УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ КОММУТАЦИИ МНОЖЕСТВА СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ОБРАБОТКИ ПРОТОКОЛА Российский патент 2007 года по МПК H04Q11/04 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для коммутации множества пакетно-ориентированных сигналов.

В подобных сетях передачи данных требуется передавать данные в форме пакетов данных от источника к адресату. Для этого требуется соответствующая система коммутации. В последние годы информационная емкость передач или скорость передачи данных в сетях существенно возросли, так что требования к этим системам коммутации постоянно возрастают. Это привело к необходимости разработок устройств коммутации, в особенности коммутаторов и маршрутизаторов, которые имеют пропускную способность для данных в мультигигабитной или даже в так называемой терабитной областях. При таких высоких скоростях передачи требуемые сетевые протоколы можно реализовать только аппаратными средствами, чтобы иметь возможность реализации необходимых значений времени отклика.

Устройства коммутации для таких высоких скоростей передачи по возможности реализуются с применением активных объединительных плат. Здесь, в первую очередь, используются координатные (матричные) архитектуры, которые работают полностью параллельно, так что пропускная способность подобных устройств ограничена скоростью коммутационного процесса матричного переключателя, числа отдельных портов и применяемым внутренним образом протоколом передачи.

Архитектуры матричных переключателей работают обычно во взаимодействии с множеством микросхем портов, которые через интерфейсы соединены с центральной микросхемой матричного переключателя. Известные микросхемы матричных переключателей обычно содержат буферную память, чтобы при возникновении конфликтных ситуаций сохранять промежуточным образом пакеты или элементы.

Другими составными частями коммутационных устройств являются блоки разрешения конфликтных ситуаций, которые регулируют трафик между отдельными портами в случае, если порт должен принимать данные от множества других портов. Из публикаций 19935127.9 и 19935126.0, а также содержащихся в них ссылок, можно выяснить, каким образом могут разрешаться подобные конфликты между элементами.

Еще одной составной частью системы коммутации является буферная память, которая требуется для того, чтобы иметь возможность выравнивать пики в скоростях передачи в случае систем с переменной скоростью передачи данных, например систем, в которых различные услуги должны передаваться по одним и тем же соединениям. Кроме того, на такой буферной памяти работают блоки обработки протокола или соответствующие микросхемы, которые определяют следующий порт, на который следует передавать пакет данных или элемент. Блоки обработки протокола определяют на основе заголовка и соответствующих таблиц, кому должен далее передаваться пакет или элемент. Так, для многопротокольной среды должно иметься множество таблиц, которые должны использоваться для обработки, например, протоколов АТМ (асинхронный режим передачи), MPLS, IP (протокола Интернета).

Недостатком этих известных систем являются относительно высокие затраты на реализацию, так как практически все механизмы протоколов вследствие высокой скорости передачи должны быть реализованы в виде аппаратных средств. В особенности обеспечение буферной памяти и относящихся к ней высокоскоростных путей передачи для внутренней передачи данных от буферной памяти и к ней требует значительной части полных затрат на реализацию подобных коммутационных устройств.

Большинство имеющихся на рынке систем коммутации и их элементов основывается на последовательной (от одного транзитного участка к другому) передаче пакетов через систему коммутации. При этом затраты на обработку тем выше, чем выше уровень и сложность протокола, на котором должно приниматься решение. Как правило, решение принимается на Уровне 1 или на Уровне 2, или на уровне, относящемся к коммуникационным уровням. Эти уровни, как правило, зависят от специальной сетевой топологии, которая соединяет друг с другом коммутационные блоки. Они охватывают, как правило, не перекрывающиеся топологии.

Поэтому в прошлом были разработаны упрощенные способы пересылки пакетов, такие как MPLS, ATM (см. соответствующие Рекомендации) и т.д., которые могут также использовать перекрывающиеся топологии.

Ввиду ограничений на память - ширину полосы более крупные коммутационные блоки состоят из нескольких блоков обработки протоколов, которые взаимосвязаны соединительными блоками (например, вышеупомянутыми активными объединительными платами матричных переключателей) (см., например, DE 19935126.0). Применяемые для этого соединительные блоки имеют ввиду их простой структуры и невысоких требований к памяти-размерам (возможных вследствие координации проходящих через соединительные блоки потоков пакетов) очень высокую производительность, которая доходит до терабитной области. Соответствующее построение коммутационной станции, которая обладает очень высокой производительностью, описано в работе J.Chao: "Saturn: A Terabit Packet Switch Using Dual Round Robin", IEEE Communications Magazine, Dez.2000, 5.78-84. В этой работе описан циклический способ, в соответствии с которым входной порт соотносится с соответствующим выходным портом.

Важной причиной развития упрощенных протоколов, таких как ATM, MPLS, было упрощение и сокращение принятия решения о пути в блоках обработки протоколов. В решениях, известных из предшествующего уровня техники, до сих пор пакеты все еще проходят через одни и те же блоки обработки с одинаковым числом блоков обработки протоколов. В блоках обработки протоколов различные типы пакетов претерпевают различную обработку. Как правило, различие определяется типом протокола.

Однако ограниченная ширина полосы буферной памяти пакетов в блоках обработки пакетов ограничивает далее общую пропускную способность, приходящуюся на каждый блок обработки протоколов. Соответствующее совместное включение (межсоединение) блока обработки протоколов должно координироваться в области управления памятью за счет соответствующего дополнительного протокола между отдельными компонентами (то есть в принципе это обуславливает образование большого, распределенного, виртуального общего буфера пакетов, см. DE 19935127.9). Это, однако, приводит, с одной стороны, к большой потребности в ширине полосы для этих дополнительных связанных с протоколами накладных расходов и, с другой стороны, к необходимости интегрировать в блок обработки протоколов дополнительные коммуникационные блоки для соответствующих распределенных протоколов координирования памяти.

С другой стороны, соединительные блоки хотя и становятся все более эффективными, однако существуют только внутренние интерфейсы к соответствующим блокам обработки протоколов, в которых каждый пакет подвергается полноценной и требующей затрат обработке.

Задачей изобретения является создание быстродействующего и экономичного коммутационного блока.

Эта задача решается устройством и способом с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Другие варианты осуществления и их признаки отражены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Основная идея изобретения заключается в проведении, по меньшей мере, двухступенчатой обработки протоколов. Так, каждый порт соединительного блока имеет, по меньшей мере, один блок протокола, который имеет возможность проводить простую классификацию приходящих пакетов и быстро обрабатывать простые протоколы. Кроме того, предусмотрены подключения соединительных блоков, которые соединены через схему внутри или вне коммутационного блока с дополнительным блоком протоколов, который может проводить более сложные процедуры анализа для более сложных протоколов. Так пакеты, которые соответствуют более простым концепциям протоколов, таким как АТМ и MPLS, обрабатываются непосредственно в соединительном блоке и сразу же передаются далее. К более сложным блокам обработки протоколов по сети направляются теперь только те пакеты или информация о пакетах, которые должны обрабатываться там на более высоких уровнях протоколов; соответствующая пересылка пакетов осуществляется в таком случае посредством соединительных блоков. Соединительные блоки также обеспечивают последующую пересылку пакетов, после того как для более сложных пакетов был установлен выходной порт или порт адресата посредством блока протоколов для сложных протоколов. Современные упрощенные концепции протоколов имеют строгое разделение между управлением/сигнализацией и пересылкой данных (например, MPLS с LPD/RSVP-TE (Проект Интернет), (способ инициализации MPLS-каналов передачи информации), (концепция I-PowerWDM, см., например, RFC3031/3032/3034/3035)). Благодаря настоящему изобретению затраты на пересылку данных поддерживаются очень просто, затраты на буферизацию (память и быстродействие памяти) очень сильно ограничиваются, и сильно сокращаются затраты на координацию между разделенными буферами (за счет разработки трафика и установления/отмены соединений). Передача данных управления/сигнализации может за счет этого сильно варьироваться с различающейся сложностью и затратами на обработку в зависимости от ситуации нагрузки (продолжительности поддержания соединения) и несмотря на это может обрабатываться динамически и гибко.

На основе новых структур сетей большая часть обработки пакетов осуществляется не в классических блоках обработки протоколов, а сначала происходит значительно упрощенная быстрая классификация и идентификация во внутренних соединительных блоках, которые могут быть как электрическими, так и оптическими. Известные коммутационные блоки используются только в исключительных случаях. Тем самым блоки обработки протоколов должны теперь обрабатывать только те пакеты, которые необходимы для сигнализации (например, пакеты управления), и в случаях, когда требуется обработка на более высоком уровне. Перекрестная (коммутационная) матрица несет теперь только основную нагрузку последующей пересылки пакетов и связана с сетью, как правило, через самые простые и стандартизованные интерфейсы (двухточечной связи). Сюда относятся прежде всего протоколы, подобные HDLC (высокоуровневый протокол управления каналом), как, например, протокол SDL (простой протокол канала передачи данных) (см., например, Doshi, B. et al.,: "A Simple Data Link Protocol for High Speed Packet Networks", Bell Labs Technical Journal, pp.85-104, Vol.4, Nr.1).

В другой форме выполнения порты связаны с оптическими проводниками. При возможном многокаскадном способе чисто оптические лямбда-перекрестные соединители с преобразованием или без преобразования длины волны соединены с соединителями MPLS/ATM и процессорами маршрутизации IP-протокола. В перспективных формах выполнения для маршрутизации применяются сетевые процессоры, которые через соответствующее программное обеспечение могут быть согласованы с будущими более сложными протоколами.

В целом, решение, соответствующее изобретению, приводит к пониженным требованиям к производительности обработки пакетов всей архитектуры в целом. В отношении общей пропускной способности полномасштабная, то есть относящаяся к сложным протоколам обработка протоколов становится чисто исключительной обработкой. Устанавливаемое гибким образом количество компонентов протоколов может подключаться в соответствии с конкретными требованиями. Пропускная способность в значительной степени определяется соединительными блоками, что может привести к повышению производительности.

За счет предлагаемого изобретения обеспечивается таким образом полностью новая структура коммутационных устройств. Соединительные компоненты имеют подсоединения, которые обеспечивают возможность подключения к внешним сетям и имеют на своих входах блоки для быстрой классификации пакетов данных на такие, которые затем полностью обрабатываются в самом соединительном блоке, и такие, которые должны пересылаться дальше к компонентам обработки протоколов. Такая схема подходит только для информационного обмена с блоками протоколов. Таким образом осуществляется строгое разделение между передачей данных управления и данных трафика на уровне блоков и узлов.

Соединительные блоки снабжены дополнительной логикой, которая берет на себя большую часть принимаемых решений, которые ранее принимались блоками протоколов. Только поток данных, которые посылаются в соответствии с более сложными протоколами, управляется известными блоками протоколов. Тем самым имеет место отказ от обработки большей части пакетов в компонентах протоколов. Большая часть нагрузки пакетов данных обрабатывается уже на самом низком уровне протокола.

Ниже со ссылками на чертежи описан возможный вариант выполнения соответствующего изобретению коммутационного блока.

На чертежах показано:

Фиг.1 - детальное построение коммутационного блока, соединительный блок которого имеет порты к внешней сети, причем в каждом порту соединительного блока реализован блок протокола для менее сложных протоколов, и компоненты протоколов для более сложных протоколов, которые связаны с соединительным блоком.

Фиг.2 - более детальное строение двух коммутационных блоков, как они показаны на фиг.1, причем они связаны с оптической сетью через оптический кросс-коннектор (перекрестный соединитель) и электрооптический преобразователь.

На фиг.1 представлен чисто электрический вариант выполнения заявленного изобретения. Блоки 14 портов, называемые также соединительными блоками, через 10 Гбит-интерфейсы или порты 15 связаны с внешним миром, то есть с внешней сетью 18. Внутри этих блоков портов уже обрабатывается большая часть пакетов по протоколу MPLS. Обработка пакетов осуществляется блоками 17 протоколов в отношении менее сложных протоколов. Пакеты или их информация заголовков, которая касается IP-маршрутизации, обрабатываются в подключенных компонентах 12 протоколов и далее пересылаются только через соединительные блоки или блоки 14 портов. Соединение между отдельными блоками 12 и 17 протоколов обеспечивается через сеть 13, которая служит для обмена информацией протоколов. Здесь производится обмен таблицами маршрутизации и таблицами протокола MPLS. Кроме того, осуществляется информационный обмен с помощью выше описанных протоколов. В другом варианте осуществления речь идет о иерархической сети, которая в зависимости от ожидаемой нагрузки конкретного протокола имеет различные уровни с различными множествами блоков протоколов, которые несут ответственность за обработку по соответствующим протоколам. Отдельные уровни находятся на различном расстоянии от блоков портов. Уровень с большинством блоков протоколов находится в непосредственной близости от блоков портов.

На фиг.2 показан вариант выполнения, который базируется дополнительно на дальнейшей передаче данных через оптический перекрестный соединитель с преобразованием длин волн (и дополнительными зависящими от длины волны делителями-сумматорами). Согласно основному принципу так называемой лямбда-коммутации для множества протоколов (см.D.Awduche et al.: "Multi-Protocol Lambda Switching: Combining MPLS Traffic Engineering with Optical Cross Connects", Internet Draft, draft-awduche-mpls-te-optical-0 1.txt), более долговременные и более широкополосные MPLS-каналы передачи данных отображаются на собственные длины волн, которые затем маршрутизируются по отдельности в перекрестном соединителе 10. Некоторые длины волн резервируются, как и до сих пор, для классического пакетного трафика. Их битовые потоки подвергаются оптоэлектрическому преобразованию и затем, как показано на фиг.1, обрабатываются в перекрестном переключателе, соответствующем протоколу MPLS (и, в конечном счете, и компонентах протоколов). Соединение с блоками 14 портов осуществляется через электрооптический преобразователь 11.

В другом, не показанном на чертежах варианте осуществления, используется специальный блок анализа, который анализирует сигналы или информационные пакеты заранее, чтобы установить, о каком протоколе идет речь в каждом конкретном случае. После такого определения соответствующий пакет пересылается к соответствующему блоку протокола. В особом варианте осуществления в такой блок анализа непосредственно встроен блок протокола, который предпочтительно может обрабатывать простые протоколы, такие как MPLS или ATM. Тем самым гарантируется, что одновременно с процессом анализа информация считывается и оценивается, не требуя повторного ее считывания.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для коммутации множества пакетно-ориентированных сигналов в сетях, в особенности для коммутации и маршрутизации в сетях, с использованием множества блоков портов, имеющих один или более портов, причем порты имеют возможность соединения с сетями коммутационного блока, который предпочтительно имеет функцию матричного переключателя, по меньшей мере, одного первого блока протоколов, который анализирует, по меньшей мере, часть сигналов и их назначение, при этом имеется множество других блоков протоколов, которые непосредственно соотнесены с блоками портов и классифицируют сигналы по их протоколу передачи, чтобы в зависимости от протокола передачи для одной части пакетов осуществить самостоятельную обработку протокола, а для другой части передать обработку протокола к первому блоку протокола. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для коммутации множества пакетно-ориентированных сигналов в сетях (18, 19), в особенности для коммутации и маршрутизации в сетях (18, 19), содержащее множество блоков (14) портов, имеющих один или более портов (15), причем порты имеют возможность соединения с сетями, коммутационный блок (16), который предпочтительно имеет функцию матричного переключателя, по меньшей мере, один первый блок (12) протоколов, который анализирует, по меньшей мере, часть сигналов и их назначение, отличающееся тем, что имеется множество других блоков (17) протоколов, которые непосредственно соотнесены с блоками (14) портов и классифицируют сигналы по их протоколу передачи, чтобы в зависимости от протокола передачи для одной части пакетов осуществить самостоятельную обработку протокола, а для другой части передать обработку протокола к первому блоку протоколов.2. Устройство по предыдущему пункту, отличающееся тем, что упомянутые другие блоки (17) протоколов обрабатывают только те протоколы, для которых не требуются операции, требующие интенсивного использования памяти, и/или интенсивные во времени операции, чтобы определить назначение сигналов.3. Устройство по предыдущему пункту, отличающееся тем, что упомянутые другие блоки (17) протоколов обрабатывают только те сигналы, которые соответствуют протоколам MPLS и/или АТМ.4. Устройство по одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что каждому блоку порта соответствует, по меньшей мере, один другой блок (17) протоколов.5. Устройство по одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что блоки (17, 12) протоколов имеют, по меньшей мере, один сетевой интерфейс, через который блоки протоколов связаны с сетью (13).6. Устройство по одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что блоки (17, 12) протоколов обмениваются между собой сигналами управления, чтобы обеспечить предпочтительно информацию коммутации и/или маршрутизации.7. Устройство по одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первый блок (12) протоколов обрабатывает сигналы, которые пересылаются на основе протокола IP.8. Устройство по одному или нескольким из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть блоков (14) портов оптически связана через электрооптический преобразователь (11) с оптическим перекрестным соединителем (10), чтобы обеспечить для него операции коммутации и/или маршрутизации.9. Способ коммутации множества пакетно-ориентированных сигналов в сетях, в особенности для коммутации и маршрутизации в сетях, с использованием устройства, в особенности, по одному или нескольким из предыдущих пунктов, имеющего иерархию блоков протоколов, причем в зависимости от применяемых протоколов отдельные иерархии блоков протоколов соотносятся с конкретным протоколом, при этом количество блоков протоколов в этой иерархии зависит от частотности применяемых протоколов, отличающийся тем, что на первом этапе сигнал анализируют для установления протокола передачи, чтобы затем в зависимости от протокола передачи сигнал соотнести с блоком протокола в иерархии, относящейся к протоколу, чтобы соответствующий блок протокола определил назначение для дальнейшей пересылки сигнала на коммутационный блок.