DE102004022552A1

DE102004022552A1 - Einrichtung zur Session-basierten Vermittlung von Paketen

Info

Publication number: DE102004022552A1
Application number: DE102004022552A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Stademann; Thomas Dr. Theimer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2004-05-07
Publication date: 2006-03-02
Also published as: EP1743462A1; US20080285569A1; RU2006143203A; WO2005112363A1; JP2007536851A; CN1951071A

Abstract

Während die Netzarchitektur für ATM-basierte Zugangsnetze im DSL-Forum bereits definiert wurde, sind die Arbeiten zu Ethernet-basierten Zugangsnetzen noch im Anfangsstadium. Die Erfindung zeigt eine neuartige Aggregationslösung für den Einsatz in Ethernet-basierten Breitband-Zugangsnetzen.

Description

Problem, das der Erfindung zugrunde liegt

Zukünftige Zugangsnetze für den breitbandigen Teilnehmeranschluss müssen höhere Bandbreiten bei niedrigeren Kosten zur Verfügung stellen, als dies mit den heute üblichen ATM-basierten Anschlussnetzen möglich ist. Aus diesem Grund sollen zukünftige Netze verstärkt auf der Ethernet-Technologie basieren, die sich derzeit als attraktive Lösung für Metro-Netze im Markt etabliert.

Während die Netzarchitektur für ATM-basierte Zugangsnetze im DSL Forum bereits definiert wurde, sind die Arbeiten zu Ethernet-basierten Zugangsnetzen noch im Anfangsstadium. Benötigt wird eine neue Netzarchitektur für die Ethernet-basierte Aggregation von breitbandigen Teilnehmeranschlüssen, welche die folgenden Anforderungen im optimaler Weise erfüllt:

• Dynamischer Netz-Zugang mit Authentifizierung und Zugangskontrolle
• Minimaler Administrationsaufwand für das Einrichten neuer Teilnehmer
• Gute Skalierbarkeit
• Verkehrstrennung zwischen einzelnen Teilnehmeranschlüssen
• Dynamische Auswahl verschiedener Dienste bzw. Dienstklassen
• Unterstützung verschiedener Zugangsmethoden (z.B. PPPoE, DHCP)
• Aggregation vieler Teilnehmer in wenige, Dienstspezifische logische Tunnel
• Unterstützung von Video-Verteildiensten
• Unterstützung für paket-basierte Sprachdienste (voIP), insbesondere Quality of Service
• Effizienter Transport von Peer-Peer Anwendungen (Kazaa, etc.)

Gegenstand dieser Erfindung ist eine neuartige Aggregationslösung für den Einsatz in Ethernet-basierten Breitband-Zugangsnetzen.

Bisherige Lösung des genannten Problems

Die Architektur für ATM-basierte Breitband-Zugangsnetze mit QoS Unterstützung ist beispielsweise in den DSL-Forum Spezifikationen TR-058 und TR-059 beschrieben. Diese Netze basieren auf fest eingerichteten ATM Virtuellen Verbindungen (PVC) zwischen dem Teilnehmer-Anschluss und einem zentralen IP Netz-Zugangsknoten (Breitband Access Server, BAS). Der BAS übernimmt die Zugangskontrolle und Authentifizierung der Teilnehmer sowie Diensteauswahl.

Diese Architektur hat verschiedene Nachteile:

• Die Verbindungen (PVC) zwischen Teilnehmer und BAS müssen sowohl im ATM Netz wie auch im BAS konfiguriert werden.
• Pro QoS Klasse wird jeweils ein eigener ATM PVC benötigt
• Der Verkehr zwischen Teilnehmern muß immer über den BAS laufen
• Heutige BAS Produkte erlauben keine kostengünstigen Dienste mit hohen Datenraten (beispielsweise mehrere Videokanäle pro Teilnehmer)

Erfindungsgemäße Lösung des genannten Problems

Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert, wobei die Zeichnung, die neun Figuren umfasst, die Erläuterung unterstützt.

Die Erfindung definiert eine neue Netzarchitektur für Ethernet-basierte Zugangsnetze, welche die Funktion des BAS in das Aggregationsnetz verlagert und so modifiziert, dass die Zugangskontrolle mit Ethernet-basierten Methoden erfolgen kann. Einerseits entfällt dadurch die Notwendigkeit für einen separaten BAS, was zu signifikanten Kosteneinsparungen führt. Zum anderen verschiebt sich die Zugangskontrolle näher zum Teilnehmer, wodurch eine bessere QoS Unterstützung ermöglicht wird.

1 zeigt das zugehörige Netzkonzept eines Ethernet Service Node (ESN). An den ESN angeschlossen sind auf der Teilnehmer-Seite viele DSLAMs oder Ethernet Edge Switches (L2 Switches). Auf der Netz-Seite leitet der ESN den Verkehr zu verschiedenen Dienste-Anbietern, das können Netzprovider wie ISPs oder auch Applikationsanbieter für Video Dienste oder Voice Dienste sein. Der ESN aggregiert und steuert den Teilnehmer-Verkehr, und verbindet die einzelnen Teilnehmer-Sessions mit den entsprechenden Dienste-Anbietern. Dies ist stark vereinfacht in 2 dargestellt (siehe Anlage 1).

Wie in 3 dargestellt, hat der ESN pro Nutzer oder Dienst ein eigenes logisches Session-Interface, dem alle Pakete eines Nutzers/Dienstes zugeordnet sind. Ein logisches Session-Interface kann beispielsweise definiert sein durch die Kombination aus

1. Physikalischem Port und MAC Adresse des Nutzers (Endgerätes)
2. Port, MAC Adresse und VLAN (auch mit mehreren VLAN tags)

Die einzelnen logischen Session-Interfaces brauchen nicht manuell konfiguriert werden, sondern werden automatisch durch den ESN beim Session-Aufbau gelernt und dynamisch generiert. Während des Session-Aufbaus muss sich der Nutzer normalerweise anmelden, d.h. seine Nutzer-Identifikation und Authentifizierungsdaten wie z.B. ein Passwort angeben. Erst danach wird der Netzzugang durch den ESN freigeschaltet, und der Nutzer mit einem Dienst verbunden.

Auf der Netzseite hat der ESN pro Dienst oder auch pro Dienstklasse (z.B. Best Effort und Premium Service) ein eigenes logisches Service-Interface, dem eine Session fest zugeordnet wird. Die Zuordnung wird entweder während des Session-Aufbaus oder später durch eine direkte Dienste-Auswahl (typischerweise über einen Service Selection Server) festgelegt.

Ein logisches Service-Interface auf der Netzseite kann beispielsweise definiert sein durch

1. einen physikalischen Port und/oder
2. ein VLAN und/oder
3. einen MPLS Pfad und/oder
4. ein spezielles Virtuelles Netz

4 zeigt als Beispiel die Konfiguration eines einfachen Netzes mit ESN, zwei DSLAMs und drei Diensteanbietern. Jedem Teilnehmeranschluss eines DSLAM ist hier ein eigenes VLAN zugeordnet, welches im ESN terminiert. Die Verbindung der logischen Service Ports zu den Diensteanbietern erfolgt ebenfalls über VLANs. Der ESN muss nun für einen korrekten Transport der Datenpakete zwischen den logischen Session- und Service Ports sorgen.

Innerhalb des ESN erfolgt der Datentransport auf Basis der Session-Daten, wobei für die Zuordnung der Pakete zu einer Session bestimmte Teile der Paket-Header ausgewertet werden müssen (z.B. MAC Adressen, VLAN Tags, Prioritätsbits, IP Ad ressen, etc.). 5 zeigt ein Beispiel für den Datentransport vom Nutzer zum Netz. Hier wird beispielsweise die Ursprungs-MAC Adresse und der VLAN Header empfangener Pakete ausgewertet, um daraus das zugeordnete Service-Interface (Port, VLAN) abzuleiten. Daraus ergibt sich die in 5 dargestellte Zuordnungstabelle. Ein wesentlicher Unterschied des ESN im Vergleich zu herkömmlichen Ethernet-Switches besteht darin, dass die Vermittlung der Pakete teilweise auf der Ursprungs-MRC Adresse basiert.

6 zeigt die entsprechende Zuordnungstabelle auf einem Service-Interface. Hier werden die Ziel MAC Adresse sowie der VLAN Header ausgewertet, um die Pakete einem logischen Session Port zuzuordnen.

Für zeitabhängige Vergebührung muß der ESN auch über das Ende einer Session informiert sein. Eine Session kann auf verschiedene Arten beendet werden:

• Explizite Beendigung der Session durch den Client (z.B. PPPoE PADT)
• Ablauf/Beendigung einer DHCP Adress Lease
• Wenn keine Daten mehr Empfangen werden (idle timeout)
• Durch explizite Überwachung des Clients, z.B. mit periodischem ARP Request; Abbau der Session wenn keine Antwort empfangen wird.
• EAP Reauthentication nicht erfolgreich (802.1x)

Nach Beendigung einer Session deaktiviert der ESN das logische Session-Interface, und die entsprechenden Tabelleneinträge werden gelöscht.

Neben der reinen Transportfunktion kann der ESN noch weitere Funktionen übernehmen:

• Zugriff auf eine zentrale Teilnehmer-Datenbasis zum Zwecke der Autorisierung des Nutzers und zum Abruf indivi dueller Teilnehmer-Daten; in der Regel werden dafür Protokolle wie Radius (RFC2865) oder Diameter (RFC3588) benutzt.
• individuelle Begrenzung der Datenrate einer Session getrennt für ankommende und abgehende Pakete (Policing)
• Zuweisung der Pakete zu einer bestimmten Prioritätsklasse
• Zuweisung individueller Filterregeln
• IP Adresszuweisung durch DHCP, DHCP Relay Agent und Einfügen der logischen Port Daten in DHCP (Option 82, RFC3046)
• Überprüfung der IP Source Adresse empfangener Pakete (Anti-Spoofing)
• Sammeln von Statistik Daten pro Session, mit entsprechendem Radius Accounting (RFC2866)
• PPPoE Relay Agent (Erkennen von PPPoE Sessions und Weiterleiten von PPPoE Paketen)
• Dynamische Multicast Sessionsteuerung mittels IGMP, z.B. für Video Verteildienste
• Kombination mit externem Resource Allocation Server für die Verwaltung der Bandbreite einzelner Dienstklassen (Admission Control und Resource Allocation)

Für die Autorisierung des Teilnehmerzugangs gibt es ebenfalls verschiedene Möglichkeiten:

• Nutzung von IEEE 802.1x, d.h. Autorisierung mittels des EAP Protokolls (RFC2284). Im Unterschied zum 802.1x Standard ist die Autorisierung auch mit VLAN-basierten logischen Ports möglich (802.1x erlaubt nur Port- oder VLAN-basierte Autorisierung). Für die Dienstauswahl kann hier die bekannte Methode der Domain-Extension der Nutzer-ID benutzt werden (z.B. mueller@aol.com).
• Nutzung eines Web-basierten Logins, d.h. der Nutzer wird zunächst an einen Login Server weitergeleitet. Nach erfolgter Autorisierung wird der Netzzugang freigeschaltet.
• Nutzung neuer DHCP Optionen zur Identifizierung und Autorisierung des Nutzers

Grundsätzlich gilt, dass der Netzzugang nur für autorisierte logische Ports möglich ist. Alle anderen logischen Ports werden blockiert, und lassen nur die Autorisierung zu.

Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung

• Vereinfachte Administration: Teilnehmer-Anschluss muss nur noch im Access-Knoten (DSLAM, Edge Switch) eingerichtet werden. Session-Interfaces werden vom ESN selbst generiert.
• Vereinfachte Netzplanung und Dimensionierung: Servicebasiertes Engineering des Aggregationsnetzes, mit einer wesentlich kleineren Zahl von logischen Verbindungen
• Einfachere IP Netzplanung mit weniger IP Adressen durch die Konzentration von vielen Session-Ports auf wenige Service-Ports (z.B. VLANs). Im IP Netz wird pro VLAN ein eigenes Subnetz belegt.
• Kosteneinsparung durch Zugangskontrolle im Aggregationsnetz, daher kein BAS mehr erforderlich
• Quality of Service bereits im Aggregationsnetz durch Überwachung des Teilnehmerverkehrs möglichst nah am Teilnehmeranschluß
• Begrenzung der Anzahl der MAC Adressen pro Teilnehmeranschluß
• Zugang zu klassischen BAS Diensten mittels PPPoE Relay weiterhin möglich

Unterschiede zum Stand der Technik

• Wesentlicher Unterschied zum klassischen Ethernet-Switch ist die Vermittlung von Paketen auf Grund der Ursprungs-MAC Adresse, sowie die Umsetzung (Übersetzung) der VLAN ID.
• Wesentlicher Unterschied zum klassischen BAS ist die Session-Steuerung und Durchschaltung auf der Schicht 2 (MAC Schicht) anstatt des IP Layers (Schicht 3), sowie die Zuweisung der Sessions zu Service-spezifischen logischen Interfaces (Tunnel).
• Neu ist auch die Integration der Zugangskontrolle in das Ethernet Aggregationsnetz.

Ausführungsbeispiel [e] der Erfindung

Die 7, 8 und 9 zeigen beispielhaft das selbständige Lernen der für eine Session benötigten Daten. 7 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Netzkonfiguration, in der ein Teilnehmer über VLAN 200 an den ESN angeschlossen ist. Auf der Netzseite stehen zwei Service Provider zur Verfügung, einer an Port 8/VLAN 90 und der zweite an Port Port 9/VLAN 91.

8 zeigt den Meldungsfluß beim Aufbau einer PPPoE Session. Die Bezeichnung der Nachrichten/Pakete entspricht hier der Terminologie der PPPoE Definition in RFC2516. Der Sessionaufbau beginnt mit einer PPPoE Discovery Phase, in der ein PPPoE Server mittels der PADI und PADO Pakete ausgewählt wird. Die Übermittlung dieser Pakete erfolgt mittels eines PPPoE Relay Agent im ESN. Der eigentliche Sessionaufbau erfolgt durch das PADR Paket (PPPoE Active Discovery Request), sowie die anschliessende PPPoE Active Discovery Sessionconfirmation (PADS) des Servers. Hier wird der Session auch eine Session-ID zugewiesen, die in allen folgenden PPPoE Pa keten enthalten ist. Zu diesem Zeitpunkt hat der ESN alle benötigten Informationen, um eine dynamische Session zu generieren, und die in 9 dargestellten Zuordnungstabellen für Session- und Service Port zu generieren. Mit der Aktivierung der Tabelleneinträge ist eine direkte Kommunikation zwischen PPPoE Client und Server freigeschaltet, und die Session ist aktiv.

Abkürzungen:

SSS:

Service Selection Server

EAP:

EAP (RFC2284) ist ein allgemeines Authentication Protokoll, das mehrere Authentication Mechanismen unterstützt.

Claims

Einrichtung zur Session-basierten Vermittlung von Paketen, a) die empfangene Pakete auf der Basis der Ursprungs-MAC Adresse und/oder der Ziel-MAC Adresse vermittelt, b) die die Zuordnung der Sessions zu logischen Service Ports während des Sessionaufbaus erlernt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie empfangene Pakete auf der Basis weiterer Teile des empfangenen Paket-Headers, wie zum Beispiel VLAN ID oder Source IP Adresse, vermittelt.