CN102255817A - 加快环网已知流量收敛速度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种加快环网已知单播流量收敛速度的方法，应用于运行二层环网协议的环网中，该方法包括：在环网中的端口的状态由正常转发状态变为阻塞状态而需要删除该端口的MAC地址时，在MAC地址删除之前，向关于所述端口的用于数据流发送的底层芯片的策略控制组件下发数据流处理规则；调用底层驱动接口以删除所述端口的MAC地址；以及在MAC地址被删除后，删除所述策略控制组件中的数据流处理规则。使用本发明的技术方案，能够在运行二层环网协议的站点(例如交换机)不受到由底层驱动和硬件删除MAC地址的速度的影响，极大缩短了已知单播流量的收敛时间。

Description

加快环网已知流量收敛速度的方法

技术领域

本发明涉及计算机网络通讯领域，特别涉及一种加快环网已知流量收敛速度的方法，应用于运行有二层环网协议在环网。

背景技术

以太网技术自1973年发明以来，以其简单开放、成本低廉获得了长足发展，渐渐的在局域网的领域获得了领导地位，目前新建的局域网几乎都是基于以太网技术的，进而城域网也开始向以太网靠近，MEF(城域以太网论坛)的成员几乎囊括了所有业界主流厂商。近年来，在一些以太网或者城域网的环境中，需要利用备份的链路快速取代发生故障的链路，以保障数据通信不受影响。该功能对一些关键应用已是必不可少，而且显得越发重要。所以越来越多的厂商以及标准化组织都在致力于二层环网协议的研究与改进工作，其中最具有代表性的包括以下几种：

1、STP

STP(生成树协议，全称为Spanning-Tree Protocol)是一个用于在局域网中消除环路的协议。运行该STP协议的交换机通过彼此交互信息而发现网络中的环路，并适当对交换机的某些端口进行阻塞以消除环路。换句话说，STP协议会构造出包含局域网内部所有二层交换机的一颗没有环路的树。树上的每一节点都是局域网内的一台交换机。STP协议基于以下几点：(1)有一个唯一的组地址(01-80-C2-00-00-00)标识一个特定LAN(局域网)上的所有交换机。这个组地址能被所有的交换机识别；(2)每个交换机有一个唯一的标识(BridgeIdentifier)；(3)交换机的每个端口有一个唯一的端口标识(Port Identifier)。对生成树的配置进行管理还需要：对每个交换机分配一个相对的优先级；对每个交换机的每个端口分配一个相对的优先级；对每个端口分配一个路径花费。具有最高优先级的交换机被称为根(root)交换机。每个交换机端口都有一个根路径花费，根路径花费是该交换机到根交换机所经过的各个跳段的路径花费的总和。一个交换机中根路径花费的值最低的端口称为根端口，若有多个端口具有相同的根路径花费，则具有最高优先级的端口为根端口。在每个LAN中都有一个交换机被称为选取(designated)交换机，该选取交换机为该LAN中根路径花费最小的交换机。用于将选取交换机与LAN连接起来的端口就是LAN的选取端口(designated port)。如果选取交换机中有两个以上的端口连在这个LAN上，则具有最高优先级的端口被选为选取端口。

2、RSTP

电子和电气工程师协会IEEE于2001年发布了802.1W标准，该标准提出了一种新的更好的STP——RSTP，即快速生成树协议，全称为Rapid Spanning-TreeProtocol，详细描述了该协议规范。RSTP协议基于STP协议，但是对原有STP协议做了更加细致的修改和补充。事实上，STP协议虽然能够防止环路，但还是存在很多不足之处，其设计在有一些细节上并不周全，而本身采用的计时器机制又十分笨拙。此外，没有针对一些特殊的情况进行设计，导致了协议整体上比较粗糙。而RSTP协议则是局域网中最精细的协议之一。针对STP协议的不足，RSTP协议新增加了端口的角色概念。并且把端口属性充分的按照状态和角色分解，使得可以更加精确地描述端口。增加了Alternate端口(替选端口)和Backup端口(备份端口)。RSTP协议的状态规范把原来的5种状态缩减为3种：Forwarding(转发)、Learning(学习)、Discarding(丢弃)，更加精简了协议。此外，RSTP协议为了使网络拓扑实现快速收敛，引入了P/A协商机制、根端口快速切换机制、边缘端口等。

3、MSTP

MST(多生成树)是对IEEE 802.1w的快速生成树(RST)算法进行扩展而得，多生成树协议定义文档是IEEE 802.1S。多生成树提出了域的概念，在域的内部可以生成多个生成树实例，并将VLAN(虚拟局域网)关联到相应的实例中，每个VLAN只能关联到一个实例中。这样在域内部每个生成树实例就形成一个逻辑上的树拓扑结构，在域与域之间由CIST(公共与内部生成树)实例将各个域连成一个大的生成树。各个VLAN内的数据在不同的生成树实例内进行转发，这样就提供了负载均衡功能。

4、EAPS

EAPS(以太网自动保护切换，即Ethernet Automatic Protection Switching)协议是针对以太网协议实现的一个简单、快速的链路备份和恢复协议。通常情况下，以太网内的交换机连接成一个环。EAPS协议的主节点阻塞其副端口，以保证该链路的畅通，且让链路不构成环路。在该环上任意一个节点上接入该环路的端口发生Down事件(例如掉线)时，EAPS协议会在这种情况下立即打开其主节点的副端口，从而保证了整个链路的畅通，保证数据通信不被中断。数据链路的恢复时间与环上接入的交换机数目有关，通常能够在2秒之内迅速恢复链路的畅通，块的话可能仅需几百毫秒。而在发生Down事件的节点Up(例如上线)之后，EAPS协议会重新阻塞其副端口，恢复EAPS协议运行时的初始状态。EAPS协议比较简单，因此该协议运行的开销时间较少，且配置简单。APS是一个用于以太网环路保护的链路层协议。它在以太网环完整时能够防止数据环路引起的广播风暴，而当以太网环上一条链路断开时能迅速恢复环网上各个节点之间的通信通路。

EAPS协议在功能上类似于STP协议。同STP协议相比，EAPS协议具有收敛速度快的特点，通常小于1秒。理想状况下可以达到50-100毫秒。

5、RRPP

RRPP(快速环网保护协议，全称为Rapid Ring Protection Protocol)技术是一种专门应用于以太网环的链路层协议，该协议在以太网环中能够防止由数据环路引起的广播风暴，从而当以太网环上出现链路或设备故障时，能迅速切换到备份链路，保证业务快速恢复。与STP协议相比，RRPP协议具有算法简单、拓扑收敛速度快和收敛时间与环网上节点数无关等显著优势。

6、MRPP

MRPP(多层环网保护协议，全称是Multi-layer Ring Protection Protocol)是一个用于以太网环路保护的链路层协议。该协议在以太网环完整时能够防止由数据环路引起的广播风暴，而当以太网环上一条链路断开时能迅速恢复环网上各个节点之间的通信通路。以太网内的部分交换机连接成一个MRPP环，MRPP环的主节点阻塞其副端口，以保证链路的畅通，且让链路不成为环路。在该环上任意一个节点上接入该环路的端口发生Down事件时，MRPP协议会在这种情况下立即打开其主节点的副端口，从而保证了整个链路的畅通，保证数据通信不被中断。而在发生Down事件的节点Up之后，MRPP协议会重新阻塞其副端口，恢复MRPP协议运行时的初始状态。MRPP协议在不同的层中实现链路的快速恢复，与生成树协议相比，具有收敛速度快、协议计算简单、占据系统资源少、组网理念清晰简洁等优势，可有效提高以太网运营的可靠性。

以上几种二层环网协议的共同特点都是依靠将正常的端口设置阻塞状态以防止广播风暴。用于衡量这些环网协议的最重要的指标之一就是收敛时间，本文中所提到的收敛时间或迁移时间都是指由于链路故障或者链路恢复导致的链路切换过程中流量中断的时间。环网协议的广播流量收敛时间往往和协议密切相关，由于不涉及到硬件和底层处理，所以可以很容易达到50ms以内的量级。但是二层环网协议已知单播的收敛时间往往和硬件密切相关，随着数据中心对大容量MAC(媒体访问控制，即Media Access Control)的需求以及Tcam芯片的普及，当前交换机的MAC容量越来越大，而MAC地址容量的增加就不可避免地增加硬件访问时间以及删除MAC地址的时间，从而对二层环网协议的收敛速度带来很大影响。例如，对于最大支持12K MAC地址的交换机，在由四台此类交换机构成的环网上运行MRPP时，可以达到10ms左右的收敛速度，但是当此类交换机的MAC地址容量达到128K左右时，收敛时间会增加到100ms以上。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用二层环网协议在环网拓扑变化时加快已知单播流量收敛速度的方法，可应用于环网中出现链路或站点故障以及链路或站点故障恢复的情况。使用本发明的技术方案，能够在运行二层环网协议的站点(例如交换机)不受到由底层驱动和硬件删除MAC地址的速度的影响，极大缩短了已知单播流量的收敛时间。

本发明提供的技术方案如下：

一种加快环网已知单播流量收敛速度的方法，应用于运行二层环网协议的环网中，该方法包括：在环网中的端口的状态由正常转发状态变为阻塞状态而需要删除该端口的MAC地址时，在MAC地址删除之前，向关于所述端口的用于数据流发送的底层芯片的策略控制组件下发数据流处理规则，该规则可由上层的平台软件下发；调用底层驱动接口以删除所述端口的MAC地址；以及在MAC地址被删除后，删除所述策略控制组件中的数据流处理规则。其中，在底层的MAC地址删除成功之后，可发送消息给上层协议，上层协议收到删除成功的消息后再指示删除所下发的所述规则。

所述数据流处理规则规定：将所有二层转发且目的地址为所述端口的数据流重定向到所述一个或多个处于正常转发状态(Forwarding)或者由阻塞状态(Block)变为正常转发状态的其它端口。具体而言，数据流处理规则包括匹配条件M1、M2、M3、M4，以及动作A1和A2，如果同时满足匹配条件M1、M2、M3、M4，则执行动作A1，如果同时满足匹配条件M1、M2、M3但不满足匹配条件M4，则执行动作A2，其中：

匹配条件M1：数据流为二层已知单播数据流；

匹配条件M2：数据流目的板卡为本交换板卡或(本交换板卡即所述变为阻塞状态的端口所在的交换板卡)本交换芯片(本交换芯片即所述变为阻塞状态的端口所在的交换芯片)；

匹配条件M3：数据流目的端口为本交换板卡或本交换芯片的端口；

匹配条件M4：数据流来自板间高速转发端口；

动作A1：将数据流重定向到本交换板卡或本交换芯片的一个或多个端口，但不包括板间高速转发端口；

动作A2：将数据流重定向到本交换板卡或本交换芯片的一个或多个端口，其中包括板间高速转发端口。

在本发明中，在链路故障或者故障恢复以后，二层环网协议计算环网中各端口的状态，根据计算结果设置端口为阻塞状态或正常转发状态，并将环网拓扑变化通知环网中其余设备，调用底层驱动接口函数进行相应端口的MAC地址删除；或者，在收到拓扑变化通知时，根据拓扑变化通知设置相关端口的状态，并调用底层驱动接口函数删除相应端口的MAC地址。但是在删除端口的MAC地址之前，发往该端口的数据流根据下发的数据流处理规则进行发送。

将端口设置为阻塞状态后，会调用底层驱动接口函数删除该端口的MAC地址，在MAC地址未能删除前，该端口的数据流量是不通的。

上述方法中区分设置动作A1和A2，主要用于解决机架式交换设备跨板转发的问题。例如，如果全局不设置匹配条件M4，即不区分当前数据流是否来自板间高速转发端口，则当数据流匹配规则M1-M3后，可能出现从板间高速转发端口重定向到其他板卡上的端口的数据流，这时候该数据流会再次匹配同样的匹配规则M1-M3，最后导致数据流一直在几个板卡间不停的转发。所以，增加匹配条件M4的判断以后，可以使本方法支持机架式交换机和堆叠组。

本发明的实质是采用向底层芯片的策略控制组件下发若干数据流处理规则来模拟未知单播进行广播处理的二层转发逻辑，可以实现在MAC地址未删除时就达到MAC地址已删除后的效果。由于删除端口的MAC地址所需时间根据MAC地址表项大小和硬件处理速度不同而从几十毫秒到几百毫秒不等，而下发一个策略规则仅仅耗时几毫秒(ms)，所以，本发明可大大减少已知单播流量的收敛时间。采用本发明方法以后，能够将所有利用二层环网协议的已知单播收敛时间提高到和广播收敛时间只相差几毫秒。

综上所述，本发明的优点至少有：

1)支持所有的二层环网协议，并不针对某个特定协议，使用范围广；

2)本发明利用向策略控制组件下发若干数据流处理规则完全模拟未知单播作为广播处理这一标准二层转发流程，可以使得二层环网协议的已知单播流量收敛速度和广播速度达到同一水准，相比其他类似规则，本发明不会产生任何附加的不良后果；

3)能够支持机架式交换机和盒式交换机，包括堆叠组；

4)对于大容量MAC地址的设备以及删除MAC地址较慢的设备，效果尤其明显；

5)本发明实现简单，大多数主流芯片都可以支持。

本发明对链路和/或站点故障、链路和/或站点恢复、以及任何其它原因引起的拓扑变化等情况下的MAC地址删除都适用。

附图说明

下面根据实施例和附图对本发明进行详细说明。

图1为用于说明本发明中加快环网已知单播流量收敛速度的方法的一个典型环网示例；

图2为本发明中加快环网已知单播流量收敛速度的方法的示意性流程图；

图3为下发数据流处理规则后报文转发过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，为用于说明本发明中加快环网已知单播流量收敛速度的方法的一个典型环网示例，该环网中采用二层环网协议，例如STP、RSTP、MSTP、RRPP、EAPS、或者MRPP。如图1所示，交换机1(SW1)、交换机2(SW2)、交换机3(SW3)、交换机4(SW4)连接形成一个环路。这些交换机1-4均启用相同的二层环网协议，本实施例中以MRPP为例进行说明。初始时，二层环网协议根据其自身采用的标准，例如将端口1、2、3、4、5、6中的某个端口设置为阻塞(Block)状态，数据流量从端口8和7之间的链路8-7进行转发。当端口8和7之间的链路8-7中断时，根据本发明，具体处理过程如下：

1)交换机SW3检测到链路故障，根据二层环网协议的计算结果，需要将端口8设置为Block状态而导致需要删除该端口8的MAC地址；

2)在端口8的MAC地址删除之前，由上层软件向关于端口8的用于数据流发送的底层芯片的策略控制组件下发若干数据流处理规则；该规则将所有二层转发且目的地址为端口8的数据流重定向到一个或多个处于正常转发状态或者由阻塞状态变为正常转发状态的其它端口，具体可包括：

A.数据流为二层已知单播数据流；

B.数据流目的板卡为本交换板卡(即端口8所在的交换板卡)或本交换芯片(即端口8所在的交换芯片)；

C.数据流目的端口为本交换板卡或本交换芯片的端口8；

D.数据流来自板间高速转发端口；

E.对满足条件A、B、C、D的数据流执行重定向到本交换板卡或本交换芯片的若干其它端口，但不包括板间高速转发端口；

F.对满足条件A、B、C但不满足条件D的数据流执行重定向到本交换板卡或本交换芯片的若干其它端口，其中包括板间高速转发端口；

在这里，所述若干其它端口可包括：启动MRPP协议且与端口8处于同一个转发实例的端口1。

所述若干其它端口也可以是启动MRPP协议且与端口8处于同一虚拟局域网(VLAN)的端口。

3)步骤2执行以后，此时数据流量已经恢复。也就是说，在端口8的MAC地址删除完成之前，根据数据流处理规则进行数据流重定向。调用底层驱动开始删除端口8的MAC地址，删除成功以后通知上层协议，上层协议收到MAC地址删除成功的消息后再删除步骤2中下发到策略控制组件的所有规则。

以上过程中的丢包只在步骤1设置Block状态和步骤2下发规则期间出现，设置底层端口状态的时间和下发规则的时间很短，即使机架式设备也仅仅为几ms，所以能够做到将已知单播的故障检测和恢复时间缩短到10ms左右。

当端口8和7之间的链路故障恢复时，根据MRPP协议，最终流量依然会切换到端口8和7之间的链路上。此时需要删除端口1上的MAC地址，处理过程和上述步骤类似。

在交换机SW4上进行的处理与交换机SW3上的类似，这里就不再赘述。

通过以上实施例描述，对本发明进行了详细描述，但是上述内容仅仅是对本发明的示例性描述，而本发明的保护范围由权利要求限定，而并非限于上述内容。本领域技术人员能够在不背离本发明范围的情况下对本发明进行诸多修改，例如，本领域技术人员能够根据实际的应用需要，改变部分处理的顺序，但是只要保证在进行耗时的MAC地址删除之前采用下发的数据流处理规则来处理数据流即可，也可以采用在本发明中未提及的其它二层环网协议，也可以采用本发明中未提及的其他策略控制组件规则和动作，但是，这些修改也落入本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种加快环网已知单播流量收敛速度的方法，应用于运行二层环网协议的环网中，其特征在于，该方法包括：在环网中的端口的状态由正常转发状态变为阻塞状态而需要删除该端口的MAC地址时，

步骤A：在MAC地址删除之前，向关于所述端口的用于数据流发送的底层芯片的策略控制组件下发数据流处理规则；

步骤B：调用底层驱动接口以删除所述端口的MAC地址；以及

步骤C：在MAC地址被删除后，删除所述策略控制组件中的数据流处理规则。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据流处理规则规定：将所有二层转发且目的地址为所述端口的数据流重定向到所述一个或多个处于正常转发状态或者由阻塞状态变为正常转发状态的其它端口。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述其它端口与所述变为阻塞状态的端口是同一虚拟局域网或同一转发实例中启动相同二层环网协议的端口。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据流处理规则包括匹配条件M1、M2、M3、M4，以及动作A1和A2，如果同时满足匹配条件M1、M2、M3、M4，则执行动作A1，如果同时满足匹配条件M1、M2、M3但不满足匹配条件M4，则执行动作A2，其中：

匹配条件M1：数据流为二层已知单播数据流；

匹配条件M2：数据流目的板卡为所述变为阻塞状态的端口所在的本交换板卡或者所述变为阻塞状态的端口所在的本交换芯片；

匹配条件M3：数据流目的端口为所述变为阻塞状态的端口；

匹配条件M4：数据流来自板间高速转发端口；

动作A1：将数据流重定向到本交换板卡或本交换芯片的一个或多个端口，但不包括板间高速转发端口；

动作A2：将数据流重定向到本交换板卡或本交换芯片的一个或多个端口，其中包括板间高速转发端口。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在链路故障或者故障恢复以后，二层环网协议计算环网中端口的状态，根据计算结果设置端口为阻塞状态或正常转发状态，并将环网拓扑变化通知环网中其余设备；或者，在收到拓扑变化通知时，根据拓扑变化通知设置相关端口的状态。

6.根据权利1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述变为阻塞状态的端口的MAC地址删除完成之前，根据数据流处理规则进行数据流重定向。

7.根据权利1-3中任一项所述的方法，其特征在于，已知单播流量的收敛速度达到10ms左右。

8.根据权利1-3中任一项所述的方法，其特征在于，该方法支持盒式交换机、机架式交换机和堆叠组，且所述二层环网协议包括STP、RSTP、MSTP、RRPP、EAPS和MRPP。

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