CN112840605B - 网络计算环境中的路由优化 - Google Patents

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Abstract

用于改进网络计算环境中的路由操作的系统、方法和装置。该系统包括网络拓扑，其包括脊节点和多个叶节点。该系统使得多个叶节点中的至少一个与一个或多个联网前缀相关联。脊节点存储前缀表。该前缀表包括网络拓扑中的联网前缀的列表。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的至少一个等成本多路径路由(ECMP)组的指示。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的多个叶节点中的至少一个叶节点的指示。

Description

网络计算环境中的路由优化
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月23日提交的申请序列号为62/722,003、题目为“数据库系统方法和装置(DATABASE SYSTEMS METHODS AND DEVICES)”的美国临时专利申请的优先权，该申请通过引用整体并入本文，包括但不限于下文中具体出现的那些部分，通过引用进行的并入存在以下例外：在上述引用的申请的任何部分与本申请不一致的情况下，本申请替代上述引用的申请。
技术领域
本公开涉及计算网络，并且更特别地，涉及计算机联网环境中的网络拓扑和路由协议。
背景技术
网络计算是多台计算机或节点一起工作并通过网络彼此通信的一种方式。存在广域网(WAN)和局域网(LAN)。广域网和局域网都允许计算机之间相互连接。局域网通常用于可在家庭、企业、学校等使用的更小、更本地化的网络。广域网覆盖诸如城市的更大的区域，甚至可允许不同国家的计算机进行连接。局域网通常比广域网更快、更安全，但广域网能够实现广泛的连接。局域网通常由部署该局域网的组织内部拥有、控制和管理，而广域网通常需要两个或多个局域网通过公共互联网或通过电信提供商建立的专用连接进行连接来组成。
局域网和广域网使计算机能够彼此连接，并且传输数据和其他信息。对于局域网和广域网两者，必须存在一种方法来确定数据从一个计算实例传递到另一个计算实例的路径。将这称为路由。路由是为网络中或多个网络之间或跨多个网络的流量选择路径的过程。路由过程通常根据路由表来定向转发，该路由表保存通向不同网络目的地的路由记录。路由表可由管理员指定，可通过观察网络流量来学习，也可借助路由协议来构建。
小型网络可使用手动配置的路由表来确定信息应该如何从一台计算机传输到另一台计算机。路由表可包括“最佳路径”列表，该列表指示始发计算机和最终目标计算机之间最有效或最理想的路径。较大的网络，包括连接到公共互联网的网络，可能依赖于复杂的拓扑，该拓扑可能会快速变化，因此手动构建路由表是不可行的。动态路由试图通过基于路由协议携带的信息自动构建路由表来解决这个问题。动态路由使网络能够近乎自动地避免网络故障和阻塞。存在多种路由协议，这些路由协议提供用于确定联网装置之间的最佳路径的规则或指令。动态路由协议和算法的示例包括路由信息协议(Routing InformationProtocol，RIP)、开放最短路径优先(Open Shortest Path First，OSPF)、增强型内部网关路由协议(Enhanced Interior Gateway routing Protocol，EIGRP)和边界网关协议(Border Gateway Protocol，BGP)。
在某些情况下，路径选择涉及将路由度量(routing metric)应用于多个路由，以选择或预测最佳路由。大多数路由算法一次只使用一个网络路径。多路径路由技术允许使用多个备选路径。在计算机网络中，路由算法可用于预测两个计算实例之间的最佳路径。该路由算法可基于多个因素，诸如带宽、网络延迟、跳迁计数(hop count)、路径成本、负载、最大传输单位、可靠性和通信成本。路由表存储最佳路径的列表。拓扑数据库可存储最佳路径的列表，并且可进一步存储附加信息。
在一些网络中，路由是复杂的，在于没有单一的实体负责选择最佳路径。相反，在选择最佳路径或单个路径的事件部分时涉及多个实体。在互联网上的计算机联网的环境中，将互联网划分为自治系统(AS)，诸如互联网服务提供商(ISP)。每个自治系统控制涉及其网络的路由。自治系统级路径是基于边界网关协议(BGP)选择的。每个自治系统级路径包括一系列自治系统，信息包通过这些自治系统从一个计算实例移动到另一个计算实例。每个自治系统可具有由相邻的自治系统提供的多个路径以供选择。
对于不同的计算应用程序，存在许多具有不同优势和不足的网络拓扑。一种网络拓扑是叶脊网络拓扑，该叶脊网络拓扑包括与多个叶节点通信的脊节点。叶脊网络拓扑的传统路由协议有许多不足，并且当叶节点处于非活动状态时，会导致无效的数据环路。存在改进用于叶脊网络拓扑的加标协议和路由协议的期望。
发明内容
鉴于前述内容，本文公开了用于改进网络计算环境中的路由操作的系统、方法和装置。
附图说明
参照以下附图描述本公开的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个示图中指代相同的部分。关于下面的描述和附图，将更好地理解本公开的优点，其中：
图1是通过互联网通信的联网装置的系统的示意图；
图2是叶脊网络拓扑以及在脊上具有每前缀标签分配的路由协议的示意图；
图3是叶脊网络拓扑以及在脊上具有多宿主前缀和每前缀标签分配的路由协议的示意图；
图4是叶脊网络拓扑以及在脊上具有每路径列表标签分配的路由协议的示意图；
图5是叶脊网络拓扑以及在脊上具有多宿主前缀和每路径列表标签分配的路由协议的示意图；
图6是在网络环境中路由数据包的方法的示意性流程图；并且
图7是示出示例性计算装置的组件的示意图。
具体实施方式
本文公开了用于改进网络计算环境中的网络拓扑、路由标记和路由协议的系统、方法和装置。本公开的实施例采用了每前缀标签，该每前缀标签在前缀之前附加到网络路由标签。该每前缀标签可附加到具有等成本多路径(ECMP)路径的多宿主前缀。该前缀前的标签与ECMP路径一起导致对于每个ECMP路径，具有每前缀不同标签封装(labelencapsulation per-prefix)的ECMP组的激增。
在实施例中，路由标签被分配给跨多个前缀的多个ECMP组中的每一个。单个ECMP组可提供多个最佳路径以将数据包传输到目标前缀。在叶脊网络拓扑中，目标前缀可与多个叶节点相关联，并且多个叶节点中的每一个可与每个脊节点通信。
在实施例中，一种系统包括网络拓扑，该网络拓扑包括脊节点和多个叶节点。该系统使得多个叶节点中的至少一个与一个或多个联网前缀相关联。脊节点存储前缀表。该前缀表包括网络拓扑中的联网前缀列表。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的至少一个ECMP组的指示。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的多个叶节点中的至少一个叶节点的指示。
本公开的实施例被部署在叶脊Clos网络拓扑中。每前缀标签分配导致对上游叶路由器可用的ECMP组的数量增加。在实施例中，每前缀标签被分配到脊路由器上，并且从该脊路由器通告该每前缀标签。这导致唯一标签重写被每前缀地安装在朝向通告脊下一跳迁路由器的上游叶路由器上。每前缀标签将从每个下一跳迁路由器所接收的标签视为路径密钥的一部分。在Clos拓扑中，每前缀标签方案将被分配于第“n”层的脊上并且被从该脊通告的标签的数量优化到最少，而无需明确了解下游路由器所使用的标签分配方案。因此，在Clos拓扑中，每前缀标签与每个层级的路由器使用的标签分配方案解耦，同时自动提供标签重写以及ECMP资源在每一层的最佳共享。
在计算机网络环境中，诸如交换机或路由器的联网装置可用于将信息从一个目的地传输到最终目的地。在实施例中，数据包和消息可在诸如个人家中的计算机的第一位置处生成。数据包和消息可根据人与网络浏览器交互并且向可通过互联网访问的远程服务器请求信息或向该远程服务器提供信息来生成。在示例中，数据包和消息可以是人输入到可在连接到互联网的网页上访问的表格中的信息。该数据包和消息可能需要被传输到远程服务器，该远程服务器可能在地理位置上远离这个人的计算机。很可能该人家里的路由器与远程服务器之间不存在直接通信。因此，该数据包和消息必须“跳迁”到不同的联网装置，直到到达远程服务器的最终目的地。在该个人的家里的路由器必须确定用于通过连接到互联网的多个不同装置传输数据包和消息直到该数据包和消息到达远程服务器的最终目的地的路由。
确定从第一位置到最终目的地的最佳路径以及将数据包和消息转发到下一目的地的过程是由诸如交换机或路由器的网络装置执行的重要功能。网络中的网络装置之间的连接称为网络拓扑。网络拓扑是通信网络中诸如链路和节点的元素的排列。网络拓扑可包括网络中节点之间的有线链路、无线链路或者有线链路和无线链路的组合。有线链路的一些示例包括同轴电缆、电话线、电源线、带状电缆、光纤等。无线链路的一些示例包括卫星、蜂窝信号、无线电信号、自由空间光通信等。网络拓扑包括对网络中所有节点(例如，计算机、路由器、交换机和其他装置)的指示以及对节点之间链路的指示。本文公开了用于改进网络拓扑的系统、方法和装置。
为了进一步理解本公开，将对许多联网计算装置和协议提供一些解释。
BGP实例是在网络中路由信息的装置。BGP实例可采取路由反射器装置的形式。BGP实例可在交换机、路由器或交换机上的BGP扬声器上运行。在较高级别上，该BGP实例将针对前缀所学习的所有路径发送到最佳路径控制器。最佳路径控制器利用这些路径之中的一组最佳路径来进行响应。允许该最佳路径控制器修改任何路径的下一跳迁和属性。一旦收到最佳路径，BGP实例就更新本地路由信息库(RIB)，并且向邻居通知该最佳路径。
交换机(可选地，可称为交换集线器、桥接集线器或MAC网桥)创建网络。大多数内部网络使用交换机来连接建筑物或校园中的计算机、打印机、电话、摄像机、灯和服务器。交换机用作控制器，使联网装置能够有效地彼此通信。交换机通过使用包交换来接收、处理数据并且将数据转发到目标装置，从而连接计算机网络上的装置。网络交换机是一种多端口网桥，其使用硬件地址以在开放系统互连(OSI)模型的数据链路层(第2层)处理和转发数据。一些交换机还可通过另外并入路由功能在网络层(第3层)处理数据。这种交换机通常称为第3层交换机或多层交换机。
路由器连接网络。交换机和路由器执行类似的功能，但在网络中各自具有不同的功能。路由器是在计算机网络之间转发数据包的网络装置。路由器在互联网上执行流量引导功能。通过互联网发送的数据，诸如网页、电子邮件或其他形式的信息，以数据包的形式发送。数据包通常通过构成互联网络(例如，互联网)的网络从一个路由器转发到另一个路由器，直到该数据包到达目标节点。路由器连接到来自不同网络的两条或多条数据线。当数据包从数据线中的一条进入时，路由器读取数据包中的网络地址信息，以确定最终目的地。然后，路由器使用路由表或路由策略中的信息，将数据包引导到其行程中的下一个网络。BGP扬声器是启用了边界网关协议(BGP)的路由器。
客户边缘路由器(CE路由器)是位于客户驻地的路由器，提供客户LAN与提供商的核心网络之间的接口。CE路由器、提供商路由器以及提供商边缘路由器是多协议标签交换架构中的组件。提供商路由器位于提供商或运营商网络的核心。提供商边缘路由器位于网络的边缘。客户边缘路由器连接到提供商边缘路由器，并且提供商边缘路由器通过提供商路由器连接到其他提供商边缘路由器。
路由表或路由信息库(RIB)是存储在路由器或联网计算机中的数据表，列出了通向特定网络目的地的路由。在某些情况下，路由表包括对路由的度量，诸如距离、权重等。该路由表包括关于紧邻存储该路由表的路由器的网络拓扑的信息。路由表的构建是路由协议的主要目标。静态路由是通过非自动方式在路由表中创建的条目，并且条目是固定的，而不是某些网络拓扑发现过程的结果。路由表可包括至少三个信息字段，包括用于网络ID、度量和下一跳迁的字段。该网络ID是目标子网。该度量是数据包待发送路径的路由度量。该路由将指向度量最低的网关。下一跳迁是数据包在到达最终目的地的途中将发送到的下一站的地址。路由表可进一步包括与路由相关联的服务质量、通向与路由相关联的过滤标准列表的链路、用于以太网卡的接口等。
为了说明路由表的概念，可将路由表类比为使用地图来递送包裹。路由表类似于使用地图来将包裹递送到最终目的地。当节点需要向网络上的另一节点发送数据时，该节点首先必须知道将数据发送到哪里。如果该节点不能直接连接到目标节点，则该节点必须沿着通向目标节点的正确路由将数据发送到其他节点。大多数节点不会试图找出哪些路由可能有效。相反，节点将向LAN中的网关发送IP包，然后该网关决定如何将数据路由到正确的目的地。每个网关都需要跟踪以哪种方式递送各个数据包，为此该网关使用路由表。路由表是数据库，该数据库像地图一样跟踪路径，并且使用这些路径来确定流量的转发方向。网关还可以与请求信息的其他节点共享路由表的内容。
对于逐跳迁路由，每个路由表都会对所有可到达的目的地列出沿着通往该目的地的路径的下一装置的地址，即下一跳迁。假设路由表是一致的，那么将数据包中继到目的地的下一跳迁的算法就足以在网络中的任何地方递送数据。逐跳迁是IP互联网络层和开放系统互连(OSI)模型的特征。
开放系统互连(OSI)模型是一种概念模型，其表征和标准化计算系统的通信功能，而不考虑其底层内部结构和技术。OSI模型的目标是不同通信系统利用标准通信协议的互操作性。OSI模型将通信系统划分为抽象层。该层服务于其上方的层，并且被其下方的层服务。例如，通过网络提供无错通信的层提供了其上方的应用程序所需的路径，同时调用下一较低层来发送和接收构成该路径内容的包。将相同层中的两个实例可视化为通过该层中的水平连接进行连接。通信协议使一台主机中的实体能够与另一台主机中相同层的相应实体进行交互。像OSI模型一样，服务定义抽象地描述由(N-1)层向(N)层提供的功能，其中N是在本地主机中运行的协议层中的一个。
路由控制是一种网络管理，旨在提高互联网连接性，并且降低带宽成本和整体互联网络操作性。一些路由控制服务包括一套基于硬件和基于软件的产品和服务，这些产品和服务一起作用以提高整体互联网性能，并且以最低的成本微调对可用互联网带宽的使用。在网络或自治系统从多个提供商获取互联网带宽的情况下，路由控制可能是成功的。路由控制可帮助选择数据传输的最佳路径。
一些网络通信系统是具有数千个处理节点的大型企业级网络。数千个处理节点共享来自多个互联网服务提供商(ISP)的带宽，并且可处理大量的互联网流量。这种系统可能非常复杂，并且必须正确地进行配置才能获得可接受的互联网性能。如果未正确配置系统来进行最佳数据传输，互联网访问速度可能会降低，并且系统可能会面临高带宽消耗和高流量。为了解决这个问题，可实现一组服务来消除或减少这些担忧。这组服务可称为路由控制。
路由控制机制的实施例由硬件和软件组成。路由控制机制通过其与互联网服务提供商(ISP)的连接来监测所有传出的流量。路由控制机制帮助选择用于有效传输数据的最佳路径。路由控制机制可计算所有ISP的性能和效率，并且仅选择在适用区域中表现最佳的ISP。路由控制装置可根据与成本、性能和带宽相关的已定义参数进行配置。
用于确定数据传输的最佳路径的已知算法称为边界网关协议(BGP)。BGP是一种路径矢量协议，其为互联网上的自治系统提供路由信息。当BGP配置不正确时，可能导致中断可用性和安全性问题。此外，修改后的BGP路由信息可允许攻击者重定向大块流量，从而使流量在到达预期目的地之前先到达某些路由器。可实施BGP最佳路径算法来确定安装在互联网协议(IP)路由表中用于流量转发的最佳路径。BGP路由器可被配置为接收到相同目的地的多个路径。
BGP最佳路径算法分配第一有效路径作为当前最佳路径。BGP最佳路径算法将该最佳路径与列表中的下一路径进行比较，直到BGP到达有效路径列表的末端。该列表提供了用于确定最佳路径的规则。例如，该列表可包括以下指示：优选的是具有最高权重的路径，优选的是没有本地优先的路径，优选的是通过网络或聚合BGP在本地发起的路径，优选的是最短路径，优选的是具有最低多出口鉴别器的路径等。可定制BGP最佳路径选择过程。
在BGP路由的背景下，每个路由域(routing domain)称为自治系统(AS)。BGP帮助选择通过互联网连接两个路由域的路径。BGP通常选择经过最少自治系统的路由，称为最短AS路径。在实施例中，一旦启用了BGP，路由器将从可能是ISP的BGP邻居获取互联网路由的列表。然后，BGP将仔细检查该列表，以找到具有最短AS路径的路由。这些路由可被输入到路由器的路由表中。通常，路由器会选择到AS的最短路径。BGP使用路径属性来确定如何将流量路由到特定网络。
等成本多路径(ECMP)路由是一种路由策略，其中下一跳迁包可通过多个“最佳路径”转发到单个目的地。基于路由度量计算，多个最佳路径是等效的。多路径路由可与许多路由协议结合使用，因为路由是一种仅限于单个路由器的逐跳决策。多路径路由通过对多个路径上的流量进行负载平衡，可大大增加带宽。然而，在实际部署该策略时，ECMP路由存在许多已知问题。本文公开了用于改进ECMP路由的系统、方法和装置。
可在电信领域部署Clos网络。Clos网络是一个多阶段电路交换网络，其代表了多阶段交换系统的理想化。Clos网络包括三个阶段，包括入口阶段、中间阶段和出口阶段。每个阶段都由许多纵横制交换机组成。每个信元(cell)进入一个入口纵横制交换机，该入口纵横制交换机可通过任何可用的中间阶段纵横制交换机路由到相关的出口纵横制交换机。如果将入口交换机连接到中间阶段交换机的链路以及将中间阶段交换机连接到出口交换机的链路都是空闲的，则中间阶段纵横制可用于特定的新呼叫。
叶脊网络拓扑可用于连接计算机网络中的节点。叶脊拓扑具有两个层，包括叶层和脊层。叶层由连接到服务器、防火墙、负载平衡器和边缘路由器等装置的接入交换机组成。脊层由执行路由的交换机组成，并且形成网络的骨干，其中每个叶交换机都与每个脊交换机互连。在叶脊拓扑中，所有装置彼此相距相同数量的链路，并且包括用于传输信息的可预测且一致的延迟量或延时量。
为了促进对根据本公开的原理的理解，现将参照附图中示出的实施例，并且将使用特定的语言来描述这些实施例。然而，应当理解，这并不意味着对本公开范围的限制。对于处于相关领域并且拥有本公开的技术人员而言将正常想到的，对本文所示的发明特征的任何改变和进一步修改以及如本文所示的本公开的原理的任何附加应用都被认为处于所要求保护的公开的范围内。
在公开和描述用于跟踪网络计算环境中的对象的生命周期的结构、系统和方法之前，应当理解的是，本公开不限于本文所公开的特定结构、配置、处理步骤和材料，因为这些结构、配置、处理步骤和材料可能有所不同。还应当理解的是，因为本公开的范围将仅由所附权利要求及其等同方案限制，所以本文所采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在进行限制。
在描述和要求保护本公开的主题时，将根据以下阐述的定义使用以下术语。
必须主意的是，如在本说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物。
如本文所使用的，术语“包括有”、“包含有”、“含有”、“特征在于”及其语法等同物是包括性的或开放式的术语，并且不排除附加的、未引用的要素或方法步骤。
如本文所使用的，短语“由……组成”及其语法等同物排除了权利要求中未指定的任何要素或步骤。
如本文所使用的，短语“基本上由……组成”及其语法等同物将权利要求的范围限制为特定的材料或步骤，以及那些实质上不影响所要求保护的公开的基本和新颖的特征或特性的材料或步骤。
现在参照附图，图1示出了用于将装置连接到互联网的系统100的示意图。系统100包括通过交换机106连接的多个局域网160。多个局域网160中的每一个都可在公共互联网上经由路由器162彼此连接。在图1所示的示例性系统100中，存在两个局域网160。然而，应当理解，可能存在许多局域网160在公共互联网上彼此连接。每个局域网160包括通过交换机106彼此连接的多个计算装置108。多个计算装置108可包括例如台式计算机、膝上型电脑、打印机、服务器等。局域网160可通过路由器162与公共互联网上的其他网络通信。路由器162将多个网络彼此连接。路由器162连接到互联网服务提供商102。互联网服务提供商102连接到一个或多个网络服务提供商104。如图1所示，网络服务提供商104与其他本地网络服务提供商104通信。
交换机106通过使用包交换来接收、处理数据并且将数据转发到目标装置来连接局域网160中的装置。交换机106可被配置为例如从计算机接收指定给打印机的数据。交换机106可接收数据，处理数据，并且将数据发送到打印机。交换机106可以是第1层交换机、第2层交换机、第3层交换机、第4层交换机、第7层交换机等。第1层网络装置传输数据，但不管理任何通过其的流量。第1层网络装置的一个示例是以太网集线器。第2层网络装置是多端口装置，其使用硬件地址在数据链路层(第2层)处理和转发数据。第3层交换机可执行通常由路由器执行的部分或全部功能。然而，一些网络交换机仅限于支持单一类型的物理网络，通常是以太网，而路由器可在不同的端口上支持不同类型的物理网络。
路由器162是在计算机网络之间转发数据包的网络装置。在图1所示的示例性系统100中，路由器162在局域网160之间转发数据包。然而，路由器162不一定适用于在局域网160之间转发数据包，而是可用于在广域网之间转发数据包等。路由器162在互联网上执行流量引导功能。路由器162可具有用于诸如铜缆、光纤或无线传输的不同类型的物理层连接的接口。路由器162可支持不同的网络层传输标准。每个网络接口用于将数据包从一个传输系统转发到另一个传输系统。路由器162也可用于连接被称为子网的两个或多个计算机装置逻辑组，每个逻辑组具有不同的网络前缀。如图1所示，路由器162可提供企业内部、企业和互联网之间或者互联网服务提供商的网络之间的连接。路由器162中的一些被配置为与不同的互联网服务提供商互连，或者可用于大型企业网络。较小的路由器162通常为家庭和办公室网络提供到互联网的连接。图1中所示的路由器162可表示诸如以下的用于网络传输的任何合适的路由器：边缘路由器、用户边缘路由器、提供商间边界路由器、核心路由器、互联网骨干网、端口转发、语音/数据/传真/视频处理路由器等。
互联网服务提供商(ISP)102是为访问、使用或参与互联网提供服务的组织。ISP102可以各种形式组织，例如，商业性、社区所有性、非营利性或私有性。ISP 102通常提供的互联网服务包括互联网接入、互联网传输、域名注册、网站托管、Usenet服务和主机托管。图1所示的ISP 102可代表任何合适的ISP，例如，托管ISP、中转ISP、虚拟ISP、免费ISP、无线ISP等。
网络服务提供商(NSP)104是通过向互联网服务提供商提供直接的互联网骨干网接入来提供带宽或网络接入的组织。网络服务提供商可提供对网络接入点(NAP)的访问。网络服务提供商104有时称为骨干提供商或互联网提供商。网络服务提供商104可包括电信公司、数据运营商、无线通信提供商、互联网服务提供商和提供高速互联网接入的有线电视运营商。网络服务提供商104也可包括信息技术公司。
应当理解，图1所示的系统100仅是示例性的，并且可针对在网络和计算装置之间传输数据创建许多不同的配置和系统。因为在网络形成中存在大量的可定制性，所以期望在确定计算机之间或网络之间传输数据的最佳路径时创建更大的可定制性。鉴于前述内容，本文公开了用于将最佳路径计算卸除到外部装置以在确定非常适合于特定计算机组或特定企业的最佳路径算法时实现更大的可定制性的系统、方法和装置。
图2是具有叶脊架构的示例性拓扑200的示意图。拓扑200包括两个脊节点S1和S2。拓扑200进一步包括三个叶节点L1、L2和L3。在叶脊拓扑中，所有的装置S1、S2、L1、L2和L3相隔相同的段数。这是可能的，因为拓扑200仅具有两个层，包括脊层和叶层。叶层L1、L2、L3由连接到服务器、防火墙、负载平衡器和边缘路由器等装置的接入交换机组成。脊层S1、S2由执行路由的交换机构成，并且作为网络的骨干网，在该网络中，每个叶L1、L2、L3交换机与每个脊S1、S2交换机互连。
为了保证两层拓扑200中的装置之间的可预测距离，可使用动态的第3层路由来将这些层互连起来。动态路由允许基于对网络变化的响应来确定和调整最佳路径。这种类型的拓扑200可用于侧重于东西向网络流量的数据中心架构。
部署拓扑200的网络可使用第3层路由。通过使用等成本多路径(ECMP)，所有路由都被配置为活动状态。这允许同时使用所有连接，同时保持网络中的稳定并且避免环路。对于三层网络上传统的诸如生成树的第2层交换协议，必须在所有装置上正确配置拓扑，并且必须考虑生成树协议(STP)所依赖的所有假设。去除接入层和汇聚层之间的STP代替第3层路由，将使网络环境更加稳定。
拓扑200的另一个优点是易于添加附加的硬件和容量。当链路发生超额订阅时(这意味着产生的流量比一次聚合到活动链路上的流量要多)，扩展容量的能力非常简单。可添加附加的脊交换机，并且可将上行链路扩展到每个叶交换机。这导致层间带宽的添加以及超额订阅的减少。当装置端口容量成为问题时，可通过将新的叶交换机连接到每个脊并且将网络配置添加到新的叶交换机来增加新的叶交换机。
再次参照图2，拓扑200可使用BGP作为标记的IP可达性的控制计划。本文所讨论的每前缀标签分配导致上游叶路由器L1、L2、L3上的ECMP组的激增。如图2所示，每个脊S1、S2包括前缀表和标签表。标签表包括每前缀标签，该每前缀标签被分配于脊路由器上并且被从脊路由器通告给上游叶路由器。每前缀标签将导致唯一标签重写被每前缀地安装在朝向通告脊下一跳迁路由器的上游叶路由器上。
在图2所示的示例性实施方案中，叶L2与前缀P1和P3相关联。叶L3与前缀P2和P4相关联。由于对前缀P1、P2、P3和P4的标签重写不同，因此对四个不同的ECMP路径列表进行了编程。通常，ECMP路径列表的数量等于前缀的数量。图2至图5中的L(x,y)标注指示由脊x为前缀y分配的每前缀标签。因此，L(x,y)标注中的第一个数字是脊数字，L(x,y)标注中的第二个数字是前缀数字。
在脊S1和S2上的前缀表指示前缀P2位于叶L3上，前缀P4位于叶L3上，前缀P1位于叶L2上，并且前缀P3位于叶L2上。对于拓扑200中所示的两个脊S1和S2，前缀表是相同的。
S1的标签表指示，当脊S1接收到具有与前缀P2相关联的标签L(1,2)的包时，该包将被传输到叶L2。类似地，当脊S1接收到前缀为P4的数据时，该数据被传输到叶L3。此外，当脊S1接收到具有前缀P1的数据时，该数据被传输到叶L2。最后，当脊S1接收到具有前缀P3的数据时，该数据被传输到叶L2。
S2的标签表指示，当脊S2接收到具有与前缀P2相关联的标签L(2,2)的包时，该包被传输到叶L3。此外，当脊S2接收到具有前缀P1的数据时，该数据被传输到叶L2。最后，当脊S2接收到具有前缀P3的数据时，该数据被传输到叶L2。
如图2所示，通过脊S1对前缀P1分配的每前缀标签L(1,1)将导致叶L1上的、对于前缀P1是唯一的ECMP路径列表。该叶L1的路径列表显示在上游叶L1的前缀表中。
通过Clos网络中的一组脊下一跳迁，这导致上游叶上的ECMP组作为唯一每前缀。因此，转发ASIC上可用的有限ECMP资源不能在前缀之间共享，因此成为前缀规模瓶颈。
图3是具有叶脊架构的示例性拓扑300的示意图。拓扑300包括两个脊节点S1和S2。拓扑300进一步包括三个叶节点L1、L2和L3。在叶脊拓扑中，所有装置S1、S2、L1、L2和L3相隔相同的段数。这是可能的，因为拓扑300仅具有两个层，包括脊层和叶层。叶层L1、L2、L3由连接到像服务器、防火墙、负载平衡器和边缘路由器等装置的接入交换机组成。脊层S1、S2由执行路由的交换机构成，并且作为网络的骨干网，在该网络中，每个叶L1、L2、L3交换机与每个脊S1、S2交换机互连。
图3所示的拓扑300示出了标签的实施例，该标签是每前缀标签，具有分配在脊上的多宿主前缀。这导致将叶节点视为CE装置。脊节点针对每个下游下一跳迁叶路由器(per-CE)或每组下一跳迁叶路由器(弹性per-CE)分配本地标签可能导致脊针对从下游叶或一组下游叶获知的所有前缀通告相同的标签。这使得上游叶路由器能够对从一组叶向给定脊下一跳迁的所有前缀使用公共的标签重写。这进一步使上游叶路由器能够在这些前缀之间共享ECMP资源。
然而，在一些情况下，per-CE或弹性per-CE方案可能受到限制。因为该方案假设叶节点总是针对本地所附加的前缀通告IMP-NULL或DEAG标签，所以该方案可受到限制。这使得脊能够编程弹性per-CE本地标签，用于向叶后面的所有前缀转发共享的IMP-NULL或DEAG标签重写。此外，该方案假设单层级叶脊Clos拓扑。由于第(n-1)层的脊被附加到第(n-2)层的多个CE，多层级Clos拓扑将导致第(n)层的脊从第(n-1)层的每个脊接收多个标签，因此破坏了per-CE的转发语义。因为接收到的标签不是本地分配的CE标签的密钥的一部分，所以per-CE转发语义被破坏。例如，因为前缀P1和P2是经由不同的下游叶在S1上获知的，所以脊可能从具有标签L1的下游脊S1获知前缀P1，并且从具有标签L2的相同脊S1获知前缀P2。位于下一层的上游脊现在无法向前缀P1和P2通告分配给脊S1的相同的per-CE标签。这个问题在图4所示的拓扑400和图5所示的拓扑500中得到解决。
图4是具有叶脊架构的示例性拓扑400的示意图。拓扑400包括两个脊节点S1和S2。拓扑400进一步包括三个叶节点L1、L2和L3。在叶脊拓扑中，所有装置S1、S2、L1、L2和L3相隔相同的段数。这是可能的，因为拓扑400仅具有两个层，包括脊层和叶层。叶层L1、L2、L3由连接到像服务器、防火墙、负载平衡器和边缘路由器等装置的接入交换机组成。脊层S1、S2由执行路由的交换机构成，并且作为网络的骨干网，在该网络中，每个叶L1、L2、L3交换机与每个脊S1、S2交换机互连。
在图4所示的标记方案中，脊S1、S2中的每一个包括ECMP组、标签表和前缀表。这在本文中可被称为每路径列表标签分配。脊S1上的ECMP组包括指向叶L3的ECMP1和指向叶L2的ECMP2。脊S1上的标签表包括脊S1针对ECMP组ECMP1分配的标签(标注为L(1,1))。脊S1上的标签表进一步包括脊S1针对ECMP组ECMP2分配的标签(标注为L(1,2))。脊S1上的前缀表指示前缀P2指向ECMP1，并且进一步指向叶L3。脊S1上的前缀表指示前缀P4指向ECMP1，并且进一步指向叶L3。脊S1上的前缀表指示前缀P1指向ECMP2，并且进一步指向叶L2。脊S1上的前缀表指示前缀P3指向ECMP2，并且进一步指向叶L2。
脊S2上的ECMP组包括指向叶L3的ECMP1以及指向叶L2的ECMP2。脊S2上的标签表包括针对脊S2的标签(标注为L(2,1))，其在ECMP组ECMP1中，指向ECMP1，并且进一步指向叶L3。脊S2上的标签表进一步包括针对脊S2的标签(标注为L(2,2))，其在ECMP组ECMP2中，指向ECMP2，并且进一步指向叶L2。脊S2上的前缀表指示前缀P2指向ECMP1，并且进一步指向叶L3。脊S2上的前缀表指示前缀P4指向ECMP1，并且进一步指向叶L3。脊S2上的前缀表指示前缀P1指向ECMP2，并且进一步指向叶L2。脊S2上的前缀表指示前缀P3指向ECMP2，并且进一步指向叶L2。
叶L1上的前缀表指示前缀P2指向ECMP1，前缀P4指向ECMP1，前缀P1指向ECMP2，并且前缀P3指向ECMP2。叶L1上的ECMP组包括ECMP1，其指向脊S1、L(1,1)和L(1,2)，并且进一步指向脊S2、L(2,1)和L(2,2)。如图4所示，叶L2与前缀P1相关联，并且叶L3与前缀P2和P4相关联。
图5是具有叶脊架构的示例性拓扑500的示意图。拓扑500包括两个脊节点S1和S2。拓扑500进一步包括三个叶节点L1、L2和L3。在叶脊拓扑中，所有装置S1、S2、L1、L2和L3相隔相同的段数。这是可能的，因为拓扑500仅具有两个层，包括脊层和叶层。叶层L1、L2、L3由连接到像服务器、防火墙、负载平衡器和边缘路由器等装置的接入交换机组成。脊层S1、S2由执行路由的交换机构成，并且作为网络的骨干网，在该网络中，每个叶L1、L2、L3交换机与每个脊S1、S2交换机互连。
脊S1和S2上的ECMP组包括指向L3和L2的ECMP1。脊S1上的标签表包括指示脊S1指向ECMP1的标注L(1,1)。脊S2上的标签表包括指示脊S2指向ECMP1的标注L(2,1)。脊S1和S2上的前缀表指示前缀P1、P2、P3和P4都指向ECMP1。叶L1上的前缀表指示前缀P1、P2、P3和P4都指向ECMP1。叶L1上的ECMP组指示ECMP1指向脊S1和S2。如图5所示，叶L2和L3包括前缀P1、P2、P3和P4。
图4和图5所示的标签结构解决了关于图3讨论的上述问题。在拓扑400中，新的BGP本地标签分配方案针对每组下一跳迁CE和接收的标签路径分配本地标签。拓扑400、500中所示的每路径列表标签分配将从每个下一跳迁路由器接收的标签视为用于分配每路径列表本地标签的路径密钥以及路径列表上下文的一部分。在Clos拓扑中，这种标签分配方案自动地将被分配于第n层的脊并且从该脊通告的标签数量优化到最小数量。这是从第n-1层的下游和下一跳迁路由器通告的标签数量的功能。这是在不清楚下游路由器所使用的标签分配方案的情况下完成的。在实施例中，在Clos拓扑中，这种方案解耦由每个层的路由器所使用的标签分配，同时在每一层自动提供标签重写以及ECMP资源的最佳共享。
作为示例，在两层叶脊Clos拓扑中，其中叶节点通告IMP-NULL或DEAG标签，图4和图5所示的方案提供了路径列表共享优化，其等同于弹性per-CE标签分配方案。在从叶节点通告的per-CE标签的情况下，这导致在脊上对每下游叶分配一样多的标签。与每前缀标签分配相比，这提供了规模上的改进。
图6是用于异步接收和重新排序待利用联网装置传输的数据的方法600的示意性框图。方法600可由诸如路由器或交换机的联网装置来执行。在实施例中，如本文所述，方法600由脊节点S1、S2和/或叶节点L1、L2、L3执行。方法600可由网络拓扑中的节点或任何其他合适的计算装置来执行。
方法600开始，并且在602处，计算装置接收包括标签的数据包。该标签包括联网前缀。方法600继续，并且在604处，计算装置识别标签中的联网前缀。方法600继续，并且在606处，计算装置基于前缀表识别与联网前缀相关联的分配的等成本多路径(ECMP)组，计算装置对分配的ECMP组进行负载平衡，以识别分配的ECMP组内活动的叶节点。方法600继续，并且在608处，计算装置将数据包转发到分配的ECMP组内活动的叶节点。
现在参照图7，示出了示例性计算装置700的框图。计算装置700可用于执行各种程序，例如本文所讨论的。在一个实施例中，计算装置700可用于执行异步对象管理器的功能，并且可执行一个或多个应用程序。计算装置700可以是诸如以下的多种计算装置中的任意一种：台式计算机、仪表板内计算机、车辆控制系统、笔记本电脑、服务器计算机、手持式电脑、平板电脑等。
计算装置700包括一个或多个处理器702、一个或多个存储器装置704、一个或多个接口706、一个或多个大容量存储装置708、一个或多个输入/输出(I/O)装置710和显示装置730，所有这些都联接到总线712。处理器702包括执行存储器装置704和/或大容量存储装置708中存储的指令的一个或多个处理器或控制器。处理器702还可包括各种类型的计算机可读介质，诸如，高速缓存存储器。
存储器装置704包括各种计算机可读介质，诸如易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)714)和/或非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)716)。存储器装置704还可包括可重写ROM，诸如，闪速存储器。
大容量存储装置708包括各种计算机可读介质，诸如磁带、磁盘、光盘、固态存储器(例如，闪速存储器)等。如图7所示，特定的大容量存储装置是硬盘驱动器724。各种驱动器也可被包括在大容量存储装置708中，以实现对各种计算机可读介质的读取和/或写入。大容量存储装置708包括可移动介质726和/或不可移动介质。
输入/输出(I/O)装置710包括允许数据和/或其他信息被输入到计算装置700或从计算装置700检索出的各种装置。示例性I/O装置710包括光标控制装置、键盘、小键盘、麦克风、监视器或其他显示装置、扬声器、打印机、网络接口卡、调制解调器等。
显示装置730包括能够向计算装置700的一个或多个用户显示信息的任何类型的装置。显示装置730的示例包括监视器、显示终端、视频投影装置等。
接口706包括允许计算装置700与其他系统、装置或计算环境交互的各种接口。示例性接口706可包括任意数量的不同网络接口720，诸如，通向局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线网络和互联网的接口。其他接口包括用户接口718和外围装置接口722。接口706还可包括一个或多个用户接口要素718。接口706还可包括一个或多个外围接口，诸如用于打印机、定点装置(鼠标、跟踪板或本领域普通技术人员现在已知或以后将发现的任何合适的用户接口)、键盘等的接口。
总线712允许处理器702、存储器装置704、接口706、大容量存储装置708和I/O装置710以及联接到总线712的其他装置或组件彼此通信。总线712代表几种类型的总线结构中的一种或多种，诸如，系统总线、PCI总线、IEEE总线、USB总线等。
为了说明的目的，程序和其他可执行程序组件在本文中被示为离散的块，尽管可以理解，这样的程序和组件可在不同的时间驻留在计算装置700的不同存储组件中，并且由处理器702执行。可选地，本文所描述的系统和过程可以硬件或者硬件、软件和/或固件的组合来实施。例如，一个或多个专用集成电路(ASIC)可进行编程来执行本文所描述的一个或多个系统和过程。
出于说明与描述的目的已经给出了前面的描述。并不旨在穷举或将本公开限制到所公开的精确形式。根据上述教导，可以进行许多修改和变型。此外，应当注意的是，任何或所有前述可选实施方案可以任何所期望的组合来使用，以形成本公开的附加的混合实施方案。
此外，尽管已经描述和示出了本公开的具体实施方案，但是本公开不限于如此描述和示出的部件的具体形式或布置。本公开的范围将由本文所附权利要求，如果有的话，和任何将来在不同申请中提交的权利要求以及其等同方案来限定。
示例
下面的示例涉及进一步的实施例。
示例1是一种系统。该系统包括网络拓扑，其包括脊节点和多个叶节点。该系统使得多个叶节点中的至少一个与一个或多个联网前缀相关联。脊节点存储前缀表。该前缀表包括网络拓扑中的联网前缀的列表。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的至少一个等成本多路径路由(ECMP)组的指示。该前缀表包括与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的多个叶节点中的至少一个叶节点的指示。
示例2是根据示例1所述的系统，其中脊节点进一步包括标签表，该标签表指示与脊节点相关联的至少一个ECMP组，并且进一步指示多个叶节点中的哪一个与该至少一个ECMP组相关联。
示例3是根据示例1至2中任一示例所述的系统，其中多个叶节点中的每一个包括前缀表，该前缀表包括：网络拓扑中的联网前缀的列表；以及与网络拓扑中的联网前缀中的每一个相关联的ECMP组的指示。
示例4是根据示例1至3中任一示例所述的系统，其中多个叶节点中的每一个与至少一个ECMP组相关联。
示例5是根据示例1至4中任一示例所述的系统，其中一个或多个ECMP组位于脊节点上。
示例6是根据示例1至5中任一示例所述的系统，其中单个ECMP组位于脊节点上，并且该单个ECMP组指向多个叶节点中的两个或更多个叶节点。
示例7是根据示例1至6中任一示例所述的系统，其中该联网前缀是互联网协议(IP)地址前缀。
示例8是根据示例1至7中任一示例所述的系统，其中脊节点是路由器，并且多个叶节点中的至少一个是消费电子装置。
示例9是根据示例1至8中任一示例所述的系统，其中网络拓扑包括多个脊节点，并且多个脊节点中的每一个与多个叶节点中的每一个通信。
示例10是根据示例1至9中任一示例所述的系统，其中脊节点被配置为实施路由策略，该路由策略包括适用的ECMP组内的每包负载平衡(per-packet load balancing)。
示例11是可配置为执行非暂时性计算机可读存储介质中存储的指令的一个或多个处理器，该指令包括：接收包括标签的数据包，该标签包括联网前缀；识别该联网前缀；基于前缀表来识别与该联网前缀相关联的分配的等成本多路径(ECMP)组；以及将该包转发到分配的ECMP组内的叶节点。
示例12是根据示例11所述的一个或多个处理器，其中指令进一步包括对ECMP组进行负载平衡，以识别ECMP组内活动的叶节点。
示例13是根据示例11至12中任一示例所述的一个或多个处理器，其中指令进一步包括存储标签表，该标签表包括与叶脊网络拓扑中的脊节点相关联的一个或多个ECMP组的指示。
示例14是根据示例11至13中任一示例所述的一个或多个处理器，其中指令进一步包括存储前缀表，包括：叶脊网络拓扑中的多个叶节点的指示；与多个叶节点中的每一个相关联的一个或多个联网前缀的指示；以及与多个叶节点中的每一个相关联的一个或多个ECMP组的指示。
示例15是根据示例11至14中任一示例所述的一个或多个处理器，其中指令由包括多个叶节点的两层叶脊网络拓扑内的脊节点实施，其中脊节点与多个叶节点中的每一个通信。
示例16的是一种方法。该方法包括接收包括标签的数据包，该标签包括联网前缀。该方法包括识别该联网前缀。该方法包括基于前缀表来识别与该联网前缀相关联的分配的等成本多路径(ECMP)组。该方法包括将包转发到分配的ECMP组内的叶节点。
示例17是根据示例16所述的方法，其进一步包括对ECMP组进行负载平衡，以识别ECMP组内活动的叶节点。
示例18是根据示例16至17中任一示例所述的方法，其进一步包括存储标签表，该标签表包括与叶脊网络拓扑中的脊节点相关联的一个或多个ECMP组的指示。
示例19是根据示例16至18中任一示例所述的方法，其进一步包括存储前缀表，包括：叶脊网络拓扑中的多个叶节点的指示；与多个叶节点中的每一个相关联的一个或多个联网前缀的指示；以及与多个叶节点中的每一个相关联的一个或多个ECMP组的指示。
示例20是根据示例16至19中任一示例所述的方法，其中该方法由包括多个叶节点的两层叶脊网络拓扑内的脊节点实施，其中脊节点与多个叶节点中的每一个通信。
应当理解的是，上述布置、示例和实施例的任何特征可在单个实施例中进行组合，该单个实施例包括取自任何所公开的布置、示例和实施例的特征的组合。
应当理解的是，本文所公开的各种特征在本领域中提供了显著的优点和进步。所附权利要求是这些特征中的一些的示例。
在本公开的前述具体实施方式中，出于简化本公开的目的，将本公开的各种特征组合在单个实施例中。本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的公开内容需要比每个权利要求中明确陈述的更多的特征的意图。相反，发明的方面少于单个前述公开的实施例的所有特征。
应当理解的是，上述布置仅是对本公开原理的应用说明。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以设计出许多修改方案和替代布置，并且所附权利要求旨在涵盖这些修改和布置。
因此，尽管已经在附图中示出了本公开，并且在上面详细描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本文所阐述的原理和概念的情况下，可以进行许多修改，包括但不限于大小、材料、形状、形式、功能和操作方式、组装和使用的变化。
此外，在适当的情况下，本文所描述的功能可以在硬件、软件、固件、数字组件或模拟组件中的一个或多个中执行。例如，可对一个或多个专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)进行编程以执行本文所描述的一个或多个系统和程序。在下面的描述和权利要求中使用了某些术语来指代特定的系统组件。如本领域技术人员将理解的，可通过不同的名称来指代组件。本文件无意区分名称不同但功能相同的组件。
出于说明与描述的目的已经给出了前面的描述。并不旨在穷举或将本公开限制到所公开的精确形式。根据上述教导，可以进行许多修改和变型。此外，应当注意的是，任何或所有前述可选实施方案可以任何所期望的组合来使用，以形成本公开的附加的混合实施方案。
此外，尽管已经描述和示出了本公开的具体实施方案，但是本公开不限于如此描述和示出的部件的具体形式或布置。本公开的范围将由所附权利要求、任何将来在不同申请中提交的权利要求以及其等同方案来限定。

Claims (10)

1.一种用于路由优化的系统，包括：
网络拓扑，其包括脊节点和多个叶节点，其中所述多个叶节点中的至少一个与一个或多个联网前缀相关联；
所述脊节点存储脊前缀表，所述脊前缀表包括：
所述网络拓扑中的联网前缀的列表；
多个等成本多路径路由组即多个ECMP组的ECMP组的指示，所述ECMP组与所述网络拓扑中的多个联网前缀相关联；以及
与所述网络拓扑中的每个联网前缀相关联的所述多个叶节点的至少一个叶节点的指示；
其中，所述脊节点进一步被配置为：
从一个或多个下游叶节点接收联网前缀；
为至少一个ECMP组分配本地标签；以及
通告所述多个联网前缀的本地标签，以便所述多个叶节点使用所有所述多个联网前缀的本地标签执行标签重写。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述脊节点进一步包括标签表，所述标签表将至少一个ECMP组映射到本地标签，指示与所述脊节点相关联的至少一个ECMP组，并且进一步指示所述多个叶节点中的哪一个与至少一个ECMP组相关联。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个叶节点中的每一个与至少一个ECMP组相关联。
4.根据权利要求1所述的系统，其中一个或多个ECMP组位于所述脊节点上。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个ECMP组中的单个ECMP组位于所述脊节点上，并且所述单个ECMP组指向所述多个叶节点中的两个或更多个叶节点。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述联网前缀是互联网协议(IP)地址前缀。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述脊节点是路由器，并且所述多个叶节点中的至少一个是消费电子装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述网络拓扑包括多个脊节点，并且所述多个脊节点中的每一个与所述多个叶节点中的每一个通信。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述脊节点被配置为实施路由策略，所述路由策略包括适用的ECMP组内的每包负载平衡。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述本地标签是边界网关协议本地标签即BGP本地标签。
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