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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
für die Vergabe
eines Labels zwecks Routing von Datenpaketen entlang von durch Label
gekennzeichneten Pfaden.
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Für
eine effiziente Datenübertragung über Paketnetze
spielt die Weitervermittlung der Pakete – man spricht hier üblicherweise
von Routing – eine wichtige
Rolle. Die Weiterentwicklung und Verbesserung von Verfahren zum
Routing von Datenpaketen ist ein wichtiges Arbeitsfeld von Entwicklern
auf dem Gebiet der Datenkommunikation, der Vermittlungstechnik und
der Internettechnologien.
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Aktuelle Entwicklungen zur Konvergenz
von Telekommunikationsnetzen und Datennetzen zielen auf eine Übertragung
von Sprach- und Videodaten über
Paketnetze. Für
derartigen Echtzeitdatenverkehr ergeben sich im Vergleich zum herkömmlichen Datentransfer
neue Anforderungen und Randbedingungen für die Qualität der Übertragung.
Häufig
wird dieses Problem unter dem Stichwort „Quality of Service", abgekürzt QoS,
oder „QoS
Parameter" in der Fachwelt
diskutiert. Es handelt sich hier um einzuhaltende Qualitätsmerkmale
für Datenübertragungsdienste
unter Echtzeitanforderungen.
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Für
die Übertragung
von Datenverkehr über Paketnetze
unter Einhaltung von QoS Merkmalen müssen Grenzwerte bzw. Randbedingungen
bei der Weitervermittlung von Datenpaketen eingehalten werden. Parameter,
die für Übertragung
mit QoS Niveau entscheidend sind, sind z.B. die Verzögerung auf
der Übertragungsstrecke
der Datenpakete oder die Datenpaketverlustrate. So ist beispielsweise
die Qualitätsminderung
des Dienstes bei einer Verzögerung
von etlichen 100 ms der Datenpakete bei Sprachübertragung nicht tolerierbar.
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Die Entwicklung und Verbesserung
von Routingverfahren intendiert bessere Werte für die die Übertragungsqualität bestimmenden
Parameter, vor allem im Hinblick auf die für Echtzeitverkehr von den Parametern
einzuhaltenden Schranken. In Paketnetzen werden üblicherweise zu übertragende
Pakete von der Quelle über
eine Mehrzahl von Routern an das Ziel übermittelt. In den Routern
wird anhand einer Adressinformation des Paketes – üblicherweise im Paketheader,
der den Nutzdaten (payload) vorangestellt ist, das nächste Ziel
(Router oder Host) auf der Übertragungsstrecke
bestimmt und das Paket zu dem nächsten
Ziel weitergeleitet (im Engl. Spricht man von forwarding). Das Weiterleiten
zu jeweils dem nächsten
Ziel auf der Übertragungsstrecke
bezeichnet man auch als ein Weiterleiten auf einer „per Hop" Basis, das nächste Ziel
wird dann „next
Hop" genannt. Bei
dem derzeit gebräuchlichsten
Transportprotokoll, dem IP (Internet Protocol) Protokoll, wird von
dem jeweiligen Router nur der Next Hop bzw. das nächste Ziel
bestimmt. Die herkömmliche Übertragung über IP Netze
geschieht im Rahmen eines „best
effort" Routings,
d.h. es werden keine Garantien für
Qualitätsmerkmale übernommen,
sondern es wird nur lokal – überlicherweise
in Teilnetzen oder zwischen Teilnetzen – bezüglich einer Metrik (z.B, minimale
Anzahl an Hops bzw. Routerdurchquerungen) optimiert.
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Die herkömmliche Übertragungstechniken über IP Netze
sind der Ausgangspunkt für
zahlreiche Verbesserungsansätze
für die Übertragungsqualität. Ein wichtiger
Aspekt für
die Verzögerung
von Paketen auf der Übertragungsstrecke
ist ihre Verweildauer in den einzelnen Routern. Diese Verweildauer
ist entscheidend von der Zeit für
die Bestimmung des nächsten
Hops bzw. des nächsten
Ziels abhängig.
In der Regel wird mit Hilfe von einer Routingtabelle die Adresse
für den
nächsten
Hop ermittelt. Ein Weg zur Reduzierung der Zeitdauer für die Ermittlung
des nächsten
Hops ist die Entwicklung von verbesserten Suchalgorithmen zur schnelleren
Identifizierung des relevanten Adresseintrags.
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Ein anderer wichtiges Konzept, die
Zeitdauer für
das Durchsuchen der Routingtabelle zu vermindern, ist die Reduzierung
der für
die Bestimmung des nächsten
Hops benötigten
Informationsmenge. So wird im Rahmen des MPLS (Multiprotocol Label
Switching Architecture) Konzepts nicht die IP Adresse des jeweiligen
Paketes für
die Identifikation des nächsten
Hops verwendet (Adresslänge
ist 32 Bit für IP
Protokoll Version 4 und 64 Bit für
IP Protokoll Version 6), sondern eine Kennung. Diese Kennung wird innerhalb
eines Netzes – häufig ein
Teilnetz oder ein sogenanntes autonomes System mit einem einheitlichen
Routingverfahren – für eine Gruppe
von Paketen vergeben. Gemäß dem von
der IETF herausgegebenen RFC 3031 „Multiprotocol Label Switching Architecture" wird die Gruppe
von Paketen als Forwarding Equivalence Class (FEC) bezeichnet. Die Kennung
wird auch in der deutschsprachigen Literatur mit Label bezeichnet
und definiert für
die Gruppe von Paketen einen Pfad durch das Netz. Die beschränkte Anzahl
und Länge
dieses Labels erlaubt ein schnelleres Routing als bei herkömmlichen
Routing in IP Netzen.
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Die Vergabe von Labels und die Festlegung von
Pfaden durch das Netz in Abhängigkeit
von Labels wird z.B. mit Hilfe des im RFC 3036 „LDP Specification" definierten LDP
(Label Distribution Protocol) Protokolls vorgenommen. Im Rahmen
des LDP Konzepts sendet ein Router des Netzes, der Routing aufgrund
eines Labels vornimmt (man spricht hier von einem Label Switching
Router (LSR)), eine Nachricht (im RFC als Label Mapping Message
bezeichnet) zu wenigstens einem Nachbar-Router, von dem auf die Nachricht
hin ein Tabelleneintrag für
den nächsten Hop
von Paketen der dem Label zugehörigen
FEC vorgesehen wird (man spricht hier von Label Binding). Dabei
wird die Label Mapping Message entweder von einem Router an Nachbarrouter
verteilt, was zu einem Label Binding für die unter den Nachbarroutern
führt,
die dem Pfad für
die dem Label zugehörige Gruppe
von paketen bzw. FEC zugeordnet werden, oder als Response auf eine
Anforderung eines Routers, der noch kein Label Binding vorgenommen
hat, an einen Router mit Label Binding übermittelt. Man spricht entsprechend
RFC 3036 von „Downstream unsolicited
distribution" bzw. „Downstream
on Demand distribution".
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, die
herkömmlichen
Verfahren zur Vergabe von Labeln, die einem Pfad oder einer Mehrzahl
von Pfaden zugeordnet sind, zwecks Routing von Datenpaketen anhand
der Label, zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren
nach Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäßen Verfahren beruht auf der
Festlegung von durch Label gekennzeichneten, eindeutigen Pfaden
in einem oder durch ein Paketnetz. Bei dem Paketnetz handelt es
sich beispielsweise um ein Autonomes System, ein (evtl. anhand von
unterschiedlichen Hierarchieebenen definiertes) Teilnetz oder den
Zuständigkeitsbereich
eines Internet Service Providers. Ein Pfad kann eine Punkt-zu-Punkt
(p2p), Punkt-zu-Mehrpunkt (p2mp), Mehrpunkt-zu-Punkt (mp2p) oder
Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt (mp2mp) Verbindung des Paketnetzes festlegen.
Je nach dem Typ der Verbindung (p2p, p2mp, mp2p oder mp2mp) bzw.
des Pfades umfasst der Pfad einen oder mehrere Anfangs- bzw. Endpunkte
(p: ein Anfangs- bzw. Endpunkt; mp: mehr als ein Anfangs- bzw. Endpunkt).
Bei diesen Anfangs- bzw. Endpunkten handelt es sich beispielsweise
um Randknoten des Datennetzes. In diesem Fall werden Anfangspunkte
als Ingressknoten und Ausgangspunkte als Egressknoten bezeichnet. Randknoten
können
z.B. Randroutern entsprechen. Anfangs- bzw. Endpunkte von Pfaden
können
aber auch beliebige Netzknoten mit Schnittstellen zu anderen, externen
Netzen (z.B. Local Area Networks (LANs) oder TDM (time division
multiplexing) Netze) oder Hosts bzw. Endgeräte sein. Wichtig für das Verfahren
ist die Eindeutigkeit des Pfades. Pfade werden mit Hilfe einer Metrik
festgelegt. Die Metrik kann Kriterien wie die Topologie des Datennetzes,
QoS-Parameter (z.B. im Rahmen von SLAs (Service Label Agreements)
festgesetzt), Bandbreite-Anforderungen, Policy- Anforderungen (z.B. Rücksicht
auf vorhandene Verkehrsstrukturen oder Routing von Datenpakete über ein
Virtuelles Privates Netz VPN (Virtual Private Network)), Zugehörigkeit
von Knoten zu einer Provider-Domäne
oder die Auslastung von Netzabschnitten berücksichtigen. Mit Hilfe der
Metrik und der Endpunkte des zu bestimmenden Pfades wird der Pfad
eindeutig festgelegt, beispielsweise durch eine Optimierung bezüglich der
Metrik. Falls die Metrik äquivalente
Pfade zulässt,
wird mit Hilfe von zusätzlichen
Regel – im
folgenden Tie-breaker Regeln genannt – die Eindeutigkeit hergestellt. Tie-Breaker
Regeln können
z.B. den Routern zugeordnete Adressinformationen, wie z.B. deren
IP Adressen in IP Netzen, verwenden, um Eindeutigkeit des Pfades
herzustellen. Folgender Input
- – Informationen
zur Festlegung des Pfades bzw. auf die Metrik bezogene Informationen
(im folgenden als Metrik-Informationen bezeichnet)
- – Regeln
zur Festlegung des Pfades (evtl. einschließlich Tie-breaker Regeln) und
- – Informationen über Endpunkte
des Pfades
führt
zur eindeutigen Festlegung des Pfades. Der Pfad wird mit einem Label
gekennzeichnet. Die Zuordnung von einem Label zu dem entsprechenden Pfad
bei den Routern des Pfades kann durch die Eindeutigkeit des Pfades
effizienter als bei herkömmlich Verfahren
vorgenommen werden. Erfindungsgemäß wird von einem ersten Router
des Pfades anhand von Informationen über den eindeutigen Pfad ein zweiter
Router des Pfades ermittelt und es werden von dem ersten Router
an den zweiten Router Informationen für das Routing von Datenpaketen
anhand des Labels durch den zweiten Router übermittelt. Diese Informationsübermittlung
erfolgt beispielsweise mittels einer Label Mapping Message. Bei Übermittlung
der Informationen und bei dem Label Binding sind z.B. folgende Vorgehensweisen
möglich - – Der
zweite Router des Datennetzes berechnet den eindeutigen Pfad anhand
von dem ersten Router übermittelten
Informationen. Der zweite Router ist z.B. so konfiguriert, dass die
Regeln zur Pfadberechnung vorliegen: Die Metrik-Informationen können beim zweiten Router vorliegen
oder im Rahmen der vom ersten Router übermittelten Informationen
mitgeteilt werden. Möglich
ist auch, dass Metrik-Informationen
zentral gespeichert werden und dass im Rahmen der von dem ersten
Router übermittelten
Informationen dem zweiten Router ein Pointer oder eine Referenz übergeben
wird, mit deren Hilfe die referenzierten Metrik-Informationen von dem zweiten Router
bei dem zentralen Speicherplatz abgefragt werden. Interessant ist
der Fall, dass ein Teil der Metrik-Informationen dem zweiten Router
vorliegen, z.B. Topologieinformationen, die routinemäßig im Datennetz
ausgetauscht werden (so z.B. bei link-state routing Protokollen).
Der andere Teil, z.B. QoS Anforderungen, wird vom ersten Router übermittelt
oder referenziert. Die Metrik kann so aus einem generischen Teil
und einem labelspezifischen (d.h. spezifisch für die Gruppe Datenpakete, die
abhängig
von .dem Label geroutet werden) zusammengesetzt werden. Die Endpunkte
und das verwendete Label werden im Rahmen der vom ersten Router übermittelten
Informationen dem zweiten Router mitgeteilt oder referenziert.
- – Der
Pfad wird an zentraler Stelle berechnet, z.B. in einem Endpunkt,
und die an den zweiten Router übermittelten
Informationen umfassen den vollständigen Pfad. Beispielsweise
kann eine Liste mit den Adressen der Router im Pfades übermittelt
werden. In diesem Fall brauchen die Regeln außer bei der zentralen Stelle
nicht vorliegen bzw. in die Router konfiguriert zu werden. Analog
dem obigen Fall kann anstatt der Übermittlung von auf den Pfad
bezogenen Informationen die Übermittlung
deren Referenz und die anschließende
Abfrage der Informationen bei einer zentralen Stelle vorgenommen
werden.
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Bei beiden obigen Vorgehensweisen
erhält der
zweite Router für
das Label Informationen, die den Pfad vollständig festlegen. Nachrichten,
wie z.B. Label Mapping Messages, können di rekt an benachbarte
Router des Pfades, z.B. von dem ersten Router an den zweiten, von
dem zweiten an einen dritten etc., adressiert werden. Das bedeutet
einen Effizienzgewinn z.B. im Vergleich mit der Downstream unsolicited
distribution des LDP, bei dem Label Mapping Messages auch an Nachbar-Router
verteilt werden, bei denen das Label nicht für das Routing zur Anwendung
kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren
bedeutet einen deutlichen Flexibilitätsgewinn. Metrik-Informationen
können
für den
Pfad spezifische Informationen umfassen. Beispielsweise kann die
so die Pfadbestimmung in Abhängigkeit
von QoS Parametern für
die über
den Pfad zu leitenden Pakete vorgenommen werden. Denkbar ist auch
eine Standard-Metrik, die bei den einzelnen Routern vorliegt, die
optional durch im Rahmen des Label Bindings übermittelte Informationen geändert werden
kann. Schließlich
erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren einen
Label-Pfad Zuordnung für
p2p, mp2p, p2mp und mp2mp Pfade bzw. Verbindungen.
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Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Informationen für
das Routing von Paketen anhand des Labels an allen inneren Knoten
und zumindest einen Endknoten übertragen.
Nachrichten, die zum Zwecke des Label Bindings verschickt werden,
können
den gesamten Pfad durchlaufen.
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Wenn Adresseinträge zum Routen nach Maßgabe des
Labels vorgenommen worden sind, brauchen die Informationen zur Bestimmung
des eindeutigen Pfades nicht notwendigerweise in den Knoten bzw.
Routern vorgehalten werden. Zumindest die pfadspezifischen Informationen
können
teilweise gelöscht
werden. Eventuelle Skalierungsprobleme, wie sie bei Verfahren auftreten,
bei der denen verwendeten Pfade im Verbindungsspeicher vorgehalten
werden müssen
(z.B. Pfadreservierung mit Hilfe des RSVP (Resource Reservation
Protocol) Protokolls), können
vermieden werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
einer Figur im Rahmen eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In der Figur sind Knoten eines Datennetzes dargestellt.
Randknoten sind durch gefüllte
Kreise und innere Knoten durch nicht ausgefüllte Kreise dargestellt. Links
bzw. Verbindungsabschnitte zwischen Knoten sind durch Linien gekennzeichnet.
Die gestrichelten Linien zeigen einen mp2p Pfad, der die drei Ingressknoten
In1, In2 und In3 mit dem Egressknoten E verbindet. Der Pfad führt über die
inneren Knoten bzw. Router R1, R2, R3 und R4. Erfindungsgemäß ist der
Pfad eindeutig. Wenn bei der Bestimmung des Pfades äquivalente
Pfade auftreten, sorgen sogenannte Tie-Breaker Regeln für die Auswahl
eines Pfades. Beispielsweise könnte
eine Metrik verwendet werden, bei der Pfadabschnitt von R2 über R3 zu
R4 dem Pfadabschnitt von R2 über
R5 zu R4 äquivalent wäre. Eine
mögliche
Regel zur Herstellung von Eindeutigkeit wäre dann z.B. eine Festlegung
entsprechend der Adressen von R2 bzw. R3. Der Pfad wird beispielsweise über den
Router mit der kleineren numerischen Adresse aufgebaut: Der gezeigte
mp2p Pfad wird erfindungsgemäß mit einem
Label referenziert. Dazu sendet der Egressrouter E eine Label Mapping
Message zu dem inneren Router R4. Der innere Router R4 nimmt einen
Adresseintrag für
das Routing entsprechend dem Label vor (d.h. Pakete mit dem Label
werden zu dem Egressrouter E geroutet). Aufgrund der eindeutigen
Festlegung des Pfades kann durch den Router R4 der benachbarte Router im
Pfad, d.h. Router R3, identifiziert werden. Die Identifizierung
geschieht durch Bestimmung des Pfades mit Hilfe der vom Egressrouter
E übermittelten Informationen
oder durch Übermittlung
von die Router des Pfades referenzierenden Adressinformationen.
Der Router R3 schickt anschließend
eine Label Mapping Message zu dem analog identifizierten Router
R2. Die Label Mapping Message wandert so den Pfad entlang bis zu
den Ingressknoten In1, In2 und In3. Bei Verzweigung des Pfades (bei
R1 und R2) wird zu beiden benachbarten Knoten eine Label Mapping
Message gesendet. Auf diese Weise haben alle Router des Pfades einen
Eintrag für
das Routing entlang des Pfades anhand eines Labels vorgesehen. Das
Label Binding ist komplett.
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Bei dem in der Figur angegebenen
Beispiel handelt es sich um einen mp2p Pfad. Für das Label Binding bzw. die
Veranlassung von Adresseinträgen bei
den Knoten des Pfades wird eine Label Mapping Message Nachricht
von dem Endpunkt zu den Anfangspunkten geschickt. Die Nachricht
wird bei Verzeigungen kopiert und entlang den verschiedenen Ästen des
Pfades übertragen.
Bei p2mp Pfaden und p2p Pfaden bietet sich an entsprechend in der
entgegengesetzten Richtung vorzugehen, d.h. eine Nachricht von dem
Anfangspunkt zu den mehreren Endpunkten zu übertragen. Bei mp2mp Pfaden
kann jeweils eine Nachricht von jedem Anfangspunkt zum Label Binding
losgesendet werden.
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Wenn anhand einer Metrik der Pfad
optimiert und mit Hilfe von Tie-Breaker Regeln Eindeutigkeit hergestellt
wird, resultiert das notwendigerweise in einem maschen- bzw. schleifenfreien
Pfad. (Ein maschenbehafteter Pfad ist nicht eindeutig.) Im folgenden
wird ein möglicher
Algorithmus für
die Bestimmung von Pfaden anhand des in der Figur gezeigten Pfades
erläutert.
Es wird dabei der für
Link-State Routing eingesetzte Dijkstra Algorithmus verwendet. Der
Dijkstra Algorithmus erlaubt, den kürzesten Pfad zwischen zwei
Punkten zu bestimmen, wobei eine Metrik für die Pfadoptimierung vorgegeben
werden kann. Für
die Bestimmung des in der Figur dargestellten Pfades wird
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- – mit
Hilfe des Dijkstra Algorithmus der entsprechend der Metrik (und
bei äquivalenten
Pfaden mit Hilfe von Tie-Breaker
Regeln) der kürzeste
Pfad zwischen dem Ingressknoten In1 und dem Egressknoten E bestimmt,
- – der
Dijkstra Algorithmus mit Ausgangspunkt In2 und Endpunkt E solange
angewandt bzw. iteriert, bis man auf den bereits bestimmten Pfadabschnitt
zwischen In1 und E trifft (in der Figur bei R2), und
- – der
Dijkstra Algorithmus mit Ausgangspunkt In3 und Endpunkt E solange
angewandt, bis man auf den bereits berechneten Pfadabschnitt trifft
(in der Figur bei R1).
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Dieses Verfahren lässt sich
für eine
beliebige Zahl von Anfangs- und Endpunkten durchführen. Bei mehreren
Endpunkten würde
man zuerst für
einen Anfangspunkt den Dijkstra Algorithmus zu den verschiedenen
EndpunkteN iterieren. Anschließend geht
man analog für
eventuelle Anfangspunkte vor, wobei die Iterationen des Dijkstra
Algorithmus beendet werden, wenn man auf einen bereits bestimmten Pfadabschnitt
trifft.
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Beispiele für Konzepte für Paketnetze,
die mit der Vergabe von Labels arbeiten, sind die ATM (asynchroneous
transfer mode) Technologie (Vergabe von VPIs (virtual path identifiers)
und PCIs (virtual circuit identifiers)) oder das in IP Netzen verwendete MPLS
(multiprotocol label switching) Protokoll. Die Erfindung kann beispielsweise
für die
Zuordnung von ATM Labels oder MPLS Labels zu Pfaden zum Einsatz
kommen, ist aber nicht auf diese beiden Fälle beschränkt.