CN103329469B

CN103329469B - 在信息包网络设备中缩小数据损失窗口的方法

Info

Publication number: CN103329469B
Application number: CN201180065693.7A
Authority: CN
Inventors: V·珂坦; H·谢蒂
Original assignee: Force10 Networks Inc
Current assignee: Force10 Networks Inc
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: US8565069B2; US20120127854A1; CN103329469A; EP2643940A4; WO2012071430A1; EP2643940B1; EP2643940A1

Abstract

信息包网络设备包括控制模块、一个或多个线卡，其中每个线卡包括多个入口和出口端口，以及所述入口和出口端口中的每个连接到外部网络链路。线卡维持转发表并包括使用转发表中的信息来确定传入的信息包应如何被转发的功能。控制模块包括操作来获悉关于连接到网络的其它设备的可达性信息，该网络将使用这个可达性信息来更新存储在线卡中的转发表。控制模块还包括与标准ARP功能协作来操作的增强型ARP功能和被包括在控制模块上以在连接到出口端口之一的链路出现故障的情况下减小数据损失的量的其它网络协议。

Description

在信息包网络设备中缩小数据损失窗口的方法

背景技术

1．技术领域

本发明涉及信息包网络设备例如交换机和路由器，且更具体地涉及用于减少在信息包网络设备中由于网络拓扑变化而引起的数据损失的方法。

2．相关技术的描述

大型通信网络一般由相互关联的局域网或LAN组成，局域网或LAN又由某个数量的信息包网络设备（例如路由器和/或交换机）和终端用户设备（例如服务器或某些其它形式的计算设备）组成。图1示出包括三个LAN（LAN-0、LAN-1和LAN-2）的通信网络10。在图1的每个LAN中的至少一个信息包网络设备通过通信链路连接到它们所位于的LAN中的至少一个其它路由器，且每个LAN中的至少一个信息包网络设备可通过通信链路连接到其它两个LAN的每个中的至少一个设备。可以是交换机或路由器或这两者的每个信息包网络设备通常操作来接收信息数据包、处理信息包并将信息包转发到它们正确的目的地。一般来说，每个LAN作为与其它LAN分开的网络实体被管理，使得每个LAN可具有不同的应用运行，可具有不同级别的安全性并可具有某个数量的路由器，这些某个数量的路由器可与包括在其它LAN中的路由器分开地由网络管理员配置和管理。

与参考图1示出和描述的LAN相反，虚拟局域网或VLAN涉及与物理地分组相反的被逻辑地分组的路由器。一般来说，VLAN由多个路由器组成，其中至少一些路由器可位于不同的LAN中。所以例如，参考图1，在LAN-0中的一个路由器、在LAN-1中的一个路由器和在LAN-2中的一个路由器可以是同一VLAN的成员（例如参考图2所示的VLAN20）。在VLAN中的路由器成员资格可由中央管理员管理，且从一个VLAN成员传输到另一VLAN成员的信息包可根据网络标准例如IEEE802.1Q而被加标签。标签是除了别的以外还包括VLAN标识符（VID）的信息包或帧中的字段，其为指定信息包或帧所属于的VLAN的12位字段。每个交换机可包括作为端站或下一跳路由器的MAC地址的列表和VLAN上的端站或下一跳路由器可到达端口的VLAN表。所以例如，在图2的VLAN20中的交换机-3可维持由被分配给站-1的MAC地址和端口2的标识组成的一个VLAN表项目。这样的VLAN表可包括与VLAN20中的每个站（或下一跳路由器）相关的很多MAC地址以及站（或下一跳路由器）可到达的每个交换机上的相应端口。

信息包网络设备（例如路由器或交换机）可包括具有单独的卡或模块的底盘，用于提供与其操作相关的不同功能。这样的设备可包括操作来提供设备操作的总控制并提供路由和/或交换协议功能的控制模块、提供信息包处理和转发功能的一个或多个线卡和在线卡之间交换信息包的一个或多个交换卡。所有这些卡都可连接到布置在网络设备底盘中的底板。图3中的路由器/交换机30包括控制模块和都由交换架构（未示出）连接的多个线卡（只示出了一个）。控制模块在这种情况下由两个路由处理模块L2-RPM和L3-RPM组成，其中每个路由处理模块可操作来执行不同的功能以支持总系统操作。在这种情况下，L3-RPM除了别的以外还配置有层3路由协议，例如（仅列举几个例）开放最短路径优先（OSPF）协议、地址分辨协议（ARP）、边界网关协议（BGP）。层3路由协议通常操作来发现关于路由器30可到达的其它设备的网络地址信息，且它们操作来构建并维持层3路由表。

继续参考图3，L2-RPM除了别的以外还运行层2或链路层网络协议，例如通常操作来发现关于从路由器30可到达的网络设备的L2信息的标准生成树协议（STP、RSTP、MSTP），以监控连接到信息包网络设备的网络链路的状态并使用这个信息来构建交换表和在层2路由器的网络内创建无回路拓扑（生成树）。L2-RPM可包括链路状态数据库，其中进出交换机30的每个链路的状态被存储，且它还可包括涉及VLAN表中的一个或多个VLAN的信息。该VLAN表信息除了别的以外一般还包括被分配给特定的VLAN的VLAN ID（VID），特定的VLAN在这种情况下可以是图2的VLAN20。图3的路由器30还包括实现信息包处理功能的一个或多个线卡、用于存储L2/L3转发表的存储器和操作来维持存储在线卡存储器中的转发表的一个或多个代理。信息包处理功能连接到通常操作来通过网络中的路由器之间的链路发送和接收信息数据包的输入/输出端口。在控制模块和线卡上操作的进程可通过进程间通信总线彼此通信。

有时，在路由器之间的通信链路会出现故障。当这发生时，路由器必须快速作出响应以将网络流量重新路由到已知的良好链路，以便最小化数据的损失。在硬件中执行这个流量的重新路由是合乎需要的，因为硬件可设计成非常快速地操作以执行重新路由网络流量所需的转发表更新。可在硬件中被执行这个的一种方法是信息包处理器检查与连接到出现故障的链路的端口相关的层3表中的MAC地址，并接着使用这个信息作为在层2表内的指针，以识别信息包所发送到的端口。这起作用是因为STP非常快速地禁用连接到出现故障的端口，并启用备用端口且在层2表中进行这种更改。然而，由于在一些信息包网络设备中的硬件限制，只可能使用软件来在链路出现故障时实施网络流量的重新路由。

发明内容

当信息包网络设备知道在VLAN中的一个路由器连接到另一路由器的链路出现故障时，它操作以立即使与连接到出现故障的链路的端口相关的L2/L3转发表项目无效，并接着清除来自转发表的这些项目。更新L2表项目所需的信息可在一段相对短的时间内由信息包网络设备上的硬件/固件重新获悉。然而，用来重新获悉L3转发表信息的软件过程花费一段不可接受地长的时间。因此，地址分辨协议（ARP）开始收集来自VLAN中的其它路由器的地址信息，信息包网络设备可使用这些路由器来通信并使用这个地址信息来更新被清除的转发表项目。由于清除ARP高速缓存、收集地址信息、计算新路线和更新路由表项目的过程可能花费几秒，信息包可被丢掉，这否则将使用从ARP高速缓存清除的下一跳信息来处理。

在一个实施方式中，信息包网络设备软件操作来通过禁用连接到出现故障的链路的第一端口并启用作为同一VLAN的成员的第二端口、禁止与第一端口相关的层3转发表项目的清除、用VLAN的多播ID代替与第一端口相关的转发表项目的至少一部分（只要它采用软件来重新获悉用于更新层3表项目的网络地址信息）来减少由于连接到第一端口的链路的故障而丢失的通过该第一端口被传输的数据的量。通过在层3转发表更新信息被收集的时间段期间将VLAN的多播ID放置在转发表项目的一部分中，预期通过出现故障的链路传输的数据将继续流动。

附图说明

通过阅读说明书并参考下面的附图可更好地理解本发明，其中：

图1示出包括多个LAN的通信网络；

图2示出在网络中配置的VLAN；

图3是示出一般的信息包网络设备的功能元件的方框图；

图4是根据一个实施方式的信息包网络设备的功能元件的方框图；

图5是可包括增强型ARP功能的功能元件的方框图；

图6A和6C示出在链路出现故障之前L2和L3转发表项目的格式；

图6B示出在链路出现故障之后根据一个实施方式的L2和L3转发表项目的格式；

图7A-7C是操作来在链路故障期间缩小数据损失窗口的过程的一个实施方式的逻辑流程图。

具体实施方式

图4是示出包含包括一个实施方式的功能的信息包网络设备40的方框图。信息包网络设备在这种情况下可以是交换机、路由器或这两者的组合；然而，为了这个描述的目的，信息包网络设备在下文中被称为交换机40。在交换机上的一个或多个端口可以是VLAN的成员，例如图2中的VLAN20，且这个交换机40可设计成在软件中执行L2和L3转发表项目更新，作为交换机连接到的链路的故障的结果。交换机40非常类似于早些时候参考图3描述的交换机30，除了它包括合并到增强型ARP功能45中的ARP高速缓存清除重写功能以外。该重写功能临时防止ARP在链路故障的情况下清除无效的层3ARP高速缓存项目，且它操作来用与被分配给连接到出现故障的链路的端口的VLAN-ID（VID）相关的VLAN多播端口ID来代替ARP项目中的单播出口端口ID。VLAN多播端口ID可包括在L-2管理器43中。VLAN多播端口ID可指向在交换机上的两个或多个端口标识的列表。所以在VLAN中的链路出现故障的情况下，且在路由器正运行STP的版本的场合，否则将被交换机丢掉的信息包涌到VLAN多播端口ID所识别的所有端口。在重写功能被调用的同时，ARP模块将ARP请求转播到邻近的路由器以得到为项目分辨的ARP，对于该项目，清除被绕过。一旦接收到ARP回答，ARP模块就用来自ARP回答的新信息（所更新的信息可包括MAC地址和端口ID）来代替该项目（其被绕过）。

继续更详细地参考图4。交换机40由控制模块41和进过过程间通信链路或总线（IPC）彼此通信的一个或多个线卡42。线卡42由与参考图3描述的线卡相同的功能组成，所以将不在这里被再次更详细地描述，而只是简单的叙述它包括信息包处理功能和由在线卡42上运行的代理（L2代理和L3代理）维持的层2和层3转发表以及分别在L2RPM和L3RPM上运行的层2和层3管理器。信息包处理功能连接到多个输入/输出端口，其又连接到物理链路，数据通过物理链路在一个路由器和另一路由器之间传输。控制模块41包括与参考图3描述的控制模块相同的所有功能，但模块41包括额外的功能:增强型ARP功能45，其操作来在链路故障事件期间缩小数据损失窗口。具体地，在连接到交换机40上的端口之一的链路出现故障的情况下，生成树协议（STP）快速探测这个故障，并可将这个链路故障信息传递到在路由器上运行的层3协议，该路由器除了别的以外还维持存储在路由器40上的链路状态数据库。包括在控制模块41的L3-RPM中的增强型ARP功能45操作来重写/禁用标准ARP功能，其在链路状态故障被探测到的情况下清除ARP高速缓存。重写功能45禁用ARP清除功能，直到标准ARP功能接收到更新无效的路由表项目所需的网络地址信息，且功能45用作为VLAN（例如图2中的VLAN20）的成员的多播端口的标识代替被包括在与以前被阻止的（但不是活动的）的端口相关的ARP高速缓存中的单播端口信息。以这种方式用多播端口信息代替单播端口信息允许交换机40所接收的信息包（其从与出现故障的链路相关的端口运出，且其否则将被丢掉）通过另一新启用的端口转发到它们的目的地。参考图5提出了部件部分和增强型ARP功能45的操作的更详细描述。

图5是示出可包括上面参考图4描述的增强型ARP功能45的功能元件的方框图。增强型ARP功能由标准ARP功能、ARP高速缓存清除禁用功能和ARP高速缓存项目出口字段更新功能组成。标准ARP功能将不在这里描述，因为该功能是通信网络工程师公知的。当标准ARP功能从在早些时候参考图4描述的控制模块41的L2-RPM中操作的STP功能接收到消息时，ARP高速缓存禁用功能被调用。该禁用功能有效地重写标准ARP功能以防止它清除与连接到出现故障的链路相关的端口的ARP高速缓存。这个清除禁用功能重写标准ARP高速缓存清除功能，只要它采取标准ARP功能来获悉通过端口可到达的网络设备的IP/MAC地址对，该端口例如在出现故障的端口被禁用/阻止之后由生成树协议（STP）启用。出口字段更新功能操作来通过用一个或多个多播端口的标识代替与出现故障的链路相关的端口ID来更新在与字段链路相关的端口的ARP表项目中的出口端口字段，该一个或多个多播端口是VLAN的成员，端口也是VLAN的成员（端口在这种情况下可以是连接到出现故障的链路的端口和作为链路故障的结果而启用的以前被阻止的端口）。下面分别参考图6A、6B和6C示出了ARP高速缓存项目从端口故障之前、端口故障之后和ARP高速缓存项目被更新之后的进展。

图6A示出包括在L2和L3项目的三个字段中的信息，L2和L3项目可包括在被存储在线卡例如图4的线卡42中的转发表中。每个表项目与交换机上的特定端口相关，且可能有与每个端口相关的多个表项目。包括L2表项目的第一字段可包括从存储有表项目的交换机（例如图4的交换机40）可到达的网络设备的MAC目的地地址，第二字段可包括与VLAN的标识有关的信息（端口是VLAN的成员），且第三字段可包括目前是活动端口的第一出口端口的标识，信息包通过活动端口转发到包括在表项目的第一字段中的下一跳地址。L3表项目中的第一字段可包括网络设备的目的地IP地址，交换机40所接收的信息包可转发到该目的地IP地址。L3表项目中的第二字段可包括目的地MAC地址，其包括在上面的L2表项目的第一字段中。L3表项目中的第三字段可包括VLAN的标识，其包括在上面的L2表项目的第二字段中，且L3表项目中的第四字段可包括第一出口端口的标识，其包括在上面的L2表项目的第三字段中。

参考图6A，在连接到与早些时候描述的L2和L3转发表相关的交换机40上的第一出口端口的链路被探测到出现故障的情况下，生成树协议禁用第一端口，并启用交换机40上的第二以前被阻止的端口，且从出现故障的端口指向的所有层2项目被清除。在层2项目被清除之后，可在例如信息包处理器中实现的交换机硬件通过VLAN（第一端口是VLAN的成员）的所有其它成员端口使数据流量涌入，因此层2流量可继续被转发而没有信息包的损失，或将信息包的损失最小化。同时，交换机硬件从数据流量重新获悉层2项目，且L2管理器把这些最新获悉的项目安装到层2表中，使得数据流量可被转发（没有涌入）到相应的端口。然而，需要花费相当长的时间来更新与最近启用的第二端口相关的一个或多个表项目的层3表。在ARP收集它更新与第二端口相关的L3表项目所需要的网络设备地址信息期间，图5的出口字段更新功能操作来将多播端口的标识放置到与第二端口相关的表项目中，其中多播端口是VLAN的成员。这是参考图6B示出的，其中VLAN多播端口ID放置到L3项目的第四字段中。

在一段时间——一般来说几秒钟——之后，ARP分辨通过第二端口可到达的网络设备地址，且它用更新了的网络设备地址信息（IP地址/MAC地址对）更新一个或多个L3表项目。参考图6C示出这个L3表项目，图6C示出指向第二端口或现在被启用的端口的第四字段。

图7A-7C示出用于在连接到相关端口的链路出现故障的情况下更新层3表项目的过程的一个实施方式的逻辑流程图。对于与图7有关的描述，参考图2、4和6A-C可能是有帮助的。在图7A的步骤1中，连接到图4的交换机40上的第一端口的链路出现故障。在步骤2中，参考图4描述的端口管理器探测到在第一端口上的链路状态变化，并将包括链路故障的通知的消息发送到图4的线卡42上的L2代理。在步骤3中，L2代理通知L2协议，例如连接到第一端口的链路出现故障的生成树协议（STP），且在步骤4中，L2协议禁用第一端口，启用以前被阻止的端口（第二端口），并将消息发送到在交换机40的L3-RPM上运行的地址分辨协议（ARP），通知它端口状态的变化（第一端口被禁用且第二端口被启用）。在步骤5中，L2代理使与第一端口相关的L2表项目无效，并接着删除/清除表项目。参考图6A描述了一个这样的L2表项目。接着，在步骤6中，包括在图4的增强型ARP模块45中的标准ARP清除功能被禁用，且过程继续进行到步骤7。禁用这个ARP高速缓存清除功能导致与第一端口相关的所有ARP高速缓存项目的保留。

现在参考图7B，在步骤7中，在交换机40中的信息包处理器中实现的硬件使以第一端口为目的地的流量涌到交换机40上作为VLAN的成员的所有端口。这是必要的，因为与第一端口相关的所有表项目被清除。在步骤8中，交换机40的硬件从通过VLAN涌入的流量（信息包）获悉/重新获悉第二端口的MAC地址和可达性信息。在步骤9中，在交换机40的线卡上的L2代理和在控制模块41中的L2管理器协作来使用在步骤8中获悉的MAC信息来更新L2转发表。此时，L2流量通过交换机41根据包括在L2转发表中的更新的信息开始流动。在步骤10中，位于交换机40的L3-RPM中的ARP横穿ARP高速缓存（ARP高速缓存可存储在交换机40的L3-RPM中的路由表中），搜索通过出现故障的链路由第一端口分辨的ARP项目（即，下一跳MAC地址）。应理解，标准ARP功能将否则另行清除这些项目，所以这些项目一般不可用来被搜索。然而，根据一个实施方式，使用重写或禁用这个标准ARP高速缓存清除功能的增强型ARP功能，使得这些项目可用来被搜索。在步骤11中，作为步骤10的结果由ARP识别的项目被更新，如早些时候参考图6B描述的，以包括与第二端口相关的VLAN.ID。具体地，ARP可更新L3表项目中的出口字段，如在图6B中描述的，以包括作为VLAN的成员的一个或多个端口的标识。使用VLAN多播信息更新这个L3表项目出口字段仅仅是暂时的，直到标准ARP功能分辨出这些表项目的地址。以这种方式更新L3表允许交换机40在图7C的步骤12中通过在VLAN的所有成员端口上多播它们来继续转发信息包。以这种方式转发信息包导致信息包的最小损失。根据ARP缓存的尺寸，它可花费大约数秒来在链路出现故障之后更新缓存，且在这个时间期间，应被转发出连接到出现故障的链路的端口的所有流量可被丢掉。与现有技术方法相反，图7A和7B的实施方式中所述的方法只花费大约数毫秒来在被禁用之后更新L3表项目，因此流量一般很少被丢失。

当ARP高速缓存表如图7B的步骤11中所述的被更新时，标准ARP功能开始分辨刚刚被启用的第二端口的下一跳地址。在图7C的步骤14中。与第二端口相关的出口字段表项目使用在步骤13中由ARP收集的地址信息来更新（临时出口信息被替换）。此时，该过程继续进行到步骤15，其中开关40开始通过第二端口以正常方式转发信息包。

为了解释的目的，前述描述使用特定的术语来提供本发明的彻底理解。然而，对于本领域中的技术人员将明显，为了实践本发明，并不需要特定的细节。因此，为了说明和描述的目的而提出本发明的特定实施方式的前述描述。它们的目的并不是排他的或将本发明限制到所公开的精确形式；显然，鉴于上述教导，很多修改和变化是可能的。实施方式被选择和描述，以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，它们从而使本领域中的技术人员能够最好地利用本发明，且具有各种修改的各种实施方式适合于所设想的特定使用。下面的权利要求及其等效形式是为了限定本发明的范围的。

Claims

1.一种用于作为通信链路故障的结果以减小在信息包网络设备中的数据损失的方法，包括：

探测所述信息包网络设备中的第一出口端口所连接到的通信链路的故障；

禁用所述第一出口端口并启用在所述信息包网络设备上的以前被阻止的第二出口端口，这两个端口都是同一VLAN的成员；

当用于所述第二出口端口的更新的层3转发信息被获悉时，临时禁止与所禁用的第一出口端口相关的所有层3转发表项目的移除；

识别与所禁用的第一出口端口相关的一个或多个层3转发表项目，并用所述VLAN的多播标识代替所述一个或多个层3转发表项目的每个的一部分，所述VLAN的多播标识被分配给连接到出现故障的链路的端口，使得以所禁用的第一出口端口为目的地的流量被临时涌到所述VLAN的所述多播标识所标识的多个端口；以及

使用所获悉的用于所述第二出口端口的层3转发信息来更新一个或多个所述层3转发表项目以代替所述VLAN的所述多播标识。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述通信链路的故障通过所述信息包网络设备不能够通过所分配的出口端口成功地转发数据来显现。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述信息包网络设备是网络交换机、网络路由器或交换机和路由器两者。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个层3转发表项目中的每个由IP地址、介质访问控制地址、VLAN标识和出口端口标识组成。

5.如权利要求1所述的方法，其中所有层3转发表项目的移除被增强型地址分辨协议功能禁止。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述第二端口根据生成树协议而被阻止。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述更新层3转发信息由介质访问控制地址和端口标识组成，所述地址通过该端口标识而被获悉。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述层3转发表项目的被代替的部分是出口端口标识。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述VLAN的所述多播标识是作为所述VLAN的成员的两个或多个出口端口的标识。

10.如权利要求1所述的方法，其中更新所有层3转发表项目包括代替IP地址、介质访问控制地址和端口标识中的一个或多个。

11.一种信息包网络设备，包括：

控制模块，其运行层2和层3网络协议并运行增强型地址分辨协议功能；

一个或多个线卡，其中每个线卡由信息包处理器、端口管理器、存储一个或多个转发表的存储器和连接到外部网络通信链路的多个入口和出口端口组成，其中所述控制模块和所述一个或多个线卡在影响所述多个出口端口之一的链路故障的情况下协作来：

禁用所述多个出口端口之一并启用所述多个出口端口中的以前被阻止的第二出口端口，这两个端口都是同一VLAN的成员；

当用于所述多个出口端口中的所述第二个的更新的层3转发信息被获悉时，临时禁止与所禁用的所述多个出口端口中的第一个相关的所有层3转发表项目的移除；

识别与所述出口端口中的被禁用的出口端口相关的一个或多个层3转发表项目，并用所述VLAN的多播标识代替所述转发表项目的每个的一部分，所述VLAN的多播标识被分配给连接到出现故障的链路的端口，使得以所禁用的第一出口端口为目的地的流量被临时涌到所述VLAN的所述多播标识所标识的多个端口；以及

使用所获悉的用于所述第二出口端口的层3转发信息来更新一个或多个层3转发表项目以代替所述VLAN的所述多播标识。

12.如权利要求11所述的信息包网络设备，其为网络交换机、网络路由器或这两者。

13.如权利要求11所述的信息包网络设备，其中所述控制模块由层2路由处理器模块和层3路由处理器模块组成。

14.如权利要求11所述的信息包网络设备，其中所述层2路由处理器模块由层2网络协议、层2路由表、VLAN信息、层2管理器和链路状态数据库组成，而所述层3路由处理器模块由层3网络协议、层3路由表、增强型地址分辨协议功能和层3路由表管理器组成。

15.如权利要求14所述的信息包网络设备，其中所述增强型地址分辨协议功能由标准地址分辨协议功能、地址分辨协议高速缓存清除禁用功能和层3转发表更新功能组成。

16.如权利要求11所述的信息包网络设备，其中所述信息包处理器操作来检查所述信息包网络设备所接收的信息包以确定如何通过网络转发所述信息包。

17.如权利要求11所述的信息包网络设备，其中所述端口管理器操作来禁用和启用所述多个出口端口中的任一个。