冲器的一个中排队，并且所述流量优先级可以对应于在以太网包中的以太网服务类别(CoS)指出的优先级。
在所述以太网包中的目的地地址可以指示包的目的地设备的MAC地址，并且所述MAC地址和界面端口的联系可以存储在所述交换机中的MAC表中。
经过交换机的引入端口接收的单播包的泛洪可以包括经过除所述引入端口以外的交换机的每个界面端口的传输。
根据另一个方面，以太网交换机具有两个或多个界面端口，每个被提供了逻辑上分为不同优先级缓冲器的输出缓冲器，并且该交换机被提供了用于处理接收到的单播包的装置，所述装置包括：
-用于确定接收到的单播包的目的地地址和流量优先级的确定单元；
-用于寻找所存储的所述目的地地址和交换机的界面端口之间的联系的搜索单元；
-用于根据其流量优先级，在相联系的界面端口中的输出缓冲器的一个优先级缓冲器中对包调度和排队，以及用于对没找到存储的联系，在交换机的每个界面输出端口中的预先确定的泛洪缓冲器中对接收到的单播包排队的调度单元，其中在所述泛洪缓冲器中的流量作为低优先级流量被调度。
在所述泛洪缓冲器中的流量可以以最低流量优先级来被调度。
泛洪缓冲器可以进一步地被逻辑分为不同的优先级泛洪缓冲器以用于根据泛洪单播包的流量优先级对它们调度并排队，并且所述流量优先级可以对应于在以太网包中由以太网服务类别(CoS)指示的优先级。
在所述以太网包中的目的地地址可以指示包的目的地设备的MAC地址，并且所述交换机可以包括MAC表用于存储在所述MAC地址和界面端口之间的联系。
所述调度单元可以被设置为发送经过引入端口接收的单播包，以及对于没有存储与目的地地址的联系的，经过除了所述引入端口以外的交换机的每个界面端口进行发送。
附图说明
现在通过参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1示意性地表示了传统的以太网交换机；
图2示意性地表示了以太网交换机的界面接口的输出缓冲器；
图3表示了以太网数据包；
图4表示了以太网交换机环；
图5表示了在链接失败时图4的环的数据流量；
图6是根据本发明的第一实施例的处理具有未知目的地地址的数据包的过程的流程图；
图7表示了根据本发明的第一实施例的提供了处理接收到的单播数据包的装置的以太网交换机。
具体实施方式
在下面的描述中给出了具体的细节，例如特别的步骤的顺序以及设备配置，用于帮助对本发明的彻底的理解。但是很显然，本领域的技术人员可以用不同与这些具体细节的其它实施例来实施本发明。
而且很显然，所描述的功能可以用软件机能结合编程的微处理器或通用目的的计算机来实施，和/或使用应用专用集成电路。虽然本发明以方法和产品的形式描述，本发明也可以实施为计算机程序产品，以及实施为包括计算机处理器和内存的系统，其中用可以实施所描述的功能的一个或多个程序来对内存编码。
当接收到的以太网包的目的地地址对交换机未知，该包将通过交换机的每个输出端口泛洪。如果接收到的包具有对于服务质量的高流量优先级，该包将会经过交换机的每个输出端口以高优先级传输，导致过载，和遗失和丢失的包。本发明通过不考虑包中指出的实际的服务类别而以低优先级流量，或者以最低优先级来排队泛洪流量解决了上述问题。因此，实现了降低由于具有未知MAC地址的包的泛洪而引起的质量下降。
根据本发明的又一个实施例，泛洪的低优先级包根据基于服务类别设定的彼此的关系而区分优先级，从而获得泛洪优先级。这对其它流量没有影响，但是会带来对受链路失效直接影响的高优先级流量的较小的干扰。
图1是示出了传统的示范性的以太网交换机1的框图，其具有MAC表2用于存储在MAC地址和交换机的界面端口之间的联系。交换机1还被提供了4个界面端口3a-d，每一个具有输出排队缓冲器4a-d用于对具有不同的优先级的输出流量进行排队和调度。
图2示意性地示出了端口的输出缓冲器4a的功能，该缓冲器逻辑上分为一个隔开的优先级缓冲器，5a-h，对8个优先级等级中的每一个，其中5a表示用于具有最高优先级的流量的缓冲器，而5b-5h表示具有较低优先级的流量的缓冲器。根据本发明，一个优先级缓冲器为设置为用作泛洪缓冲器5h，用于具有未知目的地的包，对它而言在MAC表2中没有存储和界面端口的联系。在泛洪缓冲器5h中的流量作为低优先级流量来调度，并且优选地作为具有最低优先级的流量。因此，优先级缓冲器5a-h的每一个以相同的优先级对流量排队，例如，在一个队中的IP-TV和在另一个队中的VoIP，两者通常以高优先级流量传输。
根据本发明的第一实施例，接收到的具有未知目的地的单播包在泛洪缓冲器5h中被逻辑排队，其中该流量被作为低优先级流量来调度，并且优选地具有最低优先级。
根据本发明的第二实施例，接收到的具有未知目的地的单播包在泛洪缓冲器5h中被排队，并且根据其对服务质量的流量优先级，在泛洪缓冲器中被进一步调度到逻辑上分离的优先级泛洪缓冲器9a-h中的一个中。
图3示出了以太网包6，具有数据区7和头部8，头部包括源地址区，SA，以及目的地地址区，DA，以及用于指示出数据流量的优先级的服务类别的区域。服务类别的设定确定了优先级缓冲器5a-h用于与目的地地址相联系的界面端口3a-d中的输出流量，其在交换机中的MAC表中找到。通过存储在接收到的以太网包中的源地址和所述包的引入端口之间的联系，交换机更新MAC表。
图4和5示出了泛洪如何产生，并且图4示出了通过逻辑链路互连的以太网交换机1a-e的“环”，每个环连接几个具有通信设备的网段，每个网段由细线条箭头示出，交换机和通信设备形成大的以太网网络。
由EAPS控制的以太网环具有一个指定的控制在节点之间的流量流动的主节点，1a，以及一个或多个被动传输节点，每个节点具有连接到环的两个物理端口。如果任何在两个交换机，即节点之间的逻辑链路被中断，相连接到交换机的通信设备的流量将会根据EAPS，或者另一协议例如RSTP(快速生成树协议)重新定向，并且和交换机的环中的端口相联系的MAC表将会刷新。这将导致具有未知地址的单播包的泛洪的很大增加，直到创建了更新的MAC表，因为将找不到在目的地地址和端口之间的联系。
图5示出了根据图4的环，其中在第一交换机1a和第二交换机1e之间发生了链路失效。协议，例如EAPS或者RSTP，将通过激活在交换机1d和1g之间的新的逻辑链路来启动恢复过程。因此，在交换机1g和1f之间，以及在1f和1e之间的流量的方向将会反转。结果，拓扑改变了，并且用于相联系的端口的交换机中的MAC表将刷新，导致单播包的泛洪。
根据本发明的对具有未知目的地的包的泛洪的问题的解决方案，包括在交换机的每个输出端口，将这些包作为低优先级流量，或者作为具有最低优先级的流量来排队，并且该方案在图6中示出。
图6示出了根据本发明的第一实施例处理接收到的具有未知目的地地址的单播包6的过程的流程图。在第一步600，交换机1通过引入界面端口3a接收单播包6。在下一步602，其检查包的头部中的目的地地址，提取MAC地址，在步骤604，其确定基于包中设定的服务类别的优先级。在下一步606中，其扫描MAC表2来看是否存储了在接收到的包的MAC地址和交换机的界面端口3a-d之间的任何联系。如果在确定步骤608中找到了MAC地址和一个端口3d之间的联系，则根据包的优先级，在步骤610中仅在该端口3d中的输出缓冲器4d的逻辑分离优先级缓冲器5a-h中的一个中对包调度并排队，除非相联系的端口对应于引入端口3a，因为在这种情况下通信设备已经接收了该数据。如果在确定步骤608中没有找到对任何端口的联系，交换机通过在交换机的每个输出端口3b-d的输出缓冲器4b-d中进行该包的调度和排队来进行泛洪，排队包括逻辑上在每个输出端口3b-d的输出缓冲器4b-d中的特定泛洪缓冲器5h中存储包。在泛洪缓冲器中的流量将作为关于经过交换机的其它流量的低优先级流量来调度，并且优选地而不是必需的，作为具有最低优先级的流量。
根据本发明的第二实施例，泛洪包括根据在以太网包中的服务类别中指示的优先级，如步骤604中确定的，在每个输出端口的泛洪缓冲器5h中，即，在逻辑分离的优先级泛洪缓冲器9a-h中对具有未知目的地的单播包排队的附加步骤。
作为替代，可以在另一个预先确定的优先级缓冲器5a-e，而不是在泛洪缓冲器5h中根据其优先级对具有未知目的地的单播包排队。
图7示出了一种如图1所示的以太网交换机，进一步提供根据能够处理接收到的具有未知MAC地址的以太网单播包6的以太网交换机的示范性实施例的逻辑单元，即，当没有与MAC表2中的目的地地址相联系的界面端口时，根据本领域技术人员的普通常识，通过将硬件和软件适当的结合起来以实施逻辑单元。交换机具有装置702，704，706，包括用于确定包的目的地地址和流量优先级的确定单元702，以及用于寻找在所述目的地地址和交换机界面端口之间的联系的搜索单元704。该装置还包括调度单元706，用于根据其流量优先级，对在相联系的界面端口3的输出缓冲器4中的优先级缓冲器5a-h的一个中排队和调度所述包。然而，当在MAC表2中找不到存储的联系时，在交换机的每个输出端口3的输出缓冲器4中特定的，预先确定的逻辑泛洪缓冲器5h中对该包排队，所述泛洪缓冲器对低优先级流量，或者优选的是具有最低优先级的流量排队。
因此，根据所描述的实施例的本发明提供了对接收到的具有对交换机未知的目的地地址的以太网单播包的更有效的处理，从而减少了在传统的单播泛洪期间由于负载过大的下行链路端口引起的问题，这一问题特别扰乱了高优先级数据流量，如IP-TV和VoIP。
虽然参考特定的示范性实施例描述了本发明，该描述总的来说仅用于说明本发明的目的并且不应作为对本发明的范围的限制。

Claims (12)

1.一种在以太网交换机(1)中处理接收到的以太网单播包(6)的方法，所述交换机具有两个或多个界面端口(3a-d)，每个具有逻辑上分为不同优先级缓冲器(5a-h)的输出缓冲器(4a-d)，所述方法包括以下步骤：
-确定接收到的单播包的目的地地址(602)和流量优先级(604)；
-搜索(606)所存储的在所述目的地地址和所述交换机的界面端口(3a-d)之间的联系；
-如果找到联系(608)，根据其流量优先级，在相联系的界面端口中的所述输出缓冲器(4)的所述的优先级缓冲器(5a-h)的一个中对所述包调度和排队(610)；所述方法的特征在于：
-如果没找到联系，通过在所述交换机的每个界面输出端口中的泛洪缓冲器(5h)中对所述包排队(612)来进行所述单播包的泛洪，其中在所述泛洪缓冲器(5h)中的流量作为最低优先级流量被调度。
2.根据权利要求1所述的以太网交换机中的方法，其特征在于又一步骤：根据其流量优先级，在所述泛洪缓冲器(5h)中的逻辑分离的优先级泛洪缓冲器(9a-h)的一个中对所述包排队。
3.根据前面任一权利要求所述的方法，其中所述流量优先级对应于在以太网包(6)中的以太网服务类别(CoS)指出的优先级。
4.根据前面权利要求1-2中任一项所述的方法，其中在以太网包中的目的地地址指出所述目的地设备的MAC地址。
5.根据前面权利要求4所述的方法，其中在所述MAC地址和界面端口之间的联系存储在所述交换机中的MAC表(2)中。
6.根据前面权利要求1-2中任一项所述的方法，其中经过所述交换机的引入端口(3a)接收的单播包的泛洪包括经过除所述引入端口以外的所述交换机的每个界面端口的传输。
7.具有两个或多个界面端口(3a-d)的以太网交换机(1)，每个具有逻辑上分为不同优先级缓冲器(5a-h)的输出缓冲器(4a-d)，所述交换机具有用于处理接收到的单播包的装置(702，704，706)，所述装置包括：
-用于确定接收到的单播包的目的地地址和流量优先级的确定单元 (702)；
-用于寻找所存储的在所述目的地地址和所述交换机的界面端口(3a-d)之间的联系的搜索单元(704)；
-调度单元(706)，用于根据其流量优先级，在相联系的界面端口中的输出缓冲器(4)的优先级缓冲器(5a-h)的一个中对所接收到包调度和排队；所述交换机的特征在于所述调度单元被设置为，对没有存储联系的接收到的单播包(6)在所述交换机的每个界面输出端口中的泛洪缓冲器(5h)中排队，其中在所述泛洪缓冲器(5h)中的流量以最低优先级被调度。
8.根据权利要求7所述的以太网交换机，其中所述泛洪缓冲器(5h)进一步地被逻辑分为不同的优先级泛洪缓冲器(9a-h)用于根据泛洪单播包(6)的流量优先级对它们调度并排队。
9.根据权利要求7或8所述的以太网交换机，其中所述流量优先级对应于在以太网包(6)中的以太网服务类别(CoS)指出的优先级。
10.根据权利要求7-8中任一所述的以太网交换机，其中在以太网包中的目的地地址指出所述目的地设备的MAC地址。
11.根据权利要求10所述的以太网交换机，包括用于存储在所述MAC地址和界面端口(3a-d)之间的联系的MAC表(2)。
12.根据权利要求7-8中任一所述的以太网交换机，其中所述调度单元(706)被设置为发送经过引入端口接收的单播包，以及对于没有存储与所述目的地地址的联系的单播包，经过除了所述引入端口以外的所述交换机的每个界面端口发送。 
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