专利名称：连续交换的虚拟底盘的制作方法
技术领域：
本发明涉及可堆栈数据交换机的系统集成。更具体地说，本发明涉及一种在多个可堆栈交换机之间提供管理和交换的方法和系统。
背景技术：
在数据通信网络中，分组交换机，包括多层交换机和路由器，用于操作上连接多个节点，实现信息分组的交换。独立运作而不需要共享背板(backplane)的交换机具有多个端口和一个内部交换设备，用于将入口端口所接收的入分组导向适当的出口端口。在现有技术的某些实现中，通过将交换机的多个选定端口连接在一起，生成一个环，来连接多个独立交换机，从而提高交换能力。这些交换机，有时也叫做堆栈交换机，经常在客户前端同时使用。但是，即使在工作中相连，堆栈交换机系统仍然保留着单个交换机本身具有的许多特性和缺陷。例如，网络管理员一般必须将每个交换机作为单独的设备进行管理。此外，两个堆栈交换机之间的交换与两个完全独立的交换机之间的交换方式基本相同。因此，需要一种装置能够简化管理功能，利用互连交换机系统更有效地集成和分配交换机系统之间的资源。
发明内容
优选实施方式将多个单独的堆栈交换机集成为一个具有共同配置和管理体系结构的统一的交换机系统，从而生成了一种类似虚拟底盘的交换机系统。这些交换机最好是堆栈交换机，可以通过局域网(LAN)分布，不一定位于同一地点。优选实施方式还支持分布式交换环境中的防故障装置，尽量减小例如因服务拒绝攻击(病毒)而导致堆栈交换机无法工作所引起的破坏后果。在另一优选实施方式中，堆栈交换机具有一张系统范围的地址表，以及服务质量映射矩阵，每个交换机可以利用它们有效地提供系统带宽和其它共享资源。
本发明通过例子，以及附图来说明，但本发明并不局限于此，在附图中图1是可以采用优选实施方式的集成交换管理系统(ISMS)的交换机系统的功能框图；图2是按照本发明优选实施方式的堆栈交换机设备的功能框图；图3是按照本发明优选实施方式，相互连接的多个交换设备的概图；以及图4是按照本发明优选实施方式的集成交换管理方法的流程图。
图5是按照本发明的优选实施方式的分组处理器。
图6示出了一个更为详细的地址表。
图7示出了一个三维的服务质量矩阵。
具体实施例方式
图1说明了可以采用优选实施方式的集成交换管理系统(ISMS)的交换机系统的功能框图。交换机系统100包括分组交换网络中的多个交换设备102-104。优选实施方式中的网络可以是互联网协议(IP)网络、宽域网(WAN)、城域网(MAN)，或者是这些网络的某种组合，也可以连接到这些网络。
在优选实施方式中，交换设备102-104用以实现开放系统互连(OSI)参考模型所定义的第二层(数据链路层)和第三层(网络层)上对协议数据单元(PDU)的交换和路由寻址操作，尽管它们也可以完成第4-7层的交换操作。交换设备102-104最好是堆栈交换机，彼此通过一个或多个端口操作上连接，本领域技术人员将这些端口称为堆栈端口。堆栈端口最好是一个标准的网络端口，例如电子电气工程师协会(IEEE)802.3标准所定义的以太网端口，能够支持标准的交换操作。每个可堆栈交换设备102-104一般充当集成交换机系统中的一个部件，或者作为独立的网络桥、交换机、路由器或者多层交换机。可堆栈交换机一般配备有一个内部的交换设备，将该交换机的每个端口连接到交换机的所有其它端口。但是，没有交换设备连接交换机系统的端口。
下面将会详细描述，多个交换设备102-104拥有一个中央管理模块(CMM)112-114。CMM的主要目的是管理交换机系统100，集成交换机系统100中的交换机资源，以及在交换机系统100中同步各种资源。一旦交换机系统100的资源集成并与每个交换设备同步，网络管理员只需要通过单个交换设备接口就可以察看和管理整个交换机系统。
在任何给定的时刻，多个交换设备中只有一个交换设备的CMM能够活跃地管理交换机系统100。该特定交换设备在本申请中称为主交换设备。还可以使用第二交换设备，称为辅交换设备，来提供冗余性。其它交换设备的CMM保持闲置，直到其CMM被激活并充当主CMM或辅CMM。
主交换设备102与其它交换设备103-104的区别在于存在活跃CMM，称为主CMM112。主CMM 112负责编译从每个其它交换设备103-104得到的拓扑信息，在交换机系统100中传播该信息，并发送CMM指派消息，用以建立管理架构。在优选实施方式中，第二交换设备103拥有辅CMM 113，它在主CMM 112故障或者无法管理交换机系统100时接替主CMM。一个或多个其它交换设备的每一个，除了主交换设备102和辅交换设备103之外，最好都能充当主或辅CMM，尽管这些设备的CMM一般保持闲置，直至被激活。
优选实施方式的集成交换管理系统采用了某种标识方案来唯一确定每个堆栈交换机，定义指派主管理责任的缺省次序。尽管每个堆栈交换机都与相同的IP地址相关联，每个堆栈交换机都指派了一个唯一标识以便管理。具体来说，每个堆栈交换机，也称作一个部件，由交换部件标识符表示。在优选实施方式中，部件标识符通过部件指派机制来指派，这种机制将缺省部件号“1”指派给主堆栈交换机，将缺省部件号“2”指派给辅堆栈交换机。在必要时，后续堆栈交换机可以按照逐次增高的数字次序指派为主或辅CMM。部件指派机制，最好是硬件机制，应当在两次重启之间保持不变，以免在交换机系统100增加一个新部件，或者取走一个已有部件时，不会干扰其它部件的部件指派方案。
利用部件标识符，网络管理员能够通过一个方便的接口配置交换机系统100并输入管理命令。为了配置已有端口或者增加端口，例如，管理员只需要指定端口号和相关联的部件号。这样，交换机可堆栈系统的所用的总的配置和管理体系结构基本上与用于单个交换机的相似，从而给管理员一个交换机系统集成在虚拟底盘上的感觉，而与这些部件的空间分布以及没有共享背板无关。
图2给出了按照本发明优选实施方式的堆栈交换机设备的功能框图。交换设备200最好包括分组处理器202，配置管理器204，端口状态管理器206，底盘监控器208，以及包括堆栈管理器212的CMM 210。分组处理器202完成通过内部数据总线220从多个网络接口模块(NIM)222接收到的PDU的交换和/或路由寻址操作。这些操作包括一个或多个OSI参考模型层上的帧解析，源点分析，确定下一跳，分类，封装，过滤，缓存以及调度。
CMM 210的主要作用是在接收到指派时，执行集成交换设备系统100的交换操作所必需的各种管理操作。也就是说，CMM 210只有在它被指定为主CMM或辅CMM时活跃并工作。如果不是主或辅CMM，该CMM最好保持闲置。CMM中集中的管理操作包括每个交换设备上管理信息的同步，管理信息清单包括MAC地址表，路由寻址表，解析协议(ARP)表，VLAN成员表，接入控制清单(ACL)规则，组播组成员表，以及链路集合端口，但并不局限于这些。根据管理信息的类型，主CMM被配置为活跃地得到并编译其它交换设备的信息，监控来自其它交换设备的捕获和其它广告，用来改变该设备的管理信息，或者这两者的综合。
在优选实施方式中，CMM 210还包括一个堆栈管理器212，它与CMM一样，出现在交换机系统100的每个交换设备上，但只有在主CMM上活跃，在某些情况下，在辅CMM上活跃。堆栈管理器212的主要作用是发现虚拟底盘的拓扑，然后将它报告给底盘监控器208。可以通过描述拓扑的虚拟底盘路由寻址表来确定从一个部件到每个其它部件的最短路径。发现协议最好是与唯一协议标识符相关联的第二层协议。发现消息可以分发给某个广播地址，直到一个或多个部件的MAC地址被识别出来。
在发现阶段，堆栈管理器获得以下信息MAC地址、分配的时隙(slot)号、栈100中不同部件的端口类型。栈管理器或者确定它知道了整个拓扑，或者发现时间过期，前进到第二阶段。在第二阶段中，管理任务被指派到每个部件。有三种可能的任务主CMM、辅CMM和闲置。做出指派的决定条件最好基于部件号。选择时隙号最低的部件作为主CMM，次低的时隙号作为辅CMM。
在一些实施例中，栈管理器212还负责检测损失的部件，附加部件的插入(引起的产生)，从栈中移走一个部件(引起系统关闭)，确定相关CMM 210的工作状态，将上述信息报告给底盘监控器208。
在优先实施例中，端口状态管理器206通过端口状态信号230、232监视多个网络端口的状态。端口状态信号230警告端口状态管理器206相关的通信链路被禁用或者不活跃。下面将会详细描述，端口状态管理器206将链路故障报告给配置管理器204，后者将故障报告给例如交换机系统100中的主CMM。如果该交换设备是主交换设备，则将链路故障报告给主CMM 210。如果该CMM或另一交换设备充当主CMM，配置管理器204将链路故障报告以捕获的形式给主交换设备。
底盘监控器208产生控制消息，用以将CMM指派通知给一个或多个其它交换设备。具体来讲，底盘监控器208对应于主CMM，负责将主CMM的标识告知系统100中的每一个其它交换设备。在优选实施方式中，底盘监控器208能够支持通信协议，例如国际电子电气工程师(IEEE)标准的处理器间通信(IPC)协议。
图3是按照本发明优选实施方式，操作上连接的多个交换设备的概图。系统100的多个交换设备102-104通过一个完整的全双工环连接。该双工环包括一个双工通信链路320-323，每一个通信链路320-323连接多个交换设备102-104中两个交换设备的网络端口。通过以这种方式连接交换设备102-104，可操作交换设备可以绕过任何交换设备的故障或者任何通信链路320-323，尽量减小对网络和ISMS的干扰。
图4是按照本发明优选实施方式的集成交换管理方法的流程图。在CMM指派步骤402中，第一交换设备102的CMM被指派充当主CMM，第二交换设备的CMM被指派充当辅CMM。这种指派最好通过一种不大可能被用户无意改变的机制来实现，例如硬件机制。
一旦指派了主和辅CMM，主CMM生成一个或多个指派消息(步骤404)，发送给每一个其它交换设备。这些指派消息将主CMM指派通知给每个接收者。在优选实施方式中，与主CMM关联的栈管理器发送消息给底盘监控器，该消息中有CMM指派和系统100中的部件清单。IPC随后将当前拓扑的信息告知给每一个其它部件。在优选实施方式中，告知其它部件的信息包括主CMM和辅CMM的部件标识，以及本地时隙的标识。
在接收到指派消息时，接收部件的栈管理器指派适当的状态或任务给底盘监控器。在既不是主CMM也不是辅CMM的部件上，栈管理器要求底盘监控器进入闲置模式。闲置模式允许栈重用不充当主CMM的部件上的底盘监控所提供的功能。
如更新步骤406所示，包括辅CMM或一个或多个闲置CMM的交换设备报告配置信息给主CMM，以便管理。同步步骤408中的主CMM随后发送更新的配置信息给辅CMM以同步它们的数据库。重复由辅CMM和闲置CMM生成配置信息更新，并发送给主CMM的过程，直至故障检测步骤410给出肯定应答。
在主CMM故障时，优选实施方式中的辅CMM利用例如保持活跃(keep-alive)来尝试证实存在实际故障。在证实主CMM或者连接到主CMM的通信链路故障时，辅CMM接替为新的主CMM(步骤412)。新的辅CMM最好通过选择产生，它例如可以是查找下一部件标识。新的主CMM向交换机系统的交换设备报告新的主和辅CMM的指派(步骤402)。新的辅CMM随后准备在新的主CMM故障，并且ISMS退到新的辅CMM时，充当主CMM。通过这种方式，可以在所有时候都保持连续的虚拟底盘交换操作。
图5是按照本发明的一种优选实施方式，完成部件间业务质量(QoS)的分组处理器。分组处理器202仿效操作上连接到基于底盘的路由器配置上多个叶片(blade)的交换设备。分组处理器202一般包括路由寻址引擎530，以及一个队列管理器540。路由寻址引擎530处理通过数据总线220从多个网络接口模块(NIM)222接收的入口数据流量550。该业务量随后被转发给队列管理器540，然后以出口数据流量552的形式将数据发送给NIM 222。
优选实施方式的路由寻址引擎130包括一个分类器532，一个转发处理器534，地址查找表536，部件间QoS(CEQ)规则536。分类器532一般析取入口PDU 550的一个或多个域，包括源和/或目的地址，协议类型，以及优先级信息；搜索地址表536以确定PDU被转发到哪里，如果可行，该PDU将被转发到的节点的下一跳MAC地址；并且按照CEQ规则536，基于一般由网络管理员定义的各种条件QoS政策指定PDU的优先级。
图6中更为详细给出的地址表536，它一般包括已知MAC目的地址610的第一列，分类器532比较该地址和从进入的PDU中析取的目的MAC地址。已知MAC地址610的清单最好包括可以通过交换系统100中每个交换设备的所有端口到达的每个节点的地址。如果发现了精确匹配，分类器532检索发送PDU的特定交换设备的本地出口端口620。如果目的地节点能够通过交换系统100的其他交换设备之一到达，地址表536还包括一个出口部件号630和远端出口端口号640。出口部件号630代表了PDU到达目的节点必须经过的路径上的部件标识符，而远端出口端口号640代表了发送带有目的地址的PDU 610的出口部件630的出口端口。在优选实施方式中，出口部件630可以是交换机系统100中多个交换设备的任何一个。出口部件630接收PDU的部件在这里被称为入口部件。
如果地址表536中没有检测到匹配，分类器532将流映射到适当的流类别，以应用QoS。在优选实施方式中，QoS政策体现在部件间QoS(CEQ)规则538上，它控制了PDU如何根据入口部件/入口端口，出口部件/远端出口端口，以及优先级，通过交换机系统100传播。交换机系统的CEQ规则538包括4个可堆栈交换机，每个可堆栈交换包括8个以太网端口，它们在图7的三维QoS矩阵700中概要地示出。入口交换部件/端口在纵轴上表示，其中端口号1-8与第一交换部件关联，端口号9-16与第二交换部件关联，端口号17-24与第三交换部件关联，端口号25-32与第四交换部件关联。位于1-32之间的出口交换端口号与入口端口号相似，在纵轴上表示。对每一个入口端口和出口端口对，优选实施方式中的QoS矩阵700进一步划分成8个可能的优先级值，沿第三维表示。优先级值一般对应于进入的PDU优先级，例如802.1p优先级。适当的QoS规则可以从QoS矩阵700中得到，其位置由入口端口/远端出口端口对和优先级的关联组合确定。
如果入口部件和出口部件相同，从QoS矩阵700的斜线区域740得到QoS规则或者指向它的指针，随后用于定义将PDU发送给适当的NUM 222的优先级。如果入口部件和出口部件不同，从QoS矩阵700的非斜线区域得到QoS规则或者指针，用于定义将PDU通过入口部件和出口部件之间的一个或多个堆栈交换机链路发送的优先级。例如，与802.1p值＝1，从第2交换部件710的第7端口(入口端口号＝15)接收到，并且发往第4交换部件720的第8端口(入口端口号＝32)的入口PDU相关联的QoS规则从与点730相关联的存储器单元得到。
在优选实施方式中，QoS规则包括一个加权，用以对交换机系统100内的PDU进行排队。这个内部队列加权具体定义了PDU在从入口交换部件传输到出口交换部件过程中所提供的优先级。在优选实施方式中，内部队列加权与本地出口端口队列Q1-Q8的优先级相关联，可以与入口PDU相关联的优先级加权相同或不同。
一旦分类器532确定了至少本地出口端口和根据CEQ规则538的内部队列加权，转发处理器534一般完成准备将数据传送到下一节点所必需的一些或者全部分组操作。这可以包括，例如用一个新的数据链路层消息头对网络层分组进行重新封装，该消息头包括该分组接下来将会转发到的节点的MAC地址。在一些实施例中，转发处理器534将操作码追加在传播给出口部件的帧，用以通知任意中间部件该帧需要通过，传到出口部件方向上的端口。在将帧交换到前面确定的远端出口端口之前，可以在出口部件中取消操作码。
在转发处理器534之后，入口流的PDU从路由选择引擎530传送到队列管理器540，在传输到适当的本地出口端口之前，它们在队列管理器540中缓存。队列管理器540由多个队列存储器(QMEM)542-543以及队列调度器544组成。每个队列存储器542-543与某个本地出口端口相关联，包括多个分组缓冲器，也就是队列Q1-Q8。PDU缓存在与内部队列加权相关联的优先级队列Q1-Q8之一。发往出口部件的分组在与两个堆栈端口之一相关联的队列存储器中排队。这两个端口中哪一个代表了入口部件和出口部件之间的最短路径一般由虚拟底盘路由寻址表决定。
队列调度器544随后协调每个队列存储器542-543的多个队列Q1-Q8的PDU输出。在优选实施方式中，调度器544完成部件输出的时分复用，为每个队列提供一定量的带宽，这与队列的优先级以及在该优先级的队列数量有关。可以采用多个队列加权方案中的任何一个来有效利用带宽，同时优化为队列分配少量带宽的公正性。加权公正排队(WFQ)以及轮转是本发明可以采纳的最为著名的两种排队方案。
与每个入口/出口部件对相关联的不同队列可以按照优先级分组，确保最高优先级流量优先于较低优先级的流量。例如，与每个入口/出口部件对相关联的最高优先级队列Q1可以由调度器544以轮转方式提供服务，直至队列为空。在最高优先级之后，调度器可以再次利用轮转，进一步服务于与每个入口/出口部件对相关联的下一较低优先级队列。在再次返回到最高优先级队列之前，每个低优先级都可以得到服务。
尽管进行了以上描述，但不应当理解为是对本发明范围的限制，而只是提供了对本发明的一些当前优选实施方式的说明。
因此，本发明通过例子公开，但不局限于这些例子，应当参照后附权利要求书来确定本发明的范围。
权利要求
1.一种在堆栈交换机系统中提供防故障操作的方法，该方法包括(a)为多个堆栈交换机中的每一个指派一个唯一标识符，该标识符指定了各个交换机的管理层次；(b)为多个堆栈交换机中的第一堆栈交换机指派一个或多个堆栈管理功能，第一堆栈交换机是多个堆栈交换机管理层次中的第一个；(c)如果第一堆栈交换机无法执行一个或多个堆栈管理功能，自动指派所述一个或多个管理功能给多个堆栈交换机中的第二堆栈交换机，第二堆栈交换机是多个堆栈交换机管理层次中的第二个。
2.根据权利要求1的方法，其中堆栈管理功能包括同步多个堆栈交换机中的一个或多个堆栈交换机所维护的一个或多个数据库。
3.根据权利要求2的方法，其中一个或多个数据库包括多个堆栈交换机的拓扑信息。
4.根据权利要求3的方法，其中拓扑信息包括通过多个堆栈交换机的任意一个交换机的一个端口可以到达的所有节点的地址。
5.根据权利要求4的方法，其中节点的地址是媒质访问控制(MAC)地址。
6.一种在多个堆栈交换机中提供防故障操作的堆栈交换机，该堆栈交换机包括(d)多个端口，包括连接该堆栈交换机到多个堆栈交换机的至少一个堆栈端口；以及(e)与唯一标识符相关联的通信管理模块，唯一标识符指定了该堆栈交换机相对多个堆栈交换机的管理层次；(f)其中在该堆栈交换机变成多个堆栈交换机的管理层次中的第一个时，通信管理模块完成一个或多个堆栈交换机管理功能。
7.根据权利要求6的堆栈交换机，其中一个或多个堆栈交换机管理功能包括同步多个堆栈交换机的管理信息。
8.根据权利要求7的堆栈交换机，其中所述管理信息包括与多个交换机中的每一个相关联的拓扑信息。
9.根据权利要求6的堆栈交换机，其中该堆栈交换机还包括一个堆栈管理器，在该堆栈交换机变成多个堆栈交换机的管理层次中的第一个时，(g)发现多个堆栈交换机的拓扑；以及(f)生成多个堆栈交换机的每一对堆栈交换机之间的最短路径。
10.根据权利要求9的堆栈交换机，其中该堆栈管理器在该堆栈交换机变成多个堆栈交换机的管理层次中的第一个时，检测多个堆栈交换机中堆栈交换机的插入和移出。
全文摘要
本发明将多个单独的堆栈交换机集成为一个具有共同配置和管理体系结构的统一的交换机系统。这些交换机最好是堆栈交换机，可以通过局域网(LAN)分布，不一定位于同一地点。一种优选实施方式支持防故障装置，尽量减小堆栈交换机无法工作所引起的破坏后果。在另一优选实施方式中，堆栈交换机具有一张系统范围的地址表，以及服务质量映射矩阵，每个交换机可以利用它们有效地提供系统带宽。
文档编号H04L12/24GK1801719SQ20041008712
公开日2006年7月12日 申请日期2004年11月1日 优先权日2003年10月31日
发明者哈帕尔·曼, 文森特·马格里特, 米歇尔·古德温, 埃里克·吉纳, 罗纳恩·勒居昂 申请人:阿尔卡特互联网运行公司