DE102005025419A1 - Verfahren zur effizienten Behandlung von Störungen bei der paketbasierten Übertragung von Verkehr - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Behandlung von Störungen bei der paketbasierten Übertragung von Verkehr mittels eines Routingprotokolls und Routinginstanzen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens findet eine Überprüfung einer Meldung der Nichterreichbarkeit einer Nachbar-Routinginstanz statt. Dabei wird nach Meldung der Nichterreichbarkeit einer Nachbar-Routinginstanz eine Testnachricht zur Überprüfung dieser Information gesendet. Bei Bestätigung der Nichterreichbarkeit im Zuge der Überprüfung wird auf einen Ausfall der Verbindung zu der Nachbar-Routinginstanz geschlossen und durch die Routinginstanz eine Änderung des Routings zur Vermeidung der ausgefallenen Verbindung veranlasst. Die Erfindung reduziert den im Zuge von Störungsbehebungen im Netz anfallenden Aufwand und schützt gegen falsche, zur Störung des Netzes erzeugte Fehlermeldungen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Behandlung von Störungen bei der paketbasierten Übertragung von Verkehr mittels eines Routingprotokolls.
• Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Internet-Technologien bzw. spezifischer auf dem Gebiet der Routing-Verfahren in paketorientierten Netzen und zielt auf die Übertragung von Daten unter Echtzeitbedingungen.
• Die derzeit wohl wichtigste Entwicklung auf dem Gebiet der Netze ist die Konvergenz von Sprach- und Datennetzen. Ein wichtiges Zukunftsszenario ist, dass Daten, Sprache und Videoinformationen über ein paketorientiertes Netz übertragen werden, wobei neu entwickelte Netztechnologien die Einhaltung von Anforderungsmerkmalen für verschiedene Verkehrsklassen gewährleisten. Die zukünftigen Netze für verschiedene Arten von Verkehr werden paketorientiert arbeiten. Aktuelle Entwicklungstätigkeiten betreffen die Übertragung von Sprachinformationen über herkömmlich für Datenverkehr verwendete Netze, vor allem IP (Internet Protokoll) basierte Netze.
• Um Sprachkommunikation über Paketnetze und insbesondere IP-basierte Netze in einer Qualität zu ermöglichen, die der Sprachübertragung über leitungsvermittelte Netze entspricht, müssen Qualitätsparameter wie z.B. die Verzögerung von Datenpaketen oder der Jitter in engen Grenzen gehalten werden. Bei Sprachübertragung ist von großer Bedeutung für die Qualität des angebotenen Dienstes, dass die Verzögerungszeiten Werte von 150 Millisekunden nicht wesentlich übersteigen. Um eine entsprechend geringe Verzögerung zu erreichen, wird an verbesserten Routern und Routing-Algorithmen gearbeitet, die eine schnellere Bearbeitung der Datenpakete ermöglichen sollen.
• Beim Routing über IP-Netze wird üblicherweise zwischen Intradomain- und Interdomain-Routing unterschieden. Bei einer Datenübertragung über das Internet sind üblicherweise Netze – man spricht hier auch von Teilnetzen, von Domänen oder sogenannten Autonomen Systemen (vom Englischen Autonomous System) – verschiedener Netzbetreiber involviert. Die Netzbetreiber sind zuständig für das Routing innerhalb der Domänen, die in ihren Zuständigkeitsbereichfallen. Innerhalb dieser Domänen haben sie die Freiheit, die Vorgehensweise beim Routing nach eigenen Wünschen beliebig anzupassen, solange nur Dienstgütemerkmale eingehalten werden können. Anders stellt sich die Situation beim Routing zwischen verschiedenen Domänen dar, bei dem unterschiedliche Domänenbetreiber miteinander in Verbindung treten. Interdomain-Routing wird dadurch verkompliziert, dass einerseits möglichst optimale Pfade über verschiedene Domänen zu dem Ziel bestimmt werden sollen, andererseits aber Domänenbetreiber lokal Strategien anwenden können, die eine globale Berechnung von optimalen Pfaden nach objektiven Kriterien beeinflussen. Beispielsweise besteht eine Strategie darin, für Verkehr einer bestimmten Herkunft Domänen von Netzbetreibern eines bestimmten Landes zu vermeiden. Diese Strategie ist nun aber in der Regel nicht allen Netzbetreibern mit Domänen, über die der Verkehr geroutet wird, bekannt, d.h. ein Netzbetreiber muss lokal eine Entscheidung bezüglich der Domäne treffen, zu der er Verkehr weiterleitet, ohne über vollständige Informationen über den optimalen Weg im Sinne einer Metrik zu verfügen. Die Strategien werden häufig auch mit dem englischen Ausdruck "Policies" bezeichnet.
• Für das Routing zwischen verschiedenen Domänen werden sogenannten Exterior-Gateway-Protokolls EGP verwendet. Im Internet wird derzeit meist das in dem RFC (Request for Comments) 1771 genauer beschriebene Border-Gateway-Protokoll Version 4 (Border-Gateway-Protokoll wird häufig mit BGP abgekürzt) verwendet. Das Border-Gateway-Protokoll ist ein sogenanntes Path-Vector-Protokoll. Eine BGP-Instanz (der Ausdruck "BGP-Speaker"findet sich häufig in englischsprachigen Literatur) wird von seinen BGP-Nachbarn über mögliche Wege zu über den jeweiligen BGP-Nachbar zu erreichenden Zielen informiert. Anhand von ebenfalls mitgeteilten Eigenschaften der Wege (im Englischen path attributes) enthält die BGP-Instanz zu den erreichbaren Zielen den aus ihrer lokalen Sicht jeweils optimalen Weg. Im Rahmen des BGP-Protokolls werden zwischen BGP-Instanzen vier Typen von Nachrichten ausgetauscht, darunter eine sogenannte Update- oder Aktualisierungsnachricht, mit der Weginformationen durch das ganze Netz propagiert werden und die erlaubt, das Netz entsprechend Topologie-Änderungen zu optimieren. Die Aussendung von Aktualisierungsnachrichten führt üblicherweise zu einer Anpassung der Pfadinformationen bei allen BGP-Instanzen des Netzes im Sinne eines entsprechend der lokal vorliegenden Informationen optimierten Routings. Daneben spielen sogenannte Keepalive- oder Zustandsbestätigungsnachrichten eine Rolle, mit denen eine BGP-Instanz seinen BGP-Nachbarn über seine Funktionsfähigkeit aufklärt. Bei Ausbleiben dieser Nachrichten gehen die BGP-Nachbarn davon aus, dass der Link zu der BGP-Instanz gestört ist.
• Die Propagation von Topologie-Informationen mit Hilfe des BGP-Protokolls hat den Nachteil, dass bei häufigen Änderungsanzeigen eine beträchtliche Last der durch das Netz propagierten Nachrichten zur Anzeige der Änderung auftreten, und dass das Netz nicht auskonvergiert, wenn Änderungsnachrichten zu schnell aufeinander folgen. Dieses Problem, dass das Netz nicht auskonvergiert bzw. dass das Interdomain-Routing nicht stabil wird, wurde durch den sogenannten Route-flap-damping-Ansatz angegangen. Die Idee hinsichtlich dieses Konzepts ist, die Anzeige einer Änderung durch einen BGP-Nachbarn mit einer Sanktion zu belegen. Bei Empfang einer Änderungsnachricht wird der Dämpfungsparameter erhöht und bei Überschreiten einer Schwelle durch den Dämpfungsparameter werden Änderungsmeldungen ignoriert. Der Dämpfungsparameter fällt exponentiell mit der Zeit ab. Als Folge davon werden Änderungsmeldungen von BGP-Instanzen ignoriert, solange der Dämpfungswert nicht die untere Schwelle (Wiederbenutzungsschwelle) unterschritten hat.
• Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es die Gefahr eines potentiellen Verbindungsverlustes mit sich bringt, was für Echtzeitverkehr nicht tolerierbar ist.
• Im Hinblick auf die Übertragung von Echtzeitverkehr streben aktuelle Weiterentwicklungen von Interdomain-Routing ein schnelleres Erkennen und Beheben von Störungen an.
• In dem RFC Draft "Bidirectional Forwarding Detection" von D. Katz und D. Ward und in der Publikation „Improving Convergence Time of Routing Protocols" von G. Lichtwald, U. Walter und M. Zitterbart (3^rd International Conference on Network, 29.02.-04.03., Guadelope, ISBN 0-86341-326-9) werden Protokolle für eine beschleunigte Erkennung von Störungen beschrieben. Beide Ansätze schlagen ein von dem Routingprotokoll getrenntes Protokoll zur Überwachung der Konnektivität und zum Erkennen von Störungen vor. Diese Vorgehensweise erlaubt, die zeitliche Granularität der Überwachung den Netzbedingungen (Belastung durch Überwachungspakete) und den im Netz durchgeführten Übertragungsdiensten (Echtzeitfähigkeit erforderlich oder nicht) anzupassen.
• In der EP 1453250 ist ein Ansatz beschrieben, das BGP Protokoll durch ein Verfahren für eine schnelle Reaktion auf Linkausfälle beim Interdomain-Routing zu ergänzen. Dieser Ansatz sieht eine Bereitstellung von Ersatzpfaden vor, wobei keine vorausgehende Propagation von Änderungsnachrichten durch das ganze Netz erforderlich ist. Eine Änderung des Routings wird lediglich entlang von Ersatzpfaden vorgenommen. Diese beschränkte Umstellung des Routings erlaubt eine schnelle Reaktion auf Störungen. Bei andauernden Störungen (persistent error) kann zusätzlich eine Topologieanpassung im Netz mittels des BGP-Protokolls durchgeführt werden.
• Die Erfindung hat zur Aufgabe, die Reaktion von paketbasierten Netzen auf Störungsmeldungen effizienter zu gestalten.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass vielfach Technologien bzw. Protokolle mit Störungserkennungs- und Störungsbehebungsmechanismen simultan eingesetzt werden, die zu separaten, voneinander unabhängigen Reaktionen führen. Dabei können diese Reaktionen auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen und in der resultierenden Netzbelastung stark differieren. Die Erfindung zielt darauf ab, langsame und aufwändige Störungsbehebungsmechanismen zu unterdrücken, wenn ein parallel eingesetzter Mechanismus zu einer Fehlerbehebung führt oder wenn der Fehler von so kurzer Dauer ist, dass eine Behebung auf der Zeitskala des Störungsbehebungsmechanismus nicht sinnvoll ist.
• Beispielsweise wird das hinsichtlich der Fehlerbehebung schwerfällige BGP Protokoll mitunter zusammen mit dem OSPF Protokoll oder dem MPLS (multi protocol label switching) Protokoll verwendet. Beide Protokolle haben Mechanismen zur Fehlerbehebung mit einer im Vergleich zum BGP Protokoll schnelleren Reaktionszeit. Die Erfindung zielt auf derartige Konstellationen.
• Erfindungsgemäß reagiert eine Routinginstanz auf eine Meldung der Nichterreichbarkeit einer Nachbar-Routinginstanz bzgl. des Routens mittels eines Routingprotokolls durch Senden einer Testnachricht an die Nachbar-Routinginstanz, um die Nichterreichbarkeit bzw. den Verlust der Konnektivität zu überprüfen. Erst wenn auch auf die Testnachricht keine positive Rückmeldung bzgl. der Erreichbarkeit erfolgt, wird eine Änderung des Routings zur Vermeidung der ausgefallenen Verbindung zu der Nachbar-Routinginstanz veranlasst. Der Begriff „Nachbar-Routinginstanz" ist dabei so zu verstehen, dass es sich im Sinne des Routingprotokolls um einen Nachbarn oder „next hop" handelt. Eine Nachbarschaft bzgl. der physikalischen Kommunikationsinfrastruktur muss nicht notwendigerweise vorliegen. Eine Nachbar-Routinginstanz kann beim In ter-Domänen-Routing auch ein benachbartes autonomes System bezeichnen.
• Die Erfindung führt zu einem effizienteren Einsatz der vorhandenen Ressourcen bei der Fehlerbehebung. Eine Fehlerbehebung bzw. eine Änderung des Routings mittels des Routingprotokolls wird in drei wichtigen Fällen vermieden, bei denen eine derartige Änderung nicht erforderlich ist:
• • Der Fehler besteht in einer kurzzeitigen Instabilität, die beim Senden der Testnachricht schon nicht mehr besteht. Derartige Instabilitäten können den Routingkonvergenzprozess anstoßen, was insbesondere bei BGP eine globale (im Sinne des Internets) Belastung des Netzes durch Update-Nachrichten nach sich zieht.
• • Der Fehler wurde zum Zeitpunkt des Sendens der Testnachricht bereits von einem parallel verwendeten, auf einer schnelleren Zeitskala reagierenden Mechanismus behoben.
• • Der Fehler wurde durch eine Fehlermeldung vorgetäuscht, um das System zu stören.
• Nichterreichbarkeit kann beispielsweise mittels der Testnachricht festgestellt werden, indem ein Zeitintervall für eine Antwort (z.B. gespiegelte Testnachricht) vorgegeben wird und bei Ausbleiben der Antwort innerhalb des Zeitintervalls von der Nichterreichbarkeit ausgegangen wird. Das Zeitintervall kann den Gegebenheiten des Systems (z.B. gemessene Verzögerungszeiten, verkehrstypbezogene Anforderungen bzgl. der Reaktionszeit auf Fehler) angepasst werden. Alternativ könnten protokollinhärente Fehlermeldungen bei der Übertragung der Testnachricht verwendet werden. Beispielsweise meldet das TCP (transport control protocol), wenn ein Übertragung nicht erfolgreich ist. Ein derartiges Vorgehen ist aber in der Regel weniger flexibel.
• Die Erfindung kommt vorzugsweise beim Inter-Domänen-Routing zum Einsatz, wo das Problem einer vergleichsweise langsamen Reaktion von EGP Protokollen und eine größere Gefahr von manipulierten Meldungen besteht. Bei Bestätigung des Fehlers würde beispielsweise eine Reaktion durch das EGP Protokoll (in der Regel BGP) erfolgen. Gemäß einer Weiterbildung wird die Erfindung mit der in der EP 1453250 beschriebenen Vorgehensweise kombiniert. Dabei wird von durch die Störung unterbrochenen Pfaden, welche zu traversierende autonome Systeme beinhalten, ausgegangen. Es erfolgt dann die Inbetriebnahme eines Ersatzpfades zu einem Zielpunkt. Zu diesem Zweck werden auf dem Ersatzpfad liegende Routing-Domänen benachrichtigt. Die benachrichtigte Routing-Domänen, die auf dem Ersatzpfad liegen, stellen ihr Inter-Domänen-Routing entsprechend eines Routings zu dem Zielpunkt entlang des Ersatzpfades einstellen ein, bis alle Routing-Domänen auf dem Ersatzpfad ihr Inter-Domänen-Routing entsprechend einem Routing auf dem Ersatzpfad zu dem Zielpunkt eingestellt haben. Diese Vorgehensweise minimiert die beim Routing vorgenommenen Änderungen. Eine aufwändigere Anpassung der Gesamttopologie kann erfolgen, wenn sich der Fehler als ein dauerhafter erweist (persistent error).
• Das Verfahren kann aber ebenso gut innerhalb eines autonomen Systems bzw. für Intra-Domänen-Routing eingesetzt werden. Fehlerreaktionen können dabei in einer netzweiten Topologieänderung (z.B. OSPF), in der Bereitstellung von einem Ersatzpfad für einen ausgefallenen Pfad (z.B. im Rahmen des MPLS-Konzepts) oder in einer lokalen Reaktion (z.B. wie in der WO2004/051957 beschrieben) bestehen.
• Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung, z.B. Router, welche eine Routinginstanz umfasst und für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur effizienten Behandlung von Störungen bei der paketbasierten Übertragung von Verkehr ausgestaltet ist. Dabei kann eine Routinginstanz sowohl durch einen Router als auch eine Softwareimplementierung von Routingfunktionen auf geeigneter Hardware gegeben sein.
• Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
• 1: Einen Ausschnitt aus einer Routingarchitektur
• 2a und 2b: Einen Protokollstapel mit verschiedenen Mechanismen zur Fehlerbehebung
• 1 zeigt schematisch das Zusammenwirken eines Moduls oder einer Protokollinstanz APCS (ACPS: adjacent peer check service) mit einer Routingprotokollschicht (Routing Protocol Engine) RPE, welche miteinander über eine dafür vorgesehene Schnittstelle APCI (adjacent peer check interface) kommunizieren. Eine derartige Routingarchitektur wurde beispielsweise in dem in der Beschreibungseinleitung zitierten Dokument „Improving Convergence Time of Routing Protocols" von G. Lichtwald, U. Walter und M. Zitterbart verwendet. Das Routingprotokoll ist z.B. das BGP Protokoll. Das BGP Protokoll sieht periodische KEEPALIVE-Nachrichten mit einer Periode von üblicherweise 60 Sekunden zum Testen der Konnektivität vor. Bei Nichtzustellbarkeit von KEEPALIVE-Nachrichten erfolgt eine Fehlermeldung. Erfindungsgemäß würde dann über die Schnittstelle APCI die Protokollinstanz APCS dazu veranlasst, eine Testnachricht oder Check-Nachricht zu senden.
• In 2a und 2b sind verschiedene Schichten eines Netzwerks dargestellt. Die unterste Schicht ist MPLS (multiprotocol label switching). Basierend auf den MPLS-Pfaden wird eine logische IP-Topologie etabliert. Diese Topologie ist nicht gleich der MPLS-Topologie und „sieht"weniger Netzwerkkomponenten, d.h. ein Teil der auf der MPLS-Ebene aktiven Netzwerkkomponenten sind auf der IP-Ebene transparent. Der BFD-Dienst (BFD: Bidirectional Forwarding Detection) basiert in diesem Beispiel auf der Sicht der IP-Schicht. Für das Border Gateway Protokoll sind die zwei redundanten Pfade der IP-Schicht transparent. Das BGP Protokoll „sieht" nur die direkte Session mit seinem BGP-Nachbarn.
• In diesem Beispiel wird angenommen, dass der ausgefallene Link in 2b derjenige Link ist, über den die BGP Session etabliert war. Das BFD Protokoll meldet den Ausfall im Sub-Sekundenbereich an den BGP-Router. Herkömmlich führt dies dazu, dass das BGP Protokoll den Konvergenzprozess startet.
• Beim Einsatz des hier beschriebenen Mechanismus wird der Konvergenzprozess nicht zwingend notwendig, da das BGP Protokoll vor dem Initiieren des Konvergenzprozesses mittels der Check-Nachricht bei seinem BGP-Nachbarn prüft, ob dieser tatsächlich nicht mehr erreichbar ist. Moderne MPLS Versionen erlauben ein im Vergleich zur BGP Fehlerreaktion schnelles Umschalten auf Ersatzpfade. Die Check-Nachricht stellt in diesem Fall Konnektivität fest, weil durch die schnellere MPLS-Reaktion eine Fehlerreaktion vorhergegangen ist. Der BGP Mechanismus zur Fehlerbehebung wird dann nicht ausgelöst.
• Hierdurch kann die Last im Internet signifikant gesenkt werden. Des Weiteren ist es möglich, mit diesem Mechanismus fälschlicherweise oder in missbräuchlicher Weise als nicht verfügbar propagierte Links zu erkennen und so ein beispielsweise das Hijacken – also das unautorisierte Aneignen eines Datenpfads – einer Route zu verhindern.

Claims (10)

1. Verfahren zur effizienten Behandlung von Störungen bei der paketbasierten Übertragung von Verkehr mittels eines Routingprotokolls und Routinginstanzen, bei dem a) einer Routinginstanz bezüglich dem Routing mittels des Routingprotokolls die Nichterreichbarkeit einer Nachbar-Routinginstanz gemeldet wird, b) durch die Routinginstanz zur Überprüfung der Erreichbarkeit das Senden einer Testnachricht an die Nachbar-Routinginstanz veranlasst wird, c) bei Bestätigung der Nichterreichbarkeit im Zuge der Überprüfung auf einen Ausfall der Verbindung zu der Nachbar-Routinginstanz geschlossen wird, und d) durch die Routinginstanz bei bestätigter Nichterreichbarkeit der Nachbar-Routinginstanz eine Änderung des Routings zur Vermeidung der ausgefallenen Verbindung veranlasst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Zeitintervall für eine Antwort auf die Testnachricht gegeben ist, und – bei Nichterfolgen der Antwort innerhalb des Zeitintervalls Nichterreichbarkeit der Nachbar-Routinginstanz festgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Routingprotokoll ein Inter-Domänen-Routingprotokoll ist, und – die Routinginstanzen Inter-Domänen-Routinginstanzen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Pfade durch zu Zielen zu passierende Routing-Domänen gegeben sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Änderung des Routings in Form einer Pfadänderung durch Inbetriebnahme eines Ersatzpfades zu einem Zielpunkt erfolgt, indem – auf dem Ersatzpfad liegende Routing-Domänen benachrichtigt werden und – benachrichtigte Routing-Domänen, die auf dem Ersatzpfad liegen, ihr Inter-Domänen-Routing entsprechend eines Routings zu dem Zielpunkt entlang des Ersatzpfades einstellen, bis alle Routing-Domänen auf dem Ersatzpfad ihr Inter-Domänen-Routing entsprechend einem Routing auf dem Ersatzpfad zu dem Zielpunkt eingestellt haben.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Änderung des Routings in Form einer Pfadänderung im Rahmen einer durch netzweite Propagation von Nachrichten veranlassten Topologieänderung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Routingprotokoll ein Intra-Domänen-Routingprotokoll ist, und – die Routinginstanzen Intra-Domänen-Routinginstanzen sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Änderung des Routings in Form einer Pfadänderung durch Bereitstellen eines Ersatzpfades erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die Änderung des Routings in Form einer Pfadänderung im Rahmen einer durch Propagation von Nachrichten innerhalb der Domäne veranlassten Topologieänderung erfolgt.
10. Vorrichtung, insbesondere Router, die zu Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist.