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Das
Wachstum des Internet führte
dazu, daß Träger mit
einer noch nie dagewesenen Geschwindigkeit an Kapazität zunehmen.
Werkzeuge, um diese Netzwerke zu verwalten, sind bisher nicht auf
breiter Ebene verfügbar
oder leicht zugänglich.
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Während die
Bedeutung der IP-Netzwerke zusammen mit ihrer Größe zunimmt, wird die Dienstsicherung
kritisch. Moderne Lösungen
erfordern sperrige und teure externe Sonden, die an ausgewählten Netzwerkpunkten
an ein Gerät „angeschraubt" werden müssen. Dies
ist nicht skalierbar und stellt auch eine Herausforderung an Leistungs- und
Raumanforderungen dar. Es ist keine akzeptable langfristige Lösung.
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Die
vorrangigen Dienstmetriken von IP-Paketnetzwerken sind Paketverlust,
-verzögerung
und -jittern. Es können
passive und aktive Messungen verwendet werden. Auch Verkehrstechnik-
und Kapazitätsplanungsfunktionen
von Dienstanbietern benötigen
Paketflußstatistiken.
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In
der US-Patentschrift Nr. 5,521,907 mit dem Titel „Method
and Apparatus for Non-Intrusive Measurement of Round Trip Delay
in Communications Networks" messen
Ennis et al. die Rundwegsverzögerung
oder -strecke in einem Kommunikationsnetzwerk, ohne das Kommunikationsnetzwerk aus
dem. Betrieb zu nehmen, und wobei variable Verzögerungen, die durch eine Protokollverarbeitung
an den Endpunkten verursacht werden, ausgeschlossen werden.
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Die
zuvor vorgeschlagene Lösung
weist mehrere Nachteile auf. Der Zeitstempel wird erzeugt, nachdem
der Datenstrom analysiert und in einem Speicher gespeichert wurde.
Der Analyseprozeß und der
Speicherzugriff nimmt eine nicht Null betragende Zeit in Anspruch.
In der Tat ist die Analysezeit unvorhersehbar, da sie von der Verarbeitungslast,
die an dem Prozessor herrscht, abhängt. Somit ist der sich ergebende
Zeitstempel ungenau. Auch ohne diese unbekannte Verzögerung ist
die maximale Genauigkeit dieser Lösung auf 1 ms begrenzt, da
die Zeitstempel unter Verwendung eines 1kHz-Signals erzeugt werden.
Für Netzwerke,
die mehrere Gigabits pro Sekunde verarbeiten, ist 1 ms eine sehr
lange Zeit und liefert keine ausreichende Auflösung, um viele Netzwerkprobleme
zu diagnostizieren. Da keine Vorkehrungen getroffen sind, um einen
Zählerüberlauf
zu verhindern oder zu erfassen, und da die Takte in den zwei verschiedenen
Sonden nicht synchronisiert sind, unterliegt die Messung einer zusätzlichen Unsicherheit.
Ferner verwendet Ennis ein Clientserver-Modell einer Datenwiedergewinnung
bzw. ein „Ziehen-Modell" (pull model). Die
Konsole, die als Client agiert, fragt die Sonde, die als Server
agiert, nach Informationen ab. Falls die Sonde Informationen aufweist,
die sie senden kann, überträgt die Sonde
sie; andernfalls wird die Anforderung ignoriert. Das „Ziehen-Modell" nimmt eine wertvolle
Bandbreite auf dem Netzwerk ein. Nicht alle Anforderungen nach Daten
führen
zu der tatsächlichen Übertragung
bzw. Sendung von Daten, da die angeforderten Daten zu dem Zeitpunkt
der Anforderung eventuell nicht verfügbar sind. Ferner versagt das
Verfahren, die Bits in dem Datenstrom als 32-Bits-Ganzzahlen zu
addieren, darin, mit hoher Wahrscheinlichkeit eindeutige Signaturen
für verschiedene
Datenpakete zu erzeugen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß ein separates
Netzwerk erforderlich ist, um die Daten zu der Konsole zurückzusenden.
Schließlich
kann Ennis eine Einwegverzögerungsberechnung,
die eine kritische Messung bei Paketnetzwerken, beispielsweise dem
Internet, ist, nicht genau bestimmen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Router/Schalter,
einen Meßanalysator sowie
ein Verfahren zu schaffen, die ein Überwachen von Netzwerken durchdringend
ohne Modifikation von Ausrüstungsinstallationen
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Router/Schalter gemäß Anspruch 1, einen Meßanalysator
gemäß Anspruch
9 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch
16 gelöst.
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Die
passive Meßplattform
kann in einen Netzwerkrouter/-schalter
integriert sein oder in Verbindung mit einem Netzwerkrouter/-Schalter
verwendet werden. Die passive Meßplattform empfängt ein OSI-Datenpaket
(OSI = Open System Interconnect, Kommunikation offener Systeme),
extrahiert das OSI-Schicht-3-Paket von dem vollständigen OSI-Datenpaket, extrahiert
Anfangsblöcke
von dem OSI-Schicht-3-Paket,
erzeugt eine eindeutige Paketkennzeichnung, die dem OSI-Schicht-3-Paket
entspricht, erzeugt einen Zeitstempel und erzeugt eine Pro-Paket-Aufzeichnung,
die die Anfangsblöcke,
die Paketkennzeichnung und den Zeitstempel umfaßt. Der Zeitstempel wird von
einem GPS-Signal oder einer Quelle abgeleitet, die dieselben Zeitsteuerdienste
und dieselbe Genauigkeit wie das GPS-Signal liefern kann, um Probleme,
die mit einer Frequenzdrift und -synchronisation zusammenhängen, zu
minimieren. Sowohl das Schieben- als auch das Ziehen-Modell einer
Datenwiedergewinnung werden verwendet, um Netzwerkbandbreite einzusparen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein beispielhaftes Netzwerk;
-
2 ein Blockdiagramm eines
Tores der vorliegenden Erfindung;
-
3 ein Funktionsblockdiagramm
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
-
4 ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Anfangsblockextrahierers 10;
-
5 ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Paketprozessors 12;
-
6 ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Zeitstempelgenerators 14;
-
7 das Übertragungsformat der Meßdaten;
-
8 den in 3 gezeigten internen Schnittstellenprozessor 38;
und
-
9 ein Prozeßflußdiagramm
der in 3 gezeigten Meßplattform.
-
Die
Erfindung beschäftigt
sich mit den Einschränkungen
des Standes der Technik, indem sie eine hochleistungsfähige Meßplattform
in einer integrierten Schaltung (IC-integrated circuit) liefert.
Diese IC-Lösung
kann als eingebetteter Dienst bei Schnittstellenkarten eines Netzwerkelements
eines Ausrüstungsverkäufers verwendet
werden. Indem sich die Erfindung den Formfaktorproblemen anderer
Verkehrsmessungslösungen
zuwendet, bewaffnet die Erfindung Träger mit einer leistungsfähigen und
zeitkorrelierten Ansicht dessen, wie sich Verkehr durch ihre Netzwerke
bewegt. Dies ermöglicht
eine viel durchdringendere Vollzeitüberwachung des Netzwerks ohne
das Erfordernis, Ausrüstungsinstallationen
in dem Ausrüstungsraum
zu modifizieren. Neben einer Überwachung
der Netzwerkgesundheit werden diese Daten immer wichtiger als Werkzeug,
um es Trägern
zu ermöglichen,
einen Dienst auf effiziente, gesteuerte und verifizierbare Weise
bereitzustellen.
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Die
Erfindung beschäftigt
sich mit fünf
der kritischsten Informationseinheiten für eine Netzwerktechnik und
-bereitstellung: Netzwerkverzögerung, Netzwerk-Jitter,
Netzwerkverlust, Flüsse
und Netzwerknutzung.
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Diese
vorliegende Lösung
liefert ein sehr hohes Maß an
Genauigkeit, nämlich
mit einer Abweichung von weniger als 500 ns. Bei dem veranschaulichenden
Beispiel liegt die Genauigkeit bei einer Abweichung von weniger
als ~ 200 ns. Dies wird erreicht, indem die Verzögerung beim Erzeugen des Zeitstempels
(wie dies durch Ennis getan wird) und auch beim Verwenden eines
Empfängers
eines globalen Positionierungssystems (GPS) eliminiert wird, um
eine sehr genaue Taktquelle zu liefern; alternativ können auch
andere Quellen verwendet werden, die dieselben Zeitsteuerdienste
und dieselbe Genauigkeit liefern können wie die GPS-Signale. Dies
beseitigt die Probleme der Frequenzdrift und des Zählerüberlaufs.
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Die
Erfindung verwendet das Schieben- und Ziehen-Modell der Datenwiedergewinnung.
Im Schieben-Modell signalisiert der Server dem Client, daß Daten
für eine
Wiedergewinnung zur Verfügung stehen.
Der Client kann anschließend
den Server anweisen, die Daten zu senden; alternativ dazu kann der
Server konfiguriert sein, um die Daten immer dann, wenn der Server
Daten aufweist, die er senden soll, automatisch an den Client zu
senden. Dies eliminiert das Erfordernis, daß der Client den Server periodisch
nach Daten abfragt. Auf dem Netzwerk wird Bandbreite eingespart.
Falls diese Funktionalität nicht
gewünscht
ist, kann ein Ziehen-Modell der Datenwiedergewinnung verwendet werden.
Bei diesem Modell sendet der Client immer dann, wenn der Client
diese Informationen benötigt,
Anforderungen bezüglich
Daten von dem Server; es gibt keine Garantie, daß das, was der Client anfordert,
verfügbar
ist. Da eine Anforderung gesendet werden muß und da nicht alle Anforderungen
dazu führen,
daß Daten
von dem Server an den Client gesendet werden, nimmt dieses Modell
mehr Netzwerkbandbreite ein.
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CRC-Algorithmen
(CRC = cyclic redundancy check, zyklische Redundanzprüfung) werden
verwendet, um einen eindeutigen Paketidentifizierer zu erzeugen.
Die Paket-ID beträgt
32 Bits. Die Wahrscheinlichkeit einer doppelten Signatur ist viel
geringer als beim Stand der Technik (Ennis).
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Die
Erfindung ist ein grundlegendes Netzwerkelement und beseitigt das
Erfordernis eines separaten Netzwerks für eine Datenübertragung,
wie im Stand der Technik gezeigt ist (Ennis). Folglich treten auch
beträchtliche
Leistungsersparnisse und Einsparungen an physischem Raum ein.
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Die
vorliegende Erfindung führt
fünf Messungen
durch: Netzwerkverzögerung,
Netzwerkjitter, Paketverlust, Fluß und Netzwerknutzung. Zusätzliche Daten
können
in den übertragenen
Meßdaten
enthalten sein, um es den Benutzern zu ermöglichen, einen zusätzlichen
Nutzen aus ihrer Infrastruktur zu ziehen.
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1 veranschaulicht ein beispielhaftes Netzwerk,
das Router verwendet, die mit der passiven Meßplattform ausgestattet sind.
Jeder der Kantenrouter, Router A, Router B und Router C, verbindet
Benutzer in einem lokalen Netzwerk (LAN, local area network) mit
dem Internet. Der Router A ist mit dem Benutzer A verbunden, während der
Router C mit dem Benutzer C verbunden ist. Der Router B ist mit
einem Server verbunden.
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Wenn
der Benutzer A über
das Internet einen Telefonanruf an den Benutzer C tätigt, ist
es wünschenswert,
daß die
Einwegverzögerung
weniger als 150 ms beträgt,
wie bei ITU-TG.114
definiert ist. Die Wahrnehmung einer interaktiven Konversation verschlechtert
sich, wenn die Verzögerung über 150
ms hinaus ansteigt. Zusätzlich
beeinflußt
ein Netzwerkjitter die wahrgenommene Qualität der Unterhaltung. Netzwerkjitter
ist die Variation der Ankunftszeit der Datenpakete. Ein weiterer
kritischer Parameter ist Paketverlust. Ein periodischer Verlust
von über
5 – 10 %
aller übertragenen
Sprachpakete kann die Sprachqualität beträchtlich beeinträchtigen.
Gelegentliche Bursts bzw. Ausbrüche eines
Paketverlustes können eine
Konversation ebenfalls schwierig gestalten.
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Bei
dem Telefonanruf zwischen den Benutzern A und C fließen Datenpakete
zu und von jedem der Benutzer. Bei dem Router A und dem Router C werden
für jedes
Paket ein Zeitstempel, ein eindeutiger Paketidentifizierer (ID)
und andere Paketanfangsblockinformationen gespeichert. Diese Daten werden
gespeichert und über
eines der Tore auf den Routern zur weiteren Analyse an den Server übertragen.
Mit den Daten kann ein Netzwerktechniker alle kritischen Parameter
eines Telefonanrufs über
das Internet überwachen.
Und der Netzwerktechniker verfügt über Echtzeitinformationen über die
Gesundheit des Netzwerks.
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Das
OSI-Modell definiert einen Vernetzungsrahmen zum Implementieren
von Protokollen in sieben Schichten. Steuerung wird von einer Schicht
an die nächste
weitergegeben, wobei bei der Anwendungsschicht in einer Station
begonnen wird und zu der nächsten
fortgefahren wird, über
den Kanal zur nächsten
Station und wieder die Hierarchie hinauf zurück.
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Die
OSI-Schicht 7 unterstützt
Anwendungs- und Endbenutzerprozesse. Kommunikationspartner werden
identifiziert, Dienstqualität
wird identifiziert, eine Benutzerauthentifizierung und Geheimhaltung werden
betrachtet, und jegliche Einschränkungen bezüglich einer
Datensyntax werden identifiziert. Alles auf dieser Schicht ist anwendungsspezifisch.
Die Schicht liefert Anwendungsdienste für Dateitransfers, E-Mail und
andere Netzwerksoftwaredienste. Telnet und FTP sind Anwendungen,
die gänzlich
in der Anwendungsebene existieren. In Schichten angeordnete Anwendungsarchitekturen
sind Bestandteil dieser Schicht.
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Die
OSI-Schicht 6 liefert eine Unabhängigkeit von Unterschieden
bezüglich
der Datendarstellung (z.B. Verschlüsselung), indem sie von einer
Anwendung in ein Netzwerkformat übersetzt,
und umgekehrt. Die Präsentationsschicht
arbei tet, um Daten in die Form umzuwandeln, die die Anwendungsschicht
akzeptieren kann. Diese Schicht formatiert und verschlüsselt Daten,
die über
ein Netzwerk gesendet werden sollen, wobei sie Freiheit von Kompatibilitätsproblemen
liefert. Sie wird manchmal als die Syntaxschicht bezeichnet.
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Die
OSI-Schicht 5 errichtet, verwaltet und beendet Verbindungen
zwischen Anwendungen. Die Sitzungsschicht richtet Konversationen,
Austausche und Dialoge zwischen den Anwendungen an jedem Ende ein
und koordiniert und beendet dieselben. Sie beschäftigt sich mit Sitzungs- und
Verbindungskoordination.
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Die
OSI-Schicht 4 liefert einen transparenten Transfer von
Daten zwischen Endsystemen oder Hosts und ist für eine Ende-Zu-Ende-Fehlerwiedergewinnung
und Flußsteuerung
verantwortlich. Sie gewährleistet
einen vollständigen
Datentransfer.
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Die
OSI-Schicht 3 liefert Schalt- und Routingtechnologien,
einschließlich
logischer Pfade, die als virtuelle Schaltungen bekannt sind, zum Übertragen von
Daten von Knoten zu Knoten. Ein Routen und Weiterleiten sind Funktionen
dieser Schicht, ebenso wie Adressieren, Internet-Vernetzung, Fehlerhandhabung,
Stausteuerung und Paketsequenzierung.
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Auf
der OSI-Schicht 2 werden Datenpakete in Bits codiert und
decodiert. Sie liefert eine Übertragungsprotokollkenntnis
und -verwaltung und handhabt Fehler in der physischen Schicht, der
Flußsteuerung
und der Rahmensynchronisation. Die Datenverknüpfungsschicht ist in zwei Teilschichten
aufgeteilt: die Medienzugriffssteuerschicht (MAC-Schicht, MAC =
media access control) und die Logische-Verknüpfungssteuerung-Schicht (LLC-Schicht,
LLC = logical link control). Die MAC-Teilschicht steuert, wie ein
Computer in dem Netzwerk Zugriff auf die Daten und eine Erlaubnis
zum Senden derselben erlangt. Die LLC-Schicht steuert die Rahmensynchronisation, Flußsteuerung
und Fehlerprüfung.
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Die
OSI-Schicht 1 übermittelt
den Bitstrom – elektrischer
Puls, Licht oder Funksignal – auf
der elektrischen und mechanischen Ebene durch das Netzwerk. Sie
stellt die Hardwareeinrichtung zum Senden und Empfangen von Daten
auf einem Träger, einschließlich einer
Definition von Kabeln, Karten und physischen Aspekten, bereit. Schnelles
bzw. Fast Ethernet, RS232 und ATM sind Protokolle mit physischen
Schichtkomponenten.
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2 veranschaulicht ein Blockdiagramm 10 eines
mit der vorliegenden Erfindung ausgestatteten Routers/Schalttors.
Ein externes Schnittstellenmodul 12 verbindet das Tor mit
der Außenwelt;
ein Beispiel eines derartigen Moduls ist ein optisches 10-Gigabit-Ethernet-XENPAK-Modul.
Das externe Schnittstellenmodul 12 ist ferner mit einem
Parallel-Serien-Wandler/Serien-Parallel-Wandler
(SerDes) 14 verbunden. Der Rahmer/MAC (Rahmengeber) 16 führt an durch
den SerDes 14 empfangenen Daten eine OSI-Schicht-2-Operation
durch. Ein Netzwerkprozessor 18 führt eine Paketklassifizierung
und andere auf eine Weiterleitung bezogene Funktionen durch. Der
Netzwerkprozessor 18, der seinen eigenen zugeordneten Speicher 20 aufweist,
ist ferner mit einer Schaltstrukturschnittstelle 22 verbunden,
die dieses Tor mit anderen Toren innerhalb desselben Routers/Schalters
verbindet. Eine Steuerebenen-Zentralverarbeitungseinheit (CPU) 24,
die ihren eigenen zugeordneten Speicher 26 aufweist, kommuniziert
auf bidirektionale Weise mit dem Netzwerkprozessor 18.
Die Steuerebenen-CPU 24 erfüllt Verwaltungsfunktionen,
z.B. Torkonfiguration, Berechnung der Weiterleitungstabelle usw.
Die Aufteilung dieser Funktionen variiert mit den einzelnen Implementierungen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist eine Meßplattform 28 zwischen
den Rahmer/MAC 16, die Steuerebenen-CPU 24 und
den Netzwerkprozessor 18 geschaltet. Die Meßplattform 28 kann
Daten von einem beliebigen Verbindungspunkt vor dem Netzwerkprozessor 18 empfangen,
z.B. zwischen dem externen Schnittstellenmodul 12 und dem
SerDes-Modul 14, zwischen dem SerDes-Modul 14 und dem
Rahmer/MAC 16 oder zwischen dem Rahmer/MAC 16 und
dem Netzwerkprozessor 18. Alternativ dazu kann die Maßplattform 28 Daten
direkt empfangen oder kann in jedem der Blöcke eingebettet sein: optisches
Modul 12, SerDes 14, Rahmer/MAC 16 oder
Netzwerkprozessor 18.
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Die
Meßplattform 28 muß vor dem
oder zum selben Zeitpunkt wie der Netzwerkprozessor 18 Zugriff
auf die Daten erlangen. Die Integration der Meßplattform 28 in das
Tor 10 spart sowohl Leistung als auch physischen Raum.
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3 veranschaulicht ein Funktionsblockdiagramm
der in 2 gezeigten Meßplattform 28.
Ein Anfangsblockextraktor 30 ist mit einem Paketprozessor 32 verbunden.
Ein Zeitstempelgenerator 34 liefert eine Eingabe in den
Paketprozessor 32. Der Paketprozessor 32 erzeugt
die Eingaben für
einen Meßpaketgenerator 36 und
einen internen Schnittstellenprozessor 38. Dies kann als
zweckgebundene Logikschaltungsanordnung oder in einem Mikroprozessor implementiert
sein.
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4 veranschaulicht ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Anfangsblockextraktors 30.
Eine Schicht-2-Entkapselungsvorrichtung 40 ist
mit einem Schicht-3-/Schicht-4-Extraktor 42 verbunden.
-
Die
Schicht-2-Entkapselungsvorrichtung 40 entfernt
die OSI-Schicht-2-Verkapselung
von dem Datenpaket, um das OSI-Schicht-3-Paket
zu extrahieren.
-
Der
Schicht-3-/Schicht-4-Extraktor 42 extrahiert die relevanten
OSI-Schicht-3- und OSI-Schicht-4-Anfangsblöcke je nach der Konfiguration.
Falls MPLS (multi-protocol label switching) konfiguriert ist, kann
er die MPLS-Kennzeichnung optional extrahieren. Die Ausgabe dieses
Blockes ist das Siebenfache (Septupel) <Fluß(3), IP src (4/16), IP des
(4/16), Tos (1), Protokoll (1), Src-Tor (2), Dst-Tor (2)>.
-
Für IPv4 liegen
17 Bytes vor. Für
IPv6 liegen 41 Bytes vor. Die Flußkennzeichnung kann die MPLS-Kennzeichnung
oder eine Rahmenverzögerungs-ID
oder ein Virtuell-Pfad-Identifizierer/Virtuell-Schaltung-Identifizierer
vom Asynchron-Transfer-Modus (ATM VPI/VCI) oder eine auf der Grundlage
der TCP/IP-Anfangsblockinformationen erzeugte Kennzeichnung sein.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung können
die Schicht-3- und die Schicht-4-Anfangsblöcke einzeln oder in Kombination
extrahiert werden.
-
5 veranschaulicht ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Paketprozessors 32. Er
kann programmiert sein, um: (a) Flußzählwerte zu berechnen und zu
exportieren, (b) ein elementares Filtern mit Zeitstempeln durchzuführen, (c)
konfigurierbare Schwellwertbestimmungsereignisse an die Überwachungsstation
auszugeben. Ein Aktionstabellennachschlag 44, der eine
externe Eingabe empfängt,
ist mit einem Fluß-Cache-/Pro-Paket-Aufzeichnung-Aktualisierungsmodul
(Fluß-Cache-/PPR-Aktualisierungsmodul
(PPR = per packet record)) 46 und einem Aktionscodepaketpuffer 48 verbunden.
Der Aktionstabellennachschlag 44 ist programmiert, um Aktionsidentifizierer
zu erzeugen, die durch 46 und 48 interpretiert
werden sollen, wenn die Eingabe den durch die Aktionsmaschine 50 festgelegten
Filterkriterien entspricht, wie sie durch dieselbe von dem internen
Schnittstellenmodul empfangen werden (8).
Die gefilterten Pakete werden durch die Fluß-/PPR-Aktualisierung 46 zeitgestempelt
und bei 56 gespeichert. PPR-Speicherungsaufzeichnungen werden
periodisch an die Überwachungsstation
geschoben. Flußaufzeichnungen
können
einer Filterungsaktion unterliegen, müssen aber nicht. Schwellwertbestimmungsereignisse
werden durch die Aktionsmaschine 50 gehandhabt. Die Aktionsmaschine 50 ist
sowohl mit dem Aktionstabellennachschlag 44 als auch mit
dem Aktionscodepaketpuffer 48 verbunden. Der Fluß-Cache-/PPR-Speicherverwalter 52 verwaltet
den Fluß-Cache 54 und
den PPR-Speicher 56, die beide mit dem Fluß-Cache-/PPR-Verwalter 46 verbunden
sind.
-
Die
Aktionsmaschine 50 ist ein Mehrzweck-Mikroprozessorkern,
z.B. ein eingebetteter 16/32-Bits-RISC-Mikroprozessor mit einem zweckgebundenen
Anweisungsspeicher. Die Aktionen werden in dem Anweisungsspeicher
gespeichert und arbeiten an den erfaßten Paketen oder Daten, die
in dem PPR-Speicher 56 gespeichert sind.
-
Der
Cache-Verwalter 46 unterhält die Flußaufzeichnungen in einem eingestellten
Assoziativ-Cache-Speicher. Jeder Fluß-Cache-Eintrag ist 64 Bytes lang und
besteht aus einem Statusbyte und der Flußaufzeichnung. Das Statusbyte
kann 2 Bits aufweisen: gültig
und Verriegelung. Falls das Gültig-Bit eingestellt ist,
ist der Cache-Eintrag gültig.
Falls das Verriegelung-Bit eingestellt ist, kann der Cache-Verwalter den Cache-Eintrag
nicht löschen.
Obwohl dieses Ausführungsbeispiel
auf veranschaulichende Weise einen Fluß-Cache-Eintrag von 64 Bytes
zeigt, hängt
die Größe des Fluß-Cache-Eintrags
von der Gesamtimplementierung der vorliegenden Erfindung ab.
-
Eine
in dem Fluß-Cache
54 gespeicherte Flußaufzeichnung
enthält
den Flußanfangsblock
und die Flußdaten.
Der Flußanfangsblock
besteht aus dem Tupel <Flußkennzeichnung
(3), IP src (4/16), IP dst (4/16), Tos (1), Protokoll (1), Src-Tor
(2), Dst-Tor (2)>.
Ein Fluß wird
entweder durch die Flußkennzeichnung
oder das Tupel <IP
src, IP dest, Protokoll, tos, src-Tor, dest-Tor> eindeutig identifiziert. Das Tupel kann
konfiguriert sein. Der Flußdatenabschnitt kontaktiert
die Tupel <Paketzählwert (4),
Bytezählwert
(4), Startzeitstempel (4), jüngster
Zeitstempel (4), Sonstige (30/6)> für insgesamt
46 Bytes für
IPv4 und 22 Bytes von IPv6. Für
die Felder, die mit „Sonstige" gekennzeichnet sind,
sind die gespeicherten Daten pro Fluß konfigurierbar und werden
durch die <STATS,
Funktion ptr>, die
von der Aktionsnachschlagtabelle erhalten wird, bestimmt. Zusammen mit
dem Flußanfangsblock
von 17/41 Bytes beträgt die
Flußaufzeichnungsgröße 63 Bytes.
-
Die
Pro-Datenaufzeichnung-Speichereinheit (PPR-Speichereinheit) 56 speichert
jegliche Daten, die pro Paket vorliegen, z.B. Zeitstempel. Flüsse, die Zeitstempel
benötigen,
die pro Paket aufgezeichnet sind, weisen in der Flußaufzeichnung
einen Zeiger auf, der auf die PPR-Listendatenstruktur zeigt. Die PPR kann
lediglich Proben speichern, um Speicherplatz einzusparen. Bei diesem
Ausführungsbeispiel beträgt die PPR-Größe 1 Mbyte,
und die PPR-Aufzeichnungsgröße beträgt 6 Bytes:
4 Bytes für
die Paket-ID und
2 Bytes für
die inkrementalen Zeitstempel. Dies ermöglicht eine Speicherung von
etwa 170.000 Zeitstempeln. Zur weiteren Veranschaulichung dauert
eine Sprachkonversation ungefähr
5 Minuten. Jeder Sprachanruf erzeugt alle 20 ms ein Paket, für insgesamt
15K Pakete pro Anruf. Wenn man von einer Abtastrate von 1 von 100
ausgeht, bedeuten 150 Aufzeichnungen pro Sprachanruf, daß Zeitstempelaufzeichnungen
für bis
zu 1.000 Sprachanrufe gespeichert werden können.
-
Der
Fluß-Cache-/PPR-Speicherverwalter 52 geht
in regelmäßigen Abständen durch
jeden Eintrag des Fluß-Caches,
um zu bestimmen, welche Flußeinträge alt genug
sind, um aus dem Cache entfernt zu werden. Er verwendet einen Untätigkeitszeitgeber und
einen Tätigkeitszeitgeber.
Beide Zeitgeber sind benutzerkonfigurierbar.
-
Die
Aktionsnachschlagtabelle 44 enthält eine Liste von Meßaktionen,
die über
die Standardaktionen des Pflegens von Paket- und Bytezählstatistiken hinaus
ausgeführt
werden können.
Diese Aktionen sind auf breite Klassen von Flüssen anwendbar, z.B. TCP, RTP
oder einen spezifischen Typ von Dienstbits usw. Aktionen können auch
für Tunnels
vom MPLS-Typ, die
durch die Flußkennzeichnung
ohne weiteres identifiziert werden können, definiert sein. Ein Beispiel
für einen
derartigen Fluß könnten alle durch
einen bestimmten Punkt eines Netzwerks wandernden Pakete sein, die
identische Quellen- und Bestimmungsort-IP-Netzwerkadressen aufweisen.
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Die
Aktionsnachschlagtabelle 44 kann durch einen kleinen Assoziativspeicher
(CAM – content addressable
memory) implementiert sein. Die Aktionstabelle wird durch eine konfigurierbare
Kombination der Flußkennzeichnung,
des Diensttyps, der Quellen- und Bestimmungsort-Tor-IDs der Anfangsblockfelder
indexiert. Die Ausgabe ist ein Aktionsidentifizierer, der sowohl
durch die Fluß-Cache-Aktualisierungseinheit
als auch die Aktionsmaschine interpretiert wird. Die Liste von Aktionen
kann folgende umfassen, ist aber nicht auf diese beschränkt:
- – <AUSFÜHREN, Funktion
ptr>: die Aktionsmaschine
soll das gesamte Paket nehmen und die Funktion, auf die durch Funktion
ptr gezeigt wird, anwenden
- – <STATS, Funktion
ptr>: die Flußaktualisierungseinheit
soll spezielle Statistiken berechnen, die durch die Funktion, auf
die durch Funktion ptr gezeigt wird, angegeben sind.
-
Der <Aktionscode, Paket>-Puffer 48 ist
ein Puffer, der die Ausgabe des Aktionstabellennachschlags 44 und
der Schicht-2-Entkapselungsvorrichtung 40 speichert,
bis die Aktionsmaschine 50 bereit ist, die Daten anzunehmen.
-
6 veranschaulicht ein Funktionsblockdiagramm
des in 3 gezeigten Zeitstempelgenerators 34.
Der Zeitstempelgenerator kann eine Phasenregelschleife (PLL – phase
lock loop) sein. Ein Phasen-/Frequenz-Detektor 66 empfängt 1PPS
(Puls pro Sekunde) von einem GPS-abgeleiteten Signal. Man beachte,
daß auch
eine Implementierung gültig
ist, die eine Quelle verwendet, die dieselben Zeitgebungsdienste
und dieselbe Genauigkeit liefern kann wie das GPS-Signal. Eine Ladungspumpe 68 schaltet
den Phasen-/Frequenz-Detektor 66 und einen spannungsgesteuerten
Oszillator (VCO – voltage controlled
oscillator) 70 dazwischen. Der VCO 70 erzeugt
ein 5MHz-Taktsignal, das auf das 1PPS-Signal synchronisiert ist.
Ein Teiler 72 teilt den 5MHz-Takt und erzeugt ein 1Hz-Signal für einen
Vergleich mit dem 1PPS-Signal durch den Phasen-/Frequenz-Detektor 66,
um zu bestimmen, ob der VCO synchronisiert ist oder nicht.
-
Der
Zeitstempelgenerator 39 erzeugt einen absoluten Zeitstempel,
der von einem GPS-Signal oder einer Quelle, die dieselben Zeitgebungsdienste und
dieselbe Genauigkeit liefern kann wie das GPS-Signal, abgeleitet
ist. Diese Informationen werden verwendet, um genaue Zeitstempeldaten
für Messungen
zu liefern, z.B. Netzwerkverzögerung oder
Netzwerk-Jitter.
-
7 veranschaulicht ein Beispiel
des Übertragungsformats
der durch den Meßpaketgenerator 36 erzeugten
Meßdaten.
Bei diesem Beispiel ist das Paket zu einem UDP- oder TCP-Paket zusammengestellt.
Das Listenformat hängt
von der durchgeführten
Messung ab. Eine Protokoll-ID wird verwendet, um zukünftige Versionen
dieser Sonde sowie mögliche
Erweiterungen vorzusehen. Der Empfänger des Pakets kann das Paket
je nach der Protokoll-ID verarbeiten. „Typ" bezieht sich auf den Typ der Meßdaten. „Länge" bezieht sich auf
die Länge,
in Bytes, der Nachricht. „Paket-ID" bezieht sich auf
die durch die Paket-ID-Erzeugungseinheit erzeugte Paket-ID.
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8 veranschaulicht den in 3 gezeigten internen Schnittstellenprozessor 38.
Eine lokale Speichereinheit 74 kommuniziert mit der Aktionsmaschine 50.
Ein Steuerprozessor 76 speichert Konfigurationsdaten in
einem Konfigurationsspeicher 78 und lenkt den Fluß von Meßdaten aus
der Meßplattform 28 heraus
und den Fluß von
Konfigurationsdaten in die Meßplattform 28 hinein.
Der Steuerprozessor 76 ist ferner mit einer Ethernet-Schnittstelle 80 und
einer lokalen Hostschnittstelle 82 verbunden.
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Der
Steuerprozessor 76 ist ein standardmäßiger Mikroprozessorkern, z.B.
ein eingebetteter 16/32-Bit-RISC-Mikroprozessor. Er verwaltet die Wechselwirkung
der Sonde mit der Außenwelt, über die
Ethernet-Schnittstelle 80 und/oder die lokale Hostschnittstelle 82.
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Die
Ethernet-Schnittstelle 80 kann verwendet werden, um eine
Schnittstelle mit einem externen Meßkästchen zu bilden, um Daten,
die durch diesen Chip zum Zweck einer eingehenden Analyse gesammelt
wurden, herunterzuladen. Alternativ kann sie verwendet werden, um
die IC zu konfigurieren.
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Die
lokale Hostschnittstelle 82 kann zur Konfiguration und
zum Hochladen von Daten zu einer Analysestation verwendet werden.
-
9 veranschaulicht ein Prozeßflußdiagramm
der in 3 gezeigten Meßplattform 28.
-
Bei
Schritt 110 entfernt die Schicht-2-Entkapselungsvorrichtung
die Schicht-2-Anfangsblöcke,
um das OSI-Schicht-3-Paket
aus dem Ausgang des Rahmers/MAC zu extrahieren.
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Bei
Schritt 120 werden die Anfangsblöcke aus dem OSI-Schicht-3-Paket extrahiert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das OSI-Schicht-3-Paket ein IP-Paket. Die Ausgaben dieses Schrittes
sind die bei RFC 791 definierten IP-Anfangsblöcke: IP-Versionsnummer, Anfangsblocklänge, Dienstart,
Länge des Pakets,
Identifizierung, Flags, Fragmentversatz, Lebensdauer, Protokoll,
Anfangsblockprüfsumme, Quellen-IP-Adresse
und Bestimmungsort-IP-Adresse.
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Bei
Schritt 130 wird eine Paket-ID erzeugt. Die Paket-ID wird
in Verbindung mit anderen Parametern verwendet, um das Paket eindeutig
zu identifizieren. Die 32-Bit-Paket-ID wird erzeugt, indem der CRC-Algorithmus
an den ersten 512 Bytes oder dem gesamten Datenabschnitt des IP-Pakets,
je nachdem, was weniger ist, ausgeführt wird. Der CRC-Algorithmus
findet sich in jedem Fachbuch über
Codierungsalgorithmen oder Digitallogik. Das Generatorpolynom ist
unten gezeigt: G(x)
= X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X3 + X2 + X1 + 1 Gleichung
1
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Die
Paket-ID wird über
die ersten 512 Bytes berechnet, um eine Datenfragmentierung zu begrenzen,
während
sie von der Quelle zu dem Bestimmungsort wandert. Falls eine Fragmentierung
auftreten würde,
würde die
an und nach dem Fragmentierungspunkt berechnete Paket-ID geändert, und
es gäbe
keine Möglichkeit,
die vor und nach der Fragmentierung gesammelten Daten zu korrelieren.
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Bei
Schritt 140 wird der Zeitstempel von einem GPS-Signal oder
einer Quelle, die dieselben Zeitgebungsdienste und dieselbe Genauigkeit
liefern kann wie das GPS-Signal, abgeleitet. Der Empfänger gibt
ein 1PPS-Signal (1PPS = 1 Puls pro Sekunde) aus, das auf die GPS-Atomuhren
oder eine ähnliche Quelle
synchronisiert ist. Ferner muß der
Empfänger Zeit-
und Datumsinformationen ausgeben; die Zeitinformationen sind auf
eine Sekunde genau. Das 1PPS-Signal wird verwendet, um die auf einen
kleineren Zeitraum als eine Sekunde bezogenen Zeitgebungsinformationen
zu erzeugen. Der erste Satz von Ausgaben aus diesem Block beträgt 40 Bits:
5 Bits, um die Stunde darzustellen, 6 Bits, um die Minute darzustellen,
6 Bits, um die Sekunde darzustellen, und 23 Bits, um die im Subsekundenbereich
liegenden Informationen darzustellen. Der GPS-Empfänger oder
eine ähnliche
Quelle liefert die Stunden-, Minuten- und Sekundeninformationen.
Die 23-Bits-Subsekundendaten werden durch die PPL erzeugt. Diese Daten
stellen den auf den 200 ns genauen absoluten Zeitpunkt dar, zu dem
ein Paket empfangen wird.
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Der
zweite Ausgabesatz aus diesem Modul beträgt 24 Bits und ein Überlaufbit.
Dies entspricht dem Anrufabstand bzw. dem Einfallsabstand von aufeinanderfolgenden
Paketen. Die 24 Bits kommen von dem Inhalt eines 24-Bit-Zählers, der
durch den 5MHz-Takt getaktet wird. Das Überlaufbit ist hoch, wenn der
Zähler überläuft oder überschlägt. Es bleibt hoch,
bis es gelöscht
wird. Um einen gültigen
Satz von Ausgaben (24-Bit-Zählerwert
und ein Überlaufbit)
zu erzeugen, ist ein Rücksetzsignal
erforderlich. Das Rücksetzsignal
setzt den Zähler
auf Null zurück und
löscht
das Überlaufbit.
Der Inhalt des Zählers wird
gelesen, nachdem das letzte Bit des Pakets empfangen wurde. Die
Zeitgebung der Schaltungsanordnung ist derart, daß, nachdem
das letzte Bit empfangen und nachdem der Zähler gelesen wurde, der Zähler auf
Null zurückgesetzt
wird. Der Inhalt des Zählers
stellt die Zeit dar, die zwischen dem Ende eines Pakets und dem
Ende eines anderen Pakets verstrichen ist, oder stellt den Anrufabstand
bzw. den Einfallsabstand der Pakete dar.
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Bei
Schritt 150 werden die IP-Anfangsblockinformationen, die
Paket-ID und der Zeitstempel gespeichert. Die Daten umfassen die
Paketaufzeichnung. Die IP-Anfangsblockinformationen können benutzerkonfiguriert
sein. Es können
entweder der absolute Zeitstempel oder der Ankunftsabstand von Paketen
ausgewählt
werden. Der absolute Zeitstempel wird gespeichert, wenn eine der
folgenden Bedingungen erfüllt
ist: 1) der 24-Bit-Zähler,
der verwendet wird, um den Ankunftsabstand von aufeinanderfolgenden
Paketen aufzuzeichnen, läuft über, oder
2) die Anzahl von Paketaufzeichnungen in einem Speicher gleicht
einer bzw. überschreitet
eine Schwellenzahl. Andernfalls wird der Ankunftsabstand-Zeitstempel gespeichert.
Der Ankunftsabstand-Zeitstempel spart Speicherplatz. Für einen
Satz von Datenaufzeichnungen kann die absolute Einfallszeit von
einem einzigen absoluten Zeitstempel und einem Satz von Einfallsabstandszeitstempeln
abgeleitet werden.
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Bei
Schritt 160 werden die Daten gesammelt und an einen benutzerkonfigurierbaren
Bestimmungsort gesandt. Das Paket wird zu einem UDP- oder TCP-Paket
zusammengestellt und über
das IP-Netzwerk an die Analysestation gesandt. Die Analysestation
kennt den Ursprung der Meßdaten,
indem sie die Quellen-IP-Adresse in dem IP-Anfangsblock untersucht.
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Bei
Schritt 170 stellt der interne Schnittstellenprozessor
diese Daten externen Vorrichtungen bereit.