专利名称：控制数据通信会话的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据通信系统，特别涉及在数据通信系统中，对数据通信会话和包含数据通信会话的单一流的控制。
背景技术：
大型数据通信系统包括由诸如交换机、网桥、网关和路由器等设备互连的多重网络。一些网络设备能够单独执行所有这些功能。这些网络设备的主要用途为从一个网络终端或用户端向另一个终端传输数据。该网络设备包括专门的模块，用于确保数据经过网络中数据源和数据目的地之间的最优路径准确和有效地传输。对数据以多个绑定(bundles) 或数据包(packets)的形式进行传输或转发。数据包的结构符合一定的协议，诸如网际协议版本4 (IPv4或IP)或多协议标签交换(MPLS)。目前，大型IP网络很少只受单独一个权限的控制，而是多个独立控制和管理的网络被连接在一起。如梅特卡夫法则(Metcalfe)那样，网络的价值随与其连接的其它网络的数量而以指数方式增长。当IP网络被连接在一起时，相互连接的接口必须具有一定功能。 这些功能使各个网络的管理员能够控制他们各自的网络被其它网络访问的方式，由此对其它网络保密某些信息。在转发数据包的过程中，网络设备能够检测每个数据包头部中的字段，该字段将多个数据包关联成为一个整体，通常被称为流。能够识别数据流和维持必要的流状态信息的网络设备被称为流感知型或流状态型设备。流中的数据包经常作为有两个终端参与的特定会话的一部分在两个终端之间传输。如果单一流或多个流通过控制协议信号信息、或通过数据包的数据中的签名相关，则其可与会话关联。该流-会话的关联存在于网关路由器等的会话感知型设备。会话的一个实际例子可以是用户“播放器”计算机与视频“服务器”计算机之间的视频会话，后者起到视频库的功能。在视频会话中，视频用户端和服务器可以具有针对视频部分和音频部分的分开的流。一个单独的视频会话可以是包含发往网络中不同终端的上百个视频和音频流所组成的多方会话视频会议应用的一部分。视频会议信号协议诸如会话初始化协议(Session Initiation Protocol :SIP)能够提供用于将发到各个视频会话的流关联的网关路由机制。一个多功能网络设备能够利用一个单独的物理单元实现数据包转发， 感知流，感知会话。网关也能够进行网络协议转换。两个连接的网络可以使用不同的协议，比如IP版本4和6，需要将网关功能在这两个协议之间转换。例如，一个网络可能希望对于其它网络隐藏某些用户的地址。网关能够提供网络地址转换(“NAT”)或网络地址协议转换(“NAPT”)
3功能。网关的另一个作用为启动或终止封装数据包到附加的头部分的通道，以便透明地通过网络段。这样的应用在每个需要进行IPv4-IPv6转换或IPv6-IPv4转换的流上维持流的状态。这样的应用也可以包括维持会话状态信息，使来自共同源地址或目标地址的多个流归于单个“用户(subscriber) ”或“终端使用者”会话之下。在网络设备检测到流的存在后，网络设备执行关于该流的多种功能(以下，称为 “流状态功能”、“流状态监视”或“流状态控制”)，比如报告该流相关的统计量(例如，该流中被传送的数据量，该流存在的持续时间)或监视该流是否超出分配给该流或与该流相关的会话的服务等级协议(SLA)带宽。如果超出SLA的带宽，该流中的一些数据可能被丢弃来将该流恢复到协议带宽的限制下。在一些情形下，例如IPv4的源或目标地址等数据包头部的静态字段足够使网络设备启动或禁止所希望的流状态功能。但在另外的情形下，启动或禁止所希望的流状态功能的判断可能仅需要查找一些数据包中的头部字段。在进一步另外的一些情形下，网络设备检查与流或与该流相关的会话关联的数据包和传输特性，比如被传输的数据包的大小、 被传输的速率、或者流或会话存在的持续时间。网络设备也可使用不同的控制或路径协议， 比如，边界网关协议(BGP)或SIP，交换与“带外”的会话及其流相关的信息。由关于进行中的终端对终端会话的控制协议取得的信息能够用来以前述的方式监视或控制会话的特征。流感知型和会话感知型网络设备能够识别和响应网络和会话及流自身的条件的变化。要解决的一个关键问题是，这些流和会话存在于网络的程度，以及它们的动态性质 (dynamic nature)(例如，有多少流和会话与网络连接和断开)尺度。要为成千上万的这些事件以及数百万同时发生的流和会话维持状态信息的流感知型和会话感知型路由器需要数量庞大的硬件和软件资源及容量。在现有技术中，改进网关功能所亟待解决的问题是设计必要的功能的尺度。网关功能通常必须应用于数据包流中的每个数据包。网关必须快速地工作，因为若延时超出一定范围将导致受到影响的会话失败。特别是对时延敏感的应用，例如，交互式声音和视频， 这一问题更为突出。另外，网关必须将跨过多个单一接口的多个会话多重化。网关必须为每个数据包查找与会话关联的信息、向数据包适用与该信息相关的指令、更新与数据包相关的会话配置信息、向目的地发送数据包。因为会话参数由于配置的改变或会话控制协议状态的改变而可能随时改变，网关必须能够快速更新会话环境(session context)。需要一种用于更新所希望的流性能的“带内”机制，或会话中的“处理”，以便其能够随当今的数据通讯网络中需要的流和会话的数量以及连接和断开连接的数量而高度扩展。现有的技术通常在数据和控制层之间使用共享内存来通信流状态的改变。然而， 使用直接“注入”更新信息到数据路径，来方便流状态信息改变的方法和装置对数据层的数据包转发和分类等其它功能只有有限的作用。
发明内容
本发明提供一种方法和装置，其适用于存在于大型数据通信系统的、流感知型和会话感知型网络传输流(traffic)的路由、切换或网关设备，或者一种网络监视的设备。流感知型和会话感知型路由、切换、网关，或监视设备能够使网络数据传输流(traffic)通过，在监视设备的情形下，如果传输在上游节点被镜像或复制，该传输可以终止于该监视设备，而使得该传输的一个副本传给被分配的目的地、一个副本被传给监视设备来搜集关于该传输流的统计量和/或特征。本发明的设备可编程、可配置，具有专门的软件和硬件来提供配置和执行所需要的流和会话的状态监视和控制功能的手段。本发明的网络设备可包括三个基本的功能模块1.数据层其进行数据包转发、分类、签名识别、和流状态维持(即，“流感知型”)， 其能够以有限的码复杂度以及存储元件被优化，实现高速和确定的运行速度。2.控制层其为网络设备能够使用的专门的控制和路由协议维持会话状态信息 (即，“会话感知型”)，以与其它设备通信，并能以大的可利用的存储器和不确定的码运行速度针对码复杂度被优化。3.管理层其配置和管理网络设备，并可被优化以实现人-机交互的灵活性。配置信息能够被下传给数据层和控制层，并能够命令每一层如何管理和控制流和会话状态。当数据包传输流进入网络设备，网络设备中专门的数据层硬件和软件能够识别数据包头部中的字段和数据包的数据部中的签名。数据层硬件和软件将数据包的序列或数据包流(stream)指定为流(flow)的一部分。头部的字段或签名的数据层的识别能够引发一个传递到网络设备的控制层的事件。一旦控制层通过数据层得知该流的存在，其可基于静态配置信息或动态事件响应机制， 修改该流所属的会话的数据层的处理。通过控制协议信息的交换引发这些事件响应机制。 事件响应也可以由于流或会话自身特征改变而引起，例如越过一定的阈值、或与由配置或控制协议信息交换定义的某个二级或三级签名模式匹配。控制层能够通过将带内消息发送到应用于会话的特定的流的数据层来修改数据层流处理。这些消息可在流的存在期内重复发送，从而多次修改同一个流的状态信息，或在流的存在期内在不同时段修改流状态信息的不同片段。这是本发明的方法和装置的一个特征对数据层流状态进行会话感知型控制层的修改。
图1为本发明的方法的实施方式中数据通信系统或网络的高层阶概要图；图Ia为数据包的说明图；图2为数据包流进入数据层处理元件和数据包相关的流状态的建立的说明图；图3为表示本发明的方法的实施方式中流和会话层级的图表；图4为本发明的方法的实施方式中网络设备的主要内部元件的说明图；图5为向流添加状态信息的各数据层元件的说明图；图6为控制层会话状态信息和控制协议状态信息的说明图；图7为表示控制层如何更新由流过网络设备的数据包的流建立的流状态的说明图；图8为可实现图1 7所示的系统和方法的网络计算机系统。
具体实施方式
参照图1 8说明本发明的装置、系统和方法的各实施方式。如图1所示，数据通信网络100具有多个网络设备102，比如交换机、网关、路由器或其它任何已知的和/或适宜的设备。设备102能够从发起源106向指定的目的地106，或向使用诸如网际协议版本4(IP v4)或其它任何已知的和/或适宜的协议的互连线路110上的目的地发送基于数据包的传输流(traffic) 104。每个转发数据包104的网络设备102也可作为网络中继102。数据通信网络100的运营者可能对知道网络中的数据包传输流104的类型和范围感兴趣。网络的运营者还会发现，根据网络运营者与源与目的地设备106之间达成一致的服务级别、并且/或者基于其它任何已知和/或适当的原因，对于一定类型的传输流104给予优惠处理(例如，增加带宽)或施以惩罚处理(例如，丢弃超出一定带宽阈值的数据包)很有用。此外，网络运营者也可自主地对终端用户106的流108的类型分类，并对这些被分类的流108的类型给予优惠或惩罚处理。网络运营者还可在网络，比如路由器网关114或其它任何已知和/或适宜设备的会话感知型节点中，对一定类型的会话112给予优惠或惩罚处理。在上述情况和例子中，使用本方法的机制，网络设备102能够在流108 的存在期间对传输流进行识别，并且/或者将其分类到流108和/或维护历史状态信息。如图Ia所示，数据包104包括数据包头部118中固定的预定义的字段116和包数据122中未固定的公知签名120，其不仅能够唯一识别源和目的地设备106，也能够唯一地识别正在设备问进行处理的流108。而且，改变数据包头部118字段来“标记”(marking)数据包104，可作为另一种可以应用的处理的类型，下游网络设备102可利用该处理类型将其自身独特处理应用于数据包104。因为想在数据通信网络100中看到并调整数据包传输流104，网络运营者可配置网络设备102以对数据包传输流104进行识别、分类和处理。如图2所示，网络设备102的管理层200可方便配置，以便操纵载体(bearer)的元件实时控制传输流104，数据层204和控制层202分别对数据包传输流104执行需要的操作。数据层204的配置信息208包括识别指定的传输流104的类型或模式的“识别”的详细信息。控制层202的配置信息206包括“识别”和“处理”的详细信息。控制层202对数据层204提供触发机制来从流状态408 的创建时间(例如当数据包104第一次被识别时)所建立的缺省信息412更改与流108中的数据包104相关的状态信息。当控制层202和数据层204配置好时，通过网络互连线路110的载体和控制数据包104进入网络设备100。可编程并可配置的数据层处理元件410扫描数据包104，寻找预先定义的数据包头部字段400和/或动态包数据签名404，来对数据包104所属的流108进行分类。静态头部字段400可被存储于流状态存储元件408且能够在流108中与其它具有相同的头部字段400的数据包104关联。此外，包数据签名404可存在于为流接收到的“原始”或“第一”数据包104中，因而该数据包的头部静态字段400是将数据包104与流108 关联的主要机制。流108的“原始”或“第一”数据包104还可经过数据路径处理元件410。 数据路径处理器416提取至少一些数据包头部字段400并将其存储到流状态存储器元件 408。另外，数据路径处理器416也可访问流状态存储元件408来初始创建并存储流108的状态信息。数据路径处理器416从一个或多个存储器获取关于流108的信息。转发信息存储器422存储下一跳102的识别符和/或作为流状态418的一部分的专用协议封装信息。利用策略路由(PBR)中的一个或多个数据包头部字段400，或者使用单一字段400、比如IP目的地访问前缀(在IPv4最长前缀匹配查询的情况下)或MPLS标签(在MPLS数据包402 的情况下)的信息可获得上述信息。此外，配置信息存储器420存储期望仅应用于专门的网络设备102或网络设备102组的、专用于网络设备102的信息。缺省流108超时间隔可作为“节点专用”的信息等的一个例子。分类信息存储器4M获取流108专用的数据包处理信息504。作为流108专用的分类信息有，例如，拒绝或接受服务的处理、服务等级协议 (例如，为流108的最大带宽)、流108所属的用户或终端用户组、所使用的数据包转发优先序列、和刻度(peg)计数器的识别符。将多个数据包头部字段400作为唯一识别符对存储器4M做索引。它们可以是相同的用于识别流108的字段，或数据包104中的其它静态或动态字段(比如差分服务代码点或DSCP)。需要注意的是，虽然转发存储器422和分类存储器4M可使用类似的数据包头部字段400来索引各自的存储器，但由各存储器访问(如分别为下一跳识别符500和初始数据包处理502)产生的信息实际上是唯一的。本发明中， 带内流状态418的更新机制可在流108的存在期的任意时刻更新流状态信息418的任何部分。多流108可以是单一的会话112的一部分。由于控制层202可维护控制协议状态信息 608和关于会话112的配置信息206，因此控制层202对于会话112是可见的。此外，控制层202还可维护会话状态信息610，该会话状态信息610包括用于带内更新700数据层204 流状态418所必需的流信息612。控制层202中的控制处理器600具有配置在其本地存储器中的策略610。控制处理器向一类网络设备102发送消息，该网络设备102例如是使用标准的、直径协议(Diameter)、介质网关控制协议(Megaco/H. M8)、和远程用户拨号认证服务(RADIUS)、或其它任何已知的和/或适当的协议控制协议614等的策略服务器。控制处理器600参与或访问视频/音频呼叫或会话112建立。控制处理器600还可使用会话信号控制协议614，比如可使用资源预留协议(RSVP)、会话初始化协议(SIP)、介质网关控制协议(MGCP)、H. 323协议、或其它任何已知的和/或适当的协议等。控制处理器600，与对等网络设备102交换控制协议数据包614，根据从控制协议数据包614获得的控制协议状态信息608决定对会话112进行的控制。在控制处理器600中，通过协议软件获得由已知和 /或适宜标准定义的用于控制会话112的信息，可以参照例如互联网工程任务组(IETF)和 /或国际电信联盟(ITU-T)等组织定义的标准。该软件具有必需的状态机和协议定义来适当地识别每个会话112和可被会话112利用的数据包104的协议。控制处理器600使用标准路由协议，比如边界网关协议(BGP)或标签分发协议(LDP)、和/或其它任何已知的和/ 或适宜的路由协议，从而与相邻的网络设备102通信。控制处理器600，还可通过观测与会话112自身相关的数据包104的流，并通过从流特征(stream characteristics)得到会话状态信息610和/或通过决定会话状态信息 610怎样与位于网络设备102中的策略信息610联系，决定怎样控制会话112。数据路径处理器416根据流配置420方案向控制层202周期性地发送流建立消息428。这些消息428 可包括关于流108的信息，比如静态字段400、数据签名404、和/或其它任何已知的适宜的信息以及流存在时间、数据包和字节计数器、和/或其它静态的流108的信息和/或其它任何已知的适宜的和/或希望的信息。通过使会话状态信息610位于控制层202，使与会话112相关的数据包104的流从数据层204开始。流108的第一或原始数据包104使得在数据层处理元件410中创建流状态408信息，头部和签名识别单元414识别数据包的头部字段400和关于流108的包数据签名404。数据路径处理器416执行在转发422、分类424、会话426、配置420存储器中的查询，并将结果存储于流状态存储器408。在向下一跳102转发数据包104之前，数据路径处理器416对任何数据包头部402或数据430执行由处理信息504识别的修改。处理信息504中表示出流108所不能超出的一定带宽，若超出数据包104可能会丢失。也可以根据数据包处理504进行数据包头部402的修改(hi 508)或包数据的修改(bl 510)。数据路径处理器416也可通过发送流建立消息428，在对原始数据包104的处理过程中向控制层202通知流108的存在。该通知可发生于原始数据包104到达和/或其它任何希望的时间和/或希望的周期。数据路径配置存储器420方案允许周期性的通知，即每 N(N可任意设定)个数据包104被接收时，向控制层202通知流108的存在。这样可减少消息4 在从数据层204到控制层202的传输中丢失的可能性。重复通知可使控制层202 分析流108的统计数据，该统计数据也可以包含于消息4 中，该统计量比如为流存在多长时间(存在期)、和在其存在期有多少数据包104和数据字节已被传输进流108。发到控制层202的通知消息4 可包括相关的流信息418，在发送带内流状态控制信息700时控制层 202需要该流信息418来准确地定位数据层204中的正确的流108。由流1 616指定的流 108的控制层通知消息4 包括数据包头部字段(字段1 43 和关于流108的包数据签名 (签名1434)。通过发送完整的数据包头部400的副本和包括进一步的流信息418的、初始的包数据430的数据的一部分能够提供具体的细节信息。将发送到控制层202的数据量限制于需要识别的流1616及其特征。通过限制数据传输量可提升本方法的可扩展性。控制处理器600接收流通知消息4 并优先将流1616与会话1所示现有的会话状态存储器元件618关联。根据由控制处理器600从会话配置存储元件606和控制协议状态存储元件604获得的信息，进行该关联。控制处理器600通过检查通知消息428中的数据包头部字段400(字段143 和签名404字段(签名1434)，确定有关会话112的流108。 下面的具体例子并不限定本发明的方法，例如在IPv4的头部402中协议字段设为传输控制协议(TCP)、TCP源和目的地端口数为30000、IP 源地址为 10. 1. 2. 3将流108与VoIP (网络电话)会话1关联，根据与对等设备620的交换的RSVP控制协议614在网络设备102创建该VoIP会话1。控制处理器600在其会话状态信息610中将流616与会话1关联。一旦会话112和流108被关联，将消息428中的信息保存于会话状态存储器元件618。当控制层处理元件602完成会话112和流108的关联时，数据层处理元件410继续转发与流108相关的数据包。根据在接收到原始数据包104后获得的流状态信息418转发的数据包104。在流108存在期的任何时刻，控制处理器600对于已关联的会话112从网络运营者接收配置的更新或从对等网络设备620接收控制协议状态608的更新。然后，控制处理器600根据发到数据层204的带内流状态更新消息700更新已关联的流状态信息418。 控制处理器600为数据路径处理器416整合具有消息700功能的数据包104。数据包104 具有用于识别将要被更新的流108的数据包头部字段400。控制处理器600还可以在数据包104的包数据430中放置需要的流状态更新参数。例如，若希望新的数据包处理504，可将新处理702置于包数据706。若已选定新的下一跳102，可将新的下一跳识别符704置于包数据706。控制处理器600以注入数据包的方式向数据层处理元件410发送消息700，在数据层处理元件410中，头部和签名识别单元414将“消息” 700数据包与要更新的流108 关联。之后，数据路径处理器416可访问“消息” 700数据包关联的流状态信息418并根据包数据706中的参数更新流状态418。由数据路径处理器416接收的流108的所有连续的数据包104，可使用最新更新的流状态参数708。控制层202在流108的存在期持续发送这些流状态更新消息700。在流108 “结束”和、流状态存储器408被清空或被另一个流108重新使用的情况下，在流108的任何新数据包104到达网络互连线路110时，流状态更新消息700总是重新创建流状态418。流状态更新消息700具有创建流108所需要的所有的数据包头部字段400，这样可在新的流状态存储元件408重建流状态418。图8表示在计算机系统800中执行的用于实施本实施方式的指令序列的情形。由单计算机系统800执行指令序列。此外，也可以利用以通信线路815连接的两个或更多的计算机系统800，而与另一个计算机系统800合作执行指令序列。尽管下述仅为一个计算机系统800，对于本领域技术人员来说，利用任意数量的计算机系统800来实施本实施方式是可想而知的。以下参照图8说明根据本实施方式的计算机系统800，图8为计算机系统800的功能模块的框图。在此，专用名词计算机系统800被广泛用于描述任何可存储并独立运行一个或多个程序的计算机设备。各计算机系统800都具有与总线806连接的通信接口 814。通信接口 814为计算机系统800之间提供双路(two-way)通信。各计算机系统800的通信接口 814发送和接收电子、电磁或光学信号，这些信号中包含各种类型的信号信息的数据流，例如指令、消息和数据。通信线路815连接一个计算机系统800与另一个计算机系统800。例如，通信线路 815可以为LAN，这时通信接口 814可为LAN卡，或者通信线路815也可以为PSTN，这时通信接口 814可为综合业务数字网(ISDN)卡或调制解调器，或者通信线路815也可以为互联网，这时通信接口 814可为拨号器、电缆或无线调制解调器。计算机系统800通过各自的通信线路815和通信接口 814发送并接收消息、数据、 及包括程序的例如应用程序、代码的指令。在接收到程序代码后，由各自的处理器807执行，和/或为进行后续操作而保存到存储设备810或其它不挥发性(non-volatile)介质。在本实施方式中，计算机系统800结合数据存储系统831进行操作，例如，数据存储系统831包括易于被计算机系统800访问的数据库832。计算机系统800通过数据接口 833与数据存储系统831通信。与总线806相连的数据接口 833发送和接收电子、电磁的或光学信号，这些信号中包含各种类型的信号信息的数据流，例如指令、消息和数据。另外，也可以由通信接口 814实现数据接口 833的功能。计算机系统800包括总线806或其它用于全部的指令、消息和数据、以及信息的通信装置；一个或多个经总线806连接的用于处理信息的处理器807。计算机系统800还包括例如随机存取存储器(RAM)或其他动态存储装置等主存储器808，主存储器808与总线806连接，用于存储动态数据和由处理器807执行的指令。主存储器808也可用于存储例如变量等临时数据或处理器807执行指令时的其它中间信息。
计算机系统800还包括只读存储器(ROM) 809或其它静态存储装置，这些存储器与总线806连接，用于存储静态数据和处理器807的指令。还可具有例如磁盘或光盘等存储设备810，其与总线806连接，用来存储数据和处理器807的指令。计算机系统800通过总线806连接用于向用户显示信息的显示设备811，比如阴极射线管(CRT)，但不限于此。具有字母数字或其它按键的输入设备812与总线806连接，用于为处理器807提供通信信息和指令选择。根据本实施方式，单独的计算机系统800利用各自的处理器807执行保存在主存储器808中的一个或多个指令的一个或多个序列，从而完成确定的操作。可从例如ROM 809 或存储设备810等计算机用介质将上述指令读取到主存储器808。通过执行主存储器808 中的指令序列，使处理器807完成上述的处理。除此以外，也可用硬件电路代替或软件指令，或与软件指令结合进行处理。因此，本实施方式并不限于任何将硬件电路和/或软件以特定方式结合的情形。此处使用的专业词语“计算机用介质”是任何提供信息或处理器807可使用的介质。介质包括多种形式，不限于不挥发性、挥发性、和传输介质。不挥发性介质是指可在断开电源后保留信息的介质，包括ROM 809、⑶ROM、磁带、和磁盘。挥发性介质是指在断开电源后不能保留信息的介质，包括主存储器808。传输介质包括构成总线806线路的同轴电缆、铜线和光纤。而且，传输介质也可以是载波的形式，比如可调制频率、振幅或相位的电磁波来传输信息信号。传输介质可使用声波或光波的形式，比如无线电波和红外线数据通信中所使用的载波。在上述说明中，描述了本发明一个具体的实施方式。在不脱离本发明的主旨和范围内可对本发明所做的多种修改和替换。例如，本领域技术人员应理解，如处理流的图中的特定的顺序和处理动作的组合仅为一个示例，通过使用不同的或额外的处理动作、或使处理动作采用不同的组合或顺序同样可实现本发明。因而该说明书和附图只是示例而不具有限定的意义。还应该注意可由多种计算机系统实施实现本发明。在此所述的多种技术可以是通过硬件、软件或两者的结合来实施。优选由计算机实施本发明。
权利要求
1. 一种信息流控制方法，其包括以下步骤接收包括头部和数据部的第一数据包；确定与所述第一数据数据包的所述数据部相关的签名；至少部分根据所述签名确定控制信号；以及至少部分根据所述控制信号修改所述第一数据包的所述数据部。
全文摘要
一种用于更新与数据通信网络中的新的或正在进行的会话相关的流内的状态信息的、高度可扩展的带内机制。本方法通过使用网络设备固有的数据包转发和流状态能力来为流状态信息进行配置和事件响应的更新，以解决现有技术中的更新问题。
文档编号H04L12/56GK102461094SQ201080030921
公开日2012年5月16日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月8日
发明者保罗，耶焦兰斯基, 杰弗里，马特森 申请人:紫貂网络有限公司