CN1514604A - 用于实现转接的方法、系统和网络实体 - Google Patents
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Abstract
一种方法、系统和网络实体，用于在50毫秒内实现被保护的标记交换路径(LSP)的转接。优选方案的目标是将与转接相关的任务从CPU转移至硬件(HW)。在没有CPU参与的情况下，ASIC应用通信协议在两个(或几个)单元之间传送对转接的需要的信号。一个单元，例如保护域的接收端检测到一个故障，发送所谓的保护消息给该单元的保护对单元。该保护对单元解释该保护消息并激活在该保护单元上的连接。
Description
技术领域
本发明总体上涉及在通信链路上传送数据。
背景技术
自从互连计算设备的全球网络诸如国际互联网形成以来，各种可实现计算设备互相通信的通信方式就大量地出现。这为商业领域和非商业领域的用户创造了多种服务。在90年代中后期，人们看到国际互联网的崛起。在那个短暂的、革命性的和充斥着天花乱坠的狂热宣传的时期，消费者可以获得整套新的服务和内容。那段时期催生了电子商务、因特网服务提供商(ISP)、门户、眼球游戏、点com公司，甚至还催生了新经济。
然而，许多计算设备，诸如互连的计算机、服务器和路由器起初是为传统的基于数据包的传输而设计的，因此通常缺乏与实时事件的联系。这种通信的一个例子是网页和网上冲浪。而且许多被委托的应用。诸如银行业务也可能被延迟处理。对于一些完全容许延迟的环境，甚至也设计了一些最快的数据通信方式诸如异步传输模式(ATM)，而不管最终的数据传输速度。近来，电信行业朝着使用IP用于电信服务的跳跃已被高度关注。
然而，这些设备继承了以容许延迟为基础的数据通信的特点。因此，这些设备中所保留的一些元件和设计，仍将不可避免地导致系统级中的数据处理的缓慢以及数据通信的延迟。用于实质上基于非实时性的应用(或可被表示为容许延迟的应用)的基本设计(principal design)就是一个例子。
这种方法的范例由图1中描绘的用于转接(switch-over)过程的系统所表示。典型地，对转接的需要经由微处理器传送。当一工作连接(W)出现故障时，一个中断请求就被传送给微处理器(CPU)。接收到该中断请求后，在运行方单元中的CPU发信号给保护方单元中的CPU，保护方单元中的CPU随后将连接通信转换给保护连接(P)。图1的系统可以具有一些可配置的集成电路(IC)，诸如专用集成电路(ASIC)，但并非用作转接过程，并且CPU的存在是至关重要的。
基于CPU通信的传统转接的缺点是处理速度慢。这对于存在大量的连接时，CPU必须处理大量的中断请求的情况尤其成问题。因此，该解决方案对于任何要求实时功能性的通信或连接来说都是不够的。此外，转接时间对基于实质上实时的连接来说不够快，这里通常要求转接少于50毫秒。
考虑到计算设备间的通信和系统的各种固有的限制，能够避免或减轻上述问题及其他与现有技术相关的问题将是比较理想的。因此，需要具有用于实时应用的转接功能。
发明内容
现在，已经发明了一种方法、系统和网络实体，用来执行用于实时应用的转接功能。
根据本发明的第一个方面，提供了一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的系统，其中该系统包括数据通信的单元的可配置集成电路，该可配置集成电路用于发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号给所述数据通信的单元的一保护对单元的可配置集成电路。
根据本发明的第二个方面，提供了一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的网络实体，其中该网络实体包括数据通信的单元的可配置集成电路，该可配置集成电路用于发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号给所述的数据通信的单元的一保护对单元的可配置集成电路。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的方法，其中该方法包括从数据通信的单元的可配置集成电路，发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号给所述的数据通信的单元的一保护对单元的可配置集成电路的步骤。
在优选方案中，方法、系统和网络实体可实现(少于)50毫秒内的保护交换连接，诸如标记交换路径(LSP)的转接。优选方案的目标是将与转接相关的任务由CPU转移到硬件(HW)。该可配置集成电路(IC)应用通信协议在两个(或几个)单元之间发送对转接的需要的信号，而无需CPU参与。优选地，该可配置集成电路基于专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。
实施本发明的优点是提供了具有大约2微秒的快速转接的解决方法，这使得在少于50毫秒的时间内进行用于成千上万个连接的转接成为可能。这在要求实时功能的任何数据通信中将是更加有利的。
参照下文结合附图的描述将更好的理解本发明，且本发明的范围将在权利要求中指出。
附图说明
下面将参照附图描述本发明，这些描述仅为范例的方式，其中：
图1描述了在现有技术的系统中的转接过程，
图2描述了1+1保护交换结构的例子，
图3描述了根据本发明实施例的用于转接过程的系统的例子，
图4描述了根据本发明实施例的用于转接过程的系统的另外的例子，
图5以流程图的方式描述了根据本发明实施例的用于执行转接的方法，
图6描述了应用了本发明原理的网络系统的实施例，
图7描述了根据本发明实施例的用于LSP 1+1保护连接的转接的例子。
具体实施方式
本发明的优选实施例提供一种方法、系统和网络实体，用于在(少于)50毫秒内执行保护交换连接，诸如标记交换路径(LSP)的转接(switch-over)。优选方案的目标是将与转接相关的任务由CPU转移至硬件(HW)。可配置集成电路应用通信协议在两个(或几个)单元之间传送对转接的需要的信号，而无需CPU的参与。优选地，该可配置集成电路基于专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。检测到故障的一个单元，例如保护域的接收端(Sink)的工作单元，发送所谓的保护消息给该单元的一保护对单元(protection pair unit)。该保护对单元解释该保护消息并激活保护单元上的连接。可选择地，该保护消息也可用来通知其他单元该连接为运行的连接并无故障，而不是仅用于将故障连接通知该保护单元。
本发明应用于实时数据通信的实施例与当前的IP上的话音(VoIP)的解决方案相比也具备优点，因为作为如MPLS和以太网的方案中所定义的基于标记(label)的网络传输监控，其比当前的VoIP解决方案快了很多。
根据保护交换数据通信原理，连接包括在互连计算设备的系统中的信源端和接收端(Source and Sink)之间的功能性连接。优选地，连接包括基于IP的用于各种应用，诸如网页应用、电子邮件、文件传输、主机对话、新闻组、目录服务、网络管理，和文件服务的快速连接。开放系统互连参考模型(OSI reference model)中描述了一些例子。优选地，信源端和接收端通过光纤耦合。可选择地，它们也可以采用电缆耦合，例如铜质电缆耦合，或无线链路耦合。转接发生于在数据通信期间遭受故障的在前连接(通常为工作连接)，或者被称为连接错误或失败的在前连接。在信源端和接收端之间的故障连接可以是物理上的或者功能上的，并且可能由实体传送用户或OAM(Operation and Maintenance：操作维护管理)信息的能力的终止而引起。
本发明的一些实施例应用可配置集成电路(IC)。ASIC(专用集成电路)是为专用，例如特殊种类的传输协议或手持计算机而设计的微芯片。典型地，ASIC和通用集成电路，例如PC中的诸如微处理器和随机存取存储芯片形成了对照。ASIC可用在广泛的应用领域，包括汽车排气(auto emission)控制、环境监测和个人数字助理(PDA)。ASIC可以对专用预制或者对特殊用户的应用由客户定制(通常使用来自元件的“构件”库的元件)。优选地，在转接处理中CPU的数据处理可转移到ASIC，借此减少诸如处理时间等任何对CPU的依赖。可选择地，可应用现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA是能在制造后在现场编程的集成电路(IC)。FPGA在原理上类似于可编程只读存储器(PROM)芯片，但比其具有广泛得多的潜在应用。
在下文中，为本发明的一些实施例提供了关于保护交换原理的技术细节。
保护交换是能用于各种结构布局(topology)的被完全分配(fullyallocated)的一种保护机制。它被完全分配的意思是对选定的工作实体，保留了保护实体的路由和带宽。然而为了在工作实体的所有可能的故障下有效，保护实体必须为已知的，以在所有普通故障模式上具有完整的物理差异。而这也许并非总是可能的。
基于LSP的结构可能是1+1类型、1：1类型或1：N类型，所有类型都可应用在本发明的实施例中。
在1+1结构类型中，保护实体专用于每个工作实体，同时工作实体桥接在保护域信源端的保护实体上。工作实体和保护实体的流量同时传输给保护域的接收端，在保护域的接收端根据一些预定标准，例如故障指示，在工作实体和保护实体之间进行选择。1+1结构(200)的例子在图2中示出。
在1：1结构类型中，保护实体专用于每个工作实体。工作流量或者由工作实体传输或者由保护实体传输。在工作实体与保护实体之间的选择的方法取决于该机制。当保护实体不被用来传输工作流量时，它可以用来传送(所谓的)“额外流量”。
从2001年6月的标准规范草案Y.1720“用于MPLS网络的保护交换”(Protection Switching for MPLS networks)COM 13-R 14-E中可以发现更多有关保护交换的技术细节，该文件在此并入作为参考。
本发明的一些实施例应用了实时通信。实时可以被看作为用户可足够快地感知到的计算机响应度等级，或者可使计算机能够跟上一些外部处理(例如，随着天气的经常变化呈现可视化天气)的计算机响应度等级。这里的实时是与实时运行的计算机或程序有关的一个形容词。实时描述了人而不是机器对时间的感觉。基于实时的数据通信或连接在电信领域是高度相关的，尤其当使用IP应用时。
本发明的一些实施例应用了多协议标记交换(MPLS)。MPLS是被标准所认可的技术，用于加快网络流量并使其更容易管理。MPLS包括对给定的数据包序列建立特殊路径，该路径可由插入每个数据包中的标记识别，从而节省了路由器查找下一个节点的地址来传送数据包所需要的时间。MPLS被称为多协议是因为它可在网际协议(IP)、异步传输模式(ATM)和帧中继(frame relay)网络协议下工作。对于网络的标准模型(开放系统互连，或OSI模型)，MPLS允许大多数数据包在第二层(交换)而不是第三层(路由)的级别上转发。除了总体上可更快地移动流量外，MPLS还使网络服务质量(QoS)的管理变得更容易。由于这些原因，在网络开始承载更多且不同种类的流量时，人们也期待这项技术能容易地被采用。
本发明可以用于多种网络(不仅仅是MPLS)，在这些网络中，这种保护转接机制用于保护连接的存在。例如，在基于以太网的通信中的应用提供了非常快的数据传输。快速以太网提供的传输速度达到了每秒100兆比特，且通常用于LAN、WAN和MAN基干(backbone)系统，并支持具有网卡的工作站。千兆以太网(GigabitEthernet)可以提供每秒1000兆比特(每秒1个千兆比特或10亿比特)的更高级别的基干支持。10千兆以太网可实现最高达每秒100亿比特。
快速以太网是局域网(LAN)传输标准，可提供每秒100兆比特的数据率。可选择地，其可应用于广域网(WAN)和城域网(MAN)。具有现有的每秒10兆以太网卡的工作站可以与快速以太网相连。(每秒100兆比特是共享数据率；对每个工作站的输入由10M比特卡约束。)
千兆以太网，一种基于局域网(LAN)中所使用的以太网帧格式和协议的传输技术，提供了每秒十亿比特(千兆比特)的数据率。可选择地，其可以应用于广域网(WAN)和城域网(MAN)。千兆以太网在IEEE 802.3标准中被定义，目前在许多企业网络中被用作基干。千兆以太网主要在光纤上实现(距离很短时也可能在铜介质上实现)。现有的具有10兆和100兆网卡的以太局域网可以接入千兆以太网基干。可选的能与千兆以太网竞争的技术是ATM。
一种更新的标准，10千兆以太网，也将成为可能。在IEEE802.3ae中得到标准化的10千兆以太网是发展中的一种电信技术，它提供的数据率最高达到每秒100亿比特。建立在现今的大多数局域网(LAN)中所使用的以太网技术之上的10千兆以太网，被称为“爆炸性的”技术，它提供了一种在网络之间的基干连接上传输数据的更高效更便宜的方法，同时也提供了端对端的一致的技术。使用光纤，10千兆以太网能够以10兆比特以太网交换的更简单的网络，替换现有的使用ATM交换和OC-48 SONET环上的SONET多路复用器的网络，并且同时将数据率从2.5Gbps提高到10Gbps。10千兆以太网用来互连局域网(LAN)、广域网(WAN)和城域网(MAN)。10千兆以太网使用熟悉的IEEE 802.3以太网介质访问控制(MAC)协议及其帧格式和大小。10千兆以太网像快速以太网和千兆以太网一样使用全双工传输，这使得相当长的距离范围的传输成为可能。在多模光纤上，10千兆以太网可支持的距离最高达到300米；在单模光纤上，10千兆以太网可支持的距离最高达到40千米。更小的千兆以太网可以接入10千兆以太网。
图3描述了根据本发明实施例用于转接过程的系统的范例。图3的实例性系统包括两个单元(或可选择的也可称为两个网络实体)：单元(300)，作为接收端操作的用于被保护连接的工作连接，和保护对单元(302)，用于被保护连接的保护连接，也作为接收端操作。两个单元(300，302)包括用于执行转接过程的ASIC。进一步，两个单元(300，302)均可以包括用于单元的集中控制的CPU。然而，ASIC可以独立于CPU存在和操作。单元(300)检测连接故障。单元(300)发送保护消息给保护对单元(302)。该保护对单元(302)接收该消息，并相应地解释该消息。该消息的传送是在ASIC之间进行，而并不需要CPU参与。保护对单元(302)激活在保护单元(302)上的连接。
图4描述了根据本发明实施例的用于转接过程的系统的另一个范例。在图4的例子中，示出了14个卡(卡#0、卡#1-卡#13)来表示作为接收端的在保护交换系统中所使用的基于ASIC的卡。卡的数量是随机选择的，并且每个卡可具有任何随机数量的连接。卡#0检测到连接故障。卡#0发送保护消息(400)给卡#1以告知卡#0上的连接掉线了。卡#1可以充当保护对单元的一部分，而卡#0则可以充当工作单元的一部分。可选择地，这些卡可被称为单元。这些卡可以独立于接收端的任何CPU存在和工作。卡#1接收到消息，并相应地解释该消息。卡#1激活保护单元上的连接。
图5以流程图的方式描述了根据本发明实施例用来执行转接的方法。在步骤500中，在一个单元中检测到连接故障。该检测可能发生在工作单元上或保护单元上。在步骤502中，检测到故障的单元发送保护消息给保护对单元。在步骤504中该保护对单元接收该消息。消息通过基于ASIC的连接在单元之间传送。保护对单元解释该消息。在步骤506中该保护对单元激活保护单元上的连接。图3中的单元(300)可以作为该工作单元操作，而图3中的单元(302)可以作为保护单元操作。同样的，例如卡#0可以是工作单元的一部分，而卡#1可以是保护单元的一部分。
图6描述了应用本发明原理的网络系统的实施例。图6的例子应用了保护连接，并且基于1+1保护交换结构。功能性的工作连接(W)和功能性的保护连接(P)优选地通过快速数据传输装置将节点1和节点2耦合。优选的，可使用基于光纤的数据传输线。可选择的，也可以使用电缆耦合，例如铜质电缆耦合，或者无线链路耦合。典型的，该数据传输装置可建立起基于IP基干的网络连接。图6的系统可以作为用于电信服务的使用IP的大型基干网运行，并且对于这样的网络可以应用MPLS作为承载体(bearer)。节点1和2可以是在数据网络上运行的数据计算装置，例如计算机服务器。节点1和节点2的耦合是通过路由器1、2和3、4实现的，这些路由器也可以交叉。通过路由器在节点之间可以建立LSP。图6中示出的数据连接包描述了用于路径的不同分段的分段标识符(20、30、40)、标识符(50)和OAM数据包(14)。数据流在节点1中产生。因此，节点1充当用于LSP的信源端LSR(标记交换路由器)。数据流和LSP最终指向节点2。因此，节点2充当用于LSP的最终的接收端LSR。对于数据流的监控最好在接收端操作。可选择的，该监控可以在网络路由器例如LSP接收端发生，该网络路由器不必充当数据流的最终接收方但能向前传送数据流。
图7描述了根据本发明实施例的用于LSP 1+1保护连接的转接的范例。图7中的例子应用1+1保护连接，其中转接处理主要在接收端执行。在1：1或1：N保护交换类型的情况下，转接处理主要在信源端执行。在步骤700中，两个连接(工作连接(W)和保护连接(P))均正常运行，并且用于连接的状态为正常。在单元#0中的有效状态是“1”，用于让流量通过，而在单元#1中的有效状态是“0”，用于停止该流量。在步骤701中工作连接失效。这样，在工作连接中出现了连接失败。单元#0检测到该失败，并通知/发送信号(400)给单元#1。有利的是，检测和发送信号是在没有CPU参与的情况下，在单元的ASIC之间执行的。在步骤702中工作连接发生故障，而保护连接被激活。单元#1已经接收了该信号(400)并且在接收端执行了转接。在单元#0中的有效状态是“0”，用于停止流量，而在单元#1中的有效状态是“1”，用于让流量通过。
虽然已经描述的保护消息是用来指示在连接失败的情况下的交换的需要，可选择地，该保护消息也可以用来通知其他单元该连接是有效的和无故障的，而不仅是将连接故障通知保护单元。
系统、网络实体和计算机程序产品可以采用图5的例子中所描述的方法的过程。因此，该方法能够应用在图3、4、6和7的例子中。
上述实施例是在ASIC的基础上描述的。应当注意，也可以应用基于FPGA的解决方案。
上文已经描述了本发明的特定实现和实施例。本领域技术人员应当清楚本发明不局限于上述实施例的具体细节，在不背离本发明特征的情况下，能以利用等同方式实现为其他实施例。本发明的范围仅由权利要求限定。因此，如权利要求所确定的实现本发明的选择物，包括等同物，也属于本发明的范围。
Claims (18)
1、一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的系统(300，302)，其特征在于：
该系统包括数据通信的单元(300)的可配置集成电路，用于发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号(400)，至所述数据通信的单元的保护对单元(302)的可配置集成电路。
2、如权利要求1所述的系统，其中该系统在没有CPU参与的情况下提供单元之间的信号传送。
3、如权利要求1所述的系统，其中可配置集成电路包括专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)中的至少一个。
4、如权利要求1所述的系统，其中保护交换包括基于工作连接和保护连接的被保护的LSP。
5、如权利要求1所述的系统，其中所述单元包括根据LSP工作连接的工作单元，并且所述保护对单元包括根据LSP保护连接的保护单元。
6、如权利要求1所述的系统，其中信号包括一个保护消息，该保护消息用来传递接收单元的数据通信为故障和无故障中的至少一个。
7、如权利要求1所述的系统，其中基于实时的数据通信假定从连接故障的发生开始起50毫秒内发生转接。
8、如权利要求1所述的系统，其中数据通信包括用于实时电信服务的互联网协议、以太网和MPLS中的至少一个。
9、如权利要求1所述的系统，其中包含有多协议标记交换作为数据通信的承载体。
10、如权利要求9所述的系统，其中多协议标记交换作为基于IP的数据通信基干而运行。
11、如权利要求1所述的系统，其中基于实时的数据通信使得人实质上即刻感知在基于实时的数据通信的基础上的任何应用。
12、如权利要求1所述的系统，其中数据通信发生在信源端计算实体和接收端计算实体之间。
13、一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的网络实体(300，302)，其特征在于：
该网络实体包括数据通信的单元(300)的可配置集成电路，用于发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号(400)，至所述数据通信的单元的保护对单元(302)的可配置集成电路。
14、一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的可配置集成电路卡，其中该数据通信的可配置集成电路卡适用于发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号(400)，至所述数据通信的卡的一保护对卡的可配置集成电路。
15、一种用于根据保护交换数据通信原理执行在数据通信中的转接的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
从数据通信的单元(300)的可配置集成电路，发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号(400)，至所述数据通信的单元的保护对单元(302)的可配置集成电路。
16、如权利要求15所述的方法，还包括在发送信号步骤之前，在该单元处检测数据通信中的连接故障的步骤。
17、如权利要求15-16中任何一项所述的方法，还包括在保护对单元处接收该需要并通过激活保护对单元上的数据通信来执行转接的步骤。
18、一个计算机程序产品，包括可由计算系统执行的程序指令，用于根据保护交换数据通信原理处理在数据通信中的转接，该计算机程序产品包括：
计算机程序代码，用于使该系统从数据通信的单元(300)的可配置集成电路，发送对基于实时的数据通信中的转接的需要的信号(400)至所述数据通信的单元的保护对单元(302)的可配置集成电路。
Applications Claiming Priority (2)
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