WO2005112363A1 - Einrichtung zur session-basierten vermittlung von paketen - Google Patents

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WO2005112363A1
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Rainer Stademann
Thomas Theimer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H04L2212/00—Encapsulation of packets

Definitions

  • Future access networks for the broadband subscriber line must provide higher bandwidths at lower costs than is possible with the ATM-based access networks that are common today. For this reason, future networks are to be increasingly based on Ethernet technology, which is currently establishing itself on the market as an attractive solution for metro networks.
  • Dynamic network access with authentication and access control • Minimal administration effort for setting up new subscribers • Good scalability • Traffic separation between individual subscriber connections • Dynamic selection of different services or service classes • Support of different access methods (e.g. PPPoE, DHCP) • Aggregation of many subscribers in Few, service-specific logical tunnels • Support for video distribution services • Support for packet-based voice services (VoIP), especially Quality of Service • Efficient transport of peer-peer applications (Kazaa, etc.)
  • the subject matter of this invention is a novel aggregation solution for use in Ethernet-based broadband access networks.
  • the architecture for ATM-based broadband access networks with QoS support is described, for example, in the DSL forum specifications TR-058 and TR-059. These networks are based on fixed ATM Virtual Connections (PVC) between the subscriber connection and a central IP network access node (broadband access server, BAS).
  • PVC Physical Virtual Connections
  • BAS central IP network access node
  • the BAS takes over the access control and authentication of the participants as well as the selection of services.
  • the invention defines a new network architecture for Ethernet-based access networks, which relocates the function of the BAS to the aggregation network and modifies it so that access control can be carried out using Ethernet-based methods. On the one hand, this eliminates the need for a separate BAS, which leads to significant cost savings. On the other hand, access control shifts closer to the participant, which enables better QoS support.
  • FIG. 1 shows the associated network concept of an Ethernet service node (ESN).
  • ESN Ethernet service node
  • many DSLAMs or Ethernet edge switches (L2 switches) are connected to the ESN.
  • L2 switches Ethernet edge switches
  • the ESN routes traffic to various service providers, which can be network providers such as ISPs or application providers for video services or voice services.
  • the ESN aggregates and controls the subscriber traffic and connects the individual subscriber sessions with the corresponding service providers. This is shown in a highly simplified manner in FIG. 2 (see Appendix 1).
  • the ESN has its own logical session interface for each user or service, to which all packages of a user / service are assigned.
  • a logical session interface can be defined, for example, by the combination of
  • the ESN On the network side, the ESN has its own logical service interface per service or per service class (e.g. best effort and premium service), to which a session is permanently assigned. The assignment is determined either during the session establishment or later through a direct service selection (typically via a service selection server).
  • per service class e.g. best effort and premium service
  • a logical service interface on the network side can be defined, for example, by 1. a physical port and / or 2. a VLAN and / or 3. an MPLS path and / or 4. a special virtual network
  • FIG 4 shows an example of the configuration of a simple network with ESN, two DSLAMs and three service providers.
  • Each subscriber line of a DSLAM is assigned its own VLAN, which terminates in the ESN.
  • the logical service ports are also connected to the service providers via VLAs. The ESN must now ensure that the data packets are correctly transported between the logical session and service ports.
  • the data is transported based on the session data, with the assignment of the packets to one
  • Session specific parts of the packet header must be evaluated (e.g. MAC addresses, VLAN tags, priority bits, IP ad eat, etc.).
  • Figure 5 shows an example of data transport from the user to the network.
  • the original MAC address and the VLAN header of received packets are evaluated in order to derive the assigned service interface (port, VLAN).
  • the assignment table shown in FIG. 5 results from this.
  • a major difference between the ESN and conventional Ethernet switches is that the switching of the packets is based in part on the original MAC address.
  • Figure 6 shows the corresponding assignment table on a service interface.
  • the destination MAC address and the VLAN header are evaluated here in order to assign the packets to a logical session port.
  • a session can be ended in different ways: • Explicit termination of the session by the client (e.g. PPPoE PADT) • Expiry / termination of a DHCP address lease • If no more data is received (idle timeout) • By explicitly monitoring the client, e.g. with periodic ARP request; Closing the session if no response is received. • EAP reauthentication not successful (802. Ix)
  • the ESN deactivates the logical session interface and the corresponding table entries are deleted.
  • the ESN can also perform other functions:
  • network access is only possible for authorized logical ports. All other logical ports are blocked and only permit authorization.
  • Simplified administration Subscriber connection only needs to be set up in the access node (DSLAM, Edge Switch). Session interfaces are generated by the ESN itself.
  • Simplified network planning and dimensioning Service-based engineering of the aggregation network, with a much smaller number of logical connections.
  • Simpler IP network planning with fewer IP addresses by concentrating many session ports on a few service ports (eg VLANs). A separate subnet is occupied for each VLAN in the IP network.
  • the main difference to the classic Ethernet switch is the transmission of packets based on the original MAC address and the implementation (translation) of the VLAN ID.
  • the main difference to the classic BAS is the session control and switching through on layer 2 (MAC layer) instead of the IP layer (layer 3), as well as the assignment of the sessions to service-specific logical interfaces (tunnels).
  • MAC layer MAC layer
  • IP layer layer 3
  • Also new is the integration of access control in the Ethernet aggregation network.
  • FIG. 7 shows an example of a possible network configuration in which a subscriber is connected to the ESN via VLAN 200.
  • Two service providers are available on the network side, one at port 8 / VLAN 90 and the second at port port 9 / VLAN 91.
  • FIG. 8 shows the message flow when establishing a PPPoE session.
  • the designation of the messages / packets corresponds to the terminology of the PPPoE definition in RFC2516.
  • the session setup begins with a PPPoE discovery phase, in which a PPPoE server is selected using the PADI and PADO packages. These packets are transmitted using a PPPoE relay agent in the ESN.
  • the actual session setup is carried out by the PADR package (PPPoE Active Discovery Request) and the subsequent PPPoE Active Discovery session confirmation (PADS) of the server.
  • PADR package PPPoE Active Discovery Request
  • PADS PPPoE Active Discovery session confirmation
  • the session is also assigned a session ID, which is used in all subsequent PPPoE packages. keten is included.
  • the ESN has all the information required to generate a dynamic session and to generate the assignment tables for session and service port shown in FIG. 9. When the table entries are activated, direct communication between the PPPoE client and server is enabled and the session
  • SSS Service Selection Server
  • EAP (RFC2284) is a general authentication protocol that supports several authentication mechanisms.

Abstract

Während die Netzarchitektur für ATM-basierte Zugangsnetze im DSL Forum bereits definiert wurde, sind die Arbeiten zu Ethernet-basierten Zugangsnetzen noch im Anfangsstadium. Die Erfindung zeigt eine neuartige Aggregationslösung für den Einsatz in Ethernet-basierten Breitband-Zugangsnetzen.

Description

Beschreibung
Einrichtung zur Session-basierten Vermittlung von Paketen
Problem, das der Erfindung zugrunde liegt
Zukünftige Zugangsnetze für den breitbandigen Teilnehmeran- schluss müssen höhere Bandbreiten bei niedrigeren Kosten zur Verfügung stellen, als dies mit den heute üblichen ATM- basierten- Anschlussnetzen möglich ist. Aus diesem Grund sollen zukünftige Netze verstärkt auf der Ethernet-Technologie basieren, die sich derzeit als attraktive Lösung für Metro- Netze im Markt etabliert.
Während die Netzarchitektur für ATM-basierte Zugangsnetze im DSL Forum bereits definiert wurde, sind die Arbeiten zu E- thernet-basierten Zugangsnetzen noch im Anfangsstadium. Benötigt wird eine neue Netzarchitektur für die Ethernet-basierte Aggregation von breitbandigen Teilnehmeranschlüssen, welche die folgenden Anforderungen im optimaler Weise erfüllt:
• Dynamischer Netz-Zugang mit Authentifizierung und Zugangskontrolle • Minimaler Administrationsaufwand für das Einrichten neuer Teilnehmer • Gute Skalierbarkeit • Verkehrstrennung zwischen einzelnen Teilnehmeranschlüssen • Dynamische Auswahl verschiedener Dienste bzw. Dienst- klassen • Unterstützung verschiedener Zugangsmethoden (z.B. PPPoE, DHCP) • Aggregation vieler Teilnehmer in wenige, Dienstspezifische logische Tunnel • Unterstützung von Video-Verteildiensten • Unterstützung für paket-basierte Sprachdienste (VoIP) , insbesondere Quality of Service • Effizienter Transport von Peer-Peer Anwendungen (Kazaa, etc. )
Gegenstand dieser Erfindung ist eine neuartige Aggregations- lösung für den Einsatz in Ethernet-basierten Breitband- Zugangsnetzen .
Bisherige Lösung des genannten Problems
Die Architektur für ATM-basierte Breitband-Zugangsnetze mit QoS Unterstützung ist beispielsweise in den DSL-Forum Spezifikationen TR-058 und TR-059 beschrieben. Diese Netze basie- ren auf fest eingerichteten ATM Virtuellen Verbindungen (PVC) zwischen dem Teilnehmer-Anschluss und einem zentralen IP Netz-Zugangsknoten (Breitband Access Server, BAS) . Der BAS übernimmt die Zugangskontrolle und Authentifizierung der Teilnehmer sowie Diensteauswahl.
Diese Architektur hat verschiedene Nachteile:
• Die Verbindungen (PVC) zwischen Teilnehmer und BAS müssen sowohl im ATM Netz wie auch im BAS konfiguriert wer- den. • Pro QoS Klasse wird jeweils ein eigener ATM PVC benötigt • Der Verkehr zwischen Teilnehmern muß immer über den BAS laufen • Heutige BAS Produkte erlauben keine kostengünstigen Dienste mit hohen Datenraten (beispielsweise mehrere Videokanäle pro Teilnehmer) Erfindungsgemäße Lösung des genannten Problems
Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert, wobei die Zeichnung, die neun Figuren umfasst, die Erläuterung unter- stützt.
Die Erfindung definiert eine neue Netzarchitektur für Ethernet-basierte Zugangsnetze, welche die Funktion des BAS in das Aggregationsnetz verlagert und so modifiziert, dass die Zugangskontrolle mit Ethernet-basierten Methoden erfolgen kann. Einerseits entfällt dadurch die Notwendigkeit für einen separaten BAS, was zu signifikanten Kosteneinsparungen führt. Zum anderen verschiebt sich die Zugangskontrolle näher zum Teilnehmer, wodurch eine bessere QoS Unterstützung ermöglicht wird.
Figur 1 zeigt das zugehörige Netzkonzept eines Ethernet Service Node (ESN) . An den ESN angeschlossen sind auf der Teilnehmer-Seite viele DSLAMs oder Ethernet Edge Switches (L2 Switches) . Auf der Netz-Seite leitet der ESN den Verkehr zu verschiedenen Dienste-Anbietern, das können Netzprovider wie ISPs oder auch Applikationsanbieter für Video Dienste oder Voice Dienste sein. Der ESN aggregiert und steuert den Teilnehmer-Verkehr, und verbindet die einzelnen Teilnehmer- Sessions mit den entsprechenden Dienste-Anbietern. Dies ist stark vereinfacht in Figur 2 dargestellt (siehe Anlage 1) .
Wie in Figur 3 dargestellt, hat der ESN pro Nutzer oder Dienst ein eigenes logisches Session-Interface, dem alle Pa- kete eines Nutzers/Dienstes zugeordnet sind. Ein logisches Session-Interface kann beispielsweise definiert sein durch die Kombination aus
1. Physikalischem Port und MAC Adresse des Nutzers (Endge- rätes) 2. Port, MAC Adresse und VLAN (auch mit mehreren VLAN tags) Die einzelnen logischen Session-Interfaces brauchen nicht manuell konfiguriert werden, sondern werden automatisch durch den ESN beim Session-Aufbau gelernt und dynamisch generiert. Während des Session-Aufbaus muss sich der Nutzer normalerwei- se anmelden, d.h. seine Nutzer-Identifikation und Authentifi- zierungsdaten wie z.B. ein Passwort angeben. Erst danach wird der Netzzugang durch den ESN freigeschaltet, und der Nutzer mit einem Dienst verbunden.
Auf der Netzseite hat der ESN pro Dienst oder auch pro Dienstklasse (z.B. Best Effort und Premium Service) ein eigenes logisches Service-Interface, dem eine Session fest zugeordnet wird. Die Zuordnung wird entweder während des Session- Aufbaus oder später durch eine direkte Dienste-Auswahl (typi- scherweise über einen Service Selection Server) festgelegt.
Ein logisches Service-Interface auf der Netzseite kann beispielsweise definiert sein durch 1. einen physikalischen Port und/oder 2. ein VLAN und/oder 3. einen MPLS Pfad und/oder 4. ein spezielles Virtuelles Netz
Figur 4 zeigt als Beispiel die Konfiguration eines einfachen Netzes mit ESN, zwei DSLAMs und drei Diensteanbietern. Jedem Teilnehmeranschluss eines DSLAM ist hier ein eigenes VLAN zugeordnet, welches im ESN terminiert. Die Verbindung der logischen Service Ports zu den Diensteanbietern erfolgt ebenfalls über VLA s . Der ESN muss nun für einen korrekten Transport der Datenpakete zwischen den logischen Session- und Service Ports sorgen.
Innerhalb des ESN erfolgt der Datentransport auf Basis der Session-Daten, wobei für die Zuordnung der Pakete zu einer
Session bestimmte Teile der Paket-Header ausgewertet werden müssen (z.B. MAC Adressen, VLAN Tags, Prioritätsbits, IP Ad- ressen, etc.). Figur 5 zeigt ein Beispiel für den Datentransport vom Nutzer zum Netz. Hier wird beispielsweise die Ur- sprungs-MAC Adresse und der VLAN Header empfangener Pakete ausgewertet, um daraus das zugeordnete Service-Interface (Port, VLAN) abzuleiten. Daraus ergibt sich die in Figur 5 dargestellte Zuordnungstabelle. Ein wesentlicher Unterschied des ESN im Vergleich zu herkömmlichen Ethernet-Switches besteht darin, dass die Vermittlung der Pakete teilweise auf der Ursprungs-MAC Adresse basiert.
Figur 6 zeigt die entsprechende Zuordnungstabelle auf einem Service-Interface. Hier werden die Ziel MAC Adresse sowie der VLAN Header ausgewertet, um die Pakete einem logischen Session Port zuzuordnen.
Für zeitabhängige Vergebührung muß der ESN auch über das Ende einer Session informiert sein. Eine Session kann auf verschiedene Arten beendet werden: • Explizite Beendigung der Session durch den Client (z.B. PPPoE PADT) • Ablauf / Beendigung einer DHCP Adress Lease • Wenn keine Daten mehr Empfangen werden (idle timeout) • Durch explizite Überwachung des Clients, z.B. mit perio- dischem ARP Request; Abbau der Session wenn keine Antwort empfangen wird. • EAP Reauthentication nicht erfolgreich (802. Ix)
Nach Beendigung einer Session deaktiviert der ESN das logi- sehe Session-Interface, und die entsprechenden Tabelleneinträge werden gelöscht.
Neben der reinen Transportfunktion kann der ESN noch weitere Funktionen übernehmen:
Zugriff auf eine zentrale Teilnehmer-Datenbasis zum Zwecke der Autorisierung des Nutzers und zum Abruf indivi- dueller Teilnehmer-Daten; in der Regel werden dafür Protokolle wie Radius (RFC2865) oder Diameter (RFC3588) benutzt . • individuelle Begrenzung der Datenrate einer Session ge- trennt für ankommende und abgehende Pakete (Policing) • Zuweisung der Pakete zu einer bestimmten Prioritätsklasse • Zuweisung individueller Filterregeln • IP Adresszuweisung durch DHCP, DHCP Relay Agent und Ein- fügen der logischen Port Daten in DHCP (Option 82, RFC3046) • Überprüfung der IP Source Adresse empfangener Pakete (Anti-Spoofing) • Sammeln von Statistik Daten pro Session, mit entspre- chendem Radius Accounting (RFC2866) • PPPoE Relay Agent (Erkennen von PPPoE Sessions und Weiterleiten von PPPoE Paketen) • Dynamische Multicast Sessionsteuerung mittels IGMP, z.B. für Video Verteildienste • Kombination mit externem Resource Allocation Server für die Verwaltung der Bandbreite einzelner Dienstklassen (Admission Control und Resource Allocation)
Für die Autorisierung des Teilnehmerzugangs gibt es ebenfalls verschiedene Möglichkeiten:
• Nutzung von IEEE 802. Ix, d.h. Autorisierung mittels des EAP Protokolls (RFC2284) . Im Unterschied zum 802. Ix Standard ist die Autorisierung auch mit VLAN-basierten logischen Ports möglich (802. Ix erlaubt nur Port- oder VLAN-basierte Autorisierung) . Für die Dienstauswahl kann hier die bekannte Methode der Domain-Extension der Nutzer—ID benutzt werden (z.B. mueller@aol.com). • Nutzung eines Web-basierten Logins, d.h. der Nutzer wird zunächst an einen Login Server weitergeleitet. Nach erfolgter Autorisierung wird der Netzzugang freigeschaltet. • Nutzung neuer DHCP Optionen zur Identifizierung und Autorisierung des Nutzers
Grundsätzlich gilt, dass der Netzzugang nur für autorisierte logische Ports möglich ist. Alle anderen logischen Ports werden blockiert, und lassen nur die Autorisierung zu.
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
• Vereinfachte Administration: Teilnehmer-Anschluss muss nur noch im Access-Knoten (DSLAM, Edge Switch) eingerichtet werden. Session-Interfaces werden vom ESN selbst generier . • Vereinfachte Netzplanung und Dimensionierung: Servicebasiertes Engineering des Aggregationsnetzes, mit einer wesentlich kleineren Zahl von logischen Verbindungen • Einfachere IP Netzplanung mit weniger IP Adressen durch die Konzentration von vielen Session-Ports auf wenige Service-Ports (z.B. VLANs) . Im IP Netz wird pro VLAN ein eigenes Subnetz belegt. • Kosteneinsparung durch Zugangskontrolle im Aggregationsnetz, daher kein BAS mehr erforderlich • Quality of Service bereits im Aggregationsnetz durch Ü- berwachung des Teilnehmerverkehrs möglichst nah am TeilnehmeranSchluß • Begrenzung der Anzahl der MAC Adressen pro Teilnehmeranschluß • Zugang zu klassischen BAS Diensten mittels PPPoE Relay weiterhin möglich Unterschiede zum Stand der Technik
• Wesentlicher Unterschied zum klassischen Ethernet-Switch ist die Vermittlung von Paketen auf Grund der Ursprungs- MAC Adresse, sowie die Umsetzung (Übersetzung) der VLAN ID. • Wesentlicher Unterschied zum klassischen BAS ist die Session-Steuerung und Durchschaltung auf der Schicht 2 (MAC Schicht) anstatt des IP Layers (Schicht 3), sowie die Zuweisung der Sessions zu Service-spezifischen logischen Interfaces (Tunnel) . • Neu ist auch die Integration der Zugangskontrolle in das Ethernet Aggregationsnetz.
Ausführungsbeispiel [ej der Erfindung
Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen beispielhaft das selbständige Lernen der für eine Session benötigten Daten. Figur 7 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Netzkonfiguration, in der ein Teilnehmer über VLAN 200 an den ESN angeschlossen ist. Auf der Netzseite stehen zwei Service Provider zur Verfügung, einer an Port 8 / VLAN 90 und der zweite an Port Port 9 / VLAN 91.
Figur 8 zeigt den Meldungsfluß beim Aufbau einer PPPoE Session. Die Bezeichnung der Nachrichten/Pakete entspricht hier der Terminologie der PPPoE Definition in RFC2516. Der Sessi- onaufbau beginnt mit einer PPPoE Discovery Phase, in der ein PPPoE Server mittels der PADI und PADO Pakete ausgewählt wird. Die Übermittlung dieser Pakete erfolgt mittels eines PPPoE Relay Agent im ESN. Der eigentliche Sessionaufbau erfolgt durch das PADR Paket (PPPoE Active Discovery Request) , sowie die anschliessende PPPoE Active Discovery Session- confirmation (PADS) des Servers. Hier wird der Session auch eine Session-ID zugewiesen, die in allen folgenden PPPoE Pa- keten enthalten ist. Zu diesem Zeitpunkt hat der ESN alle benötigten Informationen, um eine dynamische Session zu generieren, und die in Figur 9 dargestellten Zuordnungstabellen für Session- und Service Port zu generieren. Mit der Aktivierung der Tabelleneinträge ist eine direkte Kommunikation zwischen PPPoE Client und Server freigeschaltet, und die Session ist aktiv.
Abkürzungen:
SSS: Service Selection Server
EAP: EAP (RFC2284) ist ein allgemeines Authentication Proto- koll, das mehrere Authentication Mechanismen unterstützt.

Claims

Patentansprüche
1.Einrichtung zur Session-basierten Vermittlung von Paketen, a) die empfangene Pakete auf der Basis der Ursprungs-MAC Adresse und/oder der Ziel-MAC Adresse vermittelt, b) die die Zuordnung der Sessions zu logischen Service Ports während des Sessionaufbaus erlernt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie empfangene Pakete auf der Basis weiterer Teile des empfangenen Paket-Headers, wie zum Beispiel VLAN ID oder Source IP Adresse, vermittelt.
PCT/EP2005/052077 2004-05-07 2005-05-06 Einrichtung zur session-basierten vermittlung von paketen WO2005112363A1 (de)

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