DE60210576T2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Umordnung von Paketen in einem Netzwerkprozessor - Google Patents

Verfahren und Vorrichtungen zur Umordnung von Paketen in einem Netzwerkprozessor Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Internet-Protokoll-(IP)-Router oder einen Multiprotocol-Label-Switching-(MPLS)-Router und Netzwerkprozessoren zur Leitweglenkung von Paketen über ein Netzwerk. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Leitweglenkung von Paketen über ein Netzwerk.
  • Internet-Protokoll-(IP)- und Multiprotocol-Label-Switching-(MPLS)-Router hoher Qualität benutzen Netzwerkprozessoren (NP) für ihre Aufgaben der Paket-Weiterleitung. Diese Netzwerkprozessoren sind programmierbare Vorrichtungen, die dafür optimiert sind, die Verarbeitung von z.B. IP- und MPSL-Protokollen durchzuführen (optional mit speziellen Hardware-Zusatz-Schaltkreisen). Da ein einziger Prozessor kaum in der Lage ist, mit der Leitungs-Datenrate die 25 bis 100 Millionen Pakete pro Sekunde von Schnittstellen mit optischen Trägersignalen zu verarbeiten, wird bei vielen Netzwerkprozessoren eine Multiprozessor-Engine verwendet, wobei auf jeder Engine mehrere Threads laufen können. In einer solchen Architektur werden mehrere Pakete gleichzeitig verarbeitet. Da die Verarbeitungszeit eines einzelnen Paketes variieren kann, ist eine spezielle Funktion erforderlich, um sicherzustellen, dass der Netzwerkprozessor die Reihenfolge der Pakete aufrechterhält.
  • Die Paket-Umordnungs-Funktion in Netzwerkprozessoren nach dem aktuellen Stand der Technik ist so konstruiert, das sie die Paket-Reihenfolge nur zwischen relevanten Paketen aufrechterhält, d.h. typischerweise Pakete desselben Ende-zu-Ende-Flusses (siehe zum Beispiel das US-Patent 6,134,217). Da die Umordnung zwischen Ende-zu-Ende-Flüssen nicht skalierbar ist, werden Mittel eingeführt, wie z.B. eine Hashing-Funktion, die auf Paket-Parametern basiert, um Pakete in "Klassen" zu klassifizieren. Dies wird durchgeführt, bevor die Paket-Verarbeitung begonnen wird. Innerhalb einer solchen Klasse wird die Paket-Reihenfolge aufrechterhalten.
  • Das oben angegebene Verfahren klassifiziert Pakete nicht auf der Grundlage ihrer Verarbeitungszeit. Es ist auch nicht möglich, dies durchzuführen, da die Verarbeitungszeit nur bekannt ist, wenn die Paket-Verarbeitung läuft oder beendet ist. Somit führt die Lösung nach dem bisherigen Stand der Technik, d.h. die Klassifizierung auf der Basis einer Hashing-Funktion, zu einer Klassifizierung von Paketen mit einer großen Vielzahl der Verarbeitungszeit innerhalb jeder der Klassen. Es kann sein, dass die Umordnung der Pakete innerhalb einer solchen Klasse nicht sehr effizient ist, da das Umordnungs-Element des Netzwerkprozessors auf das Paket mit der größten Verarbeitungszeit warten muss, bevor alle Pakete neu sortiert und anschließend ausgesendet werden können. Während dieser Wartezeit ist der Netzwerkprozessor nicht effizient ausgelastet.
  • Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein neuartiges Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 9 und 10 bereitzustellen, um Pakete in einem Netzwerkprozessor effizient weiterzuleiten.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Umordnung der Pakete in einem Netzwerkprozessor, das folgende Schritte umfasst:
    • • Verarbeitung von Paketen
    • • Aufteilung der verarbeiteten Pakete in eine Vielzahl von Reihen, und
    • • Umordnung der Pakete in den Reihen unabhängig voneinander und Sammeln von geeigneten Paketen aus der Vielzahl von Reihen in einem Sammler zur Weiterleitung,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin den Schritt umfasst, während der Verarbeitung der Pakete die nominelle Verarbeitungszeit jedes Paketes zu bestimmen, und dass die verarbeiteten Pakete abhängig von der nominellen Paket-Verarbeitungszeit in die Vielzahl von Reihen aufgeteilt werden.
  • Vorzugsweise umfasst der Schritt der Bestimmung der nominellen Paket-Verarbeitungszeit folgende Schritte:
    • • Bestimmung der zur Verarbeitung des Paket-Typs erforderlichen Aktionen, und
    • • Bestimmung der nominellen Paket-Verarbeitungszeit durch Addition aller nominellen Verarbeitungszeiten der für die Verarbeitung des Paketes erforderlichen Aktionen.
  • Weiterhin wird die Verarbeitungszeit vorteilhaft in Zeiteinheiten ausgedrückt, wie z.B. in Echtzeit, aber möglichst in Zeitmarken, die eine relative Zeit innerhalb des Netzwerkprozessors anzeigen. Solche Zeitmarken können für eine schnellere Verarbeitung der Zeitdaten sorgen.
  • Das Verfahren zur Paket-Umordnung der vorliegenden Erfindung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Vielzahl von Reihen eine erste Reihe und mindestens eine nachfolgende Reihe umfasst, wobei die erste Reihe für die Übertragung von Paketen mit kurzen Verarbeitungszeiten benutzt wird.
  • Ein geeigneter Sortier-Algorithmus für die erste Reihe kann z.B. auf der Folgenummer der Pakete basieren. Der geeignete Sortier-Algorithmus für die nachfolgenden Reihen kann z.B. auf der Zeitmarke des Paketes basieren.
  • Der Schritt des Sammelns geeigneter Pakete aus den Gruppen in einem Sammler zur Weiterleitung kann die Auswahl einer Reihe gemäß einem gewichteten Round-Robin-Algorithmus umfassen.
  • In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Paket aus einer Reihe zum Sammeln geeignet, wenn die aktuelle Zeit hinter der Zeitmarke des Paketes + die maximale Verarbeitungszeit eines der Reihe zugeordneten Paketes liegt.
  • Eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung betrifft eine Umordnungs-Einheit, die das Verfahren der vorliegenden Erfindung implementiert.
  • Eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Netzwerkprozessor, der die Umordnungs-Einheit der vorliegenden Erfindung enthält.
  • 1 zeigt die allgemeine Anordnung eines Netzwerkprozessors.
  • 2 zeigt den Datenfluss in einem Multiprozessor-Netzwerkprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt den Datenfluss in einer Umordnungs-Einheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 4, bzw. 5 zeigen die Umordnungs-Prinzipien in Reihe 1 und in Reihe 2 und darüber.
  • 6 ist ein Flussdiagramm, in dem der Paketfluss in einem Netzwerkprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt wird.
  • Die vorliegende Erfindung, die eine Lösung der Probleme des bisherigen Standes der Technik liefert, betrifft die Paket-Klassifizierung durch den Netzwerkprozessor während der Paketverarbeitung. Diese Klassifizierung beruht auf der Verarbeitungsmethode und der entsprechenden Zeit. Jede Klasse dieses neuen Umordnungs-Prinzips entspricht einem Paketverarbeitungs-Zeitintervall, eine Folge der/des angewendeten Verarbeitungsverfahren(s). Die Verarbeitungszeit-Intervalle von zwei Klassen können sich (teilweise) überlappen. Die Umordnung von Paketen in einer bestimmten Klasse muss nur ein gut bekanntes Verarbeitungzeit-Intervall behandeln, das für diese Klasse definiert ist, welches viel kleiner als die globale Delta-Verarbeitungszeit aller vom Netzwerkprozessor (NP) verarbeiteten Pakete ist.
  • Die Lösung kann dazu verwendet werden, Verkehr in einer Paketverarbeitungs-Komponente oder zwischen mehreren Paketverarbeitungs-Komponenten umzuordnen.
  • Der Netzwerkprozessor-Code ist in der Lage, eine Klassifizierung der Pakete auf der Grundlage der Verarbeitungszeit und des Verfahrens zur Paketverarbeitungszeit vorzunehmen. Der Code-Overhead ist sehr klein. Diese Klassifizierung erlaubt es, die Umordnung pro Klasse zu organisieren, wobei die Delta-Verarbeitungszeit von Paketen in einer Klasse viel kleiner ist als die Gesamt-Delta-Verarbeitungszeit. Die vorliegende Erfindung wird nun durch ein Beispiel einer Ausführung erläutert.
  • 1 zeigt den herkömmlichen Aufbau eines Netzwerkprozessors (NP). Ein Netzwerkprozessor 2 ist so konfiguriert, dass er Pakete 1 empfängt und diese Pakete zu ihrem Ziel weiterleitet, wobei das Ausgangssignal eines NP als verarbeitete Pakete 3 bezeichnet wird.
  • 2 zeigt eine detailliertere Übersicht eines NP (2). Eintreffende Pakete 1 werden in eine Eingangs-Warteschlange 4 gestellt, die mit einer Abfertigungseinheit 5 verbunden ist. Diese Abfertigungseinheit 5 verteilt die Pakete neu an eine Vielzahl von Verarbeitungseinheiten 6, welche die Pakete nach der Verarbeitung der Pakete in der Umordnungs-Einheit 7 sammelt. Die Umordnungs-Einheit 7 gibt die verarbeiteten Pakete 3 schließlich an ihr Ziel aus.
  • Die Pakete sind mit Parametern, wie einer Paket-Referenznummer, einem Zeitstempel und einer Reihenfolge-Nummer versehen. Typischerweise müssen alle oder einige der Parameter gelesen und/oder an die nächste Ebene weitergegeben werden, damit eine richtige Behandlung in der Umordnungs-Einheit möglich ist. Z.B. werden zwischen der Abfertigungseinheit 5 und den Verarbeitungseinheiten 6 Paket-Referenznummern weitergegeben (9), während die Abfertigungseinheit 5 Paket-Referenznummern, Zeitstempel und Reihenfolge-Nummern an die Umordnungs-Einheit 7 weitergibt (8).
  • Die Verarbeitung eines Paketes durch eine Verarbeitungseinheit besteht aus einer Sequenz von Aktionen. Unterschiedliche Arten von Paketen erfordern unterschiedliche Arten der Verarbeitung, was sich in einer unterschiedlichen Kombination (einer unterschiedlichen Sequenz) von Aktionen widerspiegelt. Jede mögliche Aktion hat auch ihre Nenn-Verarbeitungszeit.
  • Beispiel:
    Figure 00060001
  • Nenn-Verarbeitungszeit für die möglichen Aktionen:
    Figure 00060002
  • Figure 00070001
  • Es ist auch möglich, die Nenn-Verarbeitungszeit für eine einfache Implementation durch eine Anzahl von Verarbeitungszeit-Marken zu ersetzen. Jede Marke repräsentiert z.B. eine Verarbeitungszeiteinheit.
  • Während der Verarbeitung eines Paketes wird jede Aktion protokolliert. Ein Paket wird somit einer speziellen Verarbeitungszeit zugeordnet, die durch Addition aller Nenn-Verarbeitungszeiten aller zur Verarbeitung des Paketes erforderlichen Aktionen berechnet werden kann. Für Typ 3 ist die Gesamt-Verarbeitungszeit somit Zeit 1 + Zeit 2 + Zeit 3. Weiterhin sind alle Pakete einem Feld zugeordnet, in dem die Verarbeitungs-Aktionen protokolliert werden, so dass das Feld für ein verarbeitetes Paket vom Typ 3 wie folgt aussieht
  • Figure 00070002
  • Die Gesamt-Nenn-Verarbeitungszeit wird dazu benutzt, es einer Reihe (10) zuzuordnen, wie in 3 gezeigt. Die verschiedenen Reihen behandeln jeweils einen speziellen Nenn-Paketverarbeitungs-Bereich:
  • Figure 00070003
  • Die Bereiche überlappen sich nicht, so dass jedes Paket nur einer Nenn-Verarbeitungszeit zugeordnet wird, die nur einer Reihe zugeordnet ist. Jedes verarbeitete Paket kann somit nur einer Verarbeitungs-Reihe zugeordnet werden.
  • Pakete, die an ihrer zugeordneten Reihe eintreffen, müssen umgeordnet werden, bevor sie an einen Sammler 13 weitergegeben werden, der sich am Ende eines Netzwerkprozessors befindet. Da alle Pakete, die in einer Reihe vorhanden sind, ungefähr dieselbe Verarbeitungszeit haben (der Unterschied der Verarbeitungszeit verschiedener Pakete ist klein, da die Reihen-Zuordnung auf der Grundlage der Verarbeitungszeit erfolgt ist), kann die Reihen-Umordnung optimiert werden, um die Anforderungen zu erfüllen. Z.B. kann Reihe 1 (11) für schnell verarbeitete Pakete benutzt werden, während Reihe 2 (12) und höher für Pakete mit mittleren oder langen Verarbeitungszeiten benutzt werden kann.
  • Wenn in verschiedenen Reihen umgeordnete Pakete vorhanden sind, die auf die Sammlung warten, kann der Sammler 13 die Pakete in einem gewichteten Round-Robin-Verfahren sammeln (die unteren Reihen können z.B. eine höhere Gewichtung haben).
  • 4 zeigt ein vorteilhaftes Umordnungs-Prinzip für Reihe 1 in einer solchen Konfiguration.
  • Es wird eine Filled-Bucket-Suchmaschine 16 verwendet. Verarbeitete Pakete werden unterschiedlich in den entsprechenden Reihenfolge-Nummer-Bucket eingefügt (15). Ein Paket ist für die Weiterleitung (14) zum Sammler 13 geeignet, wenn die aktuelle Zeit hinter dem Zeitstempel + der maximalen Verarbeitungszeit der Reihe 1 zugeordneten Paketes liegt, oder wenn das Paket die Reihenfolge-Nummer hat, die auf die Reihenfolge-Nummer des zuvor gesammelten Paketes von Reihe 1 folgt. Diese Umordnungs-Maschine kann mit der Leitungs-Datenrate arbeiten und behandelt typischerweise die am schnellsten verarbeiteten Pakete.
  • 5 skizziert die Umordnung in Reihe 2 und höher und beruht auf einer Zeit-Ausgleichs-Sortierung, wie z.B. für einen n-stufigen Baum. Pakete, die in einer FIFO-Warteschlange 18 eintreffen, werden nach ihrem Zeitstempel sortiert (17). Ein Paket ist für die Weitergabe (19) an den Sammler 13 geeignet, wenn es sich am Kopf des Zeitstempel-Sortierers 17 befindet und wenn die aktuelle Zeit hinter dem aktuellen Zeitstempel + der maximalen Verarbeitungszeit eines der entsprechenden Reihe zugeordneten Paketes liegt.
  • Auswirkungen der vorliegenden Erfindung:
    • – Die Umordnungs-Einheit kann größere Delta-Verarbeitungszeiten behandeln als zurzeit bekannte Implementationen, ohne dass Verarbeitungs-Ressourcen geopfert werden.
    • – Es ist nicht erforderlich, eine Paket-Klassifizierungs-Funktion zu implementieren (z.B. auf der Basis von Hashing), bevor die Pakete verarbeitet werden.
  • Ein Überblick über den Paketfluss in einem Netzwerkprozessor gemäß der vorliegenden Erfindung wird in 6 gegeben. Pfeile repräsentieren den Paketfluss. Die Paketverarbeitung, die vorzugsweise durch Bestimmung des Pakettyps und entsprechende Verarbeitung des Paketes erfolgt, wird zuerst durchgeführt. Auf der Grundlage der Nenn-Verarbeitungszeit des Paketes, die dem Paket auf der Grundlage der Nenn-Verarbeitungszeit zugeordnet wird, die für die Aktionen benötigt wird, die zur Verarbeitung des Pakettyps erforderlich sind, werden die Paket ein eine Vielzahl von Reihen verteilt, die unabhängig umgeordnet werden. Ein Sammler wählt geeignete Pakete aus den umgeordneten Reihen aus und leitet die Pakete an ihr Ziel weiter.
  • Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6
    Figure 00100001

Claims (11)

  1. Verfahren zur Umordnung von Paketen in einem Netzwerkprozessor (2), das folgende Schritte umfasst: a. Verarbeitung von Paketen; b. Aufteilung der verarbeiteten Pakete in eine Vielzahl von Reihen (10, 11, 12); und c. Umordnung der Reihen unabhängig voneinander und Sammeln geeigneter Pakete aus der Vielzahl von Reihen in einem Sammler (13) zur Weiterleitung, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das Verfahren weiterhin den Schritt umfasst, während der Verarbeitung die Nenn-Paket-Verarbeitungszeit jedes Paketes zu bestimmen, und dadurch, dass die verarbeiteten Pakete abhängig von der Nenn-Paket-Verarbeitungszeit in die Vielzahl von Reihen (10, 11, 12) aufgeteilt werden.
  2. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach Anspruch 1, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS der Schritt der Bestimmung der Nenn-Paket-Verarbeitungszeit folgende Unterschritte umfasst: a. Bestimmung der zur Verarbeitung des Pakettyps erforderlichen Aktionen; und b. Bestimmung der Nenn-Paket-Verarbeitungszeit durch Addition aller Nenn-Paket-Verarbeitungszeiten der zur Verarbeitung des Paketes erforderlichen Aktionen.
  3. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach Anspruch 1 oder 2, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Verarbeitungszeit in Zeiteinheiten ausgedrückt wird.
  4. Verfahren zur Umordnung von Paketen gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Vielzahl von Reihen eine ersten Reihe und mindestens eine nachfolgende Reihe umfasst, wobei die erste Reihe dazu benutzt wird, die Pakete mit kurzer Verarbeitungszeit zu übergeben.
  5. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach Anspruch 4, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS der geeignete Sortier-Algorithmus für die erste Reihe auf der Reihenfolge-Nummer der Pakete beruht.
  6. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach Anspruch 4 oder 5, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS der geeignete Sortier-Algorithmus für die nachfolgenden Reihen auf dem Zeitstempel des Paketes beruht.
  7. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS der Schritt des Sammelns geeigneter Pakete aus den Gruppen in einem Sammler zur Weiterleitung eine Auswahl einer Reihe gemäß einem gewichteten Round-Robin-Verfahren umfasst.
  8. Verfahren zur Umordnung von Paketen nach Anspruch 7, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS ein Paket aus einer Reihe zur Sammlung geeignet ist, wenn die aktuelle Zeit hinter dem Zeitstempel des Paketes plus der maximalen Verarbeitungszeit eines der Reihe zugeordneten Paketes liegt.
  9. Umordnungs-Einheit (7) zur Verwendung in einem Netzwerkprozessor (2) zur Umordnung von Paketen in dem Netzwerkprozessor (2), wobei die Umordnungs-Einheit (7) folgendes umfasst: a. Eine Vielzahl von Reihen (10, 11, 12), wobei jede Reihe der Vielzahl von Reihen unabhängig voneinander so angepasst ist, dass sie Pakete umordnet, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Pakete abhängig von einer Nenn-Paket-Verarbeitungszeit in die Vielzahl von Reihen aufgeteilt werden; und b. Einen Sammler (13), der so angepasst ist, dass er geeignete Pakete aus der Vielzahl von Reihen in dem Sammler zur Weiterleitung sammelt.
  10. Netzwerkprozessor (2), der eine Paket-Verarbeitungs-Einheit enthält, die so angepasst ist, dass sie Pakete verarbeitet, und die so angepasst ist, dass sie die verarbeiteten Pakete in eine Vielzahl von Reihen aufteilt, und die weiterhin so angepasst ist, dass sie die Reihen unabhängig voneinander umordnet, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Verarbeitungseinheit weiterhin so angepasst ist, dass sie während der Verarbeitung die Nenn-Paket-Verarbeitungszeit jedes Paketes bestimmt und die verarbeiteten Pakete abhängig von der Nenn-Paket-Verarbeitungszeit in die Vielzahl von Reihen aufteilt.
  11. Netzwerkprozessor gemäß Anspruch 10, der die Umordnungs-Einheit aus Anspruch 9 enthält.
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