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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Continuity Service (Hochverfügbarkeits-Dienst) der
Leitweglenkung des Internet-Protokolls IP. Spezieller stellt die
Erfindung eine Router-Einrichtung für die IP-Leitweglenkung zur
Verfügung,
wie in der Präambel
von Anspruch 1 angegeben, und ein Verfahren zur Weiterleitung eintreffender
als auch abgehender IP-Pakete von entsprechenden Nachbar-Routern
an einen aktiven Leitweglenkungs-Daemon und umgekehrt. Ein Beispiel
für eine
solche Router-Einrichtung kann man zum Beispiel in EP-A-0 605 339
finden.
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Eine
Router-Einrichtung oder ein Router – ein Schalter für IP-Pakete der Ebene
drei, der in der Literatur früher
Gateway genannt wurde – enthält eine
Vielzahl von Verbindungen mit anderen Routern. Diese Verbindungen
können
abhängig
vom verwendeten Protokoll unterschiedlicher Natur sein, z. B. eine
Punkt-zu-Punkt-Verbindung oder eine Mehrfachzugriffs-Verbindung, wobei
letztere für
ein auf Ethernet basierendes Netzwerk verwendet wird. Die Verwendung
eines Protokolls, wie OSPF (Open Shortest Path First), bei dem es
sich um ein TCP/IP-Protokoll (Transmission Control Protocol over
Internet Protocol) handelt, ermöglicht
es den Routern, genug Informationen für eine erfolgreiche Weiterleitung
der empfangenen Pakete über
das Netzwerk zu bekommen. Die Leitweglenkung bei Verwendung z. B.
des OSPF-Protokolls ist dynamisch, d. h. eine Änderung in der Topologie des
Netzes wird auf dynamische Weise berücksichtigt. Das hat zur Folge,
dass regelmäßig zwischen
den Routern ein Informationsaustausch stattfinden muss, um eine
Datenbank jedes Routers zu aktualisieren, die Informationen über einen
aktuellen Status des Netzwerks enthält.
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Entsprechend
dem Typ der Verbindung und des verwendeten Leitweglenkungs-Protokolls
kann es erforderlich sein, einen so genannten Nachbarschafts-Prozess
zwischen mehreren unterschiedlichen Routern aufzubauen. In diesem
Fall werden Router, die benachbarte Router werden, einige Informationen
bezüglich
des Zustandes des Netzwerks haben, um in der Lage zu sein, alle
eintreffenden Pakete weiterzuleiten. Diese Informationen sind in
einer Leitweglenkungs-Tabelle organisiert. Wegen des dynamischen
Modus müssen
diese Leitweglenkungs-Tabellen regelmäßig aktualisiert werden. Um den
Paketverkehr zu optimieren, können
solche Nachbarschafts-Prozesse
nur zwischen einem Router und einem festgelegten Nachbar-Router
ausgeführt
werden. Die Aktualisierungen werden durch den Austausch von Nachrichten
durchgeführt,
die Link State Advertisment LSA genannt werden und die einige Informationen über das
Netzwerk enthalten. Die Leitweglenkungs-Tabellen werden dann in
jedem Router unter Verwendung dieser Information berechnet.
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Eine
Vielzahl von Anwendungen muss eine hohe Verfügbarkeit aufweisen. Wegen möglicher Hardware-
oder Software-Fehler verfügen
Tischgeräte,
wie Router, streng genommen nicht über eine hohe Verfügbarkeit.
Eine Möglichkeit,
die Situation zu verbessern ist die Verwendung eines Gruppen-Modells,
d. h. die Verwendung einer Gruppe redundanter und autonomer Server-Plattformen, die
Router in einer vernetzten Konfiguration enthalten. In diesem Fall
wird bei Ausfall einer autonomen Plattform eine Reserve-Plattform
ihren Platz übernehmen.
Ein solches Modell hat den großen
Nachteil, dass die Übernahmezeit
in der Größenordnung
von 30 bis 90 Sekunden liegt. Während
dieser Übernahmezeit
gehen alle Pakete verloren, was bei vielen Anwendungen eine nicht
zufrieden stellende Lösung
ist.
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In
US 5,473,599 und in der
Dokumentation vom 15. Oktober 2001, die man unter
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/lan/cat6000/sft_6_1/configgd/redund.htm
findet, wird eine Alternative erläutert, um eine hohe Verfügbarkeit
zu garantieren, indem das Hot Standby Router Protocol HSRP verwendet
wird. In diesem Fall wird eine System-Datenbank auf einer aktiven Überwacher-Engine (in unserem
Fall ein Router) unterhalten, und bei jeder Änderung von Daten in der System-Datenbank
werden Aktualisierungen an eine Reserve-Überwacher-Engine (ein benachbarter
Router) gesendet. Die aktive Überwacher-Engine
kommuniziert mit der Reserve-Überwacher-Engine
und aktualisiert sie, wenn Zustandsänderungen auftreten, wodurch
sichergestellt wird, dass die Reserve Überwacher-Engine den aktuellen
Protokollzustand der unterstützten
Funktionen kennt. Es muss eine Synchronisierung jeder Datenbank,
unter anderem der Leitweglenkungs-Tabellen, durchgeführt werden.
Die Reserve-Überwacher-Engine
ist vom Systembus getrennt und vermittelt keine Pakete. Sie empfängt aber Pakete
vom Vermittlungs-Bus, um zu lernen und die Leitweglenkungs-Tabelle
auszufüllen.
Die Reserve-Überwacher-Engine
nimmt an der Weiterleitung der Pakete nicht teil und kommuniziert
nicht mit anderen Modulen.
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Bei
der Verwendung von HSRP kann es bequem sein, auch das Virtual Router
Redundancy Protocol VRRP zu verwenden, wie in der IETF diskutiert wird
und unter
http://www.ietf.org/html.charters/vrrp-charter.html vom
15. Oktober 2001 zu finden ist. In diesem Fall wird jedes Element
des Netzes in einer HSRP-Gruppe eine virtuelle IP-Adresse und eine
MAC-(Media Access Control)-Adresse gemeinsam nutzen. Mit anderen
Worten werden mehrere Router an einem LAN (Local Area Network) an
einer Mehrfachzugriffs-Verbindung in der Lage sein, dieselbe virtuelle
IP-Adresse zu nutzen. Ein Router wird als Master ausgewählt, während die
anderen Router als Reserve für
den Fall eines Ausfalls des Masters dienen. Der Master wird Pakete
weiterleiten, die an diese IP-Adressen gesendet werden. Der Auswahlprozess
bietet eine dynamische Ausfallsicherung der Weiterleitungs-Verantwortung,
sollte der Master nicht zur Verfügung
stehen. Dies ermöglicht
es, jede beliebige der virtuellen Router-IP-Adressen am LAN von
End-Hosts als voreingestellten
Router der ersten Etappe zu verwenden. Der Vorteil bei Verwendung
von VRRP ist ein voreingestellter Pfad mit höherer Verfügbarkeit, ohne dass die Konfiguration
einer dynamischen Leitweglenkung oder Router-Entdeckungs-Protokolle auf jedem End-Host
erforderlich sind. Es beruht jedoch auf der Verwendung unterschiedlicher
Router an einem LAN, d. h. von mindestens zwei, einen für den Master
und einen als Reserve, und jeder dieser Router ist eine unabhängige Server-Plattform,
d. h. eine sehr kostenaufwendige Einrichtung.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hohe Verfügbarkeit
der Leitweglenkung von IP-Paketen zu den kleinstmöglichen
Kosten bereitzustellen.
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Dieses
Ziel wird von einer Router-Einrichtung erreicht, wie in Anspruch
1 beansprucht, sowie durch ein Verfahren zur Weiterleitung von IP-Paketen,
wie in Anspruch 8 beansprucht.
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Es
wird die Möglichkeit
vorteilhaft genutzt, bei Verwendung einer Weiterleitungs-Engine,
die vom aktiven Leitweglenkungs-Daemon
physikalisch getrennt ist, diese Weiterleitungs-Engine Adressen von
einigen IP-Paketen durch virtuelle ersetzen zu lassen, um so den
wirklichen Leitweglenkungs-Daemon zu maskieren. Dies ist von besonderer
Bedeutung, wenn die Router-Einrichtung
mehrere Ausgangsanschlüsse
hat. Es wird dann ein Unicast-System verwendet, wenn die Weiterleitungs-Engine
eintreffende IP-Pakete von benachbarten Routern an den Leitweglenkungs-Daemon
weiterleitet. Es wird dann sowohl ein Unicast-System als auch ein
Multicast-System verwendet, wenn die Weiterleitungs-Engine abgehende
IP-Pakete von dem Leitweglenkungs-Daemon zu benachbarten Routern
weiterleitet.
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In
einer anderen Ausführung
wird ein Reserve-Leitweglenkungs-Daemon
auf einem anderen Prozessor vorteilhaft verwendet, indem dieselben
virtuellen Adressen für
seine Anschlüsse
beeinflusst werden wie beim ersten aktiven Leitweglenkungs-Daemon. Im Fehlerfall
des ersten aktiven Leitweglenkungs-Daemons wird eine Steuerung dann auf
den Reserve-Leitweglenkungs-Daemon
umschalten, so dass er der neue aktive Daemon ist, der mit der Weiterleitungs-Engine
verbunden ist.
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In
einer weiteren Ausführung
wird ein CompactPCI-Bus (Peripheral Component Interconnect) genutzt.
In diesem Fall ist die Weiterleitungs-Engine eine Peripherie-Karte
der Steuerung der CompactPCI. Und die Prozessoren, auf denen der
Leitweglenkungs-Daemon läuft,
sind direkt mit dem CompactPCI-Bus
verbunden.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen definiert
und werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich.
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Eine
Ausführung
der Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die begleitenden
Zeichnungen erläutert,
in denen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Hardware-Architektur gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
schematische Ansicht der Flüsse der
Steuerpakete ist.
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In 1 ist
eine Router-Einrichtung 1 gezeigt, die üblicherweise mehrere abgehende
(Eingangs/Ausgangs)-Anschlüsse
hat und an ein Netzwerk zur Weiterleitung von IP-Paketen angeschlossen
ist. Eine solche Router-Einrichtung 1 enthält eine Prozessor-Karte 2,
auf der ein aktiver Leitweglenkungs-Daemon läuft – der System-Master. Diese Prozessor-Karte 2 ist direkt über denselben
Bus 4 an eine Weiterleitungs-Engine 3 gekoppelt – auf der
Peripherie-Karte.
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Die
Weiterleitungs-Engine 3 ist so eingestellt, dass sie eintreffende
IP-Pakete von Nachbar-Routern an den aktiven Leitweglenkungs-Daemon
oder abgehende IP-Pakete vom aktiven Leitweglenkungs-Daemon an Nachbar-Router
weiterleitet. Dies kann hauptsächlich
in zwei unterschiedlichen Betriebsarten auftreten, d. h. im Unicast
oder im Multicast, wobei letzterer den Rundsende-Modus umfasst.
Im letztgenannten Protokoll IPv6 gibt es auch den Modus Anycast,
der in der vorliegenden Erfindung in Unicast enthalten ist. Der
Unicast-Modus bedeutet, dass eine Kommunikation über eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation stattfindet.
Der Modus Anycast bezieht sich auf die Fähigkeit eines Gerätes, eine
Kommunikation mit dem am nächsten
liegenden Mitglied einer Gruppe von Geräten aufzubauen, in unseren
Fällen
Routern eines Netzwerks. Zum Beispiel kann ein Host eine Kommunikation
mit dem am nächsten
liegenden Mitglied einer Gruppe von Routern aufbauen, um eine Datenbank,
wie z. B. eine Leitweglenkungs-Tabelle zu aktualisieren. Dieser
Router wird dann die Verantwortung für die Neuübertragung der Aktualisierung
an alle Mitglieder der Router-Gruppe auf Multicast-Basis übernehmen.
Allgemeiner ausgedrückt
ist der Multicast-Modus der Fall, wenn ein Rundsenden von Nachrichten
zu einer ausgewählten
Gruppe von Geräten
an einem LAN, WAN oder am Internet stattfindet. Er ist eine Kommunikation
zwischen einem einzelnen Gerät
und mehreren Mitgliedern einer Gerätegruppe.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ersetzt die Weiterleitungs-Engine 3, wenn sie eintreffende IP-Pakete
von Nachbar-Routern an den Leitweglenkungs-Daemon – System-Master – weiterleitet,
bei Unicast Zieladressen ihrer Ausgangs-Anschlüsse in IP-Paketen durch virtuelle Adressen des
aktiven Leitweglenkungs-Daemons.
Und wenn sie abgehende IP-Pakete vom Leitweglenkungs- Daemon zu Nachbar-Routern
weiterleitet, ersetzt sie bei Unicast als auch bei Multicast virtuelle
Quelladressen des aktiven Leitweglenkungs-Daemons in IP-Paketen
durch die Adressen ihrer Ausgangs-Anschlüsse.
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Üblicherweise
sind die Adressen, die in der vorliegenden Erfindung von Interesse
sind – nicht ausschließlich – die IP-Adressen und/oder
MAC-(Media Access Control)-Adressen. Eine IP-Adresse ist eine Adresse
auf Netzwerkebene für
ein Gerät,
das in der IP-Protokollreihe arbeitet. Die IP-Adresse ist typischerweise
ein 32-Bit-Feld oder unter IPv6 sogar ein 128-Bit-Feld, von dem mindestens ein Teil
Informationen enthält,
die seinem speziellen Netzwerksegment entsprechen. Eine MAC-Adresse ist eine Adresse
eines Gerätes
auf der Unterebene der Sicherungsschicht. Es ist im Allgemeinen
beabsichtigt, dass sie für
ein spezielles physikalisches Gerät gilt, unabhängig davon,
wo es in das Netzwerk eingesteckt ist. Somit ist eine MAC-Adresse
im Allgemeinen fest in dem Gerät
codiert – zum
Beispiel im ROM eines Routers. Im vorliegenden Fall werden die Adressen,
die von der Weiterleitungs-Engine (3) ersetzt werden, vorzugsweise
die IP- und/oder MAC-Adressen sein.
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In 1 ist
weiterhin die Leitweglenkungs-Einrichtung 1 mit einer zweiten
Prozessor-Karte 5 – System-Slave – gezeigt,
auf der ein Reserve-Leitweglenkungs-Daemon läuft. Die zweite Prozessor-Karte 5 ist
zuerst über
eine spezielle Bus-Verbindung 8 an
die Prozessor-Karte 2 angeschlossen. Alle Aktualisierungen
der Datenbank erfolgen über
diese Bus-Verbindung 3,
insbesondere die der Leitweglenkungs-Tabelle, was bei Bedarf eine sehr
schnelle Umschaltung auf den Reserve-Leitweglenkungs-Daemon erlaubt, der
damit zum neuen aktiven Leitweglenkungs-Daemon wird. Diese Übernahme
wird von einer Steuerung 6 durchgeführt, die mit dem Bus 4 verbunden
ist, sowie mit einem speziellen Bus 7, der direkt an die
zweite Prozessor-Karte 5 angeschlossen ist. Bei einem Fehler
des aktiven Leitweglenkungs-Daemons schaltet die Steuerung 6 den
Ersatz-Leitweglenkungs-Daemon als neuen aktiven Daemon ein, der
dann über
seinen speziellen Bus 7 mit der Weiterleitungs-Engine 3 verbunden
ist. Der zuvor aktive Daemon kann dann zum neuen Ersatz-Leitweglenkungs-Daemon
werden, wenn der Fehler nicht irreversibel ist. Falls erforderlich,
kann der vorherige aktive Daemon durch die Steuerung 6 zu
fast der gleichen Zeit von der Weiterleitungs-Engine 3 getrennt
werden, zu der der Reserve-Daemon mit der Weiterleitungs-Engine 3 verbunden
wird. In jedem Fall benötigt
die Umschaltung nur wenige ms im Vergleich zu den 30 bis 90 s in
bisherigen Fällen, was
bedeutet, dass fast kein Verlust an Paketen zu verzeichnen ist.
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Statt
zwei verschiedene Router für
die aktive und die Reserve-Überwachungs-Engine
zu verwenden, kann es von Interesse sein, zwei verschiedene System-Karten
derselben CompactPCI (Peripheral Component Interconnect) zu verwenden.
Hierdurch wird der Preis einer solchen Architektur beträchtlich verringert.
In diesem Fall sind die beiden Prozessor-Karten 2 und 5 in 1 zwei
System-Karten dieser CompactPCI, die Steuerung 6 ist die
Steuerung dieser CompactPCI und die Weiterleitungs-Engine 3 ist
ein Peripheriegerät,
das für
die Steuerung 6 weiterleitet. Zur Kommunikation zwischen
den verschiedenen Karten 2, 5 über den Bus 8 kann
ein Ethernet-over-CompactPCI-Treiber
verwendet werden. Dieser Treiber kann jeder System-Karte automatisch MAC-Adressen
zuteilen, insbesondere kann er dieselbe MRC-Adresse zuteilen. Darüber hinaus
ist es möglich,
die IP-Adressen der beiden System-Karten auf denselben Wert einzustellen.
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In 2 sind
vier verschiedene Situationen der Steuerung von Paketflüssen gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Peripherie-Karte ist die Weiterleitungs-Engine 3 mit
zwei echten physikalischen Ausgangs-Anschlüssen und der System- Master ist der aktive
Leitweglenkungs-Daemon mit einem echten physikalischen Ausgangs-Anschluss.
Weiterhin werden auf den Prozessor-Karten 2, 5 des
System-Masters einige virtuelle Adressen erzeugt, um die echten
Ausgangs-Schnittstellen (Eingang/Ausgang) der Weiterleitungs-Engine 3 zu
simulieren. Hier werden zwei virtuelle Schnittstellen des System-Masters
gezeigt, um die Anzahl der echten Ausgangs-Anschlüsse der
Weiterleitungs-Engine 3 anzupassen. Die Anzahl der echten
Anschlüsse
ist jedoch nur ein Beispiel und kann größer als zwei sein. Der Leitweglenkungs-Protokoll-Daemon
kann dann mit wenigen kleinen Änderungen
laufen. Eine Paket-Analysator-Software,
die auf der Peripherie-Karte (Weiterleitungs-Engine 3)
läuft,
wird dazu verwendet, die Steuerungs-Pakete für Leitweglenkungs-Protokolle
weiterzuleiten und auszublenden, um die Pakete so weiterzuleiten,
dass die externen Netze und der Leitweglenkungs-Protokoll-Daemon benachbarter
Router glauben, dass sich die Pakete auf der Peripherie-Karte befinden.
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In
den Fällen
an und b sind die Situationen für
IP-Pakete gezeigt, die von benachbarten Routern am aktiven Daemon
eintreffen. Im Unicast-System – a – leitet
die Weiterleitungs-Engine 3 eintreffende
Pakete zur virtuellen Schnittstelle des System-Masters weiter, indem
sie die IP- und MAC-Adressen so ändert,
dass sie mit der Adresse der Ziel-Schnittstelle der Prozessor-Karte
des System-Masters übereinstimmt.
Im Multicast-System – b – erfolgt
die Weiterleitung der eintreffenden Pakete zur wirklichen Schnittstelle
des System-Masters
ohne Änderung von
Adressen.
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In
den Fällen
c und d sind die Situationen für IP-Pakete
gezeigt, die vom aktiven Leitweglenkungs-Daemon zu Nachbar-Routern abgehen.
Diesmal findet in beiden Systemen, sowohl Unicast als auch Multicast,
bzw. in Fall c und d, die Weiterleitung von Paketen der abgehenden
Schnittstelle der Peripherie-Karte (Weiterleitungs-Engine 3)
durch Anpassung an die virtuelle Schnittstelle statt, von der das Paket
kommt. Dafür
werden sowohl die IP-Adresse als auch die MAC-Adressen so geändert, dass
sie mit den abgehenden Schnittstellen übereinstimmen.
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Die
Verwendung eines solchen Verfahrens, bei dem weiterzuleitende Ziel-Adress-IP-Pakete
ersetzt werden, erlaubt es, einen redundanten Leitweglenkungs-Daemon
zu haben, der auf einer getrennten Karte läuft und als Reserve dient.
Dies wird mit einem minimalen Eingriff in den Code des Leitweglenkungs-Protokolls erreicht.
Auf diese Weise ist es möglich,
im Fehlerfall Leitweglenkungs-Protokolle neu zu starten, d. h. vom
aktiven Leitweglenkungs-Daemon auf den Reserve-Leitweglenkungs-Daemon umzuschalten,
ohne benachbarte Router zu warnen.