Gegenwärtig wird
die Ethernet-Technologie, die üblicherweise
in lokalen Netzen (LANs) verwendet wird, für den Einsatz in Metronetzen
weiterentwickelt. Um die für
gewünschte
Dienste erforderliche Qualität
der Netze realisieren zu können,
sind bei der Weiterentwicklung von Ethernet-Netzen vor allem Anstrengungen
bzgl. einer hohen Verfügbarkeit
(Ausfallsicherheit) notwendig. Da im Bereich der Metronetze oft
Ringtopologien (Schleifen) eingesetzt werden, und einfache Schleifen
sehr störanfällig sind – ein Kabelbruch
oder ein loser Stecker führt
im Normalfall zum Ausfall oder Überlastung
des Netzes – muss
die hohe Verfügbarkeit
auch in Ring-Architekturen
gegeben sein.
Für die hohe
Verfügbarkeit
von besonderem Interesse ist der Mechanismus zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung
in Ethernet-Switchen. Ein Switch untersucht jeden durchlaufenden
Frame – mitunter
finden sich auch die Begriffe Rahmen und Paket statt Frame in der
Literatur – auf
die Ziel-MAC-Adresse (MAC: Media Access Control) und leitet ihn
direkt in die entsprechende Richtung weiter. Dazu wird im Allgemeinen
ein Selbstlern-Mechanismus verwendet, der in allen eintreffenden
Frames die Quelladresse extrahiert. Verkehr zu einer gelernten Adresse
wird in der Regel Über
den Port gesendet, bei dem der Frame, aus dem die Quelladresse extrahiert
wurde, eingetroffen ist. Steht keine Weiterleitungsinformation zu
Verfügung,
erfolgt meist eine Flutung, d.h. das Frame wird auf allen zu dem
entsprechenden Netzsegment gehörenden
Ports gesen det. Dadurch werden Netzdimensionierung, Traffic Engineering
und die Einhaltung der Dienstgüte schwierig.
Ein
bekanntes, in Ethernet-Netzen verwendetes Verfahren ist das STP-Verfahren
(Spanning Tree Protocol). Es ermöglicht
eine Timer gesteuerte Umschaltung eines Ethernet-Switches auf einen
anderen Port bei der Weiterleitung von Frames, kann damit aber nur
relativ große
Umschaltzeiten/Unterbrechung von etwa 30-45 Sekunden bei einer empfohlenen
und 8-12 Sekunden bei optimierter Konfiguration erzielen. Darüber hinaus
beruht die Vermeidung von Schleifen bei dem STP Verfahren auf der Blockierung
von Ports. Daher steht im Normalbetrieb die komplette Netzkapazität nicht
zur Verfügung.
Mit
dem RTSP (Rapid Spanning Tree Protocol) können Unterbrechungszeiten verkürzt werden. Die
Unterbrechungszeit ist von der Netzgröße abhängig. Zudem wird in der Regel
eine Flutung direkt nach der Fehlerbehebung durchgeführt, welche
zu einer Verletzung der Dienstgüte
führen
kann.
Es
sind auch Ring-basierte Schleifenvermeidungsverfahren, wie EAPS
(Ethernet Automatic Protection Switching), RRSTP(Riverstone's Rapid Spanning
Tree) oder patentierten Verfahren von Siemens AG (
DE 10 004 432 ) und Siemens AG/Hirschmann (
DE 298 20 587 ) bekannt.
Bei diesen Verfahren wird die Schleife im Ring in einem privilegierten
Switch, wahlweise Redundanzmanager oder Master genannt, durch Blockierung
einer Leitung unterbrochen.
Durch
regelmäßige Signalisierungsnachrichten
wird die Konsistenz des Rings überprüft und ggf. der
blockierte Port wieder geöffnet.
Neben dieser Fehlererkennung können
die anderen Switche Fehler melden und eine lokale Umschaltung durchführen. Allerdings
ist bei diesen Verfahren eine Ringstruktur notwendig, die in Metronetzen
nicht immer vorausgesetzt werden kann. Außerdem tritt auch hier die
vorher beschriebene Flutung nach der Unterbrechung auf. Daher kann
eine entspre chende Dienstgüte
in Verbindung mit Hochverfügbarkeit
nicht gewährleistet
werden. Durch die Portblockierung steht im Normalbetrieb ebenfalls
nicht die komplette Netzkapazität
zur Verfügung.
Alle
bisher vorgestellten Verfahren haben gemeinsam, dass aufgrund der
Portblockierung im Normalbetrieb eine Verteilung der Netzlast nicht möglich ist.
Neue Verfahren von Nortel Networks (MLT, Multi Line Truncking) und
von 3COM (XRN, Expandable Resilient Networking) vermeiden dieses Problem
durch den ständigen
Austausch der kompletten Weiterleitungsdatenbank (FDB) zwischen den
Switchen. Dieser Austausch führt
natürlich
zu einer signifikant höheren
Netzlast. Außerdem
sind diese Verfahren aufgrund der paarweisen Auslegung nur bedingt
für Zugangstopologien
geeignet.
Die
Erfindung hat zur Aufgabe, eine Weiterleitungsrichtung von Ethernet-Frames
für deren
Weiterleitung zu einem Ziel unter Vermeidung der Nachteile herkömmlicher
Verfahren zu bestimmen.
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
Zur
Lösung
der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung
von Ethernet-Frames für
deren Weiterleitung zu einem Ziel, z.B. einem Endgerät, mittels
Ethernet-Switchen vorgestellt,
wobei ein Frame von einem ersten Switch empfangen wird. Der erste
Switch stellt fest, dass die Ursprungsadresse des Frames keine im
Switch registrierte Zieladresse für die Weiterleitung von Frames
darstellt. Die Ursprungsadresse wird als eine neue Zieladresse für die Weiterleitung
von Frames in dem ersten Switch registriert. Vom ersten Switch wird die
neue Zieladresse an einen zweiten Ethernet-Switch kommuniziert und
auf das Eintreffen der Zieladres se hin von dem zweiten Switch für die Weiterleitung
von Frames zu dem durch die neue Zieladresse gegebenen Ziel eine
Weiterleitungsrichtung festgelegt.
Dieses
Verfahren wird üblicherweise
in einem Netz, z.B. einem Metro-Netz, ausgeführt. Das Netz umfasst z.B.
eine Mehrzahl von Ethernet-Switchen. Der erste Switch ist dann derjenige
Switch des Netzes, von welchem der Frame zuerst empfangen wird.
Ein derartiger Switch hat in der Regel mindestens einen Edge-Port,
d.h. einen Port, bei dem keine Informationen von anderen Switchen
des Netzes eintreffen. Der erste Switch kann durch das Eintreffen des
Frames bei diesem Port erkennen, dass er der erste Switch des Netzes
ist, von dem der Frame empfangen wird. Der zweite Switch kann ebenfalls
die neue Zieladresse einem weiteren Ethernet-Switch kommunizieren
bzw. mitteilen. Die neue Zieladresse wird durch die Mitteilung jeweils
von einem Nachbarswitch, z.B, mittels Bridge-Frames, an alle Switche
des Netzes außer
dem ersten Switch kommuniziert. Ein Bridge-Frame ist dabei ein Frame,
welcher zwischen beiden Switchen gesendet wird und Informationen
beispielsweise über
die Zieladresse des eine Weiterleitungsrichtung zu bestimmenden
Frames bzw. die Adresse eines Switches impliziert. Dieser hat dann
eine ähnlich
Funktion wie die im IEEE Standard 802.1 definierten configuration
BPDUs (Bridge Protocol Data Units). Auf das Eintreffen der Zieladresse
bei einem Switch hin wird von den Switchen des Netzes für die Übertragung
von Frames zu dem durch die neue Zieladresse gegebenen Ziel eine Weiterleitungsrichtung
festgelegt und die Zieladresse an die Nachbarswitche kommuniziert.
Da
im Zuge der Netzwerktopologie ein Switch mehrere Nachbarswitche
haben kann, werden bei der Propagation der neuen Zieladresse im Netz
häufig
mehrere Mitteilungen mit der Zieladresse von einem Switch empfangen.
Dieser Switch kann dann eine Mehrzahl von Weiterleitungsrichtungen
registrieren und nach Maßgabe
einer Metrikinformation bewerten. Zu diesem Zweck können bei
dem Kommunizieren an einen Nachbarswitch Metrikinformationen und/oder
eine auf den ersten Switch bezogene Adressinformation, z.B. Ethernet-Adresse,
mit der Zieladresse zusammen kommuniziert. Für eine Festlegung einer Weiterleitungsrichtung
durch einen Switch, der einen Bridge-Frame erhält, gibt es dann z.B. folgende
zwei Vorgehensweisen:
- Das Bridge-Paket enthält die Zieladresse
und eine Metrikinformation. Der Switch registriert dann die Richtung,
aus der der Bridge-Frame erhalten wurde, als Weiterleitungsrichtung,
die mittels der Metrikinformation bewertet wird. Das Bridge-Paket
enthält
die Zieladresse und die Adresse des ersten Switches. Wenn dem Switch
die Topologie des Netzes bekannt ist, können dann der im Sinne der
Metrik optimale Weg und evtl. Ersatzwege ermittelt und die zugehörige Weiterleitungsrichtung registriert
werden. Diese Vorgehensweise stellt zwar an den Switch höhere Anforderungen,
hat aber den Vorteil, dass bei Eintreffen eines Bridge-Paketes optimale
Wege ermittelt werden können.
Weitere, dieselbe Adresse kommunizierende Bridge-Pakete können dann
verworfen werden.
In
jedem Switch kann eine Weiterleitungsdatenbank zur Registrierung
mehrerer Weiterleitungsrichtungen vorgesehen werden. Dies ermöglicht eine schnelle
lokale Umschaltung der Weiterleitungsrichtung eines Frames im Fehlerfall
bei einem Switch, da alternative Wege zur Weiterleitung des Frames
vorhanden sind. Die Metrikinformationen können sich auf Hopcounts und/oder Übertragungskosten
für die Übertragung
zwischen Switchen des Netzes beziehen. Somit kann anhand der Metrikinformationen
ein optimaler Weg für
Weiterleitung eines Frames zu einem Ziel unter allen registrierten
Weiterleitungsrichtungen ausgewählt
werden. Bei gleicher Metrik kann eine Verteilung auf alle bzgl.
der Metrik äquivalenten Ports
oder eine Auswahl eines der Ports erfolgen. Die Auswahl kann automatisch
erfolgen oder per Konfiguration festgelegt werden. Als automatisches
Auswahlverfahren kann beispielsweise der Port ausgewählt werden, über den
die Adressinformation zuerst eintrifft. Die Adressinformation kann
zur Bestimmung von Wegen bzw. Alternativwegen, welche Ersatzwege
bei Ausfall eines Switches darstellen, ausgewertet werden. Eine
Weiterleitungsentscheidung kann für Unicast- Multicast- und Broadcast-Verkehr ausgeführt werden.
Für Unicast-Verkehr
basiert die Weiterleitungsentscheidung auf der Zieladresse und den entsprechenden
Registrierung in der Weiterleitungsdatenbank. Die Weiterleitung
von Multicast- und Broadcast-Verkehr erfolgt in der Regel nur für Frames,
die über
den Port mit niedrigster Metrik für die Quelladresse eintreffen.
Eintreffende Multicast- oder Broadcast-Frames über andere Ports werden gelöscht.
Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung wird bzgl. der Propagierung der Mitteilungen über die Zieladresse
ein Abbruchkriterium vorgegeben, um die Signalisierungslast innerhalb
des Netzes zu beschränken.
Die Zieladresse wird z.B. nicht an einen Nachbarswitch kommuniziert,
wenn von dem Nachbarswitch die eingetroffene Zieladresse übersendet wurde
oder wenn bezüglich
des Nachbarswitches ein die Übermittlung
der Zieladresse betreffendes Abbruchkriterium erfüllt ist.
Das Abbruchkriterium kann dadurch gegeben werden, dass an einen
Nachbarswitch die Zieladresse nicht kommuniziert wird, wenn an den
Nachbarswitch bereits eine Benachrichtung über die Erreichbarkeit der
Zieladresse mit günstigerer
Metrikinformation gesendet wurde.
Eine
besondere Funktion hat bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Switch, welcher
als erstes die neue Zieladresse registriert und diese dann an einen
oder mehrere Switche weiterkommuniziert. Durch die Eindeutigkeit
dieses Switches können
Situationen in herkömmlichen
Verfahren, die zum Fluten von Frames führen, vermieden werden. Die
Identifikation des Switches erfolge beispielsweise über den
Port, nämlich
einen Edge-Port, bei dem ein Ethernet-Frame mit einer unbekannten
Adresse eintrifft. Bzgl. dieser Adresse besitzt der Switch dann eine
Initiator-Funktionalität
bzw. ist ein Initiator-Switch
in dem Sinne, dass die Mitteilung der neuen Adresse an andere Switche
durch den Initator-Switch initiiert wird. Es ist sinnvoll, wenn
eine etwaige Entfernung der Adresse ebenfalls durch den Initiator-Switch
angestoßen
wird. Dabei kann die Entfernung durch den Initiator-Switch wie beim
herkömmlichen
Ethernet zeitgesteuert werden. Die Adresse wird nach einem vorgebbaren
Zeitintervall entfernt, wenn innerhalb des Zeitintervalls keine
an die Adresse weiterzuleitenden Frames einteffen. Diese Alterungsfunktion
führt aber
einzig der Initiator durch. Wird ein Frame entfernt, werden wieder
alle anderen Switche per Bridge-Frame davon informiert.
Eine
Weiterbildung der Erfindung ist eine Übertragung der Initiator-Funktionalität. Dabei
wird die Zieladresse eines an einem Edge-Port des ersten Switches
eingetroffene Frames, welcher vorher schon an einem anderen Edge-Port
eines weiteren Switches des Netzes eingetroffen ist, von dem ersten Switch
an den zweiten Switche kommuniziert, wenn die Übertragung der Initiator-Funktionalität auf den ersten
Switch erwünscht
ist. Der weitere Switch wird von dem ersten Switch benachrichtigt
und registriert die Zieladresse als eine Zieladresse, die ein Weiterleiten
der Frames an einen anderen Switch des Netzes erfordert. D.h. der
erste Switch wird der neue Initiator-Switch und kommuniziert an
den weiteren Switch, welcher einen anderen Edge-Port umfasst, das Übernehmen
der Initiator-Funktionalität
bzw. die Umschaltung der Weiterleitungsrichtung für an die Zieladresse
zu sendende Frames. Der weitere Switch, d.h. der alte Initiator-Switch,
entfernt die Registrierung als Initiator-Switch und behält nur die
Weiterleitungsinformation. Ist die Umschaltung dagegen unerwünscht, kann
ein derartiger einem Edge-Port des ersten Switches eintreffender
Frame von dem ersten Switch ignoriert werden.
Falls
eine Weiterleitungsrichtung für
einen Frame mit einer Zieladresse nicht festzulegen ist, ist es
sinnvoll, den Frame nicht mehr weiterzuleiten, sondern zu entfernen.
Fluten von Frames kann so vermieden werden.
In
diesem Verfahren ist vorteilhaft, dass das Selbstlernen/Bestimmen
der Weiterleitungsrichtung nicht länger auf den Pfad bzw. Weg
beschränkt
ist, sondern im gesamten Netz verteilt wird. Dadurch sind alle relevanten
Weiterleitungsinformationen (z.B. Zieladresse) in allen Switchen
bekannt und es kann schnell auf alternative Pfade umgeschaltet werden. D.h.
es wird ein unterbrechungsfreier Betrieb eines Netzes bei Ausfall
von einzelnen oder wenigen Netzkomponenten (z.B. Switche, Leitungen)
ermöglicht. Daraus
resultieren sehr kurze Umschaltzeiten, die unabhängig von der Netzdimension
sind. Außerdem kann
die Last auf mehrere Pfade verteilt werden. Es erfolgt keine Blockierung
von Ports, d.h, die gesamte Netzkapazität steht zur vollen Verfügung. Da
die Weiterleitungsinformationen bekannt sind, kann auf Flutung verzichtet
werden. Es wird also kein zusätzlicher Verkehr
erzeugt. Eine Beeinträchtigung
der Dienstqualität
erfolgt nicht. Das Verfahren ermöglicht
den hochverfügbaren
Einsatz von Ethernet in Zugangsnetzen mit unterschiedlichen Topologien,
wie Ringe und Kaskaden. Das Verfahren zeichnet sich durch seine
Effizienz, Schnelligkeit und Autonomie aus und stellt damit einen
deutlichen Fortschritt gegenüber den
bekannten Verfahren dar.
Die
Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand einer
Figur näher
dargestellt. Die Figur zeigt eine Ethernet-Netzstruktur mit erfindungsgemäßen Switchen.
Die
Figur zeigt fünf
Switche (S1, S2, S3, S4, S5) eines Netzes sowie einen mit dem Edge-Port E1:1
des Switches S1 verbundenen Computer, welcher mit einer Ethernetadresse
X gekennzeichnet ist. Dabei sind weitere Edge-Ports, beispielsweise
E1:2, E1:3, beim Switch S1 und E2:1, E2:2, E3:2 beim Switch S2 usw.
dargestellt. Trifft beim Switch S1 über den Edge-Port E1:1 ein
von dem Computer gesendeter Frame ein, dessen Quelladresse X noch
nicht in der Weiterleitungsdatenbank des S1 vorhanden ist, so wird
diese Adresse in die Datenbank aufgenommen. Dann ist der Switch
S1 sog. Initiator für
die Wegewahl zu der Adresse X. Danach erfolgt eine explizite Weiterleitungsinformation
in einem Bridge-Frame an die angeschlossenen Nachbarswitche, nämlich Switch
S2 und Switch S3. Dieser Bridge-Frame umfasst hier beispielsweise
Informationen über
die Adresse X und die Adresse von Switch S1. Die Switche S2 und
S3 werten die eintreffenden Bridge-Frames aus, fügen die Einträge der Weiterleitungsdatenbank
hinzu und senden ebenfalls Bridge-Frames an allen anderen Ports
des Entsprechenden Netzsegments. Beispielsweise würde der
Switch S2 die von dem Switch S1 erhaltenen Informationen bearbeiten und
an die Switche S4 und S5 weiterleiten: Die Bridge-Frames erhalten
ein Feld, welches die Pfadlänge
kennzeichnet, die z.B. mittels Hopcount (Anzahl der Hops) oder Verbindungskosten
beschrieben wird. So würde
der Switch S4 aus dem Bridge-Frame von dem Switch S2 entnehmen können, dass
ein zur Adresse X weitergeleiteter Frame innerhalb des Netzes über den
Switch S2 zwei Hops benötigt.
Nach Einfügen
in die Weiterleitungsdatenbank sendet der Switch S4 Bridge-Frames
an die Switche S3 und S5. Bei dem Switch S3 sind nun Weiterleitungsinformationen
für die
an die Adresse X zu sendenden Frames über zwei unterschiedliche Ports
vorhanden. Über Port
3:1 ist das Ziel mit einem Hopcount von 1 innerhalb des Netzes erreichbar, über Port
3:4 ist das Ziel mit einem Hopcount von 3 innerhalb des Netzes erreichbar.
Beide Einträge
werden in die Datenbank aufgenommen. Außerdem kann die Last auf Pfade mit
gleicher Metrik verteilt werden (z.B. Port 4:2 und 4:3 an Switch
54). Die Bridge-Frames werden so lange von den Switchen weitergeleitet,
bis es keine Notwendigkeit der Weiterleitung in die entsprechende Richtung
gibt. Beispielsweise würde
der Switch S4 eintreffende Informationen über Port 4:5 (Hopcount 3) nicht
an die Switche S3 und 2 weiterleiten, wenn bereits die Informationen über die
kürzeren
Richtungen über
Swich S2 (Hopcount 2) und S3 (Hopcount 3) weitergeleitet wurden.