专利名称：用于在基于atm的宽带接入网上有效地映射以太网的带有自适应网桥的网络接口的制作方法
技术领域：
本发明涉及数据通信网领域，更具体地，涉及在基于ATM的宽带接入网上用于提供有效地映射一个或多个本地以太网的网络接口设备中用于实现自适应网桥功能的方法和设备。
背景技术：
对于为居民和办公用户来说，越来越希望减小用于提供多种通信业务的所需要的(总的)传输和分配设施。例如，除了传统的电信和CATV业务以外，在单个的经济的分布网上，例如，光纤、同轴、或组合的光纤-同轴分布网上，希望进一步组合多种“宽带”数字业务的双向传送。而且，随着最近与“互联网”有关的业务中的兴趣的迅速增长，对于低成本、高速度双向数字数据传送的要求总是很高的。
异步传送模式(“ATM”)网络已经有了重大的发展，它特别适合于支持在单个分布网上传递的多种数据业务。通过ATM传输，数据分组或包含信息的“信元”在发送节点被周期地组合和发送，以及在接收节点被接收和分解，在其中使带宽利用作为统计的业务活动量的函数而进行最优化。在1997年4月3日提交的、题为“DataTransmission Over a Point-to-Multipoint Optical Network(点到多点光纤网上的数据传输)”的美国专利申请序列号No.(尚未分配，Lyon & Lyon文档号No.220/095)中，通过有关基于ATM的点到多点宽带接入网的具体例子，揭示和描述了优选的系统结构和数据传输协议。同样地，在1996年12月19日提交的、题为“NetworkArchitecture for Broadband Data Communication Over a SharedMedium(在共用媒体上用于宽带数据通信的网络结构)”的美国专利申请序列号No.08/772,088中，揭示和描述了对于基于ATM的利用共用的同轴媒体的点到多点宽带接入网的优选的系统结构和数据传输协议。这两个专利申请在此引用，以供参考。
为了支持这些各种各样的通信信号协议和在单个用户接入线路上发送的业务类型，有必要在每个各自的用户住房位置，例如居住地或办公地，也提供多功能网络接口。具体地，网络接口必须能够完成所需要的发送、接收、供应(即，业务分析与定路由)和维护，以便得到在基于ATM的宽带接入网和各自的用户通信设备之间的与业务无关的透明的网关。而且，连接在各个办公地点或居住地点中的两个或多个设备的以太网将常常载送大量的只打算用于本地的业务。这样，从本网络的数据分组的透明的上行传输，根据带宽利用和消息安全性来说可能是很高成本的，还不要说在上行网络中分组数据的不必要的传送的所增加的成本。这样，就希望把MAC级别的网桥功能附加到上述的用户网络接口上去。
具体地，“网桥”被用来互联两个或多个分开的局域网络段(例如，以太网)。这些网桥典型地运作是映射位于被连接到网桥的每个网络段的各自的终端站的MAC地址以及只允许必要的业务传递通过其它网络段。例如，当通过网桥从网络段接收一个分组时，该网桥评估分组的相关的目的地地址段和源地址段，以及如果这两个段是相同的，则该分组被丢弃，或“被滤除”。如果源的和目的地的地址段是不同的，则该分组被转发到适当的段。另外，网桥可被做成通过不转发它们而防止坏的或误对准的分组散布在段之间。在Radia Perlman的“InterconnectionsBridges and Routers(互联网桥与路由器)”(1992，Addison-Wesley)中，给出了LAN(局域网)网桥和路由器的更详细的描述，该书在此全面引用，以供参考。进一步可参考由IEEE 802.1委员会所规定的各种LAN网桥标准，特别是，第一次在1991年3月公布的802.1d标准，它也在此全面引用，以供参考。
“学习网桥”是通过根据由网桥接收的各个消息的源地址建立对于各个连接段的内部的MAC地址表，从而作出更为有选择性的路由决定。最近，开发了多端口路由器和集线器(LAN交换机)，用来完成更复杂的网络业务管理功能，例如，在不同的或多个LAN类型之间或根据多个“虚拟”LAN目的地来为数据分组定路由。学习网桥的基本性质是，必须利用某种类型的“跨越算法”，以防止在不同的网桥之间的数据的永不终结的环路返回；(因此，术语“树”，表示不成环路)。在Perlman的书中给出了跨越树算法的详细描述。
然而，跨越树算法的实现很复杂，它会施加大量的(即，昂贵的)存储器和处理器要求，并且不一定提供良好的安全性。结果，传统的跨越树方法不适用于上述的网络接口应用。
因此，希望在基于ATM的宽带接入网上提供一种具有网桥功能的用于映射一个或多个局域网(例如以太网)的网络接口设备。这样的网桥功能将优选地以相对较低的存储器和处理器需要来提供严格的消息滤除和安全性。
发明概要本发明提供在基于ATM的宽带接入网上用于映射本地以太网业务的改进的网络接口，其中该接口包括采用快速算法的自适应的MAC级别的网桥，用于滤除其目的地只是同一个以太网段的本地设备的外出分组。
在优选实施例中，各个用户居住地和办公地位置分别配备有提供接入到基于ATM的宽带接入网的网络接口。具体地，该网络接口包括一个以太网业务模块，它连接作为各个局域网段的各个居住地或办公地位置处的一个或多个MAC设备(例如，个人计算机，打印机，传真机等)。
按照本发明的总的方面，以太网业务模块读出在各个以太网段上接收的每个外出的分组，首先检验以太网CRC数据，然后，如果分组数据没有被损坏或被误对准，则使用分组头标的MAC目的地地址的最后字节来指向一个包含位于以太网段上的设备的存储的MAC地址的头五个字节的链接的清单的散列表格。如果目的地地址存在于链接的清单中，则该以太网分组由于属于用户的LAN段因而被丢弃，这意味着不用于进一步的上行传输。
具体地，因为只有目的地地址的最后字节被用于散列法，所以相对较小的255项目的散列表格可被用来指向各个存储的MAC地址的其余的五个字节，其中链接的清单跟踪散列数值的冲突(即，藉此，对于具有相同的共同的最后字节的每个MAC地址，产生一个分开的“链接的”项目)。
按照本发明的另一个方面，不管目的地地址是否与存储的地址相匹配，以太网业务模块也通过使用相同的算法来检验外出的各个分组的源地址。具体地，如果地址不存在于链接的清单中，则它被附加上去。这样，以太网业务模块相应于用户的以太网段上的设备的出现和工作而继续扩充其内部的数据库。
按照本发明的再一个方面，采用可变的定时器来跟踪所存储的MAC地址的“储存寿命”，以及确保只有新近有效的地址被存储。在优选实施例中，定时器标记被设置成正常间隔，以用于全面考察链接的清单，递减各个存储的MAC地址留下的剩余时间，同时，删除其寿命时间已超过的那些地址。相反，每当存储的MAC地址显示在源地址区时，其“储存寿命”配额被充分地复位到新的最大值。
按照本发明的又一个方面，除了分组过滤器以外，网络接口也可被实现为协议接口。为此，在优选实施例中，把基于ATM的网络上的要被转发的以太网分组赋予相应的LLC和AAL-5层头标(和新的CRC数据)，以用于上行ATM信元传送。
通过以下的对于附图的详细说明，将更好地了解本发明的其它的和进一步的目的、特性、方面和优点。
附图简述附图显示了本发明的优选实施例的设计和设施，其中
图1是示例性的基于ATM的宽带接入网的功能图，该网络映射宽域网(“WAN”)上的多个用户居住地和办公地位置；图2显示来自图1的网络中的各个用户以太网LAN段的外出分组的优选的滤除过程；图3显示在图2所示的滤除过程中所使用的用于更新存储的MAC地址的链接的清单的优选的过程；以及图4显示用于把图1的宽带接入网上要被转发的以太网分组变换成ATM信元格式的优选的协议适配过程。
优选实施例的详细说明参照图1，示例性的基于ATM的宽带接入网20包括ATM可兼容交换机26，它分别发送多业务类型ATM信元到多个用户居住地21和办公地位置22，和从多个用户居住地21和办公地位置22接收多业务类型ATM信元。ATM交换机26也在宽域网(“WAN”)24(例如，公共交换电话网、专用点到点或点到多点网络、或它们的某种组合)上发送和接收ATM信元。
按照本发明的第一方面，各相应的用户居住地21和办公地位置22的每一个配备有网络接口设施(“NT”)28。具体地，NT 28支持通过RF载波调制的ATM信元的多个通信业务的双向传送，它们是通过混合-光纤-同轴(“HFC”)分布网络40在交换机26与相应的NT 28之间传输的，其中相应的同轴馈送电缆38把每个NT 28连接到HFC网络40。正如本领域技术人员将会看到的，HFC分布网络40可以取几种替换的物理形式。例如，从交换机26发送到一个或多个NT 28的“下行”ATM信元业务可以初始地被复接，以便在共用的高速光纤(未示出)上传送，然后，它们被进行分接以便通过共用的同轴电缆(也未示出)进行本地分配。在替换的优选实施例中，纯的光纤网络或同轴网络同样可以被采用。
在1996年2月28日提交的、题目为“Subscriber NetworkInterface And Method(用户网络接口和方法)”的美国专利申请NO.08/608,436中显示和描述了一个示例的优选的NT 28，在此该专利申请也被全面地引用，以供参考。按照该揭示内容，在各相应的NT28中的ATM信元复接电路(未示出)分别用来分接和路由进入的(即，下行的)ATM信元，以及用来收集和复接外出的(即，上行的)ATM信元，其中进入的和外出的ATM信元被路由到在NT 28内的多个“ATM”用户业务模块，和从多个“ATM”用户业务模块路由出去。
各个用户业务模块支持各个业务，包括(至少)电信设备30(例如，POTS和/或ISDN)、顶置遥测设备(set-top telemetry)32(例如，用于CATV视频点播)、CEBus网络34(例如，用于连接设施管理装置)和以太网36。具体地，在每个NT 28中的以太网业务模块29连接作为各自的局域网(“LAN”)段(36)的各个居住地21和办公地位置22中的一个或多个MAC设备(例如，个人计算机、打印机、传真机等)。
每个业务模块“分解”由ATM信元复接电路所路由到它这里的各个进入的信元，使被包含在其中的数据适合于适当的业务协议，以便用于通过与各自的业务模块有关的用户侧的I/O端口(未示出)进行传递。协议转换可以包括例如用于根据各自的业务提供同步的数字数据流的电路仿真。
相反地，在通过用户侧I/O端口接收的上行信号中的信息被各自的业务模块组合成顺序的信元，并被传递到ATM信元复接电路。这样，在网络20侧上组合的业务的ATM传输在相应的NT 28的用户侧(21/22)I/O端口处是有利地透明的。
正如下面更详细地描述的，由NT 28在各自的以太网段36上接收的分组的目的地MAC地址由NT 28中的以太网业务模块29来进行分析，以确定该分组目的地是相应的本地LAN段36上的另一个设备、还是一个远端的设备，例如，被连接到WAN 24的远端以太网LAN段42或44。具体地，按照标准的MAC以太网协议，每个以太网数据分组包括头标区，它包含源和目的地的MAC地址--即，由各个设备的制造商分配的MAC地址的独特的六字节MAC(“媒体接入控制”)--，其中源和目的地的MAC地址被用来指示分组的各个发送和所打算的目的地设备。
参照图2，按照本发明的另一方面，以太网业务模块29读出在各个以太网段36上接收的每个外出分组，首先检验附属的以太网CRC数据(图4上以参考号码64显示)，以确保数据分组的完整性。如果分组数据没有被损坏或未对准，则使用分组头标的MAC目的地地址48的最后字节46以便利用包含位于用户侧以太网LAN段36的任何设备的剩余的五个字节的链接的清单52来指向散列的表格50，这些设备的各个MAC地址当前被存储在散列表格/链接清单50/52中。因为只有各自的目的地MAC地址的最后字节46被用来查找，所以，相对较小的255项目(即，28-1)的散列表格50被用来指向各自的存储的MAC地址的其余五个字节。
具体地，指针从各个目的地地址的最后数据字节46的散列表格50中的相关数值54引导到相应于该数值的第一链接的存储空间55。如果在第一链接的存储空间55中没有存储的地址，则没有另一个指针(即，或者它们指向“零”)，以及该分组被转发。如果在第一空间55中具有所存储的地址--，即，表示相应的各个本地段MAC地址的头五个字节，则把它与现在的目的地地址48的头五个字节进行比较，如果二者一致，则分组被丢弃。
如果不匹配，则另一个指针就链接到第二存储空间56。再次地，如果在第二存储空间56中没有存储的地址，则没有另一个指针(或它们指向“零”)，以及该分组被转发。如果具有所存储的另一个地址(即，表示具有与第一存储空间55中的存储的地址相同的共同的最后MAC地址字节的第二设备的MAC地址的头五个字节)，则再次进行比较。这个过程就继续下去，直到匹配的地址造成分组被丢弃、或者没有进一步的存储的地址被链接到最后字节46的相应数值54为止，然后分组被转发。这样，快速搜索和鉴别目的地MAC地址是否相应于各个用户以太网段36上的驻留的设备的概率是很高的。
换句话说，散列表格50的每个索引数值具有相关的包含在任何时间“n”存储的地址的链接清单52，其中n是从零直到在本地以太网段36上的设备数的某个整数值。
不管目的地地址搜索是否导致匹配，以太网业务模块29然后通过使用相同的算法检验各个分组的源地址。如果它在链接的清单52中不存在，则把它附加上。这样，以太网业务模块29相应于在用户以太网段36上的设备的存在和工作而继续扩充其内部的数据库。
参照图3，可变的定时器标记(tick)58被用来跟踪被存储在链接表格52中的MAC地址的寿命(即，“储存寿命”)，以及确保只有当前工作的地址被存储。具体地，每次MAC地址在源地址区中显露时，其“储存寿命”配额被充分复位到所选择的最大值(即，“标记”的最大数目)。定时器标记58被设置成正常间隔，以用于全面考察链接的清单52(在图3上由第60行表示)，每次递减各个存储的MAC地址留下的剩余时间标记，以及同时，删除其寿命时间已超过的那些地址。
在当前的优选实施例中，存储的地址的储存寿命最好不大于两天，定时器标记间隔58被选择为从1秒到1小时的一个范围之内。正如本领域技术人员看到的，本发明的优点在于链接清单52中的存储空间因而只在“按需要”的原则下被使用，即，当把另一个链接的地址造成共同的最后字节时被使用。
参照图4，如果由于弄乱的数据、或根据链接清单52中匹配的目的地MAC地址，一个有关的以太网分组62没有被丢弃，则由以太网业务模块29把逻辑链路控制头标(“LLC”)附加到分组的前端，即，分组的以太网CRC数据64部分被以太网业务模块29剥除以用于评估。然后，分组62通过附加上AAL-5层头标，连同被附加的新的附加CRC数据70一起以便能够适合于ATM传输，然后新形成的ATM信元72从各个NT 28被插入到上行ATM信元传输流中。
正如本领域技术人员将看到的，进入的(即，下行的)分组以与外出的分组62几乎相同的方式被处理，只是以相反的次序，--即，AAL-5和LLC头标被去除，以及以太网CRC-32数据在被转发到各个以太网段36上以前被附加到分组中。
这样，显示和描述了用于从其目的地是位于基于ATM的宽带接入网上的远端以太网的业务中滤除出本地业务的包括自适应网桥的优选的网络接口的实施例和应用项。正如本领域技术人员将看到的，有可能作出许多修正和应用，而不背离这里的本发明的概念。
通过非限制性的例子，上述的快速算法滤除技术可同样地被用来滤除进入的业务以及外出的业务。另外，本发明的教导可被用于任何数目的地址格式，即，除了所揭示的六字节MAC地址格式以外的地址格式。而且，虽然所揭示的优选实施例采用MAC地址的最后字节来指向散列表格和相关的链接的清单，但地址区的其它的所选择的部分(例如，第一字节，或第四字节等)同样可被采用来作为到其余部分的索引数值，正如本发明所教导的。再者，由本发明教导的有利的快速滤除算法可被用来根据任何数目的识别因子(例如根据匹配的虚拟LAN目的地)选择性地识别和滤除消息。
另外，虽然上述的本发明的优选实施例被实现为位处在本地以太网段与基于ATM的宽域网之间的网络接口(即，NT 28)的一部分，但正如本领域技术人员将看到的，由本发明教导的有利的快速分组滤除算法可以在任何的多种网桥设备中、以及在任何数目的相同的或不同的LAN段类型之间来实现。再者，虽然各个网络接口(NT)设备是在支持单个以太网业务模块的情况下来显示和描述的，但是，例如通过用于每个以太网段的分开的自适应网桥表格来把来自多个以太网的消息有选择地转发到一个或多个基于ATM的宽域网的网络接口的实现方案也属于本技术领域。
因此，所揭示的本发明的范围仅受限于附属的权利要求的精神。
权利要求
1.用于从第一网络有选择地转发消息到第二网络的方法，每个消息包括目的地地址，该方法包括以下步骤根据目的地地址的第一部分，选择数值表格中的第一数值，每个表格值具有整数数目的存储项目的相关的链接清单；以及把目的地地址的其余部分与在有关所选择的第一数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较。
2.权利要求1的方法，其特征在于，其中目的地地址是六字节的MAC地址，以及被用来选择各个第一表格值的第一部分是各个目的地地址的最后字节。
3.权利要求1的方法，其特征在于，还包括另一个步骤滤除任何其剩余的目的地地址部分是与各个链接的清单中所存储的项目相一致的消息。
4.权利要求1的方法，其特征在于，还包括另一个步骤只转发其剩余的目的地地址部分是与各个链接的清单中所存储的项目不一致的那些消息。
5.权利要求1的方法，其特征在于，还包括另一个步骤把每个要被转发的消息封装成ATM信元传输格式。
6.权利要求1的方法，其特征在于，每个消息还包括源地址，该方法包括另一些步骤根据源地址的第一部分，选择数值表格中的第二数值；把源地址的其余部分与在有关所选择的第二数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较；以及如果没有匹配的项目，则把源地址的剩余部分存储在各个链接的清单中。
7.权利要求6的方法，其特征在于，还包括另一些步骤监视把每个源地址部分存储在各个链接的清单中的时间间隔；以及如果分配的时间间隔消逝，并且没有出现以后的目的地地址部分的匹配，则从各个清单中删除源地址部分。
8.权利要求7的方法，其特征在于，还包括另一个步骤每次出现目的地地址部分的匹配时，更新把源地址部分存储到各个清单的分配的时间间隔。
9.权利要求1的方法，其特征在于，其中第一网络是以太网以及第二网络是基于ATM的宽域网。
10.用于从第一网络有选择地转发消息到第二网络的方法，每个消息包括目的地地址和源地址，该方法包括以下步骤根据目的地地址的第一部分，选择数值表格中的第一数值，每个表格值具有整数数目的存储项目的相关的链接清单；把目的地地址的其余部分与在有关所选择的第一数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较；只转发那些其剩余的目的地地址部分是与各个链接的清单中所存储的项目不一致的消息。根据源地址的第一部分，选择数值表格中的第二数值；把源地址的其余部分与在有关所选择的第二数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较；以及如果没有匹配的项目，则把源地址的剩余部分存储在各个链接的清单中。
11.权利要求10的方法，其特征在于，其中目的地和源地址每个是六字节的MAC地址，以及被用来选择各个第一和第二表格值的目的地和源地址的各个第一部分是各个地址的最后字节。
12.权利要求10的方法，其特征在于，还包括另一个步骤把每个要被转发的消息封装成ATM信元传输格式。
13.权利要求10的方法，其特征在于，其中第一网络是以太网以及第二网络是基于ATM的宽域网。
14.权利要求10的方法，其特征在于，还包括另一些步骤监视把每个源地址部分存储在各个链接的清单中的时间间隔；以及如果分配的时间间隔已消逝，并且没有出现以后的目的地地址部分的匹配，则从各个清单中删除源地址部分。
15.权利要求14的方法，其特征在于，还包括另一个步骤每次出现目的地地址部分的匹配时，更新把源地址部分存储到各个清单的分配的时间间隔。
16.具有用于控制从第一网络发送消息到第二网络的装置的设备，每个消息包括目的地地址和源地址，该设备包括存储器装置，用于存储从第一网络接收的消息的源地址的所选择的部分，其中所存储的部分在存储器中被链接到相应于各个源地址的另一个部分的索引值；以及比较装置，用于把从第一网络接收的消息的目的地地址的选择的部分与链接到在由各个目的地地址的另一个部分确定的索引值相链接的那些所存储的源地址部分(如果有的话)进行比较。
17.权利要求16的设备，其特征在于，还包括转发装置，用于只转发那些其剩余的目的地地址部分是与各个链接的清单中所存储的项目不一致的消息。
18.权利要求17的设备，其特征在于，还包括封装装置，用于把每个要被转发的消息封装成ATM信元传输格式。
19.权利要求16的设备，其特征在于，还包括监视装置，用于监视把每个源地址部分存储到存储器装置的时间间隔；删除装置，用于当分配的时间间隔已消逝、并且没有出现以后的目的地地址部分的匹配时从各个存储器装置中删除所存储的源地址部分；以及更新装置，用于每次出现目的地地址部分的匹配时，更新把源地址部分存储到各个清单的分配的时间间隔。
20.用于从局域以太网有选择地转发消息到基于ATM的宽域网的方法，每个消息包含各个六字节的目的地和源的MAC地址，该方法包括以下步骤根据目的地地址的最后的字节，选择数值表格中的第一数值，每个表格值具有整数数目的存储项目的相关的链接清单，每个所存储的项目代表位于局域以太网上的设备的MAC地址的头五个字节；把目的地地址的头五个字节与在有关所选择的第一数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较；以及只转发其中目的地地址的头五个字节是与各个链接的清单中所存储的项目不一致的那些消息。
21.权利要求20方法，其特征在于，还包括另一些步骤根据源地址的最后字节，选择表格中的第二数值；把各个源地址的头五个字节与在有关所选择的第二数值的链接的清单中的所存储的项目(如果有的话)进行比较；以及如果没有匹配的项目，则把各个源地址的头五个字节存储在链接的清单中。
全文摘要
在基于ATM的宽带接入网上用于映射以太网业务的网络接口包括自适应MAC－级别的网桥,它采用快速算法,用来滤除其目的地只是同一个以太网上的本地装置的外出的以太网分组。网络接口读出在各自的本地以太网分段上接收的外出分组,使用分组头标的MAC目的地地址的最后的字节来指向一个包含位于用户以太网段上的设备的各个相应的存储的MAC地址的头五个字节的链接清单的散列表格。如果目的地地址存在于链接的清单中,则因为它属于用户的LAN段,所以该以太网分组被丢弃,这意味着不用于在宽带接入网上的进一步的上行传输。因为只有目的地址的最后的字节被用于散列法,所以相对较小的只有255项目的散列表格可被用来指向各个存储的MAC地址的其余的五个字节,其中链接的清单跟踪链接到相同的散列数值的地址的冲突。
文档编号H04Q11/04GK1260943SQ98806317
公开日2000年7月19日 申请日期1998年4月14日 优先权日1997年4月17日
发明者T－C·刘, S·斯特罗洛, Z·阿梅德, B·克维恩 申请人:艾利森公司