专利名称：电信网中的分组路由选择的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及在分组交换电信网中进行的分组路由选择，尤其涉及经ATM网传输IP分组(IP，网间协议)。
主要由于因特网的普及，IP是当前最流行的网络层(OSI模型中的第三层)协议。随着与因特网连接的主机的指数式增长，IP网络的吞吐量已成为瓶颈，从而需要一种比目前更快地传送IP业务的方法。
图1示出IP网络的典型结构。在办公环境下，个人计算机PC或类似的终端设备和典型地为以太网的局域网LAN1…LAN3连接，局域网转而和基干网(WAN，广域网)互联，基于网包含着作为节点的路由器(RT1…RT6)。位于同一局域网中的所有计算机具有相同的IP网络地址。当从与局域网连接的某计算机发送数据分组时，该发送计算机的协议栈的IP层检验IP目的地地址是否和其自身的IP网络地址相同。若地址相同，不需要路由器，仅仅沿着该区域网把该分组发送到具有目的地地址的计算机上。若目的地的IP网络地址和发送计算机的IP网络地址不同，计算机把分组发送到某路由器，路由器再把该分组传送到别的网络。
路由器之间的传输链接可以由PDH或SDH技术或用分组网技术(例如ATM、帧中继、X.25)实现。
路由器具有二个主要功能分组传送和更新路由选择表。分组传送过程原理上是以这种方式进行的路由器首先从进到来的IP分组读目的地的网络地址，然后从它的路由选择表中查找与该地址相关的输出端口并且通过所述端口把该分组发送到下个路由器。该分组从一个路由器发送到另一个路由器，直到某路由器发现目的地地址和它自己的网络地址相同为止，在该情况下该路由器把该分组发送到目的地主机。
随着传输速率要求的提高，已经引入新技术。作为一种基干网技术，ATM技术的应用程度不断增加。在该情况下，在朝向ATM网的路由选择节点中构建接口；首先从来自ATM网的信元重建分组，对分组选择路由，并且之后再把分组分解成用于在ATM网中传送的ATM信元。标准ATM适配层(AAL)执行IP分组的分解和重建。下面将对此更详细说明，以便为本发明的说明提供背景。
当上述以太局域网中的某工作站向另一个局域网中的某工作站发送数据时，由该工作站的应用程序形成的数据部分P1首先封装成TCP分组P2，例如如图2中所示(假定传输层采用的协议是TCP，传输控制协议)。然后把TCP分组封装成IP分组P3，并且进而把IP分组封装成以太帧P4，沿着局域网把以太帧P4传送到与局域网连接的并具有朝向ATM网的接口的一个路由器。该路由器去掉以太段并且把IP分组分解成ATM适配层中的ATM信元。请注意，封装可包括在分组的前面以及后面(所谓的尾部)的插入。
图3示出一个IP分组30(即IP数据报)的结构。分组标题的最小长度为20字节，其被划分为五个四字节的“字”，存在于图中的相邻行中。在各字段的名字后面，该图中在括号内以位数示出字段的长度。标题首先包括4位的版本字段31，表示所使用的IP版本。接着是长度字段32(IHL，因特网标题长度)，表示标题长度为4字节的字。类型字段33指示业务类型，字段34是包含着标题的数据报的总长度。标识字段35用于会同分组的重建标识IP分组。标记字段36使系统推断分解后的分组的某片段是否是原始分组的最后一个片段。片段偏离字段37的内容表示该片段在原始分组中的位置。寿命字段38表示该分组在网络中可能存在的最长时间。从该字段的值推绎该分组历经的各路由器。协议字段39表示该数据报携带的数据的高层协议(例如TCP)。字段40包含标题检验和。字段41和42是源地址和目的地地址，即，它们以32位地址的形式表示发送主机和接收主机的地址。地址字段之后是一个很少使用的任选字段。该字段中传送的数据通常和网络测试或查找故障有关；该数据例如定义该数据报应该通过的某给定路由。必要时该字段带有填充位组，从而字节数量可以由四整除。
在上述标题之后，是IP分组中的实际数据。数据字段的长度是可变的，但其上限由字段34的长度定界，这意味着整个分组的最大长度为216字节。
如前面所述，在依据图1的ATM网中，以ATM信元形式传送IP分组。图4a表示ATM网中所传送的一个信元的基本结构。网络中要传送的多个信元包括一个48字节的有效负载和一个5字节的标题，但是标题的确切结构(标题的内容)取决于每种情况下使用ATM网的那一部分，因为ATM网体系结构中包括一些各种标准仔细规定的接口并且ATM信元中采用的标题结构取决于所涉及的接口(即，网络的哪个部分)。
图4b示出ATM网的UNI接口(用户对网络接口)处的信元标题结构，该接口是ATM终端设备和ATM节点之间的接口。图4C示出ATM网络的NNI接口(网络对网络接口)处的信元标题结构，该接口是二个ATM节点(或在一个网络内或在二个网络之间)之间的接口。
信元标题的路由选择字段包括虚拟路径标识符(VPI)和虚拟通道标识符(VCI)。在图4b中所示的仅用于用户终端的标标题结构中，为路由选择字段(VPI/VCI)总共保留24位。在图4C中所示的用于ATM的其它部分处的标题结构中，为路由选择字段(VPI/VCI)保留28位。如其名字所意味，路由选择字段在ATM网中充当路由信元的基础。虚拟路径标识符VPI主要用于网络的内部部分，实际上它经常确定信元将路由那个物理连接。另一方面，虚拟通道标识符VCI通常只用于网络边界上的路由选择。然而请注意，VPI和VCI一起明确地规定信元的路由。
规范中所定义的ATM信元标题中的其它字段是-GFC(类流控制)，用于在用户终端监督业务的字段，尚未准确定义，-PTI(有效负载类型指示符)，主要用于区分网络管理信元和用户信息信元，此外有可能根据是否在路由上检测出拥塞区分用户信息信元。
-CLP(信元丢失优先度)，当涉及信元丢失可能性时用于确定信元优先级(大都对应于帧中继网中的DE位)，-HEC(标题错误控制)，标题检验和。
在这些其它字段中，主要是PTI字段和本发明有关，有可能利用该字段监视分组之间的界限。PTI字段中的最后一位(图4a…4c中的位号2)指示何时开始一个新的高层分组(IP分组)。当把该位置成1时，涉及某IP分组的最后一个信元，并且在该情况下，下一个分组以下一个非空闲的信元开始。
通常，各种格式的信号到达ATM适配层，ATM适配层的任务一方面是把这些信号在通过ATM网之前形成为ATM网所需的标准格式，并且另一方面在把信号中继到用户接口或控制接口之前对来自ATM网的信元信号进行重建。对不同的业务类(A…D)已经标准化了不同类型的适配层(AAL1…AAL5)。例如，AAL类型3、4、5为应用程序提供传输服务，在其中不存在源和目的地之间的时间相关性。
图5示出AAL5执行的把IP分组分割成ATM信元以及从ATM信元重建分组，以便示范图1中示出的示例网络中的ATM适配层的操作。ATM适配层一般分为二个子层，它们被缩写成SAR(分割和重新装配子层)和CS(聚合子层)。后一个子层执行用户数据部分(例如IP分组)以及控制数据的封装和去封装。由CS子层执行封装而产生的帧称为CS-PDU(聚合子层协议数据单元)。AAL5封装以这样的方式进行，即向用户数据单元(例如，IP分组)增添一个尾部，例如包括一个差错检查部分(CRC)。该尾部的长度为8字节。整个CS-PDU的长度和48字节的倍数对应，这是通过需要时适当在尾部和分组的有效负载之间添加长度为0…47字节的填充字段PAD得到的。
SAR子层把发送方向的各个CS-PDU分割成48字节长的称为SAR-PDU(分割和重新装配协议数据单元)的段。在接收方向上，通过装配SAR-PDU形成CS-PDU。
ATM适配层下面的ATM层负责把五字节的标题字段CH(图4b和4c)添加到SAR-PDU之中以供发送，从而生成发送到ATM网的ATM信元50。ATM网只处理信元标题，在ATM网中不处理并且甚至不读48字节的有效负载。在接收方向上，ATM层从信元中去掉标题，并且把48字节的有效负载提供给SAR子层以便装配。
在图1的网络中，路由器发送IP分组，按上述方式把分组分割成信元并把分组发送到ATM传输链路。链路另一端处的路由器按上述方式用信元重建分组，根据IP地址以常规方式作出路由判断，并为下个ATM链路再次把分组分割成信元。
分组上的路由判断通常是由软件完成的。当用软件实现的路由选择和上述的分组分割和重建组合时，基于ATM的路由器网络的运行明显放慢。此外，实现这种常规路由选择方法是昂贵的。
为缓解这些缺点，已经开发了一种称为IP交换的方法。IP交换基于流概念流(通常)是一串从同一源至同一目的地的IP分组。从而，一个流(通常)包括源地址以及目的地地址相同的一组IP分组。例如，TCP连接是一个流当打开该TCP连接时，一串分组从源发送到目的地。在IP交换中，路由器节点确定各流，并要求网络边界处的路由器为每条流的分组提供一个唯一流标识符，例如唯一VPI/VCI标识符。当对与某给定流有关的各分组提供唯一VPI/VCI标识符时，网络内的路由器可以利用常规ATM交换实现信元级上的分组中继。从而，路由选择不需要进入到第三层(IP层)，而是可在第二层(ATM层)中进行。
但是，刚刚提到的现有技术解决办法的缺点是，其先决条件是一个独立的控制协议，借助该协议网络内的节点和业务入局方向上的节点交涉以便向给定的流分配专用的VPI/VCI标识符。这种解决办法使网络仍是较复杂的并且造成对网络加载的附加业务。
本发明的一个目的是去掉上述各缺点，并提供一种不必要应用任何新的流控制协议下加快分组路由选择的解决办法。
该目的是通过权利要求书中定义的解决办法达到的。
本发明的思想是监视网络边界节点上由分组形成的流(高协议层的接收分组)。当检测出某给定流满足专用连接准则时，向该流分配一个专用的低协议层连接标识符。当下游方向上的下个节点接收具有“新”连接标识符的数据单元时，它立即明白连接了已指定着专用信道的一条流。该节点根据IP目的地地址在第一分组上执行常规的路由选择，但对后继的具有相同连接标识符的数据单元仅根据低协议层连接标识符向前传送。此外，节点具有过时控制，在预定的时间周期内没有接收到与相关流有关的业务后，该控制停止该专用连接的使用。
在本发明的大多数优选实施例中，依据上述，低层数据单元是ATM信元并且高层分组是IP分组，但是本方法也可以和其它协议或传输方法一起实现。
由于根据本发明的解决办法，可以增加节点的吞吐量，不再需要在网络的节点处进行分组分割和重建。此外，它是以在网络中不需要额外的流控制协议的方式下达到的，从而它使路由器节点保持为较简单而且不产生网络中的附加业务。
通过依照附图中的示例，下面参照图6-11g详细说明本发明和它的优选实施例，附图是图1说明本发明的使用环境，图2说明在发送到网络中之前形成分组，图3说明IP分组的结构，图4a…4c说明ATM信元的一般结构，图5说明ATM适配层5执行的把分组分割成ATM信元，以及从ATM信元重建分组，图6说明在网络的三个相继节点上本发明的方法的操作，图7是一个流程图，表示在图6的第一节点上本发明方法的操作，图8是一个流程图，表示在图6的第二、第三节点上本发明方法的操作，图9说明网关节点的结构，图10说明网络内节点的结构，以及图11a…11g说明图10的节点使用的表。
在根据本发明的解决方法中，按上述在网络边界的节点(图1中的RT1或RT4)处进行IP分组的分割，并且把ATM信元发送到ATM传输链路。
图6示出三个相继地位于分组的路由上的以及实现本发明方法的ATM网节点N1…N3。在该图中，节点之间的缺省信道是用粗管标示的，节点之间的专用信道是用细管标示的。该方法的不同步骤用圆圈标记。
系统最初只包括缺省信道，当开始业务时系统根据需要对连接分配专用信道。缺省信道从节点沿所有方向延伸，具有不同源地址和/或目的地地址的分组可以沿一条缺省信道行进(即使它们具有相同的VPI/VCI标识符)。这里，缺省信道是只把ATM用为传输路径的信道，并且在其中以常规方式在高层(IP层)实现路由选择。出于这个原因，缺省信道中的业务是系统试图消除的不希望业务。但是，必须使用缺省信道，因为实际中所有业务中的大部分持续很短(可能在TCP连接上只发送几个分组)，从而不需要对它们分配专用VPI/VCI标识符。只值得为持续较长的业务建立专用虚拟连接。
在第一节点(N1)处只抵达IP分组，以上面所述的方式把分组分割成信元，并把信元中继到节点N2。节点N1以周知方式确定入局IP分组的所需用的标题字段(源地址和目的地地址以及可能还有别的字段)。当节点N1检测出(圆圈1)某给定的IP连接(具有相同的源地址和/或目的地地址的分组)满足某些为专用第二层连接(OSI层2)预先确定的准则时，节点N1决定对该流指定一个专用的第二层连接(即，连接标识符)，在ATM网的情况下这是一个新的VPI/VCI标识符。
例如节点可以根据检测出在该IP连接上存在常规的或繁重的业务(节点对到来的分组计数)或者根据检测出IP连接需要一定量的业务来作出上述决定。节点例如可能发现涉及到需要快速业务的FTP传输。上述准则可以是大范围的各种类型。
当上述决定后节点N1检测出第一分组时，它根据该分组的IP标题选择一个可使用的第二层连接标识符(VPI/VCI标识符)。
例如，当节点在第十分组处检测出该连接要求专用第二层连接，节点N1从所述分组起开始在其分解的信元中使用属于专用第二层连接的标识符。前九个分组已经在缺省信道中传送(以信元的形式)。在缺省信道中以各分组不重叠的方式连续发送每个分组中的信元。
此后，下游的下个节点(N2)接收了携带着对该节点为“新的”(未被任何其它流使用)VPI/VCI标识符的一个信元，从而明白(圆圈3)该流涉及一个上游方向的节点已对其分配专用第二层连接标识符的流。该节点从该信元读IP目的地地址，如可从图3中看出，IP目的地地址在分割时总是使其处于信元的有效负载字节13-17的固定位置上。根据读出的目的地地址，节点从路由选择表查找和该地址相关的输出端口的标识符，并把信元发送到该输出端口。然后，具有相同VPI/VCI标识符的所有信元都发送到相同的输出端口。节点只需要检查第一个IP地址，并且根据该地址执行常规的路由选择(在IP层)。此后，它可以根据VPI/VCI标识符直接进行ATM层上的交换，并且利用新的VPI/VCI标识符把信元接着发送到下个节点(圆圈4)。
图7示出说明网络边界节点(网关节点N1)的操作的流程图。该图中在不同的步骤里示出括号中的参照Tn(n=1…5)；它们代表该节点使用的各表，这些表在图9中描述。
首先，节点接收一个IP分组，从其标题至少读出源地址和目的地地址(步骤71)，并为该地址对(或只为目的地地址)更新分组计数(步骤72，表T1)。
然后，节点判定是否为该地址对设定专用连接(步骤73)。这是通过查看该表中(表T1)是否设定和该地址对有关的某专用信道完成的，换言之，是否对该流分配了专用第二层连接标识符。若是这种情况，从路由选择表(表T2)查找和该连接相关的路由选择标记；该标记是ATM交换矩阵的内部标识符，依靠它ATM交换结构(fabric)执行对正确的输出端口的交换(步骤74)。
若尚未分配专用连接，下一步骤是判定该流是否满足专用连接的准则(步骤75)，换言之，例如，在某测量期业务量是否超过某给定值，或者该流中业务的质量要求是否为某给定类型(即，需要高吞吐量可能性)。节点例如可使用通过中继、吞吐量和可靠性等指示服务质量的连接类型字段33(图3)。若不满足这些准则，查找有关IP目的地地址的缺省信道的路由选择标记(步骤74，表T2)，并对应地执行路由选择。
若在步骤75中发现满足专用连接准则，则查找与有关地址对或目的地地址相关的输出端口(表T2)，并且查找和该输出端口对应的一个可使用路由选择标记(表T3)，即一个尚未分配的并和该IP地址对应的路由选择标记。然后，设定对应于该IP地址的某专用信道(表T1)，并且在表T2中更新该连接的路由选择标记。在输出端口处，为该新的路由选择标记查找一个可使用的VPI/VCI(表T5)并且更新路由选择标记转换表(表T4)。
此后，本方法进入步骤78，在其中把IP分组分割成信元，并把上面检索到路由选择标记附在这些信元上。然后把这些信元发送到和该路由选择标记相对的输出端口(步骤79)。在把信元发送到下个链路之前，用对应的VPI/VCI标识符替代路由选择标记(表T4)。
然后本方法进入接收下个IP分组。
此外，节点具有一个独立的老化逻辑电路，在预定的时间周期内未接收到与该特定流有关的业务后，该电路不再使用专用连接以及相关的连接数据。最好在所有的节点处采用类似的机制，并且从起始节点启动对专用连接的删除。若节点已经废弃专用连接但在该流中仍存在业务，则类似于上面对“第一”分组的说明进行路由判断。
图8说明网络内的节点(例如节点N2和N3)的操作。该图中，在不同步骤里的括号中示出参照Sn(n=1…7)，它们代表节点使用的并在后面的图10、图11a…11g中描述的表。
节点最初接收某信元(步骤80)并且读其标题(步骤81)。然后更新和该VPI/VCI标识符有关的业务计数(步骤82，表S1)。下一步，节点判定是否涉及缺省信道，即，进入VPI/VCI标识符是否标志成缺省信道(步骤83，表S1)。
若不涉及缺省信道，下一步骤判定该流是否是已为其设定某专用信道的流(步骤84，表S1)，即，进入VPI/VCI是否已经标记成专用信道。若是这种情况，直接从表S3取出和该进入VPI/VCI标识符相关的路由选择标记(步骤86)。
另一方面，若尚未对该流分配专用信道，本方法进入步骤88，在该步骤中从信元读出IP目的地地址；如从图3中看出，该地址在分割中总是映射到信元的有效负载字节13-17中的固定位置上。根据读出的目的地地址，从路由选择表中查找和该地址相关的输出端口(表S4)以及相应的可使用路由选择标记(表S5)。在该输出端口，为该路由选择标记查找一个可使用的VPI/VCI标识符(表S7)；把该标识符设置在该输出端口的路由选择标记转换表中(表S6)。同时，把连接标记成专用，并更新各表(表S1、S3、S4)中的数据。
若在步骤83中发现涉及缺省信道，更新和该IP地址对或IP目的地地址有关的业务计数(步骤85，表S2)，并且根据计数值判定该流是否满足专用连接准则(步骤87)。若不满足专用连接准则，以常规方式路由信元，即查找用于该特定IP目的地地址的路由(输出端口)以及对应的路由选择标记(步骤89，表S4)。另一方面，若满足专用连接准则，过程和有关建立一条新专用信道的过程相同(步骤88)。
在上述各步骤后，节点找到正确的路由标记，并且可把信元路由到正确的输出端口(步骤90)。在把信元发送到下个链路之前，去掉路由选择标记并对标题设置外出VPI/VCI标识符(表S6)。
从上面呈示的流程图可以看出，当从几个源或并行的链路向同一目的地多路传输业务时，仍有可能例如根据目的地地址对网络内的节点建立专用信道。若在专用信道上采用多路传输，它必须在保护分组的次序下完成。
图9以功能框图的形式说明网关节点的可能实现方式。
为暂时性地存储到来的分组，在节点的输入端处设置缓冲器91。测量及控制块92读分组的标题，并利用源/目的地地址对从它的表(T1)查看是否为所述地址对确立专用信道参数。
检索块93接收来自测量及控制块的IP地址，并且根据该地址从路由选择表(T2)查找该检索块提供给分割块95的一个路由选择标记，在该分割块中进行信元分割并把路由选择标记附着在已分割好的信元上。
此外，在节点的输入侧设置簿记器98。以跟踪和每个输入、输出端口(表T3)相关的可使用路由选择标记。
信元和来自分割单元的路由选择标记一起发送到ATM交换机96，后者根据路由选择标记把信元连接到正确的输出端口97。这里，路由选择标记是交换机内的一个标识符，其不发送到网络内。
测量及控制块测量每条流中的业务量，并且在给定的时间周期内未检测到和该流有关的业务时删除某专用信道的参数，例如路由选择标记和VPI/VCI。
图10示意性地表示网络内节点的结构。该节点内的各功能块和上面相同，但该节点使用的表不同于网关节点使用的表。出于这个原因，各个块用图9中对应块的同一参照号标示。不同块使用的表S1…S7分别在图11a…11g中描述。
测量及控制块92为每个VPI/VCI对保持一个计数器以及有关信道为缺省信道还是为专用信道的信息(表S1，图11a)。另外，为了使它能把缺省信道上的业务转换到专用信道，它为IP地址对或IP目的地地址保持一个计数器(表S2，图11b)。在网络内，源/目的地对的业务例如可能从并行链路多路传输，或者业务可能从几个源向某给定的目的地地址多路传输，为此而建立专用信道。
在一个单独的表(S3，图11c)中设置对应于VPI/VCI的专用信道路由选择标记，它们可由路由选择块使用。此外，为所有连接设置一个路由选择表，该表中IP地址与输出端口及路由选择标记关联(表S4，图11d)。对于缺省信道中的所有路由过的分组以及对于建立新的专用信道该表是必需的。
簿记器98跟踪和每个输入、输出端口相关的可使用路由选择标记(表S5，图11e)。
ATM输出端口具有一个转换表，表中到来信元的路由选择标记用外出信元的VPI/VCI替代(表S6，图11f)。此外，输出端口跟踪可使用的VPI/VCI标识符(表S7，图11g)。
虽然上面参照根据附图的示例解释了本发明，应该理解本发明不受限于此，而是在附属权利要求书中阐述的本发明思想的范围内可修改的。例如，根据上面所述，流可以由相同源/目的地对之间的业务或约束到同一目的地的业务构成。
权利要求
1．一种在分组交换电信网中传送分组的方法，其中根据每个分组中含有的某地址把分组从网络中的一个节点传送到另一个节点，依据该方法在位于网络边界处的节点(N1)上，把要传送的数据分组(30)分割成低协议层数据单元(50)，在该网络的缺省信道以及专用信道中传送数据单元，目的地地址不同的分组的数据单元在分离的缺省信道中传送，和相同流有关的数据分组在分离的专用信道中传送，其特征在于网络边界上的节点(N1)监视和相同流有关的分组，并且一旦检测出给定流满足预定准则的事实，分配一个专用低协议层连接标识符供该流使用，网络内的节点(N2)监视到来数据分组的连接标识符，并且一旦检测出和缺省信道或专用信道不相关的新连接标识符，根据该分组的目的地地址向数据单元分配一个输出端口和一个新的外出低协议层连接标识符，并且把数据单元路由到有关输出端口，一旦在相继抵达的数据单元中检测出相同的作为所述新连接标识符的低协议层连接标识符，只依据该低协议层连接标识符在该节点(N2)上进行路由选择，并且在给定时间周期未检测出具有专用连接标识符的某流中的业务后，在节点上停止专用连接的使用。
2．权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个节点上采用相似的过时控制。
3．权利要求1所述的方法，其特征在于，网络内的节点(N2)还监视缺省信道上的业务，并且一旦检测出某缺省信道的某给定流满足预定准则时对连接分配专用的低协议层连接标识符。
4．权利要求1所述的方法，其特征在于，把给定测量周期内接收到的业务量作为所述预定准则。
5．权利要求1所述的方法，其特征在于，把数据分组中所含有的它们所要求的业务质量信息作为所述预定准则。
全文摘要
本发明涉及电信网中的分组传送方法。在网络边界节点(N1)中,把要发送的数据分组分割成低协议层数据单元。在网络的缺省信道和专用信道中传送数据单元。为了有效地路由选择数据分组,网络边界节点(N1)监视和同一流有关的分组,一旦检测出某给定流满足预定准则,分配一个专用低协议层连接标识符供其使用。在网络内节点(N2)处,监视到来的数据分组的连接标识符,一旦检测出和缺省信道及专用信道不相关的新连接标识符,根据该分组的目的地地址为其数据单元定义一个输出端口和一个新的外出低协议层连接标识符,并把数据单元路由到相关输出端口。一旦检测到相同的低协议层连接标识符作为后续到达数据单元的所述新连接标识符,只在节点(N2)上依据低协议层连接标识符进行路由选择。在给定时间周期未检测出带有某专用连接标识符的某流的业务后停止使用专用连接。
文档编号H04Q11/04GK1234159SQ97199115
公开日1999年11月3日 申请日期1997年9月24日 优先权日1996年9月24日
发明者奥缇·玛吉 申请人:诺基亚电信公司