專利名稱：電信系統(tǒng)中包的路由尋址的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及包交換電信系統(tǒng)中實現(xiàn)的包傳送，尤其涉及通過ATM網(wǎng)絡傳送IP包(IP，因特網(wǎng)協(xié)議)。
IP是當前網(wǎng)絡層(OSI模型中的第三層)最普遍的協(xié)議，是因特網(wǎng)得以飛速發(fā)展的主要原因，將來IP可能會越來越普及。隨著連接到因特網(wǎng)的主機數(shù)量的指數(shù)性增長，IP網(wǎng)絡的吞吐量成為瓶頸，需要新方式以較目前更快地傳送IP業(yè)務量。


圖1說明了IP網(wǎng)絡的典型結構。在辦公環(huán)境中，個人計算機PC或類似的終端設備連接到局域網(wǎng)LAN1…LAN3，這些局域網(wǎng)一般是以太網(wǎng)。局域網(wǎng)則通過路由器(RT1…RT6)與骨干網(wǎng)(WAN，廣域網(wǎng))互連。同一局域網(wǎng)中的所有計算機具有相同的IP網(wǎng)絡地址。如果從連接到局域網(wǎng)的一臺計算機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，則發(fā)送計算機的協(xié)議棧的IP層檢查IP目的地址是否與其自身的IP網(wǎng)絡地址相同。如果地址相同，則不需要路由器，而是通過局域網(wǎng)將該包發(fā)送給對應該目的地址的計算機。如果目的地的IP網(wǎng)絡地址與發(fā)送計算機的IP網(wǎng)絡地址不同，則計算機將該包轉發(fā)給路由器，后者將包進一步傳送到另一網(wǎng)絡。
路由器之間的傳輸鏈路可以由PDH或SDH技術，或者通過包網(wǎng)絡技術，例如(ATM、幀中繼、X.25)實現(xiàn)。
路由器主要有兩個功能包傳送和更新路由表。包傳送處理的工作原理是，路由器首先從到來的IP包中讀取目的網(wǎng)絡地址。之后它根據(jù)它的路由表找到與該地址相關聯(lián)的輸出端口，通過所述端口將包發(fā)送到下一路由器。包在路由器之間傳送，直至一個路由器發(fā)現(xiàn)目的地址與其自身的網(wǎng)絡地址相同，在這種情況下，它將該包發(fā)給目的主機。
隨著傳送速率需求的增長，新技術得以引入。ATM技術作為骨干網(wǎng)技術的趨勢正在增長，因為它能夠進行大容量骨干連接。在這種情況下，路由節(jié)點中已面向ATM網(wǎng)絡構造了接口；首先根據(jù)從ATM網(wǎng)絡到達的信元重構包，為包進行路由尋址，之后再次將包分解成ATM信元，在ATM網(wǎng)絡中傳送。標準的ATM適配層(AAL)完成IP包的分解和重構。下面將詳細予以描述，為后面本發(fā)明的描述提供背景。
如果前述以太局域網(wǎng)中的工作站發(fā)送數(shù)據(jù)給另一局域網(wǎng)中的工作站，則該工作站中應用所生成的數(shù)據(jù)單元P1首先封裝成一個TCP包P2，例如如圖2所示(前提是傳輸層所用協(xié)議是TCP，傳輸控制協(xié)議)。之后，TCP包被封裝成IP包P3，該IP包進一步封裝成以太網(wǎng)幀P4，通過局域網(wǎng)發(fā)送給連接該局域網(wǎng)的路由器，該路由器還具有一個面向ATM網(wǎng)絡的接口。在ATM適配層中，路由器刪去以太網(wǎng)段，將IP包分解成ATM信元。需要注意的是，封裝可以包括在包之前或之后插入(所謂的尾部(trailer))。
圖3說明了一個IP包30的結構(即IP數(shù)據(jù)報)。包頭最小為20字節(jié)，它被劃分成5個4字節(jié)“字”，在該圖中以連續(xù)行形式表示。該圖在每個域名之后的括號中給出了以比特為單位的域長。消息頭首先包括4比特版本域31，表明所用的IP版本。之后是長度域32(IHL，因特網(wǎng)消息頭長度)，表明消息頭以4字節(jié)字為單位的長度。類型域33表明業(yè)務類型，域34是包括消息頭的數(shù)據(jù)報總長。標識域35用以在包重構時標識該IP包。標志域36使得系統(tǒng)能夠推斷出分解包的片斷(fragment)是否是原包的最新片斷。片斷偏置域37的內容則表明該片斷在原包中處于哪個位置。生存期域38表明包可以在網(wǎng)絡中存在的最長時間。包所經(jīng)過的每個路由器都需要評估該域的值。協(xié)議域39表明該數(shù)據(jù)報所承載數(shù)據(jù)的高層協(xié)議(例如TCP)。域40包含一個消息頭校驗和。域41和42用于源和目的地址，即它們以32比特地址的形式指示發(fā)送主機和接收主機的地址。地址域之后是可選域43，它很少用到。該域中傳送的數(shù)據(jù)一般涉及網(wǎng)絡測試或故障修正；該數(shù)據(jù)可以例如定義數(shù)據(jù)包應當經(jīng)過的給定路由。在需要的時候，可以在該域中增加填充比特，使得字節(jié)的數(shù)量可以被4整除。
在上述消息頭之后才是IP包的實際數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)域的長度可以變化，但其上限由域34的長度限定，這意味著整個包的最大長度是216字節(jié)。
前面說過，在按照圖l的ATM網(wǎng)絡中，IP包以ATM信元的形式傳送。圖4a示出了ATM網(wǎng)絡中需要傳送的一個信元的基本結構。該網(wǎng)絡中需要傳送的每個信元包括一個48字節(jié)的凈荷和5字節(jié)消息頭，而消息頭的精確結構(消息頭的內容)與不同情況下使用ATM網(wǎng)絡的那一部分相關，因為ATM網(wǎng)絡體系結構包括在標準中詳細指定的接口數(shù)量，ATM信元中采用的消息頭結構與所使用的接口(即網(wǎng)絡的哪部分)相關。
圖4b示出了ATM網(wǎng)絡的UNI(用戶-網(wǎng)絡接口)接口上的信元消息頭結構，它是ATM終端設備和ATM節(jié)點之間的接口。圖4c則說明了ATM網(wǎng)絡的NNI接口(網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口)上的信元消息頭結構，它是兩個ATM節(jié)點之間的接口，這兩個ATM節(jié)點可以位于該網(wǎng)絡中，也可以分處兩個網(wǎng)絡。
信元消息頭的路由尋址域包括虛路徑標識符(VPI)和虛信道標識符(VCI)。在圖4b所示的消息頭結構中，總共為路由尋址域(VPI/VCI)保留了24比特，因此它僅用于用戶終端。在圖4c所示的消息頭結構中，為路由尋址域(VPI/VCI)保留了28比特，它用于ATM網(wǎng)絡的所有其它部分。如其名所示，路由尋址域是ATM網(wǎng)絡中信元進行路由尋址的基礎。虛路徑標識符VPI主要用于網(wǎng)絡內部，它實際上經(jīng)常決定信元應當尋路到哪個物理連接。而虛信道標識符VCI則通常僅用于在網(wǎng)絡邊界的路由尋址。但是應當注意，只有VPI和VCI相結合才能明確定義信元的路由。
在規(guī)范中定義的ATM信元消息頭的其它域是GFC(通用流量控制)，用于在用戶終端進行業(yè)務量監(jiān)控的域，尚未精確定義；
PTI(凈荷類型指示符)，主要用于區(qū)分網(wǎng)管信元和用戶信息信元，此外根據(jù)是否在該路由上檢測到擁塞，可以進一步區(qū)分用戶信息信元；CLI(信元丟棄優(yōu)先級)，用于針對信元丟棄概率定義信元的優(yōu)先級(主要對應于幀中繼網(wǎng)絡中DE比特)；HEC(消息頭差錯控制)，消息頭校驗和在這些域中，僅有PTI涉及本發(fā)明。該域可以用于，例如傳送與虛路徑和虛信道相關的擁塞消息。但是，本發(fā)明采用PTI域的另一特性，下面將詳細予以描述。
通常到達ATM適配層的是不同格式的信號，ATM適配層的任務一方面是，在將這些信號發(fā)送到ATM網(wǎng)絡之前，將其轉換成ATM網(wǎng)絡所需的標準格式，另一方面是，根據(jù)從ATM網(wǎng)絡到達的信元重構這些信號，然后進一步轉發(fā)給用戶或控制接口。為不同業(yè)務類別(A…D)標準化了不同類型的適配層(AAL1…AAL5)。例如AAL類型3、4和5為源和目的之間沒有時間相關性的應用提供傳輸業(yè)務。
圖5說明了AAL5進行的將IP包分段成ATM信元，以及根據(jù)ATM信元重構包，它說明了圖1所示的示例性網(wǎng)絡中ATM適配層的操作。ATM適配層通常劃分成兩個子層，它們由縮寫SAR(分段和重組子層)以及CS(會聚子層)表示。CS子層完成用戶數(shù)據(jù)單元(例如IP包)和控制數(shù)據(jù)的封裝/去封裝。CS子層進行封裝之后得到的幀被稱為CS-PDU(會聚子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元)。AAL5的封裝使得跡部分被加入用戶數(shù)據(jù)單元(例如IP包)，包含例如差錯檢查部分(CRC)。跡部分的長度為8個字節(jié)。整個CS-PDU的長度對應于48比特的倍數(shù)，通過適當?shù)卦黾犹畛溆騊AD可以實現(xiàn)這一點，PAD在包的跡部分和凈荷之間具有0..47字節(jié)長度。
SAR子層在傳輸方向上將每個CS-PDU分段成48字節(jié)的字段，稱為SAR-PDU(分段和重組子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元)。在接收方向上，將SAR-PDU組合在一起生成了CS-PDU。
ATM適配層之下的ATM層負責在需要發(fā)送的SAR-PDU中加入5字節(jié)消息頭域CH(圖4b和4c)，從而生成ATM信元50，發(fā)送到ATM網(wǎng)絡。ATM網(wǎng)絡僅處理信元頭，ATM網(wǎng)絡中不處理，甚至不讀48字節(jié)的凈荷。在接收方向上，ATM層將消息頭從信元中刪去，將48字節(jié)凈荷提供給SAR子層以進行組裝。
在圖1網(wǎng)絡中，路由器發(fā)送IP包，它們以前述方式將包分段成信元，將包發(fā)送到ATM傳輸鏈路。鏈路反向一側的路由器以前述方式根據(jù)信元重構包，以傳統(tǒng)方式基于IP地址進行路由選址，將包再次分段成信元，在下一ATM鏈路上傳輸。
正常情況下，包的路由尋址由軟件決定。如果軟件實現(xiàn)的路由尋址和前述包分段和重構相組合，則基于ATM的路由器網(wǎng)絡的操作將大大減慢。這種傳統(tǒng)路由尋址方法的實現(xiàn)也相當昂貴。
為了緩解這些缺陷，已開發(fā)出一種稱為IP交換的方法。IP交換基于流概念流(通常)是從同一源發(fā)往同一目的的一系列IP包。因此，一個流(通常)包括源和目的地址相同的IP包。例如TCP連接是一個流當打開TCP連接時，從源向目的發(fā)送一系列包。在IP交換中，路由器節(jié)點識別流并在網(wǎng)絡邊緣請求路由器給每個流的包配上一個唯一的流標識，例如一個唯一的VPI/VCI標識符。當屬于給定流的包配備了唯一的VPI/VCI標識符時，網(wǎng)絡內的路由器能夠利用通常的ATM交換，在信元層實現(xiàn)包轉發(fā)。因此，路由尋址不需要進入第3層(IP層)，而可以在第2層(ATM層)實現(xiàn)。
但是，以上現(xiàn)有技術方案的缺陷在于，它預先假定所有路由器都能夠識別流并前轉流信息。已知的路由器無法進行這樣的流控制。此外，該方案將在網(wǎng)絡中產(chǎn)生額外的業(yè)務量，因為路由器必須請求發(fā)送端路由器將流標識符插入包。
本發(fā)明目的是消除以上缺陷并提供一種方案，該方案改進了路由器容量，而不要求應用任何新的流量控制協(xié)議。
該目的通過獨立的權利要求書所定義的方案來實現(xiàn)。
本發(fā)明的思想在于，基于下層協(xié)議數(shù)據(jù)單元監(jiān)控較高協(xié)議層上兩個連續(xù)包之間的邊界，在每個不同包開始時，從下層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中讀取高層地址(包地址)。據(jù)此對包的第一數(shù)據(jù)單元進行路由選擇，之后只要下一數(shù)據(jù)單元中包括的下層連接標識符域第一數(shù)據(jù)單元相同，則相同的路由尋址自動應用到該數(shù)據(jù)單元。只要具有相同連接標識符的數(shù)據(jù)單元內容表明高層包仍在進行，則繼續(xù)自動路由選擇。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，下層數(shù)據(jù)單元是ATM信元；因此，本發(fā)明首先采用ATM適配層的特性，按照ATM適配層，信元消息頭中的1個比特表明是否是根據(jù)該包生成的最后信元。該比特是PTI域中的第3比特。本發(fā)明所采用的另一屬性是AAL5幀沒有可以利用單個VPI/VCI標識符進行信元復用的流標識域。因此，可以確信，通過同一虛連接傳送的，在指示包結束的信元之前的所有信元都屬于同一包。
由于按照本發(fā)明的方案不需要分段和重構包，所以路由器的吞吐量得以增加。這可以通過傳統(tǒng)路由器實現(xiàn)。因此，網(wǎng)絡中不需要附加的流控制協(xié)議，從而路由器也較為簡單，不會引起網(wǎng)絡的額外業(yè)務量。
下面通過附圖的例子，結合圖6和7詳細描述本發(fā)明及其優(yōu)選實施例，在附圖中圖l示出了可以應用本發(fā)明的環(huán)境；圖2說明了在包被發(fā)送到網(wǎng)絡之前，包的生成；圖3示出了IP包的結構；圖4a..4c示出了ATM信元的一般結構；圖5說明了ATM適配層5所完成的將包分段成ATM信元，以及根據(jù)ATM信元重構包；圖6的流程圖說明了本發(fā)明的方法；以及圖7是實現(xiàn)本發(fā)明方法的路由器的功能結構框圖。
在按照本發(fā)明的方案中，IP包的分段在前述網(wǎng)絡邊緣的節(jié)點中進行，ATM信元被發(fā)送到ATM傳輸鏈路。
如前所述，PTI域的最后一個比特(圖4a..4c中的比特號2)表明何時開始一個新的高層包(IP包)。如果該比特被置成1，則是IP包的最后信元，在這種情況下，下一包將以下一非空閉信元開始。用戶數(shù)據(jù)(非控制數(shù)據(jù))的PTI域具有值000或010，則該信元是包中的第一信元或者包中的一個信元。另一方面，用戶數(shù)據(jù)的PTI域具有值00l或011，則該信元是包中的最后信元。
如果ATM網(wǎng)絡中的路由器接收ATM信元，則可以基于PTI域的最后一個比特發(fā)現(xiàn)IP包的第一信元。按照本發(fā)明的路由器利用了該屬性。下面結合圖6予以描述，圖6說明了本發(fā)明的路由器操作。
開始時路由器監(jiān)控通過VPI/VCI連接到來的ATM信元中PTI域的第3比特值(步驟61)。只要該比特值保持為0，則繼續(xù)進行監(jiān)控。一旦檢測到任一虛連接的該比特已被置成1，則立即假定通過該虛連接的下一非空信元為包的第一信元。因此，該方法可以開始讀下一信元。在該信元到達之后，讀取其IP目的地址(步驟63)；從圖3中可以看出，該地址被映射成字段，使得它的位置總是固定在信元的凈荷字節(jié)13-17。根據(jù)讀取的目的地址，從路由表中找出與該地址相關聯(lián)的輸出端口的標識符(步驟64)，將該信元發(fā)送到該輸出端口(步驟65)。之后，通過所述虛連接監(jiān)控信元的PTI域，只要PTI域的第3比特保持為0，即只要包還在進行，則將所有信元都發(fā)送到同一端口(步驟66)。如果檢測到PTI域中的第3比特變成了1，則該方法在步驟62中繼續(xù)讀取下一非空信元。
圖7說明了路由器中包交換的一種可能實現(xiàn)。該路由器在輸入IN和輸出OUT之間包括3個連續(xù)部件A、B和C。部件A定義了與包地址相關聯(lián)的輸出端口，部件B完成到正確端口的路由尋址。部件C由輸出端口組成，其中可以例如為下一鏈路生成一個新的VPI/VCI標識符。
為了臨時存儲到來信元，在路由器的輸入配置了一個信元緩沖器70；該緩沖器讀取到來信元的地址(VPI/VCI標識符和PTI域)。如果信元緩沖器向IP地址檢索部件72指示了包的第一信元，則檢索部件從信元中讀取IP地址，將該地址傳送到內容可編址存儲器(CAM)73。內容可編址存儲器也稱為關聯(lián)存儲器；它是一個存儲位置基于其內容識別的存儲器。存儲器73根據(jù)該IP地址，將與該IP地址相關聯(lián)的輸出端口的地址返回給檢索部件。檢索部件將指示輸出端口的標識符傳送給配置處理71，后者據(jù)此定義一個可用的出VPI/VCI標識符，將輸出端口和出VPI/VCI標識符的數(shù)據(jù)寫入ATM交換機76(在對應該輸入端口和入VPI/VCI標識符的行中)的路由表(表T1)。每個包寫一次，因此屬于同一包(即具有相同VPI/VCI和相同輸入端口)的所有信元被交換到同一輸出端口，并接收同一出VPI/VCI對。
只要信元緩沖器70發(fā)現(xiàn)該包仍在繼續(xù)，并且包的VPI/VCI標識符與該包中的第一信元相同，它就將這些信元直接傳送到ATM交換機，后者基于其路由表完成路由選擇。這樣，在每個包開始時配置ATM交換機，之后該包中的所有信元自動切換到正確的輸出端口。
為了加快處理，內容可編址存儲器用作主路由表75的高速緩存。如果存儲器73中沒有發(fā)現(xiàn)IP目的地址，則信元可以緩存，通過傳統(tǒng)軟件檢索處理74直接從主路由表75搜索輸出端口。內容可編址存儲器基于檢索更新。
利用以上方法，可以大大加快包的路由尋址，路由器的配置也達到最簡。
以上提出的例子都與網(wǎng)絡層所用協(xié)議為IP的情況相關，這是該層所用協(xié)議的最常見情況。但是，按照本發(fā)明的方案并不局限于IP，也同樣適用于包具有標準格式地址，從而可以在下層數(shù)據(jù)單元中發(fā)現(xiàn)該地址的任一其它(網(wǎng)絡層或更高層)協(xié)議。盡管按照本發(fā)明的方案主要用于網(wǎng)絡傳送ATM信元，但該方案并不局限于此，下層可以采用任一協(xié)議，只要在該協(xié)議數(shù)據(jù)單元中能夠識別較高協(xié)議層數(shù)據(jù)單元(包)間的邊界。
原則上也可能在第一數(shù)據(jù)單元中無法立即發(fā)現(xiàn)上層地址(取決于數(shù)據(jù)包中該地址的位置)，而必須存儲該第一數(shù)據(jù)單元，直至發(fā)現(xiàn)了上層地址。
盡管以上結合按照附圖的例子解釋了本發(fā)明，但需要理解，本發(fā)明并不局限于此，在此后附權利要求書所提出的創(chuàng)新思想范圍內可以進行改進。
權利要求
1．一種在利用路由器(RT1…RT6)傳送數(shù)據(jù)包的包交換電信網(wǎng)絡中傳送數(shù)據(jù)包的方法，按照該方法，將需要傳送的數(shù)據(jù)包(30)分段成較低協(xié)議層數(shù)據(jù)單元(50)，在網(wǎng)絡中的路由器間傳送，其特征在于，在網(wǎng)絡的路由器中-根據(jù)到來的數(shù)據(jù)單元(50)，監(jiān)控兩個連續(xù)數(shù)據(jù)包(30)之間邊界的出現(xiàn)，-在檢測到數(shù)據(jù)包開始之后，從數(shù)據(jù)單元中讀取該數(shù)據(jù)包的目的地址，-搜索單個數(shù)據(jù)單元的與目的地址相關聯(lián)的輸出端口，將該數(shù)據(jù)單元尋路到輸出端口，-只要連接標識符與所述數(shù)據(jù)單元相同的所有其他數(shù)據(jù)單元的內容表明數(shù)據(jù)包仍在繼續(xù)，則根據(jù)所述多個數(shù)據(jù)單元所包含的連接標識符直接進行這些所有其他數(shù)據(jù)單元的路由尋址。
2．根據(jù)權利要求1的方法，其中所述分段數(shù)據(jù)單元是ATM信元，其特征在于，基于到來信元的消息頭中PTI域監(jiān)控兩個連續(xù)包間邊界的出現(xiàn)以及包是否仍在繼續(xù)。
3．根據(jù)權利要求2的方法，其中高層包是IP包，其特征在于，從包中的第一信元讀取目的地址，且僅搜索包中第一信元的輸出端口。
4．根據(jù)權利要求3的方法，其特征在于，首先從內容可編址存儲器(73)中檢索與目的地址相關聯(lián)的輸出端口，其中目的地址作為輸入提供給內容可編址存儲器(73)。
5．一種在包交換電信網(wǎng)絡中傳送包的路由器裝置，在該網(wǎng)絡中需要傳送的數(shù)據(jù)包(30)被分段成較低協(xié)議層數(shù)據(jù)單元(50)，在網(wǎng)絡中的路由器間傳送，該路由器裝置包括-第一讀取裝置(70、72)，用于讀取數(shù)據(jù)包的目的地址；-第二讀取裝置(70)，用于讀取到來數(shù)據(jù)單元的連接標識符；-監(jiān)控裝置(70)，基于到來數(shù)據(jù)單元監(jiān)控兩個連續(xù)包間邊界的出現(xiàn)；-確定裝置(74,75)，用于確定與讀出的目的地址相關聯(lián)的輸出端口；-交換裝置(76)，用于將數(shù)據(jù)單元路由尋址到所需輸出端口；其特征在于，-所述第一讀取裝置響應于檢測到每個包的開始，直接從較低協(xié)議層數(shù)據(jù)單元中讀取，并且路由尋址裝置還包括-配置裝置(71)，用于在每個數(shù)據(jù)包開始時配置交換裝置，使得只要該數(shù)據(jù)包仍在繼續(xù)，其連接標識符與包中第一數(shù)據(jù)單元相同的數(shù)據(jù)單元就被直接尋路到與所述第一數(shù)據(jù)單元相同的輸出端口。
6．根據(jù)權利要求5的路由器裝置，其中確定裝置包括路由表和軟件檢索處理(74)，其特征在于，確定裝置還包括內容可編址存儲器(73)，充當路由表的高速緩存。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用路由器傳送包的包交換電信網(wǎng)絡中的包傳送。需要傳送的數(shù)據(jù)包被分段成較低協(xié)議層數(shù)據(jù)單元，在網(wǎng)絡中的路由器間傳送。為了以盡可能簡單的方式加快包傳送，(a)根據(jù)到來的數(shù)據(jù)單元(50)，監(jiān)控兩個連續(xù)數(shù)據(jù)包(30)之間邊界的出現(xiàn)，(b)在檢測到數(shù)據(jù)包開始之后，從數(shù)據(jù)單元中讀取該數(shù)據(jù)包的目的地址，(c)搜索單個數(shù)據(jù)單元的與目的地址相關聯(lián)的輸出端口，將該數(shù)據(jù)單元尋路到該輸出端口，(d)只要連接標識符與所述數(shù)據(jù)單元相同的所有其它數(shù)據(jù)單元的內容表明數(shù)據(jù)包仍在繼續(xù)，則直接根據(jù)所述多個數(shù)據(jù)單元所包含的連接標識符進行這些數(shù)據(jù)單元的路由尋址。
文檔編號H04L12/56GK1238875SQ97180142
公開日1999年12月15日 申請日期1997年10月27日 優(yōu)先權日1996年10月29日
發(fā)明者瑪?shù)凇ず諣柨茖?申請人:諾基亞電信公司