Beschreibung
Verfahren zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung von E- thernet-Frames
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung von Ethernet-Frames für deren Weiterleitung zu einem Ziel und einen für die Durchführung eines derartigen Verfahrens angepas sten Ethernet-Switch .
Gegenwärtig wird die Ethernet-Technologie, die üblicherweise in lokalen Netzen (LANs ) verwendet wird, für den Einsatz in Metronetzen weiterentwickelt . Um die für gewünschte Dienste erforderliche Qualität der Netze realisieren zu können, sind bei der Weiterentwicklung von Ethernet-Netzen vor a lern An- strengungen bzgl . einer hohen Verfügbarkeit (AusfalJ sicher- heit ) notwendig . Da im Bereich der Metronetze oft RJLngtopolo- gien (Schleifen) eingesetzt werden, und einfache Schleifen sehr störanfällig sind - ein Kabelbruch oder ein loser Ste- cker führt im Normalfall zum Ausfall oder Überlastung des Netzes - muss die hohe Verfügbarkeit auch in Ring- Architekturen gegeben sein .
Für die hohe Verfügbarkeit von besonderem Interesse ist der Mechanismus zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung in E- thernet-Switchen . Ein Switch untersucht jeden durchlaufenden Frame - mitunter finden sich auch die Begriffe Rahmen und Paket statt Frame in der Literatur - auf die Ziel-MAC-Adresse (MAC : Media Access Control ) und leitet ihn direkt in die ent- sprechende Richtung weiter . Dazu wird im Allgemeinen ein
Selbstlern-Mechanismus verwendet, der in allen eintreffenden Frames die Quelladresse extrahiert . Verkehr zu einer gelern¬ ten Adres se wird in der Regel Über den Port gesendet, bei dem der Frame, aus dem die Quelladresse extrahiert wurde, einge- troffen ist . Steht keine Weiterleitungsinformation zu Verfügung, erfolgt meist eine Flutung, d . h . das Frame wird auf al¬ len zu dem entsprechenden Netzsegment gehörenden Ports gesen-
det . Dadurch werden Netzdimensionierung, Traffic Engineering und die Einhaltung der Dienstgüte schwierig .
Ein bekanntes , in Ethernet-Netzen verwendetes Verfahren ist das STP-Verfahren (£>panning Tree Protocol ) . Es ermöglicht ei¬ ne Timer gesteuerte Umschaltung eines Ethernet-Switches auf einen anderen Port bei der Weiterleitung von Frames , kann damit aber nur relativ große Umschaltzeiten/Unterbrechung von etwa 30-45 Sekunden bei einer empfohlenen und 8-12 Sekunden bei optimierter Konfiguration erzielen . Darüber hinaus beruht die Vermeidung von Schleifen bei dem STP Verfahren auf der Blockierung von Ports . Daher steht im Normalbetrieb die kom¬ plette Netzkapazität nicht zur Verfügung .
Mit dem RTSP (Rapid Spanning Tree Protocol ) können Unterbre¬ chungszeiten verkürzt werden . Die Unterbrechungszeit ist von der Netzgröße abhängig . Zudem wird in der Regel eine Flutung direkt nach der Fehlerbehebung durchgeführt, welche zu einer Verletzung der Dienstgüte führen kann .
Es sind auch Ring-basierte Schleifenvermeidungsverfahren, wie EAPS (Ethernet Automatic P_rotection Switching) , RRSTP (Riverstone' s Rapid Spanning T_ree) oder patentierten Verfahren von Siemens AG (DE 10 004 432 ) und Siemens AG/Hirschmann (DE 298 20 587 ) bekannt . Bei diesen Verfahren wird die Schleife im Ring in einem privilegierten Switch, wahlweise Redundanzmanager oder Master genannt, durch Blockierung einer Leitung unterbrochen .
Durch regelmäßige Signalisierungsnachrichten wird die Konsistenz des Rings überprüft und ggf . der blockierte Port wieder geöffnet . Neben dieser Fehlererkennung können die anderen Switche Fehler melden und eine lokale Umschaltung durchführen . Allerdings ist bei diesen Verfahren eine Ringstruktur notwendig, die in Metronetzen nicht immer vorausgesetzt wer¬ den kann . Außerdem tritt auch hier die vorher beschriebene Flutung nach der Unterbrechung auf . Daher kann eine entspre-
chende Dienstgüte in Verbindung mit Hochverfügbarkeit nicht gewährleistet werden . Durch die Portblockierung steht im Normalbetrieb ebenfalls nicht die komplette Netzkapazität zur Verfügung .
Alle bisher vorgestellten Verfahren haben gemeinsam, dass aufgrund der Portblockierung im Normalbetrieb eine Verteilung der Netzlast nicht möglich ist . Neue Verfahren von Nortel Networks (MLT, MuIti L_ine T^runcking) und von 3COM (XRN, Ex- pandable Resilient Networking) vermeiden dieses Problem durch den ständigen Austausch der kompletten Weiterleitungsdaten- bank (FDB ) zwischen den Switchen . Dieser Austausch führt natürlich zu einer signifikant höheren Netzlast . Außerdem sind diese Verfahren aufgrund der paarweisen Auslegung nur bedingt für Zugangstopologien geeignet .
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Weiterleitungsrichtung von Ethernet-Frames für deren Weiterleitung zu einem Ziel unter Vermeidung der Nachteile herkömmlicher Verfahren zu bestimmen .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst . Vorteilhafte Weiter¬ bildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den ab- hängigen Ansprüchen .
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Bestimmung der Weiterleitungsrichtung von Ethernet-Frames für deren Weiterleitung zu einem Ziel, z . B . einem Endgerät, mittels Ethernet- Switchen vorgestellt, wobei ein Frame von einem ersten Switch empfangen wird. Der erste Switch stellt fest , dass die Ur¬ sprungsadresse des Frames keine im Switch registrierte Ziel¬ adresse für die Weiterleitung von Frames darstellt . Die Ur¬ sprungsadresse wird als eine neue Zieladresse für die Weiter- leitung von Frames in dem ersten Switch registriert . Vom ersten Switch wird die neue Zieladresse an einen zweiten Ether- net-Switch kommuniziert und auf das Eintreffen der Zieladres-
se hin von dem zweiten Switch für die Weiterleitung von Frames zu dem durch die neue Zieladres se gegebenen Ziel eine Weiterleitungsrichtung festgelegt .
Dieses Verfahren wird üblicherweise in einem Netz , z . B . einem Metro-Netz , ausgeführt . Das Netz umfasst z . B . eine Mehrzahl von Ethernet-Switchen . Der erste Switch ist dann derjenige Switch des Netzes , von welchem der Frame zuerst empfangen wird . Ein derartiger Switch hat in der Regel mindestens einen Edge-Port , d . h . einen Port , bei dem keine Informationen von anderen Switchen des Netzes eintreffen . Der erste Switch kann durch das Eintreffen des Frames bei diesem Port erkennen, dass er der erste Switch des Netzes ist, von dem der Frame empfangen wird. Der zweite Switch kann ebenfalls die neue Zieladres se einem weiteren Ethernet-Switch kommunizieren bzw . mitteilen . Die neue Zieladresse wird durch die Mitteilung je¬ weils von einem Nachbarswitch, z . B . mittels Bridge-Frames , an alle Switche des Netzes außer dem ersten Switch kommuniziert . Ein Bridge-Frame ist dabei ein Frame, welcher zwischen beiden Switchen gesendet wird und Informationen beispielsweise über die Zieladres se des eine Weiterleitungsrichtung zu bestimmenden Frames bzw . die Adresse eines Switches impliziert . Dieser hat dann eine ähnlich Funktion wie die im IEEE Standard 802.1 definierten configuration BPDUs (Bridge P_rotocol .Data Units_) . Auf das Eintreffen der Zieladresse bei einem Switch hin wird von den Switchen des Netzes für die Übertragung von Frames zu dem durch die neue Zieladresse gegebenen Ziel eine Weiterlei¬ tungsrichtung festgelegt und die Zieladresse an die Nachbars- witche kommuniziert .
Da im Zuge der Netzwerktopologie ein Switch mehrere Nachbars- witche haben kann, werden bei der Propagation der neuen Zieladresse im Netz häufig mehrere Mitteilungen mit der Zielad¬ resse von einem Switch empfangen . Dieser Switch kann dann ei- ne Mehrzahl von Weiterleitungsrichtungen registrieren und nach Maßgabe einer Metrikinformation bewerten . Zu diesem Zweck können bei dem Kommunizieren an einen Nachbarswitch
Metrikinformationen und/oder eine auf den ersten Switch bezogene Adressinformation, z . B . Ethernet-Adresse, mit der Ziel¬ adresse zusammen kommuniziert . Für eine Festlegung einer Wei- terleitungsrichtung durch einen Switch, der einen Bridge- Frame erhält, gibt es dann z . B . folgende zwei Vorgehenswei¬ sen :
® Das Bridge-Paket enthält die Zieladresse und eine Met¬ rikinformation . Der Switch registriert dann die Richtung, aus der der Bridge-Frame erhalten wurde, als Weiterleitungsrichtung, die mittels der Metrikinforma¬ tion bewertet wird.
® Das Bridge-Paket enthält die Zieladresse und die Ad¬ resse des ersten Switches . Wenn dem Switch die Topolo- gie des Net zes bekannt ist, können dann der im Sinne der Metrik optimale Weg und evtl . Ersatzwege ermittelt und die zugehörige Weiterleitungsrichtung registriert werden . Diese Vorgehensweise stellt zwar an den Switch höhere Anforderungen, hat aber den Vorteil, das s bei Eintreffen eines Bridge-Paketes optimale Wege ermit- telt werden können . Weitere, dieselbe Adres se kommuni¬ zierende Bridge-Pakete können dann verworfen werden .
In jedem Switch kann eine Weiterleitungsdatenbank zur Registrierung mehrerer Weiterleitungsrichtungen vorgesehen werden . Dies ermöglicht eine schnelle lokale Umschaltung der Weiter¬ leitungsrichtung eines Frames im Fehlerfall bei einem Switch, da alternative Wege zur Weiterleitung des Frames vorhanden sind . Die Metrikinformationen können sich auf Hopcounts und/oder Übertragungskosten für die Übertragung zwischen Switchen des Netzes beziehen . Somit kann anhand der Metrikinformationen ein optimaler Weg für Weiterleitung eines Frames zu einem Ziel unter allen registrierten Weiterleitungsrichtungen ausgewählt werden . Bei gleicher Metrik kann eine Verteilung auf alle bzgl . der Metrik äquivalenten Ports oder ei- ne Auswahl eines der Ports erfolgen . Die Auswahl kann automatisch erfolgen oder per Konfiguration festgelegt werden . Als automatisches Auswahlverfahren kann beispielsweise der Port
ausgewählt werden, über den die Adressinformation zuerst eintrifft . Die Adressinformation kann zur Bestimmung von Wegen bzw . Alternativwegen, welche Ersatzwege bei Ausfall eines Switches darstellen, ausgewertet werden . Eine Weiterleitungs- entscheidung kann für Unicast- Multicast- und Broadcast- Verkehr ausgeführt werden . Für Unicast-Verkehr basiert die Weiterleitungsentscheidung auf der Zieladresse und den entsprechenden Registrierung in der Weiterleitungsdatenbank . Die Weiterleitung von Multicast- und Broadcast-Verkehr erfolgt in der Regel nur für Frames , die über den Port mit niedrigster Metrik für die Quelladresse eintreffen . Eintreffende Multi¬ cast- oder Broadcast-Frames über andere Ports werden ge¬ löscht .
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird bzgl . der Propagierung der Mitteilungen über die Zieladresse ein Abbruchkriterium vorgegeben, um die Signalisierungslast innerhalb des Netzes zu beschränken . Die Zieladresse wird z . B . nicht an ei¬ nen Nachbarswitch kommuniziert, wenn von dem Nachbarswitch die eingetroffene Zieladresse übersendet wurde oder wenn be¬ züglich des Nachbarswitches ein die Übermittlung der Zielad¬ resse betreffendes Abbruchkriterium erfüllt ist . Das Abbruch¬ kriterium kann dadurch gegeben werden, dass an einen Nachbarswitch die Zieladresse nicht kommuniziert wird, wenn an den Nachbarswitch bereits eine Benachrichtung über die Erreichbarkeit der Zieladres se mit günstigerer Metrikinformati¬ on gesendet wurde .
Eine besondere Funktion hat bei dem erfindungsgemäßen Verfah- ren der Switch, welcher als erstes die neue Zieladresse re¬ gistriert und diese dann an einen oder mehrere Switche wei¬ terkommuniziert . Durch die Eindeutigkeit dieses Switches kön¬ nen Situationen in herkömmlichen Verfahren, die zum Fluten von Frames führen, vermieden werden . Die Identifikation des Switches erfolge beispielsweise über den Port , nämlich einen Edge-Port , bei dem ein Ethernet-Frame mit einer unbekannten Adresse eintrifft . Bzgl . dieser Adresse besit zt der Switch
dann eine Initiator-Funktionalität bzw . ist ein Initiator- Switch in dem Sinne, dass die Mitteilung der neuen Adresse an andere Switche durch den Initator-Switch initiiert wird. Es ist sinnvoll, wenn eine etwaige Entfernung der Adresse eben- falls durch den Initiator-Switch angestoßen wird. Dabei kann die Entfernung durch den Initiator-Switch wie beim herkömmlichen Ethernet zeitgesteuert werden . Die Adres se wird nach ei¬ nem vorgebbaren Zeitintervall entfernt, wenn innerhalb des Zeitintervalls keine an die Adresse weiterzuleitenden Frames einteffen . Diese Alterungs funktion führt aber einzig der Initiator durch . Wird ein Frame entfernt, werden wieder alle anderen Switche per Bridge-Frame davon informiert .
Eine Weiterbildung der Erfindung ist eine Übertragung der I- nitiator-Funktionalität . Dabei wird die Zieladresse eines an einem Edge-Port des ersten Switches eingetroffene Frames , welcher vorher schon an einem anderen Edge-Port eines weiteren Switches des Netzes eingetroffen ist , von dem ersten Switch an den zweiten Switche kommuniziert, wenn die Übertra- gung der Initiator-Funktionalität auf den ersten Switch er¬ wünscht ist . Der weitere Switch wird von dem ersten Switch benachrichtigt und registriert die Zieladresse als eine Ziel¬ adresse, die ein Weiterleiten der Frames an einen anderen Switch des Netzes erfordert . D . h . der erste Switch wird der neue Initiator-Switch und kommuniziert an den weiteren
Switch, welcher einen anderen Edge-Port umfas st , das Übernehmen der Initiator-Funktionalität bzw . die Umschaltung der Weiterleitungsrichtung für an die Zieladresse zu sendende Frames . Der weitere Switch, d. h . der alte Initiator-Switch, entfernt die Registrierung als Initiator-Switch und behält nur die Weiterleitungsinformation . Ist die Umschaltung dagegen unerwünscht, kann ein derartiger einem Edge-Port des ers¬ ten Switches eintreffender Frame von dem ersten Switch ignoriert werden . Falls eine Weiterleitungsrichtung für einen Frame mit einer Zieladres se nicht festzulegen ist, ist es sinnvoll , den Frame
nicht mehr weiterzuleiten, sondern zu entfernen . Fluten von Frames kann so vermieden werden .
In diesem Verfahren ist vorteilhaft , dass das Selbstler- nen/Bestimmen der Weiterleitungsrichtung nicht länger auf den Pfad bzw . Weg beschränkt ist, sondern im gesamten Netz verteilt wird. Dadurch sind alle relevanten Weiterleitungsinfor- mationen ( z . B . Zieladresse ) in allen Switchen bekannt und es kann schnell auf alternative Pfade umgeschaltet werden . D . h . es wird ein unterbrechungs freier Betrieb eines Netzes bei Ausfall von einzelnen oder wenigen Netzkomponenten ( z . B . Switche, Leitungen) ermöglicht . Daraus resultieren sehr kurze Umschaltzeiten, die unabhängig von der Netzdimension sind. Außerdem kann die Last auf mehrere Pfade verteilt werden . Es erfolgt keine Blockierung von Ports , d. h . die gesamte Netzka¬ pazität steht zur vollen Verfügung . Da die Weiterleitungsin- formationen bekannt sind, kann auf Flutung verzichtet werden . Es wird also kein zusätzlicher Verkehr erzeugt . Eine Beeinträchtigung der Dienstqualität erfolgt nicht . Das Verfahren ermöglicht den hochverfügbaren Einsatz von Ethernet in Zugangsnetzen mit unterschiedlichen Topologien, wie Ringe und Kaskaden . Das Verfahren zeichnet sich durch seine Effizienz , Schnelligkeit und Autonomie aus und stellt damit einen deut¬ lichen Fortschritt gegenüber den bekannten Verfahren dar .
Die Erfindung wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand einer Figur näher dargestellt . Die Figur zeigt eine Ethernet-Netzstruktur mit erfindungsgemäßen Switchen .
Die Figur zeigt fünf Switche (Sl , S2 , S3, S4 , S5 ) eines Net¬ zes sowie einen mit dem Edge-Port El : l des Switches Sl ver¬ bundenen Computer, welcher mit einer Ethernetadres se X gekennzeichnet ist . Dabei sind weitere Edge-Ports , beispiels- weise El : 2 , El : 3, beim Switch Sl und E2 : l , E2 : 2 , E3 : 2 beim Switch S2 usw . dargestellt . Trifft beim Switch Sl über den Edge-Port El : l ein von dem Computer gesendeter Frame ein,
dessen Quelladresse X noch nicht in der Weiterleitungsdaten- bank des Sl vorhanden ist, so wird diese Adresse in die Da¬ tenbank aufgenommen . Dann ist der Switch Sl sog . Initiator für die Wegewahl zu der Adresse X . Danach erfolgt eine expli- zite Weiterleitungsinformation in einem Bridge-Frame an die angeschlossenen Nachbarswitche, nämlich Switch S2 und Switch S3. Dieser Bridge-Frame umfasst hier beispielsweise Informa¬ tionen über die Adresse X und die Adresse von Switch Sl . Die Switche S2 und S3 werten die eintreffenden Bridge-Frames aus , fügen die Einträge der Weiterleitungsdatenbank hinzu und senden ebenfalls Bridge-Frames an allen anderen Ports des Ent¬ sprechenden Netzsegments . Beispielsweise würde der Switch S2 die von dem Switch Sl erhaltenen Informationen bearbeiten und an die Switche S4 und S5 weiterleiten . Die Bridge-Frames er- halten ein Feld, welches die Pfadlänge kennzeichnet, die z . B . mittels Hopcount (Anzahl der Hops ) oder Verbindungskosten beschrieben wird. So würde der Switch S4 aus dem Bridge-Frame von dem Switch S2 entnehmen können, dass ein zur Adres se X weitergeleiteter Frame innerhalb des Netzes über den Switch S2 zwei Hops benötigt . Nach Einfügen in die Weiterleitungsda¬ tenbank sendet der Switch S4 Bridge-Frames an die Switche S3 und S5. Bei dem Switch S3 sind nun Weiterleitungsinformatio- nen für die an die Adresse X zu sendenden Frames über zwei unterschiedliche Ports vorhanden . Über Port 3 : 1 ist das Ziel mit einem Hopcount von 1 innerhalb des Netzes erreichbar, ü- ber Port 3 : 4 ist das Ziel mit einem Hopcount von 3 innerhalb des Netzes erreichbar . Beide Einträge werden in die Datenbank aufgenommen . Außerdem kann die Last auf Pfade mit gleicher Metrik verteilt werden ( z . B . Port 4 : 2 und 4 : 3 an Switch S4 ) . Die Bridge-Frames werden so lange von den Switchen weiterge¬ leitet, bis es keine Notwendigkeit der Weiterleitung in die entsprechende Richtung gibt . Beispielsweise würde der Switch S4 eintreffende Informationen über Port 4 : 5 (Hopcount 3 ) nicht an die Switche S3 und 2 weiterleiten, wenn bereits die Informationen über die kürzeren Richtungen über Swich S2 (Hopcount 2 ) und S3 (Hopcount 3 ) weitergeleitet wurden .
Bei Erkennung von Netz fehlern ändern die Switche ihre Weiter™ leitungstabellen und leiten die entsprechenden Informationen an die anderen Switche weiter . Bei Ausfall von Switch S2 teilt z . B . Switch S3 und Switch S5 mit, dass der Hopcount sich von 2 (Richtung Switch S2 ) auf 3 (Richtung Switch S4 ) geändert hat .