FI91693B - Menetelmä lähiverkkojen tai verkonosien yhdistämiseksi toisiinsa sekä lähiverkkosilta - Google Patents

Description

91693

Menetelmä lähiverkkojen tai verkonosien yhdistämiseksi toisiinsa sekä lähiverkkosilta

Keksinnön kohteena on oheisen patenttivaatimuksen 1 5 johdanto-osan mukainen menetelmä lähiverkkojen tai verkonosien yhdistämiseksi toisiinsa sekä oheisen patenttivaatimuksen 4 johdanto-osan mukainen lähiverkkosilta.

Lähiverkolla (Local Area Network, LAN) tarkoitetaan paikallista tietoverkkoa, joka hoitaa siihen liitettyjen 10 työasemien, kuten mikrojen, sekä erilaisten työasemia palvelevien koneiden välistä liikennettä. Peruskokoonpanossaan lähiverkko käsittää fyysisen siirtotien eli kaapeloinnin, verkkopalvelimen, työasemat, jotka on liitetty sovitinkorttien avulla kaapelointiin, sekä verkko-ohjel-15 miston. Lähiverkko sijaitsee tyypillisesti yhdessä rakennuksessa tai useammassa toisiaan lähellä olevassa rakennuksessa, esimerkiksi tietyn organisaation tai firman yhdessä toimipisteessä. Viime aikoina on kuitenkin syntynyt yhä enemmän tarvetta yhdistää yksittäisiä lähiverkkoja 20 suuremmiksi verkkokokonaisuuksiksi, jolloin pelkästään edellä kuvatut peruskomponentit eivät enää riitä.

Lähiverkkojen yhdistämiseen on olemassa erilaisia välineitä, joiden luokittelu perustuu tyypillisesti ISOsn (International Standards Organization) OSI-malliin (Open 25 Systems Interconnection). OSI-mallin tarkoituksena on luoda puitteet niille standardeille, joiden avulla avointen järjestelmien välinen tiedonsiirto tapahtuu. Malli koostuu seitsemästä päällekkäisestä kerroksesta, joiden tehtävät on määritelty, mutta joiden toteutustapa on jä-J0 tetty avoimeksi. OSI-mallia on kuvattu tarkemmin esimer kiksi viitteessä [1] (viiteluettelo on selitysosan lopussa) .

Seuraavassa kuvataan lyhyesti lähiverkkojen yhdistämisessä käytettäviä välineitä, toistinta, siltaa ja reiti-35 tintä.

2 91693

Toistin (repeater) on yksinkertaisin väline lähiverkkojen tai verkon osien yhdistämiseen. Toistin toimii OSI-mallin alimmalla kerroksella (kerros 1) eli fyysisellä kerroksella (physical layer). Toistin vahvistaa bittivir-5 taa ja välittää kaiken liikenteen ylitseen verkon segmentistä toiseen. Toistinta käytetään siten lisäämään verkon fyysistä pituutta, ja sitä voidaan käyttää ainoastaan silloin, kun yhdistettävät verkot ovat täysin samanlaiset (tai eroa on vain siirtomediassa). Toistimella yhdistetyt 10 segmentit muodostavat yhden loogisen verkon.

Silta (bridge) toimii OSI-mallin seuraavaksi ylemmällä kerroksella (kerros 2) eli siirtoyhteyskerroksella (data link layer). Vaikka siirtoyhteyskerros on pääasiassa riippumaton käytetystä fyysisestä siirtomediasta, on 15 joillakin sen toiminnoilla kuitenkin riipppuvuussuhde fyysiseen siirtomediaan. Tämän vuoksi on joissakin verkkoarkkitehtuureissa siirtoyhteyskerroksella ns. MAC-osaker-ros (Media Access Control), jossa hoidetaan siirtotielle pääsyä, toisin sanoen toimintoja, jotka todennäköisimmin 20 liittyvät myös fyysisen siirtotien luonteeseen. Sillat toimivat tyypillisesti tällä MAC-osakerroksella. Sillan tehtävänä on tarkkailla lähiverkoissa siirrettäviä kehyksiä ja siirtää niitä verkosta toiseen datapakettien fyysisen osoitteen perusteella. Vain ne kehykset, joiden koh-25 deosoite osoittaa siirtoa toisen verkon puolelle pääsevät sillan yli. Silta toimii näin ollen eristimenä, joka pienentää kuormitusta muissa osissa verkkoa. Silta ei tutki tarkemmin sitä, mitä kehyksissä kuljetetaan, eikä se välitä kehyksissä siirrettävästä ylemmän tason protokollasta.

30 Silta on siis protokollariippumaton laite, joten sitä voidaan käyttää yhdistämään verkkoja, joissa käytetään erilaisia protokollia (esim. TCP/IP, XNS, OSI, NetBIOS jne.).

Silta sisältää ns. reititystaulukon, jota se päivit-35 tää vastaanottamiensa kehysten lähettäjien osoitteiden 3 91693 perusteella. Reititystaulukon avulla silta tietää, minkä liitännän takana asema sijaitsee. Sillalla on siis kyky "oppia" asemien sijaintipaikkoja, joten verkkoon voidaan lisätä uusia asemia ilman, että siltaa täytyy konfiguroi-5 da uudelleen.

Reititin (router) toimii OSI-mallin kolmannella kerroksella eli verkkokerroksella (network layer). Reitittimet tuntevat lähiverkon liikenteessä käytettävät ylemmät protokollat ja reitittävät sanomia näiden protokollien 10 osoitusmekanismien avulla. Reititin lähettää kehyksen eteenpäin (toiselle reitittimelle tai kohdeasemalle) verkko-osoitteen reititystaulukosta saamansa tiedon perusteella. Kullekin kehykselle reititin laskee optimireitin. Reititystietojen ylläpito ja reitinvalinta perustuu rei-15 tittimessä käytettävään reititysprotokollaan (esim. RIP,

Routing Information Protocol). Reitittimien suodatus- ja hallintaominaisuudet ovat siltaa paremmat, ja ne tarjoavat paremmat mahdollisuudet monimutkaisten lähiverkkokokonai-suuksien rakentamiseen ja käyttöön.

20 Siltaa ja reititintä on kuvattu esim. viitteessä [2], mihin viitataan tarkemman kuvauksen suhteen.

Karkeasti ottaen voidaan nykyisin käytettävät lähiverkkojen yhdistämistavat jakaa kahteen osaan sen mukaan tehdäänkö yhdistäminen sillan vai reitittimen avulla.

25 Käytännössä on molemmille edellä kuvatuille yhdistä- mistavoille tarvetta, mutta siltaa käytetään kuitenkin ensisijaisesti, ellei ole olemassa joitakin erikoisvaatimuksia, jotka vaativat reitittimen käyttöä. Silta on kaiken kaikkiaan kätevä väline lähiverkkojen yhdistämiseksi.

30 Koska silta on transparentti liikenteelle ja soveltuu käytettäväksi eri tyyppisten protokollien kanssa, on sen asennus ja rakenne edullinen; se voidaan tehdä kustannuksiltaan halvaksi ja sen asentaminen on nopeaa, eikä vaadi kovin suurta ammattitaitoa.

35 Siltaa ei kuitenkaan voida käyttää tapauksessa, jota 4 91693 kuvataan lähemmin seuraavassa.

Lähiverkon liikenne voidaan tänä päivänä ajatella syntyvän kahden tyyppisestä liikenteestä: päätekäyttäjien liikenteestä ja tiedostojen siirtoliikenteestä. Näistä 5 pääteliikenne omaa korkean interaktiivisuusvaatimuksen, koska se palvelee suoraan lähiverkon (useinkin lyhytjänteisiä) käyttäjiä. Tiedostojen siirto on sen sijaan pääosin koneiden välistä siirtoliikennettä, jossa interak-tiivisuusvaatimus on huomattavasti pienempi kuin päätelii-10 kenteessä. Pääteliikenne tulisi siis saada välitettyä nopeasti lähiverkon yli aina, kun sitä esiintyy, ja tiedostojen siirron nopeus voisi puolestaan kärsiä tämän kustannuksella. Nopeuden kannalta ongelmallisia ovat nimenomaan paikat, joissa nopeasta lähiverkosta joudutaan 15 ahtautumaan huomattavasti hitaampaan tilaajaliittymään.

Tällöin syntyy puskurointitarvetta, joka aiheuttaa viivettä. Kuviossa 1 on kuvattu lähiverkon yhden datapaketin siirtoviive tilaajaliittymän yli kahdella erilaisella kehyksen pituudella (100 ja 1000 tavua) ja tilaajaliitty-20 män erilaisilla nopeuksilla. Kuviosta voidaan havaita, että esim. nopeudella 64 kbit/s vie yhden tyypillisen kokoisen (1 kbyte) kehyksen siirtäminen n. 100 ms. Näitä kehyksiä esiintyy tyypillisesti useita peräkkäin, jolloin kaikki nämä kehykset joudutaan puskuroimaan, mikäli tietoa 25 ei haluta hukata. Näin syntyy helposti luokkaa 1 sek.

olevia viiveitä. Interaktiivinen toiminta (esim. pääte-työskentely) vaatii kuitenkin vasteaikoja, jotka ovat välillä 100...300 ms, jotta työskentely olisi miellyttävää ja tehokasta. Jos yhdellä tilaajayhteydellä syntyy luokkaa 30 1 sek. olevia viiveitä, on käyttäjän näkemä vasteaika luokkaa 4 sekuntia (edestakainen viive kahden tilaajaliittymän yli), eli tällöin ollaan kaukana tavoitteesta.

Ratkaisuna edellä kuvattuun ongelmaan on käyttää yhdistämisessä reitittimiä, jolloin tuntemalla käytössä 35 olevat protokollat ja tunnistamalla niistä sopivat "tun- 5 91693 nisteet" voidaan pääteliikenne priorisoida tiedostonsiirron edelle. Tässä tapauksessa joudutaan siis reititinrat-kaisuun, jonka yleisesti tunnetut ongelmat ovat monimutkaisempi rakenne sekä vaikeampi hallittavuus.

5 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada parannus edellä kuvattuun epäkohtaan ja luoda menetelmä, jonka avulla myös siltaa pystytään käyttämään hyväksi, vaikka halutaan priorisoida pääteliikennettä tiedostonsiirtoon nähden. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella 10 menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että välitettävän kehyksen pituus määritetään ennalta määrätyllä tarkkuudella ja kehysten välitystä priorisoidaan saadun pituus luokittelun perusteella antamalla ainakin osalle ly-hyemmistä kehyksistä etuoikeus pitempiin kehyksiin nähden.

15 Keksinnön mukaiselle sillalle on puolestaan tunnusomaista se, mitä kuvataan oheisen patenttivaatimuksen 4 tunnus-merkkiosassa.

Keksinnön mukaisena ajatuksena on yhdistää rakenteeltaan sinänsä yksinkertaiseen siltaan sillattavien 20 kehyksien pituuteen perustuva priorisointimenettely, jonka avulla pääteliikenne voidaan priorisoida tiedostojen siir-toliikenteen edelle.

Keksinnön mukaisen ratkaisun ansiosta saadaan yksinkertainen lähiverkkosilta toimimaan osittain kuten huomat-25 tavasti monimutkaisempi reititin. Reititin voidaan näin ollen useissa tapauksissa korvata keksinnön mukaisella sillalla, jolloin sekä alkuperäiset laite- ja asennuskustannukset että myöhemmät hallintakustannukset saadaan entistä pienemmiksi.

30 Seuraavassa keksintöä kuvataan tarkemmin viitaten kuvioihin 2-6 oheisten piirustusten mukaisissa esimerkeissä, joissa kuvio 1 esittää lähiverkon yhden kehyksen siirtovii-vettä tilaajaliittymän yli kahdella erilaisella kehyksen 35 pituudella ja tilaajaliittymän erilaisilla nopeuksilla, 6 91693 kuvio 2 esittää lähiverkon tyypillistä liikennepro-fiilia kehyksen pituuden funktiona, kuvio 3 esittää lohkokaaviona keksinnön mukaista siltaa, 5 kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen sillan suoritta maa priorisointitoimintaa vuokaaviona, kuvio 5 esittää sillan suorittaman priorisointitoi-minnan sisältämää osoitteentarkastustoimintaa lohkokaaviona, ja 10 kuvio 6 esittää syntyviä viiveitä kehysryöpyn koon funktiona sekä keksinnön mukaisessa että tunnetussa ratkaisussa.

Kuviossa 2 on esitetty lähiverkon tyypillinen lii-kenneprofiili. Pystyakseli kuvaa esiintymistiheyttä ja 15 vaaka-akseli kehyksen pituutta tavuina. Kuviosta nähdään, että liikenneprofiili käsittää kaksi selvästi erillistä huippua. Pienemmällä kehyspituudella esiintyvä huippu syntyy pääosin pääteliikenteestä, joka sisältää esim. näppäimistöltä annettuja komentoja ja näyttöruudun päivitystä.

20 Mitä lyhyempi on toimenpide, sitä nopeampaa vastetta odotetaan. Suuremmalla kehyspituudella esiintyvä huippu syntyy puolestaan tiedostojen siirtoliikenteestä, jossa tiedostoja siirretään mahdollisimman suurissa paketeissa.

Esillä olevassa keksinnössä käytetään hyväksi edellä 25 esitettyä lähiverkon liikenneprofiilia. Tämä tapahtuu * kuviossa 3 esitetyn mukaisesti siten, että yhdistämisessä käytetään hyväksi sinänsä tunnettua siltaa 30, johon on keksinnön mukaisesti lisätty elimet välitettävien kehyksien luokittelemiseksi niiden pituuden mukaan (ainakin) kah-30 teen luokkaan, elimet sillattavan kehyksen lähde- ja koh-deosoitteiden tutkimiseksi sekä (ainakin) kaksi puskuria kehysten puskuroimiseksi suoritetun pituusluokittelun ja osoitetarkastuksen perusteella etuoikeutettujen kehysten jonoon ja ei-etuoikeutettujen kehysten jonoon.

35 Kehysten pituuden luokittelussa käytettäväksi raja- 7 91693 arvoksi voidaan valita esim. kuviossa 2 esitetty 200 tavua, jolloin siis ne kehykset, joiden pituus on alle 200 tavua edustavat todennäköisesti pääteliikennettä ja ne, joiden pituus on yli 200 tavua edustavat todennäköisesti 5 tiedostojen siirtoliikennettä. Lähiverkosta 10 (joka voi olla mitä tahansa tunnettua tyyppiä oleva lähiverkko, kuten Ethernet-, Token Ring- tai FDDI-verkko) saapuva, sillattava kehys vastaanotetaan sillan 30 pituudenmit-tausyksikköön 31, jossa kehyksien pituusluokittelu tapah-10 tuu lukemalla kehyksen pituus siitä kehyksen kentästä, jossa pituus on ilmoitettu (esim. Ethernet-verkossa käytetyssä kehyksessä LENGTH-kentästä).

Jotta voidaan taata se, että samasta lähdeosoit-teesta samaan kohdeosoitteeseen menevien pakettien keski-15 näinen järjestys pysyy samana, on pituudenmittausyksikön perään lisätty osoitteentarkistusyksikkö 32. Osoitteentar-kistusyksiköllä on kaksi ulostuloa: toiseen ulostuloon on kytketty etuoikeutettujen kehysten puskuri 33a ja toiseen ulostuloon vastaavasti ei-etuoikeutettujen kehysten pusku-20 ri 33b. Puskurit on kytketty kytkinelimelle 34, joka siirtää kehykset edelleen sillan ulostuloon (toiseen verkkoon tai verkonosaan) siten, että puskurissa 33a olevat kehykset pääsevät ohittamaan puskurissa 33b olevat kehykset.

Kuviossa 3 on selvyyden vuoksi esitetty vain keksin-25 nön kannalta oleelliset osat. Muilta osin keksinnön mukai nen silta vastaa tunnettua tekniikkaa. Sillat luokitellaan tyypillisesti niiden käyttämien reititysalgoritmien perusteella. Oleellista sillalle on kuitenkin se, että se käsittää kaksi liitäntää (A ja B kuviossa 3) sekä elimet ke-30 hyksen fyysisen osoitteen tutkimiseksi (OSI-mallin taso 2). On myös huomattava se, että keksinnön mukaista mene telmää sovelletaan vain niihin lähiverkon kehyksiin, joiden oikeellisuuden silta on todennut ja joissa kohdeosoite viittaa sillan toisella puolella olevaan verkkoon tai ver-35 konosaan.

8 91693

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukaisen sillan suorittamaa priorisointia lohkokaaviona. Vaiheessa 41 vastaanotetaan sillattava kehys pituudenmittausyksikköön 31, joka lukee pituuden kehyksen vastaavasta kentästä (vaihe 5 42). Saatua pituutta verrataan ennalta määrättyyn raja- arvoon (esim. 200 tavua) vaiheessa 43. Mikäli saatu pituus on pienempi tai yhtäsuuri kuin em. raja-arvo, syötetään kehys osoitteentarkastusyksikölle 32, jossa suoritetaan kehyksen sisältämiä osoitteita koskeva tarkastus (vaihe 10 44). Mikäli todetaan (vaihe 45), että osoitetarkastuksen tulos on positiivinen, syötetään kehys osoitteentarkas-tusyksiköltä ei-etuoikeutettujen kehyksien puskuriin 33b (vaihe 46). Mikäli osoitetarkastuksen tulos on puolestaan negatiivinen, syötetään kehys osoitteentarkastusyksiköltä 15 etuoikeutettujen kehyksien puskuriin 33a (vaihe 47).

Mikäli puolestaan vaiheessa 43 todetaan kehyksen pituuden ylittävän käytettävän raja-arvon, syötetään se suoraan osoitteentarkistusyksikön läpi (osoitetarkastusta suorittamatta) ei-etuoikeutettujen kehysten puskuriin 33b.

20 Edellä esitettyä, lyhyille kehyksille suoritettavaa osoitetarkastusta kuvataan tarkemmin kuvion 5 lohkokaaviossa, joka kuvaa osoitteentarkastusyksikön 32 toimintaa. Aluksi (vaihe 51) tarkastetaan, onko ei-etuoikeutettujen kehyksien puskurissa 33b jonossa kehyksiä. Mikäli näin ei 25 ole, on osoitetarkastuksen tulos negatiivinen ja kehys syötetään edellä esitetyn mukaisesti etuoikeutettujen kehyksien puskuriin 33a. Mikäli ei-etuoikeutettujen jonossa on vielä kehyksiä, luetaan sillattavan kehyksen vastaanottajan osoite (kohdeosoite) vaiheessa 52, minkä jäl-30 keen kyseistä osoitetta verrataan ei-etuoikeutetussa jo-• nossa olevan kehyksen vastaavaan osoitteeseen (vaihe 53).

Mikäli osoite on sama, luetaan sillattavasta kehyksestä myös sen sisältämä lähettäjän osoite (lähdeosoite) vaiheessa 54. Tätä osoitetta verrataan ei-etuoikeutetun jonon 35 kehyksen vastaavaan osoitteeseen (vaihe 55). Mikäli nämä- 9 91693 kin osoitteet ovat samat, on osoitetarkistuksen tulos positiivinen, jolloin kehys syötetään edellä esitetyn mukaisesti ei-etuoikeutettujen kehyksien puskuriin 33b. Mikäli vertailut vaiheissa 53 tai 55 osoittavat joko läh-5 de- tai kohdeosoitteiden poikkeavan toisistaan, on osoite-tarkastuksen tulos negatiivinen ja kehys syötetään edellä esitetyn mukaisesti etuoikeutettujen kehyksien puskuriin 33a. Tämän jälkeen palataan alkuun ja käsittelyä jatketaan seuraavan ei-etuoikeutettujen kehyksien jonossa olevan 10 kehyksen osalta, mikäli mainitussa jonossa on vielä kehyksiä.

Lyhyet kehykset syötetään siis pääsääntöisesti etuoikeutettujen kehysten puskuriin 33a. Mikäli ei-etuoikeu-tettujen kehysten puskurissa on kuitenkin jo sellainen 15 kehys, jonka lähde- ja kohdeosoitteiden muodostama pari vastaa lyhyen kehyksen lähde- ja kohdeosoitteiden muodostamaa paria, syötetään kyseinen lyhyt kehys ei-etuoikeutettu jen kehysten puskuriin. Näin voidaan varmistaa se, ettei samalta lähettäjältä samalle vastaanottajalle mene-20 vien pakettien järjestys voi vaihtua.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla saavutettava hyöty on varsin merkittävä. Kuviossa 6 on kuvattu 1000 tavun pituisten kehysten siirtymistä 64 kbit/s-yhteyden yli (ylempi viiva). Pystyakselilla kuvataan syntyvää viivettä 25 ja vaaka-akselilla ryöpyn kehysten lukumäärää. Kukin kehys aiheuttaa n. 100 ms viiveen, ja jos ryöppy koostuu n kehyksestä, on viive n-kertainen (ylempi viiva). Keksinnön mukaisessa ratkaisussa lyhyet kehykset ohittavat pitkien kehysten muodostaman jonon ja viive putoaa helposti vähin-30 tään kymmenesosaan (viivoitettu alue). Käytännössä viive vaihtelee, koska jo mahdollisesti lähetetttävänä oleva pitkä kehys on lähetettävä loppuun ennen kuin lyhyt kehys voidaan lähettää.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten 35 oheisten piirustusten mukaisiin esimerkkeihin, on selvää, 916*3 10 ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Esim. kehysten luokittelu voi tapahtua useampaankin kuin kahteen pituus-5 luokkaan.

Viiteluettelo: [1]. Leena Jaakonmäki: Lähiverkko-opas, Suomen Atk-kustannus Oy, 1991 10 [2]. Michael Grimshaw: "LAN Interconnections Techno logy", Telecommunications, February 1991.

Claims (4)

91693

1. Menetelmä lähiverkkojen tai verkonosien yhdistämiseksi toisiinsa, joka yhdistäminen suoritetaan sillan 5 (30) avulla, jossa menetelmässä vastaanotetaan lähiverkon kehys siltaan (30) ja välitetään se sillan yli mikäli sen kohdeosoite osoittaa sillan toisella puolella olevaan verkkoon tai verkonosaan, tunnettu siitä, että välitettävän kehyksen pituus määritetään ennalta määrätyllä 10 tarkkuudella ja kehysten välitystä priorisoidaan saadun pituusluokittelun perusteella antamalla ainakin osalle ly-hyemmistä kehyksistä etuoikeus pitempiin kehyksiin nähden.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kehykset jaetaan kahteen 15 pituusluokkaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että etuoikeus muihin kehyksiin nähden annetaan lyhyeksi luokitellulle kehykselle, mikäli samanaikaisesti ei ole välitettävänä sellaista kehystä, 20 joka ei ole saanut etuoikeutta ja joka välitetään samalta lähettäjältä samalle vastaanottajalle kuin mainittu lyhyeksi luokiteltu kehys.

4. Lähiverkkosilta, joka on tarkoitettu lähiverkkojen tai verkonosien yhdistämiseksi toisiinsa, joka silta 25 (30) käsittää kaksi verkkoliitäntää (A, B) ja elimet lähi verkossa siirrettävän kehyksen sisältämän fyysisen tason osoitteen tutkimiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää - elimet (31) sillan (30) yli välitettävien kehyk- 30 sien luokittelemiseksi niiden pituuden perusteella vähin-. tään kahteen eri pituusluokkaan, joita vastaavat erilaiset kiireellisyysluokat, - elimet (32) sillan yli välitettävän kehyksen lähde- ja kohdeosoitteiden vertaamiseksi kyseistä kehystä 35 hitaampaan kiireellisyysluokkaan luokiteltujen, jo väli- 91693 tysjonossa olevien kehyksien vastaaviin osoitteisiin, ja - vähintään kaksi puskuria (33a, 33b) sillan yli välitettävien kehysten asettamiseksi pituusluokittelun ja osoitetarkastuksen perusteella vähintään kahteen eri väli-5 tysjonoon, joilla on erilaiset kiireellisyysluokat. 91693