CN1675902B - 分组网络中有效的域内路由 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在具有通信分配的分组网络(N1)、例如自治系统中数据包(IP数据包)的路由。在本发明的范围内，数据包(IP数据包)的继续传递或者路由借助于关于数据包(IP数据包)的接入接口的信息(K1)和出口接口的信息(K2)进行。这两个信息(K1，K2)例如在接入接口处作为信息字段或者标志(IL，EL)置于数据包(IP数据包)的前面。本发明能够在适度费用和有限复杂性的情况下实现在通信分配意义上的灵活和没有回路的路由。

Description

分组网络中有效的域内路由

本发明涉及用于在具有通信分配的分组网络中路由数据包的方法、边缘路由器和内部路由器。

网络技术人员以及路由专家和因特网专家的重要工作领域是进一步开发分组网络。进一步开发的重要目的是通过分组网络可以提供广泛的业务项目。

除了传统的用于数据传输的应用之外，应该通过分组网络愈来愈多地实现具有实时要求的业务、诸如电话(例如通过IP传输语音)和实时图像信息传输(例如视频点播，视频会议)。因此对分组网络提出了新的要求。具有实时要求的业务的质量特征(在此称为业务质量，缩写QoS)的遵守具有重要的意义。

目前最流行的分组网络建立在IP(网际协议)协议基础上。它的成功在很大程度上是由于其相对来说低的复杂程度和其高的灵活性。两者皆起源于在IP网络内运送数据包的方式。

在IP网络内，数据包借助其IP地址进行路由。在大多数情况下基于逐跳进行路由，也就是说单个路由器借助于数据包地址识别目标、一般来说另一个路由器，各个数据包被转发到该路由器。在通过路由器链路传输的最后，数据包被传送到目标地址、常常是主机或网关上。

通常，单个路由器不具有涉及传输路径的超过下一跳点或者下一段的信息。由此维持(Vorhaltung)和管理路由表的开支相对比较少。此外本方法较灵活，因为可以规定下一跳点的替代和标准目标，这些替代和标准目标例如在干扰情况下或者不知道地址时保证数据包的继续传递。

利用传统路由技术的IP网络不太适合于实时通信。数据包的延迟和损失没有受到足够严格的控制，以便能够保证实时传输所需的质量特征。

用于改进传输参数控制的方法包括为具有实时要求的业务保留传输容量以及在网络中规定传输路径。为了预订IP网络中的带宽，已经开发了RSVP(资源预订协议)信令协议。此外将RSVP协议与MPLS(多协议标志交换)协议一同使用，该MPLS协议允许确定传输路径。该MPLS协议规定，当数据包进入网络时通过边缘路由器LSR(标志交换路由器)得到被分配的标志，这个标志确定数据包通过网络的路径LSP(标志交换路径)。然后根据由该标志确定的路径LSP，通过内部路由器LSR(标志交换路由器)继续传递数据包。

路径选择也出现在ATM技术(异步传输模式)范围内，并且对于IP网络来说也可以借助于IP数据报(但实际上很少支持的)的源路由选项(Source Route Option)进行路径选择。

预定路径允许关于QoS传输的保证内容，但是与高复杂度和灵活性损失联系在一起(与“尽力服务(best effort)”的分组网络相比较)。

本发明的任务是在避免传统方法的缺点的情况下通过分组网络进行在QoS传输意义上的有效的路由。

此任务通过按照本发明的方法、按照本发明的边缘路由器和按照本发明的内部路由器来解决。

按照本发明，提供一种用于在用路由器构成的具有通信分配的分组网络N1中为避免数据包的回路而路由所述数据包的方法，其中数据包由所述分组网络N1的内部路由器继续传递，其中设有所述数据包的继续传递的替代方案，并且所述数据包的继续传递至少借助于关于所述数据包到所述分组网络N1的接入接口(K1)的信息和关于出口接口(K2)的信息进行，所述数据包应该在所述出口接口处离开数据网络N1。

此外，按照本发明提供一种用于执行按照本发明的方法的分组网络N1的内部路由器，具有至少一个路由表，所述路由表将关于所述数据包到所述分组网络N1的接入接口的信息和关于出口接口的信息分配给下一跳点的网络地址。

在本发明范围内建议了一种用于在具有通信分配的分组网络中路由数据包的方法。在按照本发明的方法中，将数据包从数据网络的内部路由器继续传递或者进行路由，其中数据包的继续传递和路由借助于至少两个信息进行。这两个信息中的一个是数据包到达分组网络的接口或者节点，而第二个信息是数据包应该离开数据网络的接口或者节点。与诸如ATM技术或MPLS技术的传统方法相反，不确定通过分组网络的完整路径。只固定数据包到数据网络的接入点和数据包又离开数据网络的点或者接口。在分组网络内部，利用通信分配。也就是说，例如路由器得到预先规定的数据包继续传递的替代方案，其例如可以在链接故障时或在通过路由的替代路径进行统计分配的范围内使用这些替代方案。为了确定数据包的进入点或者退出点(也就是说数据包在其处进入网络或者又离开网络的接口)，例如可以给边缘节点或者边缘节点的端口分配标识。于是这种标识表示该节点或者节点的端口，数据包应通过它们进入分组网络或者离开分组网络。

在这里，内部路由器或者内部节点涉及数据包通过分组网络的继续传递，并且包括与进入节点或退出节点不同的所有路由器或者节点。具有与其他网络相关的接口功能并且在拓扑结构上位于网络边缘的路由器的集合被称为边缘路由器。于是将互补的路由器称为核心路由器。在这个术语的范围内，内部路由器与核心路由器是不相同的。例如如果数据包的路径在通过分组网络路由时经过多个核心路由器，则只有两个核心路由器在本说明书的意义上也是内部路由器，数据包在这两个核心路由器处进入或者退出网络。

分组网络也可以是部分网络或子网络。例如在I P(网际协议)系统中存在网络体系结构，其中将整个网络分成被称为“自治系统”的网络。按照本发明的网络例如可以是在业务供应商(例如因特网业务供应商)负责区域内的自治系统或整个系统的一部分。在部分网络的情况下可以通过部分网络中的通信控制和在部分网络之间的有效通信确定通过整个网络传输的业务参数。

在分组网络中进行通信分配。其中数据网络的路由器分配到替代的下一个站或者下一个跳点的通信。这种分配例如可以以每个包或者每个流的方式进行。当连接段出现故障时或为了均匀分配数据通信时可以进行通过替代的路由或者路径的路由。本发明允许借助于关于进入点和退出点的信息在本地决策数据包的继续传递。通常当数据包进入分组网络时不固定地确定数据包的路径。

本发明相对于完全确定传输路径的方法的优点是灵活性比较大。通过在网络边缘的接入控制可以确保，网络内部的通信量保持在极限之内，该极限允许以QoS水平进行传输。通过网络内部的通信分配可以顾及到在单个链接中不出现瓶颈。避免了传统分组网络的问题、例如如数据包回路。

将源信息引入到路由器的继续传递的决策中能够比传统的IP路由或者ECMP(相等成本多路径equal cost mulipath)允许更多种路径。与此相联系的路由表复杂性的增加可以通过将路由表减少到与进入点和退出点有关的信息(例如入口和出口节点数)而在网络中维持得很低，所得到的路由表通常变得比传统的IP路由要小。与MPLS相反，不需要明显地建立路径，并且所有网络节点能够独立地充分利用路径的多样性，以便实现通信分配或对故障作出快速的本地反应。

对于为内部路由器提供关于进入点和退出点的信息，下面简要介绍三种可能性。

例如可以在接入点上给数据包配备一个或多个信息字段或者标志，这些信息字段或者标志包括关于数据包的进入点和退出点的信息。这个信息字段或者这些信息字段可以作为置于数据包前面或接在数据包之后的报头或者尾部。在此，可以一个信息字段不仅包括关于进入点的信息而且包括关于退出点的信息，还可以是独立的信息字段分别包括关于进入点或者退出点的信息。为了标明像这样的信息字段，可以将一个比特序列置于信息字段或者标志的前面。一种选择是利用MPLS标志并且为每对入口节点和出口节点分配一个MPLS标志。然后为每个标志确定在数据网络内的不同的替代路径。于是在网络内进行路由时，内部路由器可以识别该标志并且在本地进行决策，它将数据包继续传递到属于该标志的路径中的哪个路径上。较有意义地是将端对端流的数据包、也就是说具有相同的源地址信息和目标地址信息(例如IP地址和也许TCP端口号码)的数据包沿着同样的路径进行路由，以便得到数据包的顺序。

在数据网络的入口节点或者入口路由器处添加到数据包中的信息字段可以在出口点或者出口路由器上重新被去除。例如在内部路由器中可以维持路由表，该路由表将关于数据包的接入接口的信息和关于出口接口的信息与数据包继续传递的地址建立关系。于是，这样的表格针对成对的接入接口和出口接口包括数据包的下一跳点的地址。此外，在表格中可以布置在通信分配或备份的意义上在由内部路由器引导离开的链接之一上出现干扰或延迟的情况下的其他替代的地址。代替以传统的方式组织的表格，也可以通过例如根据树结构进行的现代化的搜索结构和算法进行搜索。

另一种选择，即将关于数据包的接入接口或者出口接口的信息从入口节点传送给内部路由器，可以使用数据包现有的、不需要的字段。例如可以想象使用IP数据报的源路由选项(Soure-Route-Option)，以便存储数据包的入口和出口接口的地址信息。于是，这些信息在进入网络时被写入数据报中，然后在路由决策的过程中由内部路由器从该数据报中提取出来。于是，关于接入接口或者出口接口的信息可以在离开网络时重新从数据包的字段中去除，因此该字段可重新提供给其原来的目的使用。

第三个可能性是，内部节点借助于从数据包中提取出来的地址信息来识别数据包的接入点和指定的出口点。

针对入口点和出口点用于确定关于数据包到分组网络的接入接口的信息和关于出口接口的信息的不同方法同样是可能的，数据包应在该出口接口处离开数据网络。

例如可以在数据包进入网络时为数据包配备具有进入节点标识的信息字段。然后，内部路由器提取该标识并且例如借助于表格来确定出口节点。用于确定与入口接口或者出口接口有关的这两种信息的不同方法的其它组合同样是可能的。

下面借助于附图在实施例范围内详细叙述本发明。其中：

图1示出了分组网络的简化图，

图2示出了图1的示例网络的传统路由表，

图3示出了按照本发明使用标志的示意图，

图4示出了按照本发明的路由表。

在图1中示出了分组网络N1的简化图。网络N2至N4连接在该分组网络N1上。网络N1至N4允许用户站或者终端设备T1至T9相互通信。在此，分别将三个终端设备连接到网络N2、N3、N4(T1-T3，T4-T6和T7-T9)上。分组网络N1包括节点K1、K2和K3，这些节点通过连接线或者链接L12、L13和L23相互连接。在图2中，最上边的表格针对不同的源网络和目标网络对分别给出了两个路径。给出的第一个路径表示优选的路由路径，路由遵循中间站或者跳点的(最小)数目。第二个路径分别代表了替代路径，该替代路径例如在出现干扰或瓶颈时可以作为临时措施使用。示例地考虑将数据从网络N2转交给网络N3。“最小成本”的路径经过节点K1和K2。替代路径通过规定继续传递链K1-K3-K2而避免了链接L12。这个替代路径例如在链接L12出现故障时使用。

图2中的第二至第四个表格示出了在节点K1、K2和K3中的传统的路由表。针对一个目的地，分别给出了下一站或者下一个跳点和根据在最上面的表格中详述的路径的一个替代方案。根据节点K1中的路由表，可以将写上网络N1的地址的数据包直接(本地的)传送到所连接的网络N1上。在表格中通过具有概念“本地的”的字段描述这种事实情况。将针对网络N3的数据包优选地继续路由到节点K2上。作为替代的目的地用表格示出了节点K3。相似地，将针对网络N4的数据包优选地路由到节点K3上，并且作为替代方案路由到节点K2上。可以相应地理解节点K2和K3的路由表。

路由表的这种组合允许例如从网络N2发送给网络N3的、在节点K1上进入网络N1的数据包首先继续传递给节点K3，然后从该节点K3又返回给节点K1。例如在为了通过优选和替代路径实现分组网络N1的较好的满载而进行负载分配(负载平衡)时有可能出现这种情况。例如如果数据包基本上以百分之八十的概率沿着优选路径路由而以百分之二十的概率通过替代路径路由，则以0.2*0.2*100＝4％的概率出现这种情况。也就是说出现了回路。特别是在分组网络N1的边界上考虑到QoS保证进行通信限制和通信控制时必须避免回路。

这种问题在不限制路径多样性的情况下用只考虑数据包的目标地址的传统I P路由是不可能解决的。在本例子中，必须在至少两个节点上去除替代路径，以便保证继续传递没有回路。这同时是最大的路径多样性，其可以利用像具有成本参数的手动调节的ECMP(相等成本多路径)那样的机制或利用EIGRP(增强的内部网关路由协议)和不等成本多路径路由来实现。

用于处理基于目的地的继续传递(基于目的地的路由)的一种选择是例如在MPLS方案范围内预先规定传输路径。在此，将涉及路径的几个比特(“标志”)安排在每个IP数据包的前面。然而MPLS的缺点是，该路径上的其他节点不再能够修改在网络入口上路由器(“入口路由器”)的原来的路径选择。

在图3中示出了按照本发明用于在分组网络N1内路由的信息字段或者标志的方式。图中示出了分组网络N1以及网络N2和网络N3。应该从网络N2传输到网络N3的数据包在节点K1处、也就是说在网络入口处进行修改。将标志EL(EL：代表出口标志，Egress Label)和IL(IL：代表入口标志，Ingress label)作为报头置于数据包的前面。标志IL包括入口路由器(ingress router)的标识而标志EL包括出口路由器(egress router)的标识，数据包应该在该出口路由器处又离开网络。可选择地，附加的比特序列LC^*(LC：代表标志编码，labelcode)还可以表明这种标志IL和EL。在图3中示意性地示出了具有这种标志EL、IL和LC的IP数据包，这些标志当数据包进入网络N1时在节点K1上被添加，而当数据包从网络N1中退出时在节点K2上又被去除。

标志IL和EL在IL的情况下包括节点K1的号码而对于EL包括节点K2的号码。这些节点号码例如可以在安装网络节点时分配，因此它们在所考虑的分组网络或者自治系统(在英语文献中人们常常发现该表达方式“Autonomous System”)中分别是明确的。网络的每个入口节点可以使用它自己的节点号码作为标志IL。出口节点或者标志EL的节点号码的确定可以借助于传统的分组网络路由信息、例如录入到数据包中的目标IP地址来进行。然后将所确定的出口节点的节点号码用作为标志EL。

在网络内，现在不再需要考虑数据包报头中的源地址和目标地址。可以只借助于置于数据包前面的信息字段IL和EL(或唯一的组合标志)确定下一个节点。因此显著缩小了路由表。此外通过将信息字段IL和EL组合成伪MPLS标志可以与MPLS兼容地保持数据包的传输格式。

图4示出了图1的例子的按照本发明的路由表。将节点号码或者节点标识KN1、KN2和KN3分配给节点K1、K2和K3。于是，入口节点、例如节点K1将自己的节点号码、也就是说代表K1的KN1用于标志IL。标志EL的节点标识借助于表格来确定。然后，与外部网络连接的N1中的每个网络节点具有用于确定出口节点的表格。图4中最上面的表格给出了这种表格的一个例子。在将数据包从网络N2传输到网络N3时，入口节点K1从所述的图4的表格中提取出出口节点K2的节点号码KN2。然后将节点号码KN2用作为标志EL。在该表格中网络N2、N3和N4代表它的网络节点和所有经过它可以到达的其他网络。用于确定EL的表格大约有BGP路由表的大小(BGP：边界网关协议)。相应地，用于确定标志EL的搜索费用适中地类似于在借助于BGP协议确定下一跳点路由器时的搜索费用。

图4中的其余表格是按照本发明方法的与图2中的路由表类似的路由表。现在路由表分别具有入口-出口(Ingress-Egress)节点对的录入项。如果数据包应在一个节点上离开网络N1时，重新去除标志并通过外部的路由协议(在本文献中表达方式是外部网关协议，一般简称为EGP)确定下一个节点。为了这个目的常常使用BGP(边界网关协议)协议。例如将数据包从网络N2发送给网络N3。入口节点K1确定出口节点K2并将入口节点和出口节点的标识KN1、KN2作为标志置于数据包前面。根据图4中的节点K1的路由表，对于出口-入口标志对KN2和KN1来说优选的下一个节点是K2。替代地，将数据包路由到节点K3。在第一种情况(按照图4的第三个表格)下由节点K2借助于EGP协议确定下一跳点(星号在这里是任何一个节点标识的位置持有者(Platzhalter))。在第二种情况(图4的最下面的表格)由节点K3确定节点K2为下一跳点。不存在替代的跳点，或者替代的地址。由此避免了回路。

节点号码的分配可以在安装网络节点时手动地进行。当然可优选采用自动机制。为此可以在路由器之间运行一种协议，这些路由器(例如借助于其在所考虑的网络中IP地址的分类)利用该协议独立地分配明确的节点号码并且随后相互分配用于确定出口标志EL(EgressLabel)的表格。如果将新的节点引入到运行的网络中，那么这些节点可以分别得到还没有被占用的下一个节点号码。为了在连续运行中实现以前分离的网络的结合，一般需要其他的机制。

一种用于自动的自我配置的替代方案也是例如在网络管理范围内通过中央站的配置。为此可以首先在正常的IP路由运行中启动网络。随后通过网络管理分配节点号码，之后才启动用于安置标志的程序和将通信分配到多个路径上。

为了不会由于将数据包在本地自由地分配到不同的路径上而干扰在内容上属于一个整体的数据包的顺序(例如相同TCP连接的数据包)，可以通过在网络入口上的节点为标志附加地添加另一个字段FI(流标识符)，该字段例如包括由数据包的源地址和目标地址(例如IP地址和也许端口地址)计算出来的数值。于是，网络中的其他节点必须或者针对该字段FI的每个数值在动态的表格中记录有关的路径决策，或者它用系统的方法(例如通过FI的数值范围分配)将确定的路由分配给FI数值。在故障情况下，FI和路径决策之间的分配可以在每个节点上动态地改变。

路由表可以借助于算法或者集中地计算出来并分配给所有的节点，或者将它们在每个节点中独立地、例如借助于OSPF(开放最短路径优先)协议交换的链接状态信息计算出来。

所述方法还可以在不将入口/出口号码传输到标志中的情况下采用。为此在每个网络节点中设有两个其他的表格，网络节点借助于它们可以针对每个数据包自己计算出相应的信息。此时，EL表相当于上面借助图4叙述的EL表。如果用EGP保证对称的路由时，则可用相同的方法从外部的(EGP)路由表中制作出相应的IL表。在此，对称的路由意味着，数据包的路径在传输方向方面是不变的，也就是说与数据包报头中源地址和目标地址的替换无关。在制作IL表时，建立源地址与接入接口或者接入节点的关系。通过以下方式确定数据包的接入接口，即借助于EGP确定将该数据包的源地址作为目标地址的数据包的出口接口或者出口节点。由于路由的对称性，所确定的接口或者所确定的节点就是该数据包的接入接口或者入口节点。

因为出于安全性的原因常常总归希望检查，是否可以使IP数据包在进入网络时源地址与物理进入点一致，所以有可能在将来满足对对称路由的要求。

本方案也可以只利用入口标志IL来实现。在这种情况下，本地路由表将包括普通的网络地址以代替出口标志EL，并且将相应地较大，但是出口标志的查找会节省网络入口节点。

Claims (13)

1.用于在分组交换网络的子网络N1中路由数据包的方法，该方法包括以下步骤：

在入口节点处确定出口节点，其中数据包经所述入口节点进入到所述子网络N1，数据包经所述出口节点离开所述子网络N1；

向所述数据包添加有关所述入口节点和所确定的该出口节点的识别信息；

由内部节点在所述子网络N1中对数据包进行路由、从所接收的数据包中提取所述添加的识别信息、根据所述的识别信息来对该数据包应当被转交给的下一个节点进行评估；

按照上述的评估而将该数据包转交给该下一个节点。

2.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-所述识别信息包括所述入口节点和出口节点的标识或网络地址。

3.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-在所述入口节点处为所述数据包配备至少一个信息字段，以及

-内部节点从所述信息字段中提取关于所述数据包进入到所述子网络N1中的入口节点的信息和关于出口节点的信息。

4.按照权利要求3的方法，

其特征在于，

-为所述数据包配备至少一个信息字段，其中

--所述信息字段作为报头或尾部被添加到所述数据包中，

--所述信息字段包括所述入口节点和出口节点的标识。

5.按照权利要求3的方法，其特征在于，

-为所述数据包配备两个信息字段，其中

--所述信息字段分别作为报头或尾部被添加到所述数据包中，

--一个信息字段包括所述入口节点的标识，而另一个信息字段包括所述出口节点的标识。

6.按照权利要求4或5之一的方法，

其特征在于，

-将一个比特序列添加到至少一个信息字段中或置于其前面，所述比特序列表明这种信息字段。

7.按照权利要求4的方法，

其特征在于，

-在所述入口节点处为所述数据包配备至少一个信息字段，以及

-在所述出口节点处又将该信息字段去除。

8.按照权利要求3-5、7之一的方法，

其特征在于，

-至少一个信息字段由MPLS标志给出。

9.按照权利要求2的方法，

其特征在于，

-将所述识别信息写入设置在所述数据包的格式范围内的字段中。

10.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-通过标识引用所述出口节点，

-所述出口节点的标识借助于网络N3的网络地址来识别，所述数据包应在穿过所述子网络N1之后继续传递到所述网络N3上，以及

-所述出口节点的标识的识别根据所述网络地址借助于在入口节点处的表格进行。

11.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-在所述入口节点处为所述数据包配备识别信息，所述内部节点借助于所述识别信息来识别所述入口节点，

-所述识别信息包括所述入口节点的标识或网络地址，以及

-所述内部节点借助于从所述数据包中提取出来的地址信息确定关于所述出口节点的信息。

12.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-所述评估借助于路由表进行，所述路由表将每一条所述识别信息分配给一个优选的节点以及至少一个替代的节点作为下一个节点，所述每一条识别信息为入口节点和出口节点的每一组合。

13.按照权利要求1的方法，

其特征在于，

-在所述入口节点处为所述数据包配备用于识别流的信息字段，以及

-所述数据包的继续传递通过内部路由器按照该信息字段来进行，而不是所述识别信息。

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