CN102318283A - 一种传输数据通过路由器或以太网桥网络构架的方法 - Google Patents

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乔恩·比克罗夫特
A·迈克尔·福特
M·O·霍梅伍德
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Abstract

本发明提供一种以太网桥或路由器包括一适于提供大量以太网端口互联的网络构架，每一个所述以太网端口适于接收和/或发送以太网数据帧，其中所述以太网网桥或路由器进一步包括一连接的封装器从所述以太网端口接收以太网协议数据单元，其中所述封装器可操作以从一接收到的以太网协议数据单元产生一结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括一报头部分，和一与所述以太网协议数据单元相关的报文部分，并且其中所述封装器可操作将以太网协议数据单元的以太网目的地址信息转换成所述网络构架的路由定义，并且将这一路由定义包含至所述结构协议数据单元报头部分。本发明还提供一种通过网络传输数据的方法。

Description

一种传输数据通过路由器或以太网桥网络构架的方法
技术领域
本发明涉及一种以太网桥或路由器和一种通过网络传输数据的方法用于，但不限制于，多处理器网络例如存储网络、数据中心和高性能运算。特别的，本发明涉及适配于IEEE802标准的数据帧分布或未来以太网标准的数据帧的以太网桥或路由器。
背景技术
协议层
概念地，为了区分功能以太网分为许多虚拟层。最常见和正式的标准模型是开放系统互连(OSI)参考模型。一个有用的详细描述OSI参考模型的文章是Hubert Zimmermann撰写的《OSI参考模型-构建开放系统互联的ISO模型》(“OSI Reference Model-The ISO Model of Architecture for OpenSystems”)，电气和电子工程师协会通讯学报com-28卷1980年第4期(IEEETransactions on Communications，Vol.COM-28，NO.4，April 1980)。上述OSI参考模型包括网络系统功能不同的7层，如下：
1、物理层，负责物理信道连接。由那些涉及发送和接收信号的元件，典型的线路驱动器和线路接收器，信号编码/解码器和时钟组成。
2、数据链路层，提供服务允许终端站设备之间通过底层的物理介质直接通讯。该层提供组帧，为物理层将设备信息分离成离散的传输或帧。封装更高层的包传输协议。它给识别源和目的装置提供寻址。它提供错误侦测以保证损坏数据不会传往更高层。
3、网络层，负责网际通信，通过网络在终端站之间发送信息包。它必须适应多重数据传输技术和拓扑使用各种协议，最常见的是网际协议InternetProtocol(IP)。
4、传输层，负责端到端通信，防护传输时产生的问题例如中断的数据、错误和由低层介质导致的排序错误影响上面各层。该层为应用提供无错、有序的、可靠的信息传递服务，处理终端站之间的数据处理传递过程。传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)是最常见的传输层协议。
5、会话层，负责建立应用之间的通信连接，处理认证和连接控制。
6、表示层，保证各机器不同的数据表示得到解析。
7、应用层，提供一般功能允许用户应用通过网络通信。
为上述探讨的宗旨我们并不需要考虑传输层以上各层的实际操作，如果执行良好，就能防护更高层由其范围及下层出的问题。
数据单元封装
数据从用户应用向下通过所述各协议层，每一层均会给传送数据加入一些控制信息这样对等应用就能在其目的地正确的翻译出来。这一过程叫做“封装”，每一层从更高层取得提供给它的信息和结构，并加入更深层的具体控制，按每一层执行的协议的定义，代表性的：协议报头和报尾计算并被加入。这联合，层具体协议数据单元(PDU)然后向下通过层堆栈。同样的，一旦数据抵达目的，在所述PDU传往堆栈的更高层之前层具体协议信息就从PDU中剥离并解释，最后抵达对等应用。
PDU在堆栈的不同层具有不同的具体名称：
1、物理层中PDU叫做符号流。
2、数据链路层中PDU叫做数据帧。
3、网络层中PDU叫做数据包或数据报。
4、传输层中PDU叫做数据段或消息。
网络互连
在数据链路层及其上执行网络服务的装置叫做站。物理层因为不能通过协议寻址而排斥该定义。通常有两种形式的站：
1、终端站，是穿过网络的网络数据通信的最终源和目的地。
2、中间站，转发由终端站产生的位于源和目的之间的网络数据。位于数据链路层转发完的中间站通常叫做网桥；位于网络层转发的站通常叫做路由器。
以太网路由
中间站执行路由操作指引PDU从一入站端口的至另出站端口。中间站即可以在数据链路层操作，在第二层中间站，也可以在网络层，在第三层中间站。第二层中间站使用植入数据链路层PDU封装的媒体连接控制(MAC)地址，以控制所述路由操作。第三层中间站使用植入网络层PDU封装的IP地址，以指导路由。第三层路由执行一些步骤以修改源和目的的以太网段MAC地址从而允许中间站出站端口被决定。还需要在输入端进行附加操作以辅助路由启用以太网特征例如安全端口功能、保留MAC地址、虚拟局域网(VLAN)或连接集合体。这种冗长操作序列在每一个中间站上执行。这些操作成本高，通常需要大量的具有许多复杂规则来管理控制和管理转译表里的条目的转译机制。所述转译机制必须能持续一个非常高的转译吞吐量以跟上许多端口在高吞吐率下的操作。检查和转译操作占用了大量的时间也极大的增加了传输延迟。
根据已经陈述的一个大网络可能由许多中间站(网桥或路由器)构建而成并且PDU从一个终端站传往另一个可能不得不穿过许多中间站以完成传输。所述PDU通过的每一个中间站都必须完成上述复杂地址检查和转译操作。这将极大的减慢数据帧的传输同时增加整个系统的能耗。
相关技术说明
图1示出了一现有以太网桥1其端口3连接至大量独立的以太网站2。总体上，以太网桥1包括大量的端口3、执行以太网接收功能的手段4、执行以太网传输功能的手段5、一数据包缓冲器6和一交叉开关7。图1只示出了一个端口3。然而，实际上，每一个与单独的以太网站的连接分别具有各自接收和传送功能的端口。
US2004/0131073中描述了一种适用于快速以太网数据帧分配的模块化可升级交换机。所述以太网交换机包括大量单独可编程的一端口通信模块，该模块连接一共用的分配总线。虽然描述为可升级，这种或其它由许多依赖于一共用总线的单独下级端口计数模块的以外网交换机，根本上不适合包括了大量处理器的网络例如存储中心和服务器群。单个网桥支持的端口数量受限于这种结构的总线容量。随着单个连接的密度、容量和数据传输率的增加这种共用总线结构限制构建大型以太网络，一相对小数量的高性能连接迅速超过总线带宽。本申请寻求克服上述以太网交换机或其它一直以太网交换机的这一缺点同时寻求提供一种以太网桥或路由器及其通过网络结构传输数据的方法，但不仅限于，多处理器网络例如存储网络、数据中心和高性能运算。
发明内容
因此本发明提供一单独以太网桥或路由器包括一适于提供大量以太网端口互联的网络构架，每一个以太网端口适于接收和/或发送以太网数据帧，其中所述以太网网桥或路由器进一步包括一连接的封装器从所述以太网端口接收以太网协议数据单元，其中所述封装器可操作以从一接收到的以太网协议数据单元产生一结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括一报头部分，和一与所述以太网协议数据单元相关的报文部分，并且其中所述封装器可操作将以太网协议数据单元的以太网目的地址信息转换成所述网络结构的路由定义，并且将这一路由定义包含至所述结构协议数据单元报头部分。
另一方面本发明提供一种通过包含适于提供连接大量以太网端口的网络结构的网络数据传输方法，每一个所述端口适于接收和/或发送以太网数据帧，所述方法包括以下步骤：
接收一个以太网数据帧或数据包；
从所述接收的以太网协议数据单元产生一个结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括报头部分和一报文部分，其中所述报文部分包括以太网目的地址信息并且所述报头部分包括从所述以太网目的地址得来的网络结构的一路由定义；
从网络结构的一网络入站端口传输所述结构协议数据单元至网络结构的至少一个出站端口；
从所述结构协议数据单元提取以太网数据帧或数据包；和
传递所述以太网数据帧或数据包至一以太网设备。
另一方面本发明提供一种以太网桥或路由器包括一网络结构适于提供连接大量的以太网端口，每一个所述以太网端口适于接收和/或发送以太网数据帧，并且其中所述以太网桥或路由器进一步包括操作一封装器的软件指令以从接收到的一以太网协议数据单元产生一结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括一报头部分，和包含所述以太网协议数据单元相关的一报文部分，并且其中所述封装器可操作以将以太网协议数据单元内的以太网目的地址信息转换成网络结构的路由定义，并且将上述路由定义包含至所述结构协议数据单元的包头部分。
在一个具体实施例中，所述网络结构包括大量的交换机和大量的网络端口适于直接接收和/或发送所述FPDU至一网络出站端口，而没有解封装或重封装所述以太网PDU此时所述FPDU的以太网PDU对于所述网络网桥结构的交换机不可见。
理想的，所述网络构架自适应这样不需要修改所述FPDU报文的任何部分。
更优的，每一个所述网络端口均分配一个目的号代表所述网络构架中网络端口的物理位置因此所述FPDU通过网络的算法路由被允许。
更优的，大量以太网端口的每一个可编程并适于自动支持以太网PDU和专有的FPDU；当收到时所述端口自动解释任一协议。
根据本发明，所述封装手段执行一种新协议层补充以太网OSI模型中的所述协议层；所述新协议层叠于以太网OSI模型物理层和数据链路层之间并将网络层PDU和数据链路层PDU封装为所述FPDU。
在另一具体实施例中所述封装手段适于允许一FPDU的报文被一个或过个插入控制令牌中断。
在又一具体实施例中所述封装手段适于允许移除或替换先前插入一FPDU报文的控制令牌。
本申请上下文涉及的中间站还可以为能够转发一位于所述数据链路层和所述物理层之间协议封装的站。这种类型的中间站涉及本文随后将提及的“网桥构架”。一多端口的网桥构架可以通过一系列用“网桥构架交换链接”(BFSL)连接的“网桥构架交换”(BFS)来实现。
因此，根据本发明提供一以太网封装方法，该方法允许改良的路由以及通过网络构架传输数据，不需要转变为下层以太网协议结构或内容。这就提供了，在其它情形中，保证通过这样在源和目的端之间具有多个路径的以太网传输数据顺序的所述机制，完全排除通过网络传播时乱序或重复的可能，允许构建具有非常高端口计数的以太网桥和路由器。
前述和其它目的、宗旨和优点将接合附图通过以下本发明具体实施例的详细描述得到更好的理解，附图中：
附图说明
图1示意性地示出了现有技术的一以太网桥；
图2示意性地示出了根据本发明的一以太网桥；
图3示出了图2的以太网桥使用的网络构架元件；
图4是根据本发明通过网络传输数据的方法的流程图；
图5示出了根据本发明的方法中使用的FPDU格式；和
图6和图7示出了根据本发明的方法中使用的控制令牌的格式。
具体实施方式
下述以太网桥或路由器引入了一附加协议层，此处特指一“封装层”，位于标准OSI模型的物理层和数据链路层之间能封装网络层和数据链路层的PDU。
完全封装进一个PDU是本申请独有的，此处特指“结构协议数据单元”(FPDU)，避免修正下层PDU数据帧报头和报尾的必要性，并且移除上面的循环冗余码校验(CRC)或其它基于数据帧内容的传递信息的重计算。一用于执行数据传输的FPDU，认证且流控制机制和进一步利用以提供许多其它有吸引力的特性对于大的高性能、可升级以太网络很重要。
图2示出了一以太网桥或路由器10其可能连接至大量单独的以太网站2并且执行网络层和数据链路层PDU封装为一FPDU。所述以太网桥10通常包含结合大量的以太网端口11(为了清楚图中只示出了一个)的网络12并且每一个端口可单独连接至一以太网站。所述以太网端口11为通常常规设计并且每一个以太网端口包括与以太网站建立数据连接的手段、一执行以太网接收功能13的接收手段13以及一执行以太网传输功能的传输装置14。
所述以太网端口11连接至一提供传统功能例如数据缓冲16的网络界面15。可是，所述网络界面15还包括一连接所述网络界面15至所述网络12的入站端口(图中未示出)的以太网PDU封装器17和一连接至所述网络12的出站端口(图中未示出)返回所述以太网端口11的以太网PDU解封装器18。所述以太网PDU封装器17执行封装层协议因而负责产生所述FPDU。理想的，以太网桥10的每一个端口11具有各自的网络界面15以及各自的以太网PDU封装器17和各自的以太网PDU解封装器18。
图2示出的实施例中的以太网桥10的所有的端口均为以太网端口。然而，所述以太网桥10的端口也可以是可编程实现以太网端口功能或是提供连接所述以太网桥10至非以太网兼容设备的专用端口。
所述网络12，为专有网络，包括大量互联的网络架构元件19以网桥构架交换机(BFSs)形式通过网桥构架交换连接(BFSLs)互联。所述BFSs的互联详情与本发明没有关联。
在图3中更详细的示出了所述网络构架元件19之一的结构。所述网络构架元件19包括一交叉开关22其输入通过执行数据帧缓冲20的手段和选择交叉开关路径的手段反馈。当然，所述网络构架元件19也可以包括附加处理元件如需求的专属网络12。
通过执行封装层协议的网络构架12传输数据的方法在图4中示出。封装发生在以太网桥10的入口。通过一以太网站2传输的一以太网PDU在以太网桥10的端口11被接收步骤S1并经由接收装置13传送，其执行传统的以太网接收功能，至所属网络界面15并特别的至所述网络PDU封装器17。所述封装器17在S2步骤中将一FPDU报头附加至所述数据链路层数据帧。同时，所述封装器17从所述以太网PDU中摘录地址信息并将所述地址信息转换为目的描述符的步骤S3以确定所述PDU通过网络构架12至要求目的的完整路由。这样所述目的描述符添加至所述FPDU报头。然后所述数据传送步骤S4至一网络构架12的入站端口并经由大量的网络构架元件19通过网络12传至所述网络的一出站端口。在网络12的出口所述FPDU信息由所述以太网解封装器19剥离这样只有原始以太网PDU遗留。然后未修改的以太网PDU传输步骤S6至所述PDU要求目的的一以太网站。因而，允许通过网络12传输所述数据的协议和机制完全包含在网络之内并对于以太网站的入口和出口均不可见。
FPDU封装所述整个以太网PDU使得以太网数据帧传过网络构架的速度得到极大的提高，并减小了延时，因为所述以太网PDU内容在通过网络传输使并不要求有任何形式的检查或更改。这来自于简化路由和引入附加传输控制以最大化利用所述网桥构架基础结构的可能性。
所述新的封装部分还可包括控制令牌。在所述BFSI上与所述封装的以太网PDU一起的这些令牌是多路复用的。也就是说，所述令牌可以中断一正在沿网络传输的FPDU的有效载荷。因此通过允许它们插入所述封装的以太网PDU所述以太网PDU封装也改善了控制令牌的传输延迟。一个大的PDU需要几微秒传输。允许所述令牌暂时中断所述封装的以太网PDU对所述FPDU的延迟时间有一点影响但是将所述令牌的延迟时间从若干微秒减小至十几纳秒。
所述控制令牌用来提供帮助传输所述封装的以太网PDU的附加信息。包括线性流控制和以太网传输认证。所述控制令牌还可以用于旁带操作例如获取地址翻译、检验所述构架正确缆线连接和交换拥塞信息。图5示出了一FPDU的内容。在图5中所述FPDU包括一报文30组成一可中断的以太网数据包。报文30的报头31包括许多网络特定数据包括，但不限于，一开始令牌32、一目的地址33、报文大小34和CRC35。在所述FPDU的报头具有CRC保证所述报头的有效性能允许使用所述FPDU而不用等待封装的报文剩余部分到达。当然，各种不同类型的控制令牌可能用于此处所描述的网络。此外，这种控制令牌可能从1或2字的令牌至5个或更多字令牌取决于所需要的控制功能。图6和7示出了两种不同类型的控制令牌适用于此处描述的以太网桥。
在一大型BFS中一PDU将经过许多连接。每次所述PDU到达一新网桥或路由器时新的目的端口必须从所述路由信息中快速被决定。由之前所述，为以太网协议所述路由信息保存MAC地址于第二层或者保存IP地址在第三层并且如之前描述所述转译过程很复杂并能极大的增加路由延迟。增加所述新封装使得每一个PDU穿越所述BFS时仅需转译一次MAC地址或IP地址。
通常终端站的物理位置和网络内使用标识它们的地址之间具有很少或没有相关性。这是真的当所述终端站通过一IP或MAC地址标识后。所述新封装包括一目的描述符或路由标识符，其价值在于将物理位置和整个BFS的以太网端口相关联。这就允许间隔路由可以被执行，意味着一PDU通过网络可以使用简单算法来选择一输出端口。所述复杂转译MAC和IP地址仅需在所述BFS的入口执行一次。
此处描述的以太网桥或路由可升级的提供从256个或稍微少些的端口至48000个端口或更多。一个使用此处描述方法的单独以太网桥或路由器与传统网桥相比能够提供极大增强的可连接性。例如，目前最大的10吉比特(Gbe)以太网桥(结构模块化的)仅提供288个端口。根据本发明的以太网桥，能运行在10Gbe或更高，一个单独网桥可能提供例如48000个端口。
对本领域技术人员来说发明具体实施例、一般原则和此处描述的特征进行各种各样的修改是显而易见的。因此本发明并不限于示出的具体实施例，并且上述修改和变体仍落入附加的权利要求的精神和范围之内。

Claims (20)

1.一种以太网桥或路由器包括一适于提供大量以太网端口互联的网络构架，每一个以太网端口适于接收和/或发送以太网数据帧，其中所述以太网网桥或路由器进一步包括一封装器连接至以太网端口接收以太网协议数据单元，其中所述封装器可操作以从一接收到的以太网协议数据单元产生一结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括一报头部分，和一与所述以太网协议数据单元相关的报文部分，并且其中所述封装器可操作将以太网协议数据单元的以太网目的地址信息转换成所述网络构架的路由定义，并且将这一路由定义包含至所述结构协议数据单元报头部分。
2.如权利要求1所述的以太网桥或路由器，其中所述网络构架包括大量的交换机和大量的网络端口适于直接接收和/或发送所述结构协议数据单元至一网络出站端口，而没有解封装或重封装所述以太网协议数据单元。
3.如权利要求2所述的以太网桥或路由器，其中所述结构协议数据单元的以太网协议数据单元对于所述网络构架的交换机不可见。
4.如以上任一权利要求所述的以太网桥或路由器，其中所述网络构架自适应这样不需要修改所述结构协议数据单元报文的任何部分。
5.如权利要求2-4任一所述的以太网桥或路由器，其中每一个所述网络端口均分配一个目的号代表所述网络构架中网络端口的物理位置因此所述结构协议数据单元通过网络的算法路由被允许。
6.如以上任一权利要求所述的以太网桥或路由器，其中所述大量以太网端口可编程并适于自动支持以太网协议数据单元和专有的结构协议数据单元，当收到时所述端口自动解释任一协议。
7.如以上任一权利要求所述的以太网桥或路由器，其中所述封装手段执行一种新协议层补充以太网开放系统互连模型中的所述协议层。
8.如权利要求7所述的以太网桥或路由器，其中所述新协议层叠于以太网开放系统互连模型物理层和数据链路层之间并将网络层协议数据单元和数据链路层协议数据单元封装为所述结构协议数据单元。
9.如以上任一权利要求所述的以太网桥或路由器，其中所述封装手段适于允许一结构协议数据单元的报文被一个或过个插入控制令牌中断。
10.一种通过包含网络构架适于提供连接大量以太网端口的网络的数据传输方法，其中所述方法包括以下步骤：
接收一个以太网数据帧或数据包；
从所述接收的以太网协议数据单元产生一个结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括报头部分和一报文部分，其中所述报文部分包括以太网目的地址信息并且所述报头部分包括从所述以太网目的地址得来的网络构架的一路由定义；
从网络构架的一网络入站端口传输所述结构协议数据单元至网络构架的至少一个出站端口；
从所述结构协议数据单元提取以太网数据帧或数据包；和
传递所述以太网数据帧或数据包至一以太网设备。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述网络构架包括大量的交换机和大量的网络端口其中在传输所述结构协议数据单元的步骤中所述以太网协议数据单元不会被任一交换机或网络端口解封装或重封装。
12.如权利要求11所述的方法，其中在传输所述结构协议数据单元的步骤中所述结构协议数据单元的以太网协议数据单元对于所述网络构架的交换机不可见。
13.如权利要求12所述的方法，其中在传输所述结构协议数据单元的步骤中所述结构协议数据单元的报文部分没有任何部分被修改。
14.如权利要求11-13任一所述的方法，其中每一个所述网络端口均分配一个目的号代表所述网络构架中网络端口的物理位置因此所述结构协议数据单元通过网络的算法路由被允许。
15.如权利要求10-14任一所述的方法，其中所述大量以太网端口可编程并适于自动支持以太网协议数据单元和专有的结构协议数据单元，当在接收一以太网数据帧的步骤中时所述以太网端口自动转译任一协议。
16.如权利要求10-15任一所述的方法，其中执行一新协议层产生一结构协议数据单元的所述步骤附加于以太网所述开放系统互连模型的协议层。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述新协议层叠于以太网开放系统互连模型物理层和数据链路层之间并将网络层协议数据单元和数据链路层协议数据单元封装为所述结构协议数据单元。
18.如权利要求10-17任一所述的方法，其中进一步包括中断所述产生一结构协议数据单元的步骤，加入一个或多个控制令牌至所述结构协议数据单元并传输具有所述一个或多个控制令牌的所述结构协议数据单元穿过所述网络构架。
19.如权利要求18所述的方法，其中进一步包括替换或移除先前插入一结构协议数据单元的一个或多个控制令牌的步骤。
20.一种以太网桥或路由器包括一适于提供大量以太网端口互联，每一个以太网端口适于接收和/或发送以太网数据帧，其中所述以太网桥或路由器进一步包括操作一封装器的软件指令以从接收到的一以太网协议数据单元产生一结构协议数据单元，所述结构协议数据单元包括一报头部分，和包含所述以太网协议数据单元相关的一报文部分，并且其中所述封装器可操作以将以太网协议数据单元内的以太网目的地址信息转换成网络构架的路由定义，并且将上述路由定义包含至所述结构协议数据单元的报头部分。
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