CN1178435C - 在网络交换机中选择性地删除地址表项目的方法及使用这种方法的网络交换机 - Google Patents
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Abstract
一种网络交换器，配置为在以太网(IEEE 802.3)中进行第二层及第三层交换而不阻塞输入数据封包，包括具有封包分类器模块的网络交换端口，该封包分类器模块可在实时基础上评估输入的数据封包。封包分类器模块可监视两个依预定网络应用互动的网络节点间的数据流。封包分类器模块由接收到的第二层数据封包而确定指定的网络应用的应用状态，使网络交换器中的交换逻辑能够利用根据如HTTP、SNMP、ftp、Telnet等相应网络应用而定的老化时间间隔，从而根据所支持的网络应用而将老化的地址项目从网络交换地址表中删除。根据第二层数据封包而作的确定亦使网络交换器可检测到数据流结束而将对应的地址项目从网络交换地址表中删除。
Description
技术领域
本发明涉及无阻塞网络交换机(non-blocking network switch)中数据封包(data packet)的交换，该网络交换机配置为在子网络之间交换数据封包，特别是涉及从网络交换机地址表中选择性地删除地址项目。
背景技术
美国专利第5914956号公布了一种用以提高异步传输模式(ATM)交换机的连接容量的高速缓存装置及方法。监视通过交换机的数据元的流程，检测未使用的或使用不足的(underused)连接并以恢复老化器而标记在连接表中，该恢复老化器周期性地评估连接的活动性。
IEEE计算机学会的LAN MAN标准委员会，ISO/IEC 15802-3：1998ANSI/IEE STD 802.1D，1998年版，第42～26页题为“Informationtechnology- Telecommunications and information exchange betweensystems- Local and metropolitan area networks- Common specifications-Part 3：Media Access Control(MAC)Bridges(信息技术——系统之间的远程通信与信息交换——局域网和都市网——通用技术规范——第三部分——介质访问控制(MAC)桥)”公布了对应于IEEE802.3协议的MAC桥。根据该标准的老化地址的处理如下所述。
局域网使用网络缆线或其它介质连接网络中的网站。各局域网体系结构使用介质访问控制(MAC)，使得各网络节点的网络接口装置能够访问网络介质。
已制定了以太网络协议IEEE 802.3，规定了用于数据封包传送的半双工介质存取机制(half-duplex media access mechanism)及全双工介质存取机制(full-duplex media access mechanism)。全双工介质存取机制提供两网络组件之间——例如网络节点与交换集线器(switched hub)之间——双向和点对点的通信链接。
交换局域网正面临日益增加的更高速连接性、更有弹性的交换性能以及可容纳更复杂网络体系结构等需求。例如，美国专利第5,953,335号即揭示一种网络交换机，其配置为进行不同网络节点之间第二层类型的以太网(IEEE 802.3)数据封包的交换；一个接收到的数据封包可包括依照IEEE 802.1q协议的虚拟局域网带标签帧(VLAN tagged frame)，其中该IEEE 802.1q协议指定其它子网络(经由路由器)或预先指定的网站群。由于交换发生在第二层级别上，因此一般需要有路由器在子网络间输送数据封包。
现有的第二层类型网络交换机的一个问题在于老化功能(agingfunction)的使用。老化功能具有由使用者设定的固定的老化时间间隔，用以从网络交换地址表删除老化的地址项目(address entry)。特别是当网络交换机在检测到所接收的数据封包具有未知的地址，例如未知的MAC来源或目的地址时，会通过将新的地址项目加入网络交换地址表而“学习”新的网络地址。网络交换机也具有老化功能，用以删除老化的地址项目，从而防止网络交换地址表溢出。举例来说，每次为了交换接收到的数据封包而存取一地址项目时，网络交换机的交换结构(switch fabric)都会在该地址项目中设置“命中位(hit bit)”。该老化功能可检测所设定的“命中位”并对此响应而将该位重设为0，而且将该地址项目保持于网络交换地址表中；如果老化功能检测到“命中位”已重设为0值，表示该地址项目至少在固定的老化时间间隔期间中未被存取，则老化功能从网络交换地址表中删除这一老化的地址项目。
然而，使用上述老化功能却可能导致过早地将地址项目从网络交换地址表中删除，使得网络交换机必须重新学习网络地址。举例来说，如果使用者所规定的老化时间间隔设定为过短数值，则第二层交换机可能不知道在两个网络应用(network application)间发生的更高层协议的通信(亦即数据流)，而重复地删除并重新学习关于该两网络应用之间数据流数据封包的地址项目，浪费网络交换资源。但试图增加使用者所规定的老化时间间隔又可能冒网络交换地址表溢出的危险。
发明内容
需要有一种方案，使网络交换机能有选择性地从其网络交换地址表中删除地址项目，同时使被删除地址项目的再学习减至最低。
还需要有一种方案，可根据两个网络应用之间由网络交换机所传送的数据流的状态，使网络交换机能有选择性地从其网络交换地址表中删除地址项目。
上述及其它目的皆可透过本发明而达成，其中网络交换机根据由接收到的数据封包所确定的数据流应用状态，而有选择性地从网络交换地址表中删除地址项目。
本发明在一方面提供一种用于集成网络交换机(integrated networkswitch)的方法，该方法包括：由接收到的第二层数据封包确定指定的网络应用的应用状态；以及根据所确定的应用状态，有选择性地从网络交换地址表中删除地址项目，该地址项目至少规定以下一项内容：接收到的第二层数据封包的来源与该第二层数据封包的目的地。集成网络交换机对应用状态的确定可使该集成网络交换机根据指定的网络应用而识别网络节点之间数据流的存在，可使集成网络交换机根据指定的网络应用参数而调整老化定时器(aging timer)。再者，根据所确定的应用状态而进行的地址项目的选择性删除，可使集成网络交换机在根据应用状态而确定网络节点间的数据流已经终止时——例如两节点间的会话期(session)结束时——删除地址项目。因此，由于应用状态从接收到的第二层数据封包即可确定，根据网络会话期的结束即可精确地控制地址项目的删除。
本发明在另一方面提供一种网络交换机，包括网络交换端口(network switch port)及交换逻辑(switching logic)。每一网络交换端口均具有封包分类器(packet classifier)，该封包分类器配置为对于多个指定的网络应用中被检测出的一个网络应用，根据接收到的第二层数据封包而确定其应用状态。交换逻辑配置为根据确定的应用状态和在一个依应用而定的老化时间间隔(application-specific aging interval)期间一个确定地址项目不活动性(inactivity)两者之一，而有选择性地删除地址项目，该地址项目至少规定以下一项内容：接收到的第二层数据封包的来源与该第二层数据封包的目的地，其中该依应用而定的老化时间间隔是依被检测出的一个指定的网络应用而定的。因此，交换逻辑根据不活动性的间隔而有选择性地删除地址项目，该不活动性的间隔则依从接收到的第二层数据封包所检测出的一个指定的网络应用而定，从而可利用更精确的老化时间间隔，该老化时间间隔依集成网络交换机所支持的网络应用而定；而交换逻辑根据所确定的应用状态而有选择性地删除地址项目，则使交换逻辑能够在两个网络节点间的会话期结束时，按照被检测出的指定网络应用而删除地址项目。
本发明的其它优点及新颖特性将部份说明如下，部份通过本领域技术人员对本发明进行审视或实施即变得显而易见。通过所附权利要求书范围所指出的各种手段及其结合，即可实现本发明的优点。
附图说明
参见附图，其中具有相同参考编号的组件表示通篇相同的组件且其中：
图1为一个包含多个网络交换机的封包交换网络的方框图，该网络交换机根据本发明一实施例而在各子网络间交换数据封包；
图2为方框图，说明图1中根据本发明一实施例的网络交换端口，该网络交换端口包括封包分类器模块；
图3A及图3B为示意图，说明图2的小项产生器同时处理方程式的四个模板；
图4详示图1的交换逻辑；
图5为一流程图，说明根据本发明一实施例而根据所确定的应用状态及依应用而定的老化时间间隔，有选择性地删除地址项目的方法。
具体实施方式
以下描述的实施例涉及一种集成网络交换机的配置，其用以对网络交换地址表的项目产生基于应用的(application-based)老化时间间隔，并根据由接收到的第二层数据封包所确定的一个指定的网络应用的应用状态而有选择性地删除地址项目。根据第二层数据封包的指定的网络应用的检测，以及该指定的网络应用的应用状态的检测，则由接收到该第二层数据封包的网络交换端口中的封包分类器模块所执行。以下将先说明网络交换机体系结构及封包分类器，其后说明网络交换地址项目的基于应用的老化。
图1显示例如以太(IEEE 802.3)网的封包交换网络10的方框图。该封包交换网络包括可进行网站14间数据封包传递的集成(亦即单芯片)多端口交换机12。每一个诸如客户端工作站的网站14，通常均依照IEEE 802.3协议而配置为以10Mbps或10Mbps发送或接收数据封包。各集成多端口交换机12间以千兆位以太网链路(Ethernet link)16互连，从而使数据封包可在子网络18a、18b、18c间传送。因此，每个子网络均包括交换机12及一群相关网站14。
各交换机12包括具有介质访问控制(MAC)模块22及封包分类器模块24的交换端口20。MAC模块22透过依照IEEE802.3u协议的10/100Mbps实体层(PHY)收发器(图中未示)将数据封包传送至相关的网站14及从相关网站14接收数据封包。各交换机12还包括交换结构25，其配置为可就接收到的数据封包作数据帧转发决策(frameforwarding decision)。特别是交换结构25可根据以太网(IEEE802.3)标题中的源地址、目的地址及VLAN信息而作第二层交换决策，交换结构25还配置为可根据以太网封包中'数据封包的评估(evaluation)而作有选择的第三层交换决策。
如图1所示，各交换机12具有与其相关的主CPU 26以及例如SSRAM的缓冲存储器28。主CPU 26控制与其对应的交换机12的所有操作，包括下述交换结构25及封包分类器的编程。缓冲存储器28则为相对应的交换机12所用，在交换结构25就接收到的数据封包作转送决策时储存数据帧。
如上所述，交换结构25配置为进行第二层交换决策及第三层交换决策。使用交换结构25所作的第三层交换决策可使交换结构25就如何处理封包(包括进一步转送决策)、以及是否将封包作为高优先权封包——例如像视频或音频这样对等待时间敏感的应用(latency-sensitiveapplication)——而作出明智决策。
根据所示实施例，可将图1的封包分类器模块24配置为在输入数据流与模板之间进行多重同时比较(multiple simultaneous comparison)，该模板识别该输入数据流的数据格式。详言之，主处理器26的使用者将拟定策略(policy)，其中规定交换结构25应如何处理在接收到的数据封包选定部份具有预定数据值的数据封包。这些策略通过将对应于各策略的一组数据帧转发决策或老化功能参数载入交换结构25而实施。应注意，在接收到的第二层数据封包选定部份的预定数据值可位于第二层数据封包的任一部份中。因此，封包分类器模块24能够检测到对应于不同网络应用的数据流的存在，该不同网络应用例如有超文本传输协议(HTTP)、SNMP、FPT、Telnet等。
因此，交换结构25可包括一组针对HTTP封包的数据帧转送指令及老化参数、一组针对SNMP封包的数据帧转送指令及老化参数、以及一组针对高优先权封包(例如视频或音频等)的数据帧转送指令及老化参数。
图2为一个方框图，显示根据本发明一个实施例的封包分类器模块24。如图2所示，网络交换端口20包括MAC 22、接收FIFO缓冲器27、标题改变器(header modifier)29、及封包分类器模块24。网络交换端口过滤器亦称为封包分类器模块24，配置为在网络交换端口20识别输入的数据封包，并根据所接收的数据封包类型而向交换结构25提供标签(tag)，该标签规定应对该数据封包完成的动作。详言之，封包分类器模块24同时比较输入的数据封包与多个用以识别各种数据格式的模板。然后，封包分类器模块24根据输入的数据封包与多个模板的比较结果，识别所要执行的方程式(equation)，以指定将提供给交换结构25的标签。
详言之，封包分类器模块24通过从多个模板中检测出至少一个匹配的模板而识别输入的数据封包，从而产生比较结果。然后，封包分类器模块24识别出包含该匹配模板的方程式，并产生由方程式所指定的标签。
图3A及图3B表明封包分类器模块24同时处理一个方程式的两个模板。图3A表明封包分类器模块24对以下方程式所作逻辑评估(logical evaluation)：
Eq1＝M1*M2*M3*M4*(M5+M6+M7+M8)
图3B说明如何实际将方程式Eq1储存在小项存储器(min termmemory)70中。方程式Eq1包括四个模板62a、62b、62c及62d：模板62a包括小项M1、M2、M3、M4及M5；模板62b包括小项M1、M2、M3、M4及M6；模板62c包括小项M1、M2、M3、M4及M7；而模板62d包括小项M1、M2、M3、M4及M8。每一个模板62对应一个根据IP数据封包的标题而可识别的特定IP数据格式。举例来说，模板62a及62c可配置为识别HTTP封包，模板62b及62d可配置为识别SNMP封包。具体而言，如封包为IPv4格式，IP中存续时间字段(timeto live field)大于1，IP标题中协议字段(protocol field)为TCP，标题检验和(header checksum)正确，源TCP端口为80或目的TCP端口为80，即被识别为HTTP封包。如封包为IPv4格式，IP中存续时间字段大于1，IP标题中协议字段为TCP，标题检验和正确，源TCP端口为25或目的TCP端口为25，则被识别为SNMP封包。
因此，可创建下列小项以代表所有上述判据：
M1＝封包为IPv4格式
M2＝IP中的存续时间字段大于1
M3＝IP标题中的协议字段为TCP
M4＝标题检验和为正确
M5＝源TCP端口为80
M6＝目的TCP端口为80
M7＝源TCP端口为25
M8＝目的TCP端口为25
因此，模板62a及62c识别HTTP封包，模板62b及62d识别SNMP封包。如此，只要模板62a、62b、62c或62d中任何一个为真(true)，方程式一(Eq1)即指定一个应输出至交换结构25的特定结果(亦即具有特定值的标签)。
而且，小项M1…M8以规定的顺序排列在相关模板62a和/或62b中，该规定顺序与输入的数据流中数据字节的相对位置一致。小项M1配置为与IP封包的第一个字节(B1)作比较，小项M2配置为与IP封包中B1的后续字节(B2)作比较，小项M3配置为与IP封包中B2的后续字节(B3)作比较，等等。因此，使用具有小项的模板62，且其中的小项以输入的数据流中数据字节的相对位置的顺序排列，即可进行输入数据流与多个小项间的多重同时比较。因此，将输入的数据封包与多个模板进行比较，不仅可确定该输入数据封包的数据格式，而且可确定交换结构25应完成何种动作。
如图2所示，亦称为网络交换端口过滤器(network switch port filter)的封包分类器模块24，包括用以储存小项数值(例如M1、M2…等)的小项存储器70，以及配置用以识别所接收到的第二层数据帧的类型的数据帧识别器72；特别是识别出所接收到第二层数据帧的类型(例如以太网、IEEE802至3等)即可识别出第二层封包30中IP封包32的起始位置64。封包分类器模块24还包括小项控制器74、小项产生器76、方程式核心(equation core)78以及计算结果存储器80。处理器接口模块(pi_mod)84用以将产生的小项从主CPU26转送至小项存储器70。
小项控制器74配置为从小项存储器70中取出与接收到的IP数据帧选定字节相对应的小项。小项控制器74还包括位置转换器82，此位置转换器配置为对于从数据帧识别器72接收数据帧类型(frm_type)信号加以响应而指定起始点的实际字节位置(byte_location)，该数据帧识别器72指定第二层数据帧的类型。小项控制器74随后将小项数值(M_STRU_INFO)转送至小项产生器76及方程式核心78。
小项产生器76执行在取自小项控制器的小项与输入数据流选定字节之间所进行的实际小项比较，并提供小项比较结果(mt_result)给方程式核心78。根据所述实施例，小项产生器配置为可同时进行输入数据流与多达八个小项之间的比较。方程式核心78配置为根据从小项产生器76所接收的小项比较结果而产生相对于相关模板62的数据帧标签。
如上所述，封包分类器模块24使每一网络交换端口20均能判断所接收的第二层数据封包是否带有用于指定网络应用(例如HTTP、SNMP、FTP、Telnet等)的数据帧。此外，还可用其它模板对封包分类器模块24编程，从而由接收到的第二层数据封包识别特定的应用状态。详言之，网络节点间依照指定的网络应用进行通信，从而在两网络节点间产生指定的数据流；因此，在网络节点间传送的第二层数据封包会包括有效载荷信息(payload information)，该有效载荷信息说明指定的网络应用状态，例如请求开始会话(session)、确认(acknowledgment)、会话期间通信、请求结束会话以及确认结束会话。可用合适的模板为封包分类器模块24编程，以透过对第二层数据封包有效载荷数据的评估而监视数据流的状态；因此，封包分类器模块24可监视两网络节点间网络应用操作的应用状态，使交换结构25中的交换逻辑可进行基于应用的老化操作(application-based aging operation)。
图4详细显示根据本发明一实施例的图1中的交换结构25。如图4所示，交换结构25包括交换逻辑80及网络交换地址表82。请注意，网络交换地址表82亦可设在网络交换机12外部而成为外部地址表。交换逻辑80控制网络交换地址表82中地址表项目84的学习(亦即储存)。
每一地址表项目84包括MAC地址字段84c、IP地址字段84d及交换信息字段84e，其中交换信息字段84e针对具有对应MAC和/或IP地址的网络节点而提供对应的第二层和/或第三层交换信息。每一地址表项目84还包括用以储存老化定时器开始时间的老化定时器开始字段84a、以及用以储存老化时间间隔的老化时间间隔字段84b，其中该老化时间间隔因应用而定(application-specific)，建立在已确定的数据流所支持的网络应用基础上。
图5为一个流程图，说明根据本发明实施例的执行网络交换地址表82的基于应用的老化方法。虽以流程图表示，但实际的实施可建立在状态基础上(state-based)，其中响应来自封包分类器模块24的预定动作标签而在交换逻辑80中执行新状态(new state)。
所述方法从步骤90开始，在步骤90中，主CPU将至少一组初始应用模板载入封包分类器模块24的小项存储器70，用以根据接收到的第二层数据封包而识别各网络应用。详言之，一网络节点首先将根据一个指定的网络应用而发送开始会话的请求；封包分类器模块24检测到来自该网络节点的起始请求，即将一标签送至交换结构25，而由交换结构25指定新网络节点及对应的经确认的网络应用。随后在步骤92中，交换逻辑80通过将另一记录84增加至网络交换地址表82中来学习(learn)项目。另外，主CPU会被通知有新的数据流，且主CPU可在接获通知时将针对检测到的应用的额外模板储存至小项存储器70中(步骤94)，使封包分类器模块24可就检测到的数据流而识别各种应用状态。另外还可一次将所有的模板载入小项存储器70。
在步骤96，检测到由对应的接收到的第二层数据封包所支持的网络应用后，对此加以响应，主CPU 26将依应用而定(application-specific)的老化时间间隔(亦即T1)载入老化时间间隔字段84b，并将定时器的开始时间记录至老化定时器开始字段84a。
网络交换端口20的封包分类器模块24(其已接收到第二层数据封包)持续监视具有有效载荷数据(用于网络应用的经确认的数据流)的其它第二层封包。若在步骤98中，封包分类器模块24检测到现有数据流的新状态，且若在步骤100中该新状态表示根据经确认的网络应用的数据流的会话结束，则在步骤102中，封包分类器模块24输出表示会话期结束的动作标签给交换逻辑80，使交换逻辑80删除对应的地址表项目84。若在步骤100中该新状态经封包分类器模块24判断为中间应用状态(intermediate application state)，则在步骤104中封包分类器模块24发送适当的标签给交换逻辑80，使交换逻辑80通过以更新数值替换字段84a中的开始时间来重设(reset)定时器。
交换逻辑80以比较其内部时钟与开始时间字段84a相对于老化时间间隔字段84b的方式而持续监视依应用而定的老化时间间隔。若在步骤106中交换逻辑80判断依应用而定的定时器已经期满，表示对应的地址表项目在老化时间间隔字段84b所指定的依应用而定的老化时间间隔中未被存取，则交换逻辑80在步骤102中删除该项目。
根据所述实施例，结合经过判定的应用状态而使用依应用而定的老化时间间隔，从而可准确地确定地址项目应在何时从网络交换地址表中删除。因此，网络交换机可根据其所遇到的数据流而正确地维护地址表。
本发明虽以目前所知最实际的优选实施例而描述如上，但应理解，本发明并不限于所述实施例，相反地，本发明涵盖在所附权利要求书的范围内所作的各种改动及等效配置。
Claims (10)
1.一种用于集成网络交换机(12)的方法，该方法包括：由接收到的数据链接层数据封包确定指定网络应用的应用状态，该数据链接层数据封包包括数据链接标题和有效载荷，该有效载荷由执行所述指定网络应用的网络节点所生成；以及根据该确定的应用状态，有选择性地从网络交换地址表(82)中删除地址项目(84)，该地址项目(84)至少规定以下一项内容：所述接收到的数据链接层数据封包的来源与该数据链接层数据封包的目的地。
2.如权利要求1的方法，其进一步包括在接收到所述接收到的数据链接层数据封包的网络交换端口(20)中储存多个模板(62a～62d)，该多个模板(62a～62d)配置为对于从所述接收到的数据链接层数据封包识别出最初一个可用应用状态的该网络交换端口(20)加以响应，从所述指定网络应用的各对应的可用应用状态中识别出该应用状态。
3.如权利要求2的方法，其进一步包括在依应用而定的老化时间间隔之后，根据在该依应用而定的老化时间间隔期间所述地址项目(84)的确定的不活动性(inactivity)而从所述网络交换机地址表(82)中删除该地址项目(84)，所述依应用而定的老化时间间隔通过检测到一个所述可用应用状态而确定，并据此而开始计时。
4.如权利要求1的方法，其中该选择性的删除步骤包括根据所述确定的应用状态而删除所述地址项目(84)，该确定的应用状态规定了所述指定网络应用的会话期的结束。
5.如权利要求4的方法，其中该确定步骤包括：在所述接收到的数据链接层数据封包的接收期间，比较该接收到的数据链接层数据封包的选定部份与多个小项(M1～M8)，该多个小项(M1～M8)规定了用以识别所述指定网络应用的会话期结束的帧数据；确定所述接收到的数据链接层数据封包的选定部份与对应的小项(M1～M8)是否匹配；以及根据该确定步骤而产生比较结果。
6.如权利要求1的方法，其中该确定步骤包括根据将所述接收到的数据链接层数据封包与多个模板(62a～62d)同时进行比较，而从多个可用的指定网络应用中确定该指定网络应用的应用状态，所述多个模板(62a～62d)规定了用以识别对应的可用指定网络应用的帧数据。
7.如权利要求1的方法，其进一步包括：对确定该应用状态加以响应而开始依应用而定的老化定时器的计时，该老化定时器配置为对于所述地址项目(84)的依应用而定的老化时间间隔进行计时；若该地址项目直到所述依应用而定的老化时间间隔期满都未被存取，即删除该地址项目(84)；以及在该依应用而定的老化时间间隔期间，响应于该地址项目(84)的检测和存取而重设所述依应用而定的老化定时器。
8.一种网络交换机(12)，其包括：多个网络交换端口(20)，每个端口都具有封包分类器(24)，该封包分类器(24)配置为由接收到的数据链接层数据封包而确定多个指定网络应用中被检测出的一个网络应用的应用状态，该数据链接层数据封包包括数据链接标题和有效载荷，该有效载荷由执行所述指定网络应用的网络节点所生成；以及交换逻辑(80、82)，其配置为根据所述确定的应用状态及在所述被检测出的一个依指定网络应用而定的老化时间间隔期间一个确定的地址项目(84)的不活动性两者之一，而有选择性地删除该地址项目(84)，该地址项目(84)至少规定以下一项内容：所述接收到的数据链接层数据封包的来源与该数据链接层数据封包的目的地。
9.如权利要求8的交换机，其中该交换逻辑(80、82)包括：可编程定时器，其配置为对于从所述接收到的数据链接层数据封包检测该应用状态加以响应，开始该地址项目(84)的所述依应用而定的老化时间间隔的计时；第二可编程定时器，配置为进行第二地址项目的第二个依应用而定的老化时间间隔的计时。
10.如权利要求8的交换机，其进一步包括网络交换地址表(82)，该网络交换地址表(82)配置为储存所述接收到的数据链接层数据封包的地址项目(84)与该第二地址项目。
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