DE102016001925A1

DE102016001925A1 - Method for optimizing IP traffic over 802.3 Ethernet connections

Info

Publication number: DE102016001925A1
Application number: DE102016001925.5A
Authority: DE
Inventors: Marian Ulbricht; Jens Wagner; Theresa Ludwig
Original assignee: INNOROUTE GmbH
Current assignee: INNOROUTE GmbH
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von IP-Paketen über Ethernetverbindungen (Standard 802.3) durch Entfernen nicht benötigter Informationen an den Grenzen eines optimierten MACv6 Netzes. Vor dem Verlassen dieses Netzes werden die Informationen wieder hergestellt, soweit das die Kompatibilität erfordert. Die Erfindung beschleunigt den Datenverkehr in solchen Netzen erheblich.The invention relates to a method for optimizing IP packets over Ethernet connections (standard 802.3) by removing unneeded information at the boundaries of an optimized MACv6 network. Before leaving this network, the information is restored as far as that requires compatibility. The invention significantly speeds up the traffic in such networks.

Description

Hintergrund/Stand der TechnikBackground / state of the art

Wird ein IP-Paket innerhalb eines 802.3-MAC-Frames transportiert, wird es wie in Bild 1 dargestellt, als Payload des Ethernetpaketes zwischen MAC-Header und CRC-Prüfsumme eingebettet. Der MAC-Header besteht aus Hardware-Source-Adresse, Hardware-Destination-Adresse sowie einem Typen bzw. VLAN-Feld. Die Summe der Bytes in Adress-, Typen- und VLAN-Feld beträgt 18 Byte. [8] In Netzwerksegmenten in denen ausschließlich IP-Routing stattfindet wird der Pfad eines Paketes durch das Netzwerk anhand der Adressinformationen im IP-Header vorgegeben. Daher kann man ohne Einschränkungen die MAC-Adresse ignorieren. Verarbeitet ein Router ein solches Datenpaket muss er einen Zwischenspeicher von einer Größe füllen, die mindestens das Paket bis zur IP Zieladresse umfasst. Erst dann kann entschieden werden an welchen Netzwerkpartner das Paket weitergereicht wird. Die MAC-Adresse, die zwar erwartet aber in modernen Netzen nicht ausgewertet werden müsste, muss mitgespeichert werden. Das Problem ist hier nicht die Speichergröße sondern die Zeit, die benötigt wird, bis eine Entscheidung fällt ( ). Datenübertragung in Netzwerken ist zeitkritisch, daher ist es sinnvoll die Weiterleitung von Datenpakete nicht zu verzögern. Beispiele für dieses lediglich auf IP basierende Routing werden von Choi u. a. [1] und Foglar [3] vorgestellt. Mit der Optimierung der Layer 2 Adressierung für IP-Verkehr beschäftigen sich die folgenden Patente. Die Ansätze unterscheiden sich jedoch grundlegend vom hier beschriebenen Vorgehen: Goldman u. a. [4] stellen eine Virtualisierung von Layer 2 und Layer 3 Informationen zur Optimierung des Netzwerkverkehrs zu Virtual-Hosts vor. Chunduri u. a. [2] und Wen u. a. [7] stellen Verfahren zur Optimierung der MAC-IPv6-Zuordnung vor, Shimizu u. a. [6] betrachtet den Sicherheitsaspekt dieser Relation. Mulligan [5] stellt eine Methode zur Kompression des IPv6-Headers durch Nutzung von Layer 2 Informationen vor. Da diese Kompression verlustbehaftet ist, eignet sie sich nur für kleine Netze, die Patentschrift nutzt sie für ein WLAN Netz.If an IP packet is transported within an 802.3 MAC frame, it is embedded as a payload of the Ethernet packet between MAC header and CRC checksum, as shown in Figure 1. The MAC header consists of hardware source address, hardware destination address and a type or VLAN field. The sum of bytes in address, type and VLAN field is 18 bytes. [8] In network segments in which only IP routing takes place, the path of a packet through the network is specified based on the address information in the IP header. Therefore, one can ignore the MAC address without restrictions. When a router processes such a data packet, it must fill a cache of a size that includes at least the packet up to the IP destination address. Only then can it be decided to which network partner the package will be passed on. The MAC address, which, although expected, would not have to be evaluated in modern networks, has to be saved as well. The problem here is not the memory size but the time it takes to make a decision ( ). Data transmission in networks is time-critical, so it makes sense not to delay the forwarding of data packets. Examples of this IP-only routing are presented by Choi et al. [1] and Foglar [3]. The following patents deal with the optimization of Layer 2 addressing for IP traffic. However, the approaches differ fundamentally from the procedure described here: Goldman et al. [4] present a virtualization of Layer 2 and Layer 3 information for optimizing network traffic to virtual hosts. Chunduri et al. [2] and Wen et al. [7] present methods for optimizing the MAC-IPv6 assignment; Shimizu et al. [6] considers the security aspect of this relation. Mulligan [5] presents a method for compressing the IPv6 header using Layer 2 information. Since this compression is lossy, it is only suitable for small networks, the patent uses them for a wireless network.

Kurze Zusammenfassung der ErfindungBrief summary of the invention

Das zu patentierende Verfahren entfernt Teile von Ethernet-Datenpaketen. Die entfernten Teile werden in modernen Netzen nicht mehr benötigt, da diese Aufgaben seit Jahren von höheren Protokollschichten übernommen wurden. Das entstehende Netz wäre nicht mehr kompatibel zu bestehenden Netzen. Router im Inneren des Netzes werden Corerouter genannt. Sie können die neuartigen Datenpakete verarbeiten. Router an den Grenzen werden Edgerouter genannt, sie stellen eine beidseitige Kompatibilität her. Für paketorientierte Verfahren ist die Einsparung bei kurzen Paketen deutlich spürbar. Bei alternativen Verfahren führt das Verfahren zu einer erheblichen Steigerung der Durchlaufgeschwindigkeit an den Knoten. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Router erhöht sich im Inneren des neuartigen Netzes in allen Fällen deutlich, was besonders bei interaktiven Webanwendungen von Bedeutung ist.The patented process removes parts of Ethernet data packets. The removed parts are no longer needed in modern networks, since these tasks have been taken over for years by higher protocol layers. The resulting network would no longer be compatible with existing networks. Routers inside the network are called corer routers. You can process the new data packets. Routers on the borders are called Edgerouter, they create a mutual compatibility. For package-oriented processes, the savings in short packages are clearly noticeable. In alternative methods, the method results in a significant increase in the throughput speed at the node. The response speed of the routers increases significantly within the novel network in all cases, which is particularly important in interactive web applications.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

MACv6 basiert auf dem Entfernen der insgesamt 18 Bytes der Netzwerkadresse sowie des VLAN-Feldes aus dem 802.3 Frame. Die Router werden in folgenden Beispielen als Datenflussmaschinen angenommen, die ein Paket sofort weiterleiten, nachdem der Zielport bekannt ist.1

1: Die Übertragungsgeschwindigkeit eingehender und ausgehender Pakete wird für die folgenden Betrachtungen als gleich vorausgesetzt, beeinflusst jedoch die Funktion des Verfahrens nicht.

Diese Annahme stellt somit das Optimum für die eingesetzte Hardware dar. MACv6 is based on removing the total of 18 bytes of the network address and the VLAN field from the 802.3 frame. The routers are assumed to be data flow machines in the following examples, which forward a packet immediately after the destination port is known. 1

1: The transmission rate of incoming and outgoing packets is assumed to be the same for the following considerations, but does not affect the operation of the method.

This assumption thus represents the optimum for the hardware used.

Netzelementenetwork elements

MACv6 ist nicht mit dem 802.3 Ethernetframe kompatibel, daher müssen alle Geräte innerhalb des MACv6-Netzes dieses Protokoll unterstützen. An den Netzkanten werden, wie in Bild 3 gezeigt, Edge-Router eingesetzt, die die Konvertierung zwischen MACv6 und 802.3 realisieren.MACv6 is not compatible with the 802.3 Ethernet frame, so all devices within the MACv6 network must support this protocol. As shown in Figure 3, edge routers that implement the conversion between MACv6 and 802.3 are used at the edges of the network.

EdgerouterEdge router

Empfängt der Edge-Router ein IP-Paket von außen, wird er die ersten 526 Bit2

2: Ethernet Paket + IPv6-Header

lesen, und anschließend am jeweiligen Port die Übertragung des Paketes ins Netzwerk initiieren. Die und zeigen die Funktionsweise dieses Gerätes. Diese Abbildungen korrelieren jeweils mit und welche die Abläufe aus Sicht der versendeten Daten darstellen.When the edge router receives an external IP packet, it becomes the first 526 bit 2

2: Ethernet packet + IPv6 header

and then initiate transmission of the packet to the network at the respective port. The and show how this device works. These figures correlate with each and which represent the processes from the point of view of the data sent.

4 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung im Edgerouter, wenn ein neues Paket von Außen ankommt. In Schritt 1 kommt ein neues Paket an, von dem in Schritt 2 die ersten 62 Bit in den Buffer eingelesen werden. Diese enthalten Präambel und SFD3

3: Start of frame delimiter

. Im Schritt 3 werden weitere 144 Bit in den Buffer eingelesen, welche MAC-Adressen, VLAN und den Typ enthalten. Weitere Bits werden in Schritt 4 eingelesen. In Schritt 5 wird die Entscheidung getroffen, ob die Zielinformationen der Schicht 3 bereits gelesen wurden. Ist die Bedingung hoch nicht erfüllt, wird Schritt 4 erneut ausgeführt bis die Bedingung erfüllt ist, danach wird in Schritt 6 der Ausgangsport anhand der Schicht 3 Information festgelegt. Verfahrensschritt 7 und 8 laufen gleichzeitig ab. In Schritt 7 werden weitere 62 Bit vom Eingangsport eingelesen. Schritt 8 beinhaltet das Senden der Präambel und SFD auf den Ausgangsport. In Schritt 9 werden weitere Daten vom Eingangsport gelesen und gleichzeitig über den Ausgangsport versendet. Die Bedingung, ob das Paketende erreicht wurde, wird in Schritt 10 abgefragt. Ist das Ende erreicht, ist der Vorgang mit Schritt 11 abgeschlossen, ist das Ende nicht erreicht wird Schritt 9 solange ausgeführt, bis die Bedingung 10 erfüllt ist. 4 shows the process of packet processing in the Edgerouter, when a new package arrives from the outside. In step 1 arrives a new package from which in step 2 the first 62 bits are read into the buffer. These contain preamble and SFD 3

3: Start of frame delimiter

, In step 3 Another 144 bits are read into the buffer, which contain MAC addresses, VLAN and type. More bits will be in step 4 read. In step 5 the decision is made as to whether the target information of the shift 3 already read. If the condition is not high, then step 4 run again until the condition is met, then in step 6 the output port based on the layer 3 Information set. step 7 and 8th run off simultaneously. In step 7 another 62 bits are read in from the input port. step 8th involves sending the preamble and SFD to the output port. In step 9 Further data is read from the input port and sent simultaneously via the output port. The condition as to whether or not the end of the packet has been reached is entered in step 10 queried. When the end is reached, the process is with step 11 completed, the end is not reached step 9 as long as executed until the condition 10 is satisfied.

5 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung im Edgerouter, wenn ein Paket nach Außen, also in das herkömmliche IP Netz, gesendet wird. Beginnend mit Schritt 21, bei dem ein neues Paket nach Außen versendet werden soll. In Schritt 22 werden die ersten 62 Bits, welche Präambel und SFD enthalten, gelesen. Der nächste Schritt 23 sieht das Lesen weiterer Bits im Buffer vor, bis Bedingung 24, das Vorhandensein der MACv6 Zielinformationen, erfüllt ist. Wurden alle Zielinformationen gelesen, wird in Schritt 25 der Ausgangsport anhand der erhaltenen Information festgelegt. Ist die Bedingung 24 noch nicht erfüllt, wird weiterhin Schritt 23 ausgeführt. Auf Schritt 25 folgen 3 gleichzeitig ablaufende Aktionen. Während in Schritt 26 weitere 62 Bits am Eingangsport gelesen werden, wird in Schritt 30 die MAC-Zieladresse über ARP oder die MAC-Table ermittelt. Gleichzeitig werden in Schritt 27 erst die Präambel und SFD über den Ausgangsport gesendet und danach in Schritt 28 die ermittelte MAC-Adresse, das VLAN-Tag und Typ-Feld verschickt. In Schritt 29 wird wieder vom Eingangsport gelesen und die gelesenen Daten über den Ausgangsport verschickt. Schritt 31 fragt ab, ob das Paketende bereits erreicht wurde, ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird weiterhin Schritt 29 ausgeführt. Wenn die Bedingung 31 erfüllt ist, wird der Vorgang beendet. (Schritt 32) 5 shows the process of packet processing in the Edgerouter when a packet is sent to the outside, ie in the conventional IP network. Starting with step 21 in which a new package to be sent to the outside. In step 22 The first 62 bits containing preamble and SFD are read. The next step 23 provides reading of additional bits in the buffer until condition 24 , the presence of the MACv6 destination information is met. When all the destination information has been read, it will be in step 25 the output port determined based on the information received. Is the condition 24 not fulfilled yet, will continue to step 23 executed. On step 25 follow 3 simultaneous actions. While in step 26 another 62 bits are read at the input port will be in step 30 determines the destination MAC address via ARP or the MAC table. At the same time in step 27 first send the preamble and SFD via the output port and then in step 28 the determined MAC address, the VLAN tag and type field are sent. In step 29 is again read from the input port and the read data is sent via the output port. step 31 asks if the end of parcel has already been reached, this condition is not met, will continue to step 29 executed. If the condition 31 is met, the process is terminated. (Step 32 )

In Bild 6 ist das Szenario eines Pakets beim Netzwerkeintritt dargestellt. Die Nutzdaten verlassen bei Nutzung von MACv6 den Router 18 Bytes4

4: Länge des MAC-Headers

eher als bei der Weiterleitung des unveränderten Frames. Empfängt ein Edgerouter ein Paket von innerhalb des Netzwerkes wird er den 802.3 MAC-Header wieder an des Paket anfügen. Es besteht die Möglichkeit die MAC-Adresse anzufragen oder die eigene MAC-Adresse einzusetzen. Interne Tabellen vermeiden wiederholte Anfragen. Dieser Vorgang ist in Bild 7 dargestellt. Das Anfügen des MAC-Headers verzögert die Nutzdaten um 18 Byte.5

5: Falls die Übertragungsgeschwindigkeit des ausgehenden Paketes größer als die des Eingehenden ist, würde hier wiederum ein Zeitgewinn eintreten

Treten auf dem Weg eines Paket durch das MACv6-Netzwerk nur zwei Edge-Router auf, so wird der Zeitgewinn am Eingangs-Edgerouter durch den Verlust am Ausgangsrouter aufgehoben. Das Paket wäre also gleich schnell wie ein Standard-IP-Paket.Figure 6 shows the scenario of a packet at network entry. The user data leave the router when using MACv6 18

bytes

4

4: Length of the MAC header

rather than forwarding the unchanged frame. When an Edgerouter receives a packet from within the network, it will re-attach the 802.3 MAC header to the packet. It is possible to request the MAC address or use your own MAC address. Internal tables avoid repeated requests. This process is shown in Figure 7. Attaching the MAC header delays the user data by 18 bytes. 5

5: If the transmission rate of the outgoing packet is greater than that of the incoming one, time savings would again occur here

If only two edge routers occur on the path of a packet through the MACv6 network, the time gain at the input edge router is canceled out by the loss at the output router. The package would be as fast as a standard IP package.

CorerouterCore routers

Die Corerouter behandeln ausschließlich MACv6-Traffic im Inneren des Netzwerkes. Bild 8 zeigt die Verarbeitung. Es entsteht eine deutliche Zeitersparnis.The corer routers only handle MACv6 traffic inside the network. Figure 8 shows the processing. It creates a significant time savings.

9 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung durch den Corerouter. In Schritt 41 liegt ein neues Paket vor, welches durch die folgenden Arbeitsschritte verarbeitet wird. Schritt 42 sieht das einlesen der ersten 62 Bit, welche Präambel und SFD enthalten, vor. In Schritt 43 werden weitere Bits in den Buffer eingelesen, bis die Bedingung 44 erfüllt ist und somit alle Zielinformationen der Schicht 3 gelesen wurden. Liegen die Zielinformationen vor, wird in Schritt 45 der Ausgangsport anhand dieser Informationen festgelegt. In Schritt 46 werden weitere 62 Bit vom Eingangsport gelesen, gleichzeitig wird in Schritt 47 die Präambel und SFD über den Ausgangsport gesendet. Im nächsten Schritt 48 wird weiterhin am Eingangsport gelesen und die gelesenen Daten gleichzeitig am Ausgangsport versendet. Dieser Schritt wird so lange wiederholt, bis die Bedingung 49 erfüllt ist und das Paketende vollständig gesendet wurde. Mit Schritt 50 ist der Vorgang beendet. 9 shows the process of packet processing by the corerouter. In step 41 is a new package, which is processed by the following steps. step 42 sees the reading of the first 62 bits containing preamble and SFD. In step 43 More bits are read into the buffer until the condition 44 is met and thus all the target information of the layer 3 were read. If the target information is available, in step 45 the output port is determined based on this information. In step 46 another 62 bits are read from the input port, at the same time in step 47 the preamble and SFD are sent via the output port. In the next step 48 is still read at the input port and the read data is sent simultaneously at the output port. This step is repeated until the condition 49 is fulfilled and the end of the package has been completely sent. With step 50 the process is finished.

AbbildungsverzeichnisList of Figures

1 (Prior Art) Abstracted IPv6 packet within a MAC 802.3 payload
2 (Related Art) Conventional Transmission of IPv6 Packets
3 Illustration of a MACv6 network with adjacent standard network
4 Packet processing within the Edgerouter when receiving a package from outside
5 Packet processing within the Edgerouter while receiving a package from within
6 packet processing on entry into the MACv6 network
7 packet processing on exit from the MACv6 network
8 Processing of a data packet inside the MACv6 network
9 Packet processing within the corerouter

Literaturliterature

[1] HG Choi et al Internet addressing architecture and hierarchical routing method thereof. U.S. Patent 6,868,416. 2005 , URL: http://www.google.com/patents/US6868416.
[2] US Chunduri et al Accelerated MAC address resolution for IPv6 traffic with IS-IS protocol. U.S. Patent 8,934,490. 2015 , URL: https://www.google.com/patents/US8934490.
[3] Andreas Foglar. 6Tree - Efficient IPv6 Routing. InnoRoute GmbH, 2014. URL: http://www.innoroute.com/sites/default/files/6Tree_white_paper.pdf ,
[4] J. Goldman et al. Combined Layer 2 Virtual MAC Address with Layer 3 IP Address Routing. US Patent App. 11 / 847.903. 2009 , URL: https://www.google.com/patents/US20090063706.
[5] G. Mulligan. Method for lossless IPv6 header compression. US Patent App. 11 / 235.565. 2006 , URL: https://www.google.com/patents/US20060088051.
[6] S. Shimizu et al. Packet transfer system, communication network, and packet transfer method. US Patent App. 11 / 477.450. 2007 , URL: https://www.google.com/patents/US20070022211.
[7] H. Wen et al. A method for reconstructing the network address in the ipv6 access network. WO Patent App. PCT / CN2006 / 001.707. 2007 , URL: http://www.google.com/patents/WO2007028306A1? cl = en.
[8th] Wikipedia. Ethernet - Wikipedia, The Free Encyclopedia. [On-line; As of 1 July 2015]. 2015. URL: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ethernet&oldid=143085041 ,

Claims

A method for optimizing the transmission of IP packets over IEEE 802.3 Ethernet links, further referred to as MACv6, having the following characteristics: a) removal of the MAC address from the IP packet transmitted via Ethernet, b) removal of the VLAN field from the IP packet transmitted via Ethernet, c) Acceleration of pathfinding in processing network devices Shifting the IP destination address information to the beginning of the frame.

A method of converting 802.3 IP packets into MACv6 packets having the following characteristics: Modification of the packet according to claim 1, wherein data and IP destination information contained are preserved.

A method of converting MACv6 packets to 802.3 IP packets having the following characteristics: recovering an equivalent IP packet from a packet modified according to claim 2, which delivers the containing data equivalent to the unchanged packet.

Device for routing incoming and outgoing packets of a MACv6 network segment, referred to as MACv6 Edgerouter, having the following characteristics: Application of the methods formulated in claims 2 and 3.

Device for routing packets within a MACv6 network segment, referred to as MACv6 corerouter, having the following characteristics: forwarding of MACv6 packets, accelerated forwarding compared to an unchanged 802.3 IP packet by the features described in claim 1.