CN1794669A - 在用户—提供商网桥域中检测环路的系统和方法 - Google Patents

在用户—提供商网桥域中检测环路的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种可用于具有提供商网络和用户网络的以太网网络的环路检测系统和方法。在一个实施例中，提供商边缘(PE)实体可用于生成带有用户网络未知的目的地址(DA)和源地址(SA)中的至少一个的测试帧。该测试帧被广播到与PE实体相连接的用户网络。当确定PE实体在第一个时间周期中回收到该测试帧或者它的副本时，推导出网络中的环路位置以作为对该确定的响应。

Description

在用户—提供商网桥域中检测环路的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及以太网网络。更具体地且不是以限制方式地，本发明涉及一种用于在以太网的用户—提供商网桥域中检测环路的系统和方法。
背景技术
终端用户和公众网之间的链路，是将宽带应用传送到住宅用户和商务用户过程中的关键，它已知有许多名称，例如，第一英里、最后一英里、本地环路、城域接入、用户接入网等，并且使用多种不同的传输技术和不同物理连接上的协议进行实施。例如，现在大部分用户使用同步光纤网络及其相伴的同步数字序列(SONET/SDH)、帧中继和异步传输模式(ATM)通过数字用户线(DSL)、综合服务数字网(ISDN)、有线电视、T1/E1或T3/E3线连接到公众网络上。不管术语或实际的实施，所有接入网络都需要操作、管理和维护(OAM)支持特征，以保证可维护性以及提供宽带服务所需要的正常运行时间。
从用户的角度来看，当前的第一英里/最后一英里方案具有很大的缺陷，例如，性能瓶颈、固定的带宽供应、有限的可伸缩性、缺少灵活性、规定了端到端服务质量(QoS)问题的复杂性问题以及高成本结构。第一英里方案中使用的鲁棒性和简单以太网技术承诺对接入网进行改革，正如它在企业网中所进行的。以太网是一种局域网(LAN)传输技术，无所不在地用于住宅和企业以便在计算机和网络之间进行通信。正如接入技术，以太网在遗留的第一英里技术上提供了三个重要的优点：(i)用于数据、视频和音频应用的未来保证(future-proof)传输；(ii)数据服务的成本有效构造；以及(iii)将保证互用性的简单的全球接受标准。
正如已经知道的，正在规定各种标准来增强服务传输技术，允许在层2(L2)以太网的上面规定虚拟LAN(VLAN)，以便提高网络的灵活性、可伸缩性和安全性。VLAN可以在不同的级别上进行定义，例如，用户级别或服务商级别，并且可以包括任何数量的非交叉域。以“C-”开头的服务帧字段，例如，C-VLAN ID，是指用户创建的字段。同样，以“P-”开头的服务帧字段(例如，P-VALN ID)，是指提供商增加的字段。通过实施VLAN，端到端以太网络可以被分割为多个服务实例，而保留多个用户的C-VLAN，其中，给定VLAN中的业务对于属于不同VLAN的终端主机是不可见的，从而减少了广播域。
为了有利于避免数据环路(可能由于浪费带宽而导致没有效率)，以及从包含网状拓扑结构的各种网桥的以太网网络的失败中恢复，已经可以使用例如生成树协议(STP)或快速生成树协议(RSTP)的协议，从而允许通过网桥动态发现拓扑结构。实际上，当传输具体的配置网桥协议数据单元(或配置BPDU)时，从以太网拓扑结构中选择出单个根网桥，并在每个网桥上选择出一个给出从每个网桥到根的最佳路径的根端口。而且，选择的端口被选择作为对每个单个VLAN的指定端口，该端口将帧从根方向转发到具体的VLAN以及将帧从该VLAN转发到根。根网桥周期性地在每个“问候时间”发送配置BPDU，于是其它接收到它们的网桥在为它们指定的每个端口上发送配置回复消息。在任何网桥注意到STP算法已经使其将一个端口转换为阻塞状态或脱离阻塞状态的情况下，它重复地生成拓扑变化通知(TCN)消息到根网桥，通常直到接收到确定为止。
RSTP的增强功能提供了生成树的快速汇聚，并允许进行对于承载延时敏感业务的网络十分重要的快速再配置。另外，多生成树协议(MSTP)允许将几个VLAN映射到称为MST-实例(MSTI)的单个生成树实例中，其中，每个实例独立于其它的生成树实例。在这个方法中，可以为数据业务提供多转发路径，从而可以达到负载平衡。同样，它减少了支持大量VLAN所需要的生成树实例的数量。
在以太网实施的环境中，例如，城域以太网，通常提供商网络与多个用户VLAN相互连接。但是，已经知道，如果连接的用户网络没有正确地操作它自己的实例或生成树的实例，则数据环路会增加，而这可能会将网络的性能降低到不可接受的程度。
发明内容
一方面，本发明涉及一种可用于具有提供商网络和用户网络的以太网网络的环路检测系统和方法。在一个实施例中，提供商边缘(PE)实体可用于生成带有用户网络未知的目的地址(DA)或源地址(SA)中的至少一个的测试帧。测试帧被广播到连接到PE实体的用户网络。当确定在第一个时间周期中PE实体回收到测试帧或它的副本时，响应于该确定推导出网络中环路位置。在另一个实施例中，环路检测方案可以包括与用于将提供商信息帧多播到提供商网络的其它提供商网桥实体的PE实体相关的逻辑结构，其中，提供商信息至少包括测试帧的SA和DA中的一个，并且在广播测试帧之前被发送。当提供商网桥接收到测试帧或一个或多个它的副本时，提供商网桥的ID(例如，它的MAC地址或基于STP的ID)被插入到测试帧的数据净荷字段的特定部分中。之后，修改后的测试帧或它的副本被转发到PE实体，用于推导出网络中的环路位置。
附图说明
将附图引入形成说明书的一部分，以描述一个或多个本发明的当前优选的示例性的实施例。参考附图，从下面的描述及所附的权利要求书中将理解本发明的各个优点和特征，其中：
图1表示可能出现一个或多个环路的示例的提供商—用户网络配置；
图2表示根据本发明的一个实施例用于检测环路的示例的测试帧；
图3为根据本发明的一个实施例在以太网网络中可执行的环路检测方法的流程图；
图4表示根据本发明的另一个实施例可以检测环路的示例的提供商—用户网络配置。
图5表示图4中所示的网络配置可操作的提供商信息帧的实施例；
图6为根据本发明的另一个实施例在以太网网络中可操作的环路检测方法的流程图。
具体实施方式
现在参照各种如何最好地形成和使用本发明的例子对本发明的实施例进行描述。在整个说明及附图的几个视图中使用相同的标号表示相同或对应的部分，其中，无须按比例对各个部件进行绘制。现在参照附图，具体地参照图1，这里描述的是示例的可能出现一个或多个环路的提供商—用户网络配置100。如图所示，网络配置100包括提供商网络102，服务商边缘(PE)网桥实体104A-104C代表性地被置于其中。一个或多个用户VLAN(C-VALN)或它的一些部分经过各个PE实体连接到服务商网络。例如，用户VLAN网络106经过PE104A和104B连接到服务商网络，而用户VLAN网络108经过PE104C连接到服务商网络102。本领域的技术人员应当认识到，在一个实施例中，用户VLAN 106和108也可以表示单个多站点用户网络的单独部分。
在网络配置100中举了三个可能的环路情节的例子，其中，如果连接的用户网络或者它的部分没有正确地操作其自己的生成树协议的一个或多个实例，那么就会出现数据环路。对于用网桥设备110-1到110-6表示的C-VLAN 106，显示了三个数据环路。环路1表示经过服务商网络102的数据网络，包括至少一个穿过服务商网络的环路段。例如，环路1包括一条穿过PE 104A、用户网桥110-1及110-2以及PE 104B的路径。环路2表示达到PE实体但不在提供商域里的数据环路。因此，环路2包括一条通过PE 104B和用户网桥110-2及110-6的路径。环路3表示整体位于用户域网络的数据环路，包括一条通过用户网桥110-2、110-3、110-4和110-5的路径。正如将在后面要进行详细描述的，本专利申请的环路检测方案能够在示例的以太网网络中检测任何这些类型的数据环路。
图2表示根据本发明的一个实施例用于检测环路的示例测试帧200。为了对环路检测和定位进行测试，向PE实体提供合适的逻辑结构，以生成具有未知MAC地址的测试帧200，即，具有对于PE实体通过接口连接的用户网络未知的MAC地址的DA或SA。DA/SAMAC地址对于用户网络未知，这是因为DA/SA MAC地址信息不在用户设备(CE)节点的转发/过滤数据库中规定。另外，测试帧200包括具有规则数据帧格式的帧，但是还带有编码的净荷以有利于环路检测。因此，适合规则的数据帧格式，测试帧包括前文字段202和后文字段214、DA字段204和SA字段206、以太类型字段208(例如IP)和CRC字段212。在一个实施例中，编码的净荷字段220包括多个具有下述信息的子字段：DF1 220，包括测试帧已经穿过的最后的提供商网桥的MAC地址；DF2 222，包括作为测试帧的DA或SA提供的唯一MAC地址的期限限制；DF3 223，包括时间戳；DF4 226，包括唯一的标识符(ID)以便检测测试帧的副本。可以以任何已知的到目前为止未知的方式对每个子字段进行加密。
在一个实施例中，SA和/或DA字段的未知的MAC地址可以随机生成。在一个进一步的实施例中，可以从保留给可用来生成环路检测测试帧的PE实体的唯一地址集合中选择出未知的MAC。另外，SA和/或DA字段的未知的MAC地址可以作为仅在限定时间周期存在的临时的地址提供，例如，如果网络环境中没有环路并且不拥塞，则该限定的时间周期为几秒钟。在进一步的变形方案中，测试PE可以将某个随机数据插入到加密的净荷210中(例如，在唯一ID字段226)，以便使得仅有测试/发起PE知道它。
一旦生成测试帧200，则将测试帧200提供到用户网络，在用户网络中接收节点将会将该测试帧在所有的端口上(而不是在接收测试帧的端口上)进行广播，因为SA/DA MAC信息没有在过滤/转发数据库中规定。所有保留的CE节点也将相应地将测试帧或它的副本在网络内进行广播。如果在用户网络中存在数据环路，则另一个通过提供商—用户网桥域连接的另一个PE实体将可能最终接收到测试帧或它的副本。因为测试帧具有规则的数据帧格式，所以接收PE实体/节点将会在一个或多个跳中使其通过提供商网络，直到测试帧最终被发送回发起PE节点。因此，如果测试帧或它的副本由发起PE节点回收，则它可以通过审查接收到的测试帧或它的副本的SA/DA MAC信息以及编码的唯一ID信息，推导出存在通过提供商/用户网络的环路以及该环路的位置。
图3为根据前面所述的方案在以太网网络中可以进行环路检测的方法的流程图。在步骤302，提供商网络的测试PE实体生成具有源MAC地址(SA)或目的地MAC地址(DA)至少之一的测试帧(即，环路检测帧)，所述的源MAC地址(SA)或目的地MAC地址(DA)对于目标用户网络为未知。环路检测帧可以周期性地发送(例如，每个小时)，或者根据网络内发布的拓扑变化通知(TCN)的出现而发送。如前所述，测试帧的未知的SA和/或DA MAC地址可以用多种方式生成，其中，测试帧也可以包括其净荷中的其它加密信息。之后，将测试帧通过用户一提供商网桥域广播到用户网络中，在用户网络中，将测试帧转发到所有的实体(步骤304)。如果测试帧(或它的副本)在第一个定时期间(例如，几分钟的时间)中在面向用户网络的端口上在测试PE实体上被回收，则该测试PE实体的环路检测逻辑可以用来推导出存在图1中所示的环路2或环路3的类型的数据环路。另一方面，如果测试PE实体在第一个定时期间中在面向提供商网络的端口上回收到该测试帧(表示在提供商网络中测试帧的遍历)，则测试PE的环路检测逻辑可用来推导出在网络中存在环路1的类型的数据环路。在步骤306中对这些处理进行了整理。作为一个进一步的变形方案，在环路检测方案中也可以连同第一个定时期间使用第二个定时(大约一个小时左右)，其中，确定是否在第一和第二定时期间限定的窗口内在测试PE实体上回收到测试帧或它的副本。如果是，则环路检测逻辑可用于相应地推导出环路的位置，包括可能的网络阻塞的指示(步骤308)。参照这里的说明，对于本领域的技术人员而言，很明显，各种环路检测操作和相关的逻辑可以用软件、固件、硬件或者它们的组合的方式实施。另外，这种逻辑结构和功能可以以多种方式作为PE网桥逻辑的一部分进行分割、模块化或集成化。
当将多个用户位置作为单个用户网络的一部分进行规定时，提供进一步的变形方案，以便对返回测试帧的该用户网络部分进行标识，从而表示数据环路路径的位置。图4表示根据另一个实施例的具有可能检测到环路的多个用户站点的示例的提供商一用户网络配置400。提供商网络402用三个PE实体404A-404C进行示例，每个PE实体通过接口与相应的用户VLAN站点连接。如图所示，PE实体404A通过接口与C-VLAN站点A 406A连接，PE实体404B通过接口与C-VLAN站点B 406B连接，PE实体404C通过接口与C-VLAN站点C406C连接。实际上，在这个实施例中，使得与测试PE实体相关的环路检测逻辑能够在环路检测帧被回收之前确定环路检测帧穿过的最后一个PE实体。为了有助于这样的处理，使提供商网络的PE实体顾及测试，即，向每个PE实体提供这样的逻辑，使得它将在环路检测期间传播的测试帧或它的副本从规则的数据帧业务中区分出来。在发送测试帧之前，生成以下将要详细描述的提供商信息帧(PIF)，并且由测试实体对之进行转发，例如，以示例方式的，PE实体404B。当测试帧被广播到某个位置上的用户网络中时，如果通过接口与另一个用户网络位置连接的顾及测试的PE实体，例如PE实体404A，接收到测试帧或它的副本(由于网络中的“后门”数据环路)，其逻辑可以将接收PE实体的身份，例如，它的MAC地址或R/STP ID插入到测试帧中并将其单播到测试PE实体404B。然后，测试实体的环路检测逻辑可以继续推导网络中的数据环路的位置和属性。
图5表示可用于图4中所示的实施例的提供商信息帧500的一个实施例。与前面所述的测试帧格式相似，提供商信息帧500包括前文字段502和后文字段514、DA字段504和SA字段506、以太类型字段508(例如IP)和CRC字段512。净荷字段520包括多个具有以下信息的子字段：子字段520，包括测试帧的SA/DA MAC地址；子字段522，包括提供给顾及测试的提供商网桥的附加的期限限制；子段524，具有唯一的ID以便检测副本帧。正如前面所示的，测试帧的SA/DA MAC地址可以由测试PE实体随机生成，或者从具有临时生命期限的保留的地址池中选择出来。在一个实施例中，散列技术可以用于生成随机MAC地址。例如，对于MAC地址字段的每个比特，可以生成1到10之间的数字，其中，如果数字≤5，则对具体比特进行翻转(即，如果该比特原先为0，则将翻转为1，反之亦然)。
作为规定的一部分，将前面所述的可以适用的测试帧信息装入与网络环境的提供商网桥相关的数据库中。因此，网络中的提供商网桥将能够确定用于执行环路检测测试的测试帧的身份。另一方面，不具有测试帧SA/DA MAC地址的网桥将丢弃它们。
提供商信息帧500可以在通过提供商—用户网桥域广播测试帧之前被多播到网络中的所有提供商网桥上。当提供商网桥在它的返回路径上检测到测试帧时，它将其ID插入到为了进行环路检测而被单播到测试PE的测试帧的DF1子字段中。
上述的各种操作概括在图6的流程图中，图6表示在以太网网络中可用的环路检测实施例，这里的以太网网络例如前面针对图4所述的提供商一用户网络环境400。如前所述，测试PE实体可用于周期性地或根据TCN的出现而生成测试帧，测试帧包括对包括一个或多个站点的目标用户网络未知的DA或SA MAC地址中的至少之一(步骤602)。包括测试帧的DA/SA信息的提供商信息帧由测试PE实体的逻辑生成，该提供商信息帧被广播到提供商网络的所有提供商网桥上(步骤604)。之后，测试帧通过用户—服务商网桥域被广播到用户网络，用于检测其中的数据环路的位置和属性(步骤606)。当顾及测试的PE实体接收到测试帧或它的副本时，它将其自己的ID插入到测试帧的特定字段中，并将该经修改的测试帧单播到测试PE实体(步骤608)。当接收到经修改的测试帧(或它的副本)时，测试PE实体根据修改测试帧的顾及测试的PE的ID/地址和位置，确定环路位置(步骤610)。通过一个实施例的方式，当在除测试网桥之外的网桥中测试帧的SA或DA地址超时时，测试MAC地址可能被清除。参照这里的说明，对于本领域的技术人员而言，明显地，这些操作和相关的逻辑可以包含在软件、固件、硬件或者它们的组合中，并且这种结构和功能可以作为提供商网桥的环路检测逻辑的一部分以多种方式进行分割、模块化和集成处理。
根据前面所述的详细描述，应当理解，本发明有利地提供了可用于以太网环境中的环路检测机制，其中，提供商能够以不明显的方式在用户VLAN中检测可能的环路。然后可以向用户网络进行适当的通知，从而通过重新配置消除降低效率的环路。
虽然本发明已经参照某些示例的实施例进行了描述，但是应当理解，前面显示及描述本发明的形式应当仅作为示例的实施例。因此，各种可以实现的改变、替代和修改都没有脱离由所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可用于以太网网络的环路检测方法，包括：
由置于提供商网络中的提供商边缘(PE)实体生成具有源地址(SA)和目的地址(DA)至少之一的测试帧，所述源地址和目的地址对于用户网络为未知；
将所述测试帧广播到连接到所述PE实体的所述用户网络；
确定所述测试帧是否在第一个时间周期由所述PE实体回收，如果是，则推导所述网络中的环路位置以作为对所述确定的响应。
2.根据权利要求1所述的可用于以太网网络中的环路检测方法，还包括，确定在面向所述用户网络的所述PE实体的端口上是否回收到所述测试帧和所述测试帧的副本中的至少一个，如果是，则推导出一个环路位于所述用户网络中。
3.根据权利要求2所述的可用于以太网网络中的环路检测方法，其中，所述环路达到位于所述提供商网络和所述用户网络之间的边缘上的提供商网桥实体。
4.根据权利要求1所述的可用于以太网网络中的环路检测方法，还包括，确定在面向所述PE实体位于其中的所述提供商网络的所述PE实体的端口上，是否回收到所述测试帧和所述测试帧的副本中的至少一个，如果是，则推导出存在一个环路穿过所述用户网络和所述提供商网络。
5.根据权利要求1所述的可用于以太网网络的环路检测方法，还包括，确定是否所述测试帧和所述测试帧的副本中的至少一个由所述PE实体在所述第一个定时周期之后第二个定时周期之内被接收，如果是，则推导出在所述网络内存在一个带有拥塞指示的环路。
6.根据权利要求1所述的可用于以太网网络的环路检测方法，其中，所述测试帧包括净荷部分，所述净荷部分包括时间戳字段、唯一标识符(ID)字段、指示所述测试帧的所述SA和所述DA至少之一上的时间限制的期限字段以及指示所述测试帧最后穿过的网桥实体的介质访问控制(MAC)地址的地址字段中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的可用于以太网网络的环路检测方法，其中，所述唯一的ID字段包括仅对于所述PE实体为已知的随机数据。
8.根据权利要求1所述的可用于以太网网络的环路检测方法，其中，所述SA包含由所述PE实体随机生成的临时MAC地址。
9.根据权利要求1所述的可用于以太网网络的环路检测方法，其中，所述DA包含由所述PE实体随机生成的临时MAC地址。
10.根据权利要求1所述的可用于以太网网络的环路检测方法，还包括：
在将所述测试帧广播到所述用户域网络之前，将提供商信息帧多播到所述提供商网络的其它提供商网桥实体，其中，所述提供商信息帧包括所述测试帧的SA和DA；
当所述提供商网络的提供商网桥接收到所述测试帧和所述测试帧的副本中的至少之一时，将所述提供商网桥的身份(ID)插入到所述测试帧或它的副本的特定部分中；以及
将所述测试帧或它的副本转发给所述PE实体。
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