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Zum
Routing, zur Leitweglenkung, zur Weiterleitung bzw. zur Übertragung
von Datenpaketen mit einer Zieladresse, wie Internet Protocol Pakete,
kurz IP-Pakete, oder Protokoll Data Units, kurz PDUs, von einem Sender
zu einem Empfänger
in einem mehrere Netzknoten, wie beispielsweise Router, Switches
oder Gateways, aufweisenden paketvermittelnden Kommunikationsnetz,
wie Internet Protocol Netze, kurz IP-Netze, oder Open System Interconnect
Netze, kurz OSI-Netze, werden verschiedene Routingverfahren eingesetzt. Das
Routing bestimmt, auf welchem Weg die Datenpakete vom Sender zum
Empfänger,
respektive Ziel, Ziel-Netzknoten oder Ziel-System gelangen.
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Um
eine höhere
Ausfallsicherheit bei der Übertragung
von Datenpaketen zu erreichen, wird das sogenannte Multipath Routing
bzw. die Mehrwege Weiterleitung verwendet. Durch dessen Anwendung
sollen die Reaktionszeiten und Qualitätseinbußen bei Netzknoten-, Verbindungsweg-
bzw. Link-Ausfällen
deutlich verringert werden.
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Beim
Multipath Routing werden aufeinanderfolgende Pakete oder Gruppen
von Paketen, sogenannte Flows, entsprechend einer festgelegten Verkehrsverteilung,
die durch jeweils vergebene Verkehrsverteilungsgewichte bestimmt
wird, über
verschiedene bzw. mehrere Wege vom Sender zum Empfänger übertragen.
Die Verkehrsverteilungsgewichte legen die Verkehrsbelastung pro
Weg für
eine Zieladresse oder einen Verbindungsweg fest. Das Verkehrsverteilungsgewicht
ist üblicherweise
ein Wert zwischen 0 und 1, wobei 0 für keinen Verkehr und 1 für maximalen
Verkehr auf einer Verbindung bzw. einem Weg steht. Ein Verkehrsverteilungsgewicht
von 1 bedeutet, dass alle Pakete über diesen Weg gesendet werden.
Beim Multipath Routing, bei dem mehrere Wege zur Verfügung stehen,
wird der Verkehr anhand der Gewichte aufgeteilt. Die Summe der Verkehrsverteilungsgewichte
zu einem Ziel in einem Netzknoten ergibt dementsprechend 1, d.h.
100% des Verkehrs.
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Beim
Mehrwege-Routing mit der Möglichkeit
zur schnellen, lokalen Fehlerreaktion in jedem Netzknoten des Kommunikationsnetzes
kann eine erhöhte
Zuverlässigkeit
nur dann erreicht werden, wenn an jedem beteiligten Netzknoten mindestens
zwei Wege über
unterschiedliche Links zum gewünschten
Ziel bzw. Ziel-Netzknoten verfügbar
sind. Dies wird als sogenanntes Outdegree 2 bzw. O2 bezeichnet.
Andernfalls könnte
bereits ein Link-Ausfall die Verbindung in Richtung des Ziels unterbrechen.
Dementsprechend muss beim Multipath bzw. Mehrwege Routing
- a) in einem Netzknoten mehr als ein Weg, d.h.
mindestens ein Alternativweg, zum Ziel zur Verfügung stehen. Dadurch kann eine
schnelle lokale Reaktion auf Linkausfälle ermöglicht werden. Weiterhin darf
- b) die Verkettung der Multipath Routing Wege zwischen den
Netzknoten
und über
mehrere Netzknoten hinweg nicht zu Schleifen führen. Routing-Schleifen führen zum Kreisen
von Paketen im Netz. Kreisende Pakete erhöhen die Belastung der Links
und Netzknoten im Datennetz, verringern damit auch die Transportkapazität des Netzes
und führen
zu erheblichen unnötigen
Paketverzögerungen
oder zu Paketverlusten.
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Die
Bedingungen a) und b) sind insoweit gegenläufig, als die Vermeidung von
Routing-Schleifen häufig
zu einer Einschränkung
der zu einem Ziel hin möglichen
und nutzbaren Multipath Wege bzw. Pfade führt.
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Dies
soll durch ein Beispiel verdeutlicht werden. 1 zeigt eine Anordnung eines Teiles eines
paketvermittelnden Kommunikationsnetzes, beispielsweise eines IP
Netzes, bestehend aus drei Netzknoten A, B, C, die jeweils über Verbindun gen
bzw. Links AB, AC und BC miteinander in einem Dreieck verbunden
sind. Die Netzknoten A und B haben Verbindungen zu einem nicht dargestellten
Teil des Datennetzes, über
die sie Datenpakete erhalten. Betrachtet werden Datenpakete, die
für ein
nicht dargestelltes Ziel Z, das am Netzknoten C angeschlossen ist,
oder für
den Netzknoten C bestimmt sind.
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Bei
normalem, sogenannten Shortest-Path-Routing, werden vom Netzknoten
A empfangene Datenpakete für
den Netzknoten C über
die Verbindung AC zum Netzknoten C gesendet. Ebenso werden vom Netzknoten
B empfangene Datenpakete für
den Netzknoten C über
die Verbindung BC zum Netzknoten C gesendet.
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Die
Routing-Tabellen bezüglich
der Weiterleitung von Paketen, welche die Zieladresse des Netzknoten
C tragen, wären
also: In
Knoten A:
In
Knoten B:
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Beim
Multipath Routing bzw. bei der Mehrwege-Weiterleitung würden sich
die folgenden Alternativwege anbieten: Der Netzknoten A könnte Pakete
zum Netzknoten C auch über
die Verbindung AB zum Netzknoten B weiterleiten, wenn sie von dort über die
Verbindung BC zum Netzknoten C weitergegeben werden. Ebenso könnte der
Netzknoten B Pakete zum Netzknoten C über die Verbindung AB an den
Netzknoten A weiterleiten, wenn sie von dort über die Verbindung AC zum Netzknoten
C weitergegeben werden. Die Routing-Tabellen wären dann, einschließlich der
Verkehrsverteilungsgewichte p
1 und p
3, für
die Alternativwege: In
Knoten A:
In
Knoten B:
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Würden bei
rein zielbasierter Weiterleitungsentscheidung diese Routing-Tabellen
verwendet, dann stellte sich mit der Wahrscheinlichkeit p1p3 der Fall ein,
dass ein Paket vom Netzknoten A auf dem Weg zum Netzknoten C erst über die
Verbindung AB zum Netzknoten B und anschließend wieder vom Netzknoten
B über
die Verbindung AB zum Netzknoten A weitergeleitet würde. Mit
der Wahrscheinlichkeit (p1p3)2 würde
dies einem Paket zweimal hintereinander passieren. Die Wahrscheinlichkeit
für ein
n-maliges Hin- und Herschicken eines Paketes wäre (p1p3)n. Somit wäre die Weiterleitung
von Paketen vom Netzknoten A zum Netzknoten C nicht schleifenfrei
realisiert.
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In
einer älteren
deutschen Patentanmeldung der Anmelderin mit dem DPMA Anmeldeaktenzeichen 10301265.6
ist zur Lösung
des genannten Problems vorgesehen, von der Verkehrsverteilung abzusehen
und stattdessen den Netzknoten lokal ausführbare Regeln zu geben. Das
Verkehrsverteilungsgewicht für
die kritischen Alternativpfade, also den potentiellen Schleifen,
wird auf den minimalen Wert, d.h. auf Null gesetzt. Die Pfade werden
aber in der Routing-Tabelle geführt
und als sogenannte "Joker-Links" bezeichnet. Außerdem verwenden
die Knoten nun die Regel, dass sie die mit dem minimalen Verkehrsverteilungsgewicht
versehenen Links nur dann verwenden, wenn der gewünschte Nachbar-Router
bzw. Next Hop über
keinen anderen Weg mehr erreichbar ist, der ein positives Gewicht
hat. Diese einfache Erweiterung des Prinzips der rein zielbasierten
Mehrwege-Weiterleitung von Paketen behebt das Problem der kreisenden
Pakete. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass beim Multipath
oder Mehrwege Routing ein schleifenfreier Ersatzweg zur Verfügung gestellt
werden kann.
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Dieses
Verfahren soll an Hand eines Beispieles verdeutlicht werden.
1 zeigt die bereits einleitend beschriebene
Anordnung eines Teiles eines paketvermittelnden Datennetzes. Ausgehend
von der dort beschriebenen Vorgehensweise ergeben sich nun für das bekannte
Verfahren die folgenden Einträge
für den Netzknoten
C in den Routing-Tabellen der Netzknoten A und B: In
Knoten A:
In
Knoten B:
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Ein
Paket, das am Netzknoten A zur Weiterleitung zum Netzknoten C ankommt,
wird im Normalfall immer über
die primäre
Verbindung AC zum Netzknoten C weitergegeben. Nur wenn der Netzknoten
A feststellt, dass die Verbindung AC ausgefallen ist, wird lokal
das Verteilungsgewicht geändert,
und Pakete für
den Netzknoten C werden über
den Ersatz-Routing-Weg AB an den Netzknoten B weitergegeben. Die
Einträge
in der Routing-Tabelle
des Netzknoten A bei Ausfall der Verbindung AC sind dann dementsprechend: In
Knoten A:
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Der
Netzknoten B wiederum leitet die Pakete nur direkt über seine
primäre
Verbindung BC an den Netzknoten C weiter, da er nach derselben Regel
nur den Eintrag für
den Netzknoten C in seiner Routing-Tabelle verwendet, der ein positives
Gewicht trägt.
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Bei
der Realisierung der Mehrwege-Routen in realen Netzen treten einige
Probleme auf. Diese sind insbesondere:
- • Beim Routing
mit genau zwei Wegen und beim Ausfall eines Links ist nur noch ein
Weg zum Zielknoten verfügbar.
Da es im Allgemeinen relativ lange dauert, bis ein Link repariert
ist, könnte
in dieser Zeit ein zweiter Link ausfallen, so dass eine sogenannte
end-to-end Beziehung teilweise unterbrochen werden kann oder durch Überlast
eine sogenannte Quality of Service/Servicequalität nicht mehr gewährleistet
ist. Analoges gilt, wenn N Wege, wobei N > 2 ist, zur Verfügung stehen und N – 1 Wege
ausgefallen sind.
- • Die
Verwendung des Joker Link Verfahrens ist mit heutigen Netzknoten
nicht einfach möglich.
- • In
schwach oder ungünstig
vernetzten bzw. vermaschten Netzen kann es vorkommen, dass ein Netzknoten
zwei oder mehr Links hat, diese Links aber wegen topologischer Einschränkungen
und/oder der nötigen Schleifenfreiheit
der Routen nicht zusammen oder teilweise nutzen kann. Oft ist in
diesem Fall keine schnelle lokale Ersatzschaltung durch Nutzung
eines Joker Links möglich.
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Für die beispielhaft
genannten Probleme und die sich daraus ergebenden Konsequenzen sind
bisher keine geeigneten Maßnahmen
zur Lösung
bekannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein weiteres Verfahren
zum Routing von Datenpaketen in einem paketvermittelnden Kommunikationsnetz
anzugeben, das im Hinblick auf die erwähnten Probleme eine zusätzliche
Möglichkeit
bei der Auswahl von Ersatzwegen eröffnet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Der
Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch die Anwendung von
Multi Protocol Label Switching, kurz MPLS, in ausgewählten Teilen
des ansonsten mit Multipath-Routing betriebenen Kommunikationsnetzes
schleifenfreie Ersatzwege zur Verfügung stehen und eine schleifenfreie
Verkehrsverteilung durchgeführt
werden kann. Durch die ausgewählte
Anwendung von MPLS können
bei Netzknoten- oder Linkausfällen Ersatzwege
zur Verfügung
gestellt werden.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die alternative
Weiterleitung von Datenpaketen durch MPLS in Abhängigkeit von der Zieladresse
des Datenpaketes. Das hat den Vorteil, dass die Anzahl der verwendeten
MPLS Pfade auf ein Minimum reduziert wird.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden bei Ausfall
eines Verbindungsweges MPLS-Ersatz-Verbindungswege eingerichtet.
Dies hat den Vorteil, dass der ausgefallene Verbindungsweg ersetzt
wird und weiterhin eine schleifenfreie Verkehrsverteilung gemäß dem Mehrwege-Routing
durchgeführt werden
kann. Das Einrichten der MPLS-Ersatz-Verbindungswege kann in Abhängigkeit
von der Zieladresse erfolgen. Zum Beispiel können für unterschiedliche Zieladressen
unterschiedliche MPLS-Ersatz-Verbindungswege eingerichtet werden.
Damit stehen in einem Netzknoten wenigstens zwei schleifenfreie
Wege für
die Verkehrsverteilung zur Verfügung,
die Bedingung für
sogenannte O2-Knoten ist erfüllt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 einen Teil eines Kommunikationsnetzes
mit drei Netzknoten und ersten MPLS Pfaden,
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2 einen Teil eines Kommunikationsnetzes
mit fünf
Netzknoten und zweiten MPLS Pfaden,
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3 einen Teil eines Kommunikationsnetzes
mit fünf
Netzknoten und dritten MPLS Pfaden,
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4 einen Teil eines Kommunikationsnetzes
mit sechs Netzknoten und vierten MPLS Pfaden,
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5 einen Teil eines Kommunikationsnetzes
mit sechs Netzknoten und fünften
MPLS Pfaden,
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Beim
Multiprotocol Label Switching, kurz MPLS, werden netzweit Zustände gehalten,
welche die Wege bzw. Pfade definieren, auf denen Pakete unter Umgehung
des "normalen" Routing durch das
Netz geleitet werden. Die Netzknoten leiten dabei Pakete nicht mehr
anhand der Ziel-IP-Adressen der Pakete weiter, sondern es wird jedem
Paket am Netzeingang eine Bitfolge, ein sogenanntes Label, beigefügt. Dieses
Label, das in jedem Netzknoten ausgewertet und gegebenenfalls verändert wird,
bestimmt, auf welchem Weg die Pakete weitergeleitet werden. Der
Zusammenhang zwischen Labels und Pfaden muss bei der Inbetriebnahme
des Netzes hergestellt werden. Das Label wird am Netzausgang wieder
entfernt.
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Beim
Einsatz von Multi Protocol Label Switching werden alle Verkehrsbeziehungen,
d.h. alle Quell- zu Ziel-Netzknoten-Beziehungen für Datenpakete, auf sogenannte
Edge-zu-Edge Pfade zwischen den Netzknoten des Netzes abgebildet.
Dieses Vor gehen führt
zu einer Pfad-"Vollvermaschung". Daraus ergibt sich
eine hohe Komplexität
der Verkehrsbeziehungen bzw. eine hohe Managementkomplexität von O(N2). Dies führt im Netz dazu, dass für MPLS eine
Vielzahl von Zustandsinformationen verwaltet werden muß. Dies
ist in vielen Fällen
unerwünscht.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird MPLS nur an ausgewählten
Stellen des Netzes eingesetzt. Durch einen gezielten Einsatz von
wenigen MPLS-Pfaden werden Probleme des Mehrwege-Routing vermieden.
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MPLS
wird abweichend von seinem "normalen" Einsatz nicht in
Form von Edge-zu-Edge Pfaden verwendet, sondern inmitten des Netzes
direkt zwischen Netzknoten bzw. sogenannten "core routern" eingesetzt. Es entsteht dadurch ein
Hybridbetrieb mit Mehrwege-Routing und alternativ MPLS. Das Netz
arbeitet nach wie vor als geroutetes IP Netz, jedoch wird mancher
sogenannter IP next hop durch MPLS Pfadabschnitte über mehrere
Netzknoten realisiert. D.h., dass durch einen MPLS Pfad, der von
einem ersten Netzknoten über
mehrere weitere Netzknoten zu einem zweiten Netzknoten führt, der
zweite Netzknoten quasi direkter Nachbar des ersten Netzknotens
wird.
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Im
folgenden wird davon ausgegangen, dass nach Schaltung eines MPLS-Pfades,
der über
mehrere Netzknoten verlaufen kann, dieser automatisch auf Funktionsfähigkeit überwacht
wird. Dies kann durch ein sogenanntes keep alive Signal zwischen
Pfadbeginn und Pfadende erfolgen oder durch eine MPLS End-to-End Protection überwacht
werden. Dadurch soll der Ausfall eines MPLS-Pfades rasch erkannt
und eine schnelle lokale Ersatzschaltung für den ausgefallenen MPLS-Pfad
gefunden werden.
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1 zeigt einen bereits einleitend
beschriebenen Teil eines Kommunikationsnetzes, wie eines IP Netzes,
bestehend aus drei Netzknoten A, B und C, die untereinander jeweils
durch einen Verbindungsweg, einen Link bzw. eine Verbindung AB,
AC und BC verbunden sind. Die Netzknoten A und B haben weitere Verbindungen
zu nicht dargestellten Teilen des Kommunikationsnetzes.
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Betrachtet
werden im folgenden Datenpakete, die an den Netzknoten A und B empfangen
werden und für
den Ziel-Netzknoten C bestimmt sind.
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Bezugnehmend
auf das in der Einleitung beschriebene Problem der Verkehrsverteilung
beim Mehrwege Routing und der Schleifenfreiheit der Mehrwege Routen
wird im Netz gemäß 1 das Multi Protocol Label Switching,
kurz MPLS, in der Weise angewendet, dass sowohl ein MPLS-Pfad A-B-C
vom Netzknoten A über den
Netzknoten B zum Netzknoten C als auch ein MPLS-Pfad B-A-C vom Netzknoten
B über
den Netzknoten A zum Netzknoten C eingerichtet wird. Dadurch werden
die Netzknoten A und B zu vollwertigen O2-Knoten gemäß dem Multipath
Routing.
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2 zeigt einen Teil eines
Kommunikationsnetzes mit fünf
Netzknoten A, B, C, D, und E, die über mehrere Verbindungen AC,
AD, AE, BC, BE und DE miteinander verknüpft sind. Betrachtet werden
Datenpakete für
den Ziel-Netzknoten C, die am Netzknoten B bzw. am Netzknoten A
aus dem nicht dargestellten Teil des Netzes empfangen werden. In
diesen Fall existiert keine Verbindung AB, die für vollwertiges O2 Routing verwendet
werden könnte.
Ein vollwertiges O2 Routing wird durch die MPLS Pfade A-E-B-C und
B-E-A-C ermöglicht.
Dadurch können
die Netzknoten A, B, D und E durch eine lokale Reaktion geschützt werden,
falls die Verbindung AC oder B ausfällt.
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3 zeigt eine Abbildung gemäß 2, mit der Maßgabe, dass
zwischen Netzknoten A und B eine Verbindung AB existiert. Diese
Verbindung AB ist gestört
und wird durch ersatzweise eingerichtete MPLS-Pfade A-E-B-C und
B-E-A-C ersetzt. Dies ist vergleichbar mit 2. Dadurch steht an jedem Netzknoten
ein Ersatzpfad zur Verfügung.
Die Quality of Ser vice, kurz QoS, wird auch bei einem weiteren Ausfall
einer Verbindung gewährleistet.
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4 zeigt eine Anordnung gemäß 3, mit der Maßgabe, dass
ein weiterer Netzknoten F vorgesehen ist, der mit den Netzknoten
B und E mittels zweier Verbindungen BE und BF verbunden ist. Die
Verbindung AB sei störungsfrei
und die Verbindung AE gestört.
Nach Erkennen der Störung
in der Verbindung AE wird der Verkehr für den Ziel-Netzknoten C am
Netzknoten E durch schnelles lokales Umschalten auf die Verbindung
BE abgefangen. Präventiv
wird ein MPLS-Ersatzpfad E-F-B-C
eingerichtet bzw. geschaltet. Dadurch erhält der Netzknoten E wieder
zwei Wege in Richtung Ziel-Netzknoten C bzw. die O2 Eigenschaft.
Würde jetzt die
Verbindung BE ausfallen, so würde über den
MPLS-Pfad E-F-B-C weiterhin Verkehr fließen können.
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5 zeigt eine Anordnung gemäß 4, mit der Maßgabe, dass
der Ersatz-MPLS-Pfad E-F-B-C hier nur bis zum Netzknoten B führt, also
ein MPLS-Pfad E-F-B eingerichtet ist. In diesem Fall ist der Ersatz-MPLS-Pfad
bis zum Netzknoten B eingerichtet. Der Netzknoten B hat in diesem
Fall zwei Wege zum Ziel-Netzknoten
C. Zum ersten direkt über
die Verbindung BC und zum zweiten über den Netzknoten A, d.h. die
Verbindungen AB und AC. Dies ist die bevorzugte Verwendung von erfindungsgemäßen MPLS-Ersatz-Pfaden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann eingesetzt werden, wenn reines O2-Routing keine befriedigende
Lastverteilung ermöglicht
oder wenn Mehrwege Routing nicht für alle Netzknoten mindestens
zwei schleifenfreie next hops bereitstellen kann.
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Die
Grundidee der Erfindung besteht darin, immer dann MPLS einzusetzen,
wenn durch das alleinige O2-Routing unerwünschte Schwachstellen verbleiben
oder ein durchgängiges
O2 Routing nicht möglich
ist. Insbesondere bei der Behandlung von Link ausfällen kann
dadurch dafür
gesorgt werden, dass nach einem zweiten, erheblich unwahrscheinlicheren
Linkausfall ein Zweitweg bereitgestellt werden kann. Dadurch kann in
vielen Fällen,
sofern es die Netz-Topologie ermöglicht,
ein spontanes Re-Routing vermieden werden, das die Quality of Service
der Verkehrsströme
zeitweise erheblich beeinträchtigen
würde.
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Durch
diesen Hybridbetrieb werden die guten Skalierungseigenschaften des
IP Routings und die Möglichkeit
zur Lastverteilung über
mehrere Links erhalten, die MPLS allein nicht unterstützt, und
gewinnt eine Möglichkeit,
fallweise auftretende Probleme des O2 Routings auf einfache Art
zu lösen.
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Die
MPLS-Technik ist heute zusammen mit dem IP Routing in modernen Netzknoten
bzw. Routern verfügbar,
die beide Techniken unterstützen.
