WO2004112322A1 - Verfahren zur nutzung von parallelen links in paketorientierten netzen mit mehrwegerouting - Google Patents
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- H04L47/125—Avoiding congestion; Recovering from congestion by balancing the load, e.g. traffic engineering
Definitions
- the invention relates to a method for using parallel links in a packet-oriented network with multipath routing formed with nodes and links.
- IP Internet protocol
- RSVP Resource Reservation Protocol
- routing takes place within network domains or autonomous systems, for example using the OSPF (Open Shortest Path First) protocol.
- a metric ie fixed routing criteria, is usually used to determine an optimal path for packets routed through the routing domain, and the routing tables of the individual nodes of the network in accordance with these determined paths (often using so-called link-state messages as part of linked-state routing).
- link-state messages as part of linked-state routing.
- a routing table there is then usually an address for the next hop or the next station or the next for a specific destination, which is given by the destination address of the packet
- Jump assigned A router that receives a packet evaluates the address destination information integrated in the packet header, determines the address for the next hop and forwards the packet to the corresponding router or node. In this way, the packets are conveyed hop-by-hop through the network or the routing domain.
- Multipath routing An important approach to improve routing within packet-oriented networks is the so-called multipath routing, which is often also referred to as "multipath routing". It is intended to send packets along two or more paths within a routing domain to a destination. Multipath routing brings This is an important improvement on conventional routing in two respects: On the one hand, the distribution of packets in several different ways can achieve a better and more efficient utilization of the network, the bottlenecks that often occur due to uneven loads, which lead to delays and discarding of packets on the other hand, multi-way routing can also be used for a quick reaction to faults or failures within the network. In normal operation, a node distributes the traffic towards a destination evenly or according to a certain distribution weight on the available compartments.
- a path fan is given by links starting from the node - also referred to as edges in the German-language literature - to which packets of a flow are distributed. If a link fails, the node removes the affected route from the route fan and redistributes the traffic accordingly over the remaining routes.
- an acceptance check with suitably calculated acceptance thresholds can ensure that there is only so much quality traffic in the network it is left that the way fan remaining after an error can actually carry this traffic.
- the network thus offers a planned reserve, which takes over the traffic in the event of a fault while maintaining the promised quality of service (and which can be used in normal operation by lower priority traffic classes - eg best effort traffic).
- the second version of the OSPF protocol (see RFCs 2328, 2178, 1583, 1247, 1131) intended to transport protocols along several paths that have the same length in terms of a metric.
- This protocol extension is known in the trade under the acronym ECMP (Equal Cost Multi Path).
- ECMP Equal Cost Multi Path
- the object of the invention is to improve multi-way routing within packet-oriented networks.
- a packet-based network with multi-way routing is assumed, the nodes of which are usually available route alternatives or distribution compartments for the distribution of traffic.
- the route alternatives specifically the "next hops" for a node should be determined in such a way that they use disjoint links via different neighboring nodes in order to ensure a low susceptibility to interference.
- parallel links between neighboring nodes that are coupled, for example, to increase capacity, i.e. operate logically like a link with a correspondingly higher capacity
- This can be, for example, multiple physical links or multiple wavelengths in a WDM system (WDM: Wave Length Division Multiplexing) or multiple channels in a TDM system (TDM: Time Division Multiplexing).
- WDM Wave Length Division Multiplexing
- TDM Time Division Multiplexing
- the invention is based on the finding that bundled links in the course of the definition of route compartments for a multi-way routing should not be included individually like normal links in the route compartments and its traffic distribution, because they usually do not offer the disjointness required for failure protection (the reason is that parallel "links" are often routed along the same route, with WDM even over the same fiber. They also end at the same neighboring node, ie the failure of a node affects all links of a bundle).
- the advantage of the specified invention is that parallel links, which are often used in networks to increase capacity, can be operated as a bundle by this method, and yet mechanisms for increasing reliability, which are based on the existence of (disjoint) alternative routes, can be used.
- links of a bundle in the case of error reactions are separated, i.e. treated as different links.
- the further training has a positive effect, for example, in the event of error reactions based on a redefinition of traffic distributions weights and / or based on acceptance thresholds for the admission of prioritized traffic in the network.
- the necessary scope for changing the distribution weights or reducing the permitted traffic also depends on whether packets will be distributed over the other links in the bundle if a link in the bundle breaks.
- the multipath routing algorithms calculate e.g. N disjoint "next-hops" for a node to a specific destination (N need not be the same for all nodes). According to the invention, it is proposed to have adjacent nodes at points with P which are to be operated as a bundle:
- This fan then has more than N ways.
- the links are operated individually and individually subjected to error protection and reaction. If a single link in the bundle fails, the local error reaction can redistribute the traffic over the remaining (P + (N-I)) -1 routes.
- the method according to the invention can of course also be applied to several bundles in a node, e.g. P parallel links to neighboring nodes A and Q parallel links to neighboring nodes B. Each bundle P and Q then forms a link when defining the routing compartments.
- Fig. 1 a network section with physical links, three of which run in parallel,
- Fig. 2 the logical representation of the network section when determining distribution subjects
- 3 the logical representation of a distribution fan intended for node A
- FIGS. 1 to 4 show an example of the treatment of parallel links according to the invention when determining distribution subjects.
- Figure 1 shows a section of a physical network, e.g. an IP (Internet protocol) network with three parallel links from node A to node C.
- FIG. 2 shows the logical network view transferred to the multipath routing algorithm for determining a distribution fan.
- the three parallel links are treated as a logical link when defining alternative routes or distribution subjects. This ensures that there are disjoint routes for routing. It is avoided that a distribution fan consists only of links of a bundle. This would e.g. if the destination node C of the parallel links fails, the consequence is that there are no longer any alternative routes within the distribution fan. Instead, the invention ensures that there are at least links to two different nodes in the distribution compartments.
- Figure 3 shows the logical distribution fan at node A. It contains two paths.
- the logical view is mapped again to the physical one.
- the path fan from node A comprises four further "next hops" or next jumps, namely the three parallel links to C and the one link to D.
- the node C for the three different parallel links is addressed by three different addresses (eg IP addresses).
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von parallelen Links in einem paketorientierten Netz mit Mehrwegerouting. Bei diesem Verfahren werden die parallelen Links als ein (logischer) Link bei der Festlegung eines Verteilungsfächers und als viele logische Links bei einer Fehlerreaktion behandelt. Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits bei der Bestimmung von Wegen durch das Netz diese disjunkt sind, andererseits dass bei Ausfall einer der parallelen Links die übrigen weiter für die Verteilung des Verkehrs verwendet werden.
Description
Beschreibung
Verfahren zur Nutzung von parallelen Links in paketorientierten Netzen mit Mehrwegerouting
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von parallelen Links in einem mit Knoten und Links gebildeten paketorientierten Netz mit Mehrwegerouting.
Die Verbesserung bzw. Optimierung von paketorientierten Netzen vor allem in Hinblick auf Echtzeitverkehr ist derzeit ein wichtiges Arbeitsfeld für Vermittlungstechniker, Netzwerkspezialisten und Internet-Experten.
Derzeit wird intensiv daran gearbeitet, paketorientierte Netze und dabei besonders das auf dem Internetprotokoll (IP) basierende Internet für die Übertragung von Echtzeitverkehr, wie z. B. Sprach- oder Videodaten weiterzuentwickeln. Für die Akzeptanz eines Echtzeitdienstes durch den Dienstnutzer ist entscheidend, dass bestimmte sogenannte Dienstgütemerkmale eingehalten werden können. Im Englischen ist für diese Eigenschaft der Begriff „Quality of Service" - abgekürzt QoS - üblich. Neben Ansätzen zu einer strengen Kontrolle der durch den Benutzer beanspruchten Bandbreite, z.B. mittels Wege- Schaltung (MPLS: Multi Protocol Label Switching) in Verbindung mit Bandbreitereservierungen (RSVP: Resource Reservation Protocol) gibt es komplementäre oder alternative Anstrengungen, die Funktionsweise des herkömmlichen Internets zu verbessern.
Im herkömmlichen Internet findet Routing innerhalb von Netzdomänen oder autonomen Systemen z.B. mittels des OSPF (Open Shortest Path First) Protokolls statt. Üblicherweise wird mit Hilfe einer Metrik, d.h. festen Routingkriterien ein im Sinne dieser Metrik optimaler Pfad für durch die Routingdomäne geleiteten Pakete ermittelt und die Routingtabellen der einzelnen Knoten des Netzes entsprechend dieser ermittelten Pfade
(häufig mittels sogenannter Link-State-Nachrichten im Rahmen des linked-state Routings) angepasst. In einer Routingtabelle ist dann üblicherweise für ein bestimmtes Ziel, welches durch die Zieladresse des Paketes gegeben ist, eine Adresse für den nächsten Hop bzw. die nächste Station oder den nächsten
Sprung zugeordnet. Ein Router, der ein Paket erhält, wertet die im Paketkopf integrierte Adresszielinformation aus, bestimmt dazu die Adresse für den nächsten Hop und leitet das Paket zu dem entsprechenden Router bzw. Knoten weiter. Auf diese Weise werden die Paket sozusagen Hop per Hop durch das Netz bzw. die Routingdomäne vermittelt.
Ein wichtiger Ansatz zur Verbesserung des Routings innerhalb paketorientierter Netze ist das sogenannte Mehrwegerouting, das häufig auch mit dem englischen Ausdruck „Multipath Routing" bezeichnet wird. Dabei wird vorgesehen, Pakete entlang zweier oder mehrerer Pfade innerhalb einer Routingdomäne zu einem Ziel zu senden. Mehrwegerouting bringt in zweierlei Hinsicht eine wichtige Verbesserung zu dem herkömmlichen Rou- ting. Einerseits kann durch die Verteilung von Paketen auf mehrere verschiedene Wege eine bessere und effizientere Auslastung des Netzes erzielt werden. Die bei Ungleichbelastung häufig auftretenden Engpässe, welche zu Verzögerungen und den Verwurf von Paketen führen können, werden so deutlich unwahr- scheinlicher. Anderseits kann Mehrwegerouting auch für eine schnelle Reaktion auf Störungen oder Ausfälle innerhalb des Netzes verwendet werden. Im Regelbetrieb verteilt ein Knoten den Verkehr in Richtung eines Ziels gleichmäßig oder nach bestimmten Verteilgewichten auf den verfügbaren Wegefächer. Ein Wegefächer ist dabei durch vom Knoten abgehende Links - in der deutschsprachigen Literatur auch als Kanten bezeichnet - gegeben, auf die Pakete eines Flows verteilt werden. Bei Ausfall eines Links nimmt der Knoten den betroffenen Weg aus dem Wegefächer und verteilt den Verkehr entsprechend auf die ver- bliebenen Wege um. Dabei kann für den Qualitätsverkehr eine Annahmekontrolle mit geeignet berechneten Annahmeschwellen sicherstellen, dass nur so viel Qualitätsverkehr im Netz zu
gelassen wird, dass der nach einem Fehler verbleibende Wegefächer diesen Verkehr auch tatsächlich tragen kann. Das Netz bietet damit also eine geplante Reserve, die im Fehlerfall den Verkehr unter Einhaltung der zugesagten Dienstqualität übernimmt (und die im Regelbetrieb durch niedriger priori- sierte Verkehrsklassen - z.B. best effort Verkehr - genützt werden kann) .
Für IP-Netze wurde im Rahmen der zweiten Version des OSPF- Protokolls (siehe RFCs 2328, 2178, 1583, 1247, 1131) vorgesehen, Protokolle entlang mehrerer Wege, die im Sinne einer Metrik gleiche Länge aufweisen, zu transportieren. Diese Protokollerweiterung ist unter dem Kürzel ECMP (Equal Cost Multi Path) in der Fachwelt bekannt. Es erfolgt im Rahmen dieses Konzeptes eine Gleichverteilung auf die verschiedenen Wege, die auch durch die gleiche Länge, bzw. die gleichen Kosten nahegelegt ist.
Die Erfindung hat die Aufgabe, Mehrwegerouting innerhalb pa- ketorientierter Netze zu verbessern.
Die Erfindung wird durch den Anspruch 1 gelöst.
Es wird von einem paketbasierten Netz mit Mehrwege-Routing ausgegangen, dessen Knoten in der Regel Wegealternativen bzw. Verteilungsfächer für die Verteilung des Verkehrs zur Verfügung stehen. Dabei sollen möglichst die Wegealternativen (konkret die „next-hops" ) für einen Knoten so bestimmt werden, dass sie jeweils disjunkte Links über verschiedene Nach- barknoten verwenden, um eine geringe Störanfälligkeit zu gewährleisten.
Nun gibt es in praktischen Netzen häufig parallele Links zwischen Nachbarknoten die z.B. zur Kapazitätserhöhung gekoppelt werden, also logisch wie ein Link mit entsprechend höherer Kapazität betrieben werden (die parallelen Links eines Verteilungsfächers werden im Folgenden auch als Bündel bezeich
net) . Dabei kann es sich z.B. um mehrfache physikalische Strecken oder auch mehrere Wellenlängen in einem WDM-System (WDM: Wave Length Division Multiplexing) oder mehrere Kanäle in einem TDM-System (TDM: Time Division Multiplexing) han- dein.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass gebündelte Links im Zuge der Definition von Wegefächern für eine Mehrwegerouting nicht einzeln wie normale Links in den Wegefächer und seine Verkehrsverteilung aufgenommen werden sollten, denn sie bieten meist nicht die für den Ausfallschutz erforderliche Disjunktheit (der Grund ist, dass parallele „Links" häufig über die selbe Trasse geführt werden, bei WDM sogar über die selbe Faser. Außerdem enden sie am selben Nachbarknoten, d.h. der Ausfall eines Knotens betrifft alle Links eines Bündels) .
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, Links eines Bündels als einen Link für die Bestimmung eines Wegefächers zur Ver- teilung von Paketen zu behandeln.
Der Vorteil der angegebenen Erfindung ist, dass durch dieses Verfahren parallele Links, wie sie in Netzen zur Kapazitätserhöhung häufig eingesetzt werden, als Bündel betrieben wer- den können und dennoch Mechanismen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, die auf der Existenz von (disjunkten) Alternativwegen basieren, zur Anwendung kommen können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung werden Links ei- nes Bündels bei Fehlerreaktionen (z.B. schnelles Rerouting von Paketen, Neufestsetzung von Verteilungsgewichten, Neubestimmung von Grenzen für eine den Verkehr beschränkende Zu- lässigkeitskontrolle) einzeln, d.h. als unterschiedliche Links, behandelt.
Die Weiterbildung wirkt sich z.B. bei Fehlerreaktionen positiv aus, die auf einer Neubestimmung von Verkehrsverteilge
wichte und/oder von Annahmeschwellen für die Zulassung von priorisierten Verkehr im Netz basieren. Denn der notwendige Umfang einer Änderung von Verteilungsgewichten oder einer Reduktion des zugelassenen Verkehrs hängt auch davon ab, ob bei einer Störung eines Links im Bündel über die anderen Links des Bündels weiter Pakete verteilt werden.
Zu beachten ist dabei besonders folgender Fall: Es ist technisch möglich, dass nur ein „Link" oder „Kanal" eines solchen Bündels ausfällt, z.B. wenn in einem WDM System die Laserdiode für eine bestimmte Wellenlänge versagt. Die Konnektivität bleibt in diesem Fall erhalten, jedoch reduziert sich die nutzbare Kapazität des Bündels. Bei dem selektiven Ausfall eines Links eines Bündels wirkt es sich besonders günstig aus, wenn die anderen Links des Bündels im Zuge der Fehlerreaktion als ordnungsgemäß funktionierende Links behandelt werden. Denn der Umfang der im Rahmen der Fehlerreaktion vorzunehmenden Verkehrsumverteilung wird durch die Verfügbarkeit der anderen Links des Bündels deutlich reduziert.
Bei Mehrwege-Routing-Algorithmen mit einer logischen Netzsicht, welche Knoten und Links enthält kann eine erfindungsgemäße Behandlung paralleler Links auch wie folgt beschrieben werden :
Die Mehrwege-Routing-Algorithmen berechnen z.B. N disj unkte „next-hops" für einen Knoten zu einem bestimmten Ziel (dabei muss N nicht für alle Knoten gleich sein) . Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei Stellen mit P parallelen Links zwi- sehen Nachbarknoten, die als Bündel betrieben werden sollen:
1. Den Mehrwege-Routing-Algorithmen das Bündel als einen einzigen Link zwischen Nachbarknoten in der logischen Netzsicht zu übergeben, so dass sie diesen Link und zusätzlich N-I zu dem Bündel und untereinander disjunkte Links in den Wegefächer aufnehmen .
2. Anschließend jedoch für die Fehlererkennung und die lokale Fehlerreaktion den Wegefächer an diesem Knoten mit P+ (N-I) separaten Links zu betrachten und zu betreiben.
Dieser Fächer hat dann mehr als N Wege. Die Links werden einzeln betrieben und einzeln der Fehlersicherung und -reaktion unterworfen. Bei Ausfall eines einzelnen Links des Bündels kann damit die lokale Fehlerreaktion den Verkehr auf die verbleibenden (P+ (N-I) ) -1 Wege umverteilen.
Es müssen natürlich nicht alle vorhandenen parallelen Links zwischen zwei Knoten in ein bestimmtes Bündel aufgenommen werden. So kann der Betreiber entscheiden, wie viele und welche der vorhandenen Links in die Menge P aufgenommen werden sollen.
Die vorhandenen Algorithmen zur Bestimmung der Verkehrsver- teilgewichte und der Annahmeschwellen können nach Bedarf und Zielsetzung sowohl auf die logische Netzsicht der Mehrwege- route (Bündel = ein Link) als auch auf die physikalische Netzsicht (Bündel = P separate Links) angewendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist natürlich auch auf mehrere Bündel in einem Knoten anwendbar, z.B. P parallele Links zu Nachbarknoten A und Q parallele Links zu Nachbarknoten B. Jedes Bündel P und Q bildet dann bei der Festlegung der Wegefächer einen Link.
Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig.l: einen Netzausschnitt mit physikalischen Links, von denen drei parallel verlaufen,
Fig.2: die logische Darstellung des Netzausschnittes bei der Festlegung von Verteilungsfächern,
Fig.3: die logische Darstellung eines für den Knoten A bestimmten Verteilungsfächers, und
Fig.4: die physikalische Darstellung des für den Knoten A bestimmten Verteilungsfächers aus Fig. 3.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen ein Beispiel für die erfindungsgemäßen Behandlung von parallelen Links bei der Festlegung von Verteilungsfächern. Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines physikalischen Netzes, z.B. ein IP (Internet protocol) Netz mit drei parallelen Links von Knoten A nach Knoten C. Figur 2 zeigt die dem Mehrwege-Routing-Algorithmus für die Bestimmung eines Verteilungsfächers übergebene logische Netzsicht. Die drei parallelen Links werden bei der Festlegung von alternativen Wegen bzw. Verteilungsfächern als ein logischer Link behandelt. Dadurch wird sichergestellt, dass disjunkte Wege für das Routing vorhanden sind. Es wird vermieden, dass ein Verteilungsfächer nur aus Links eines Bündels besteht. Dies hätte z.B. bei Ausfall des Zielknotens C der parallelen Links die Konsequenz, dass innerhalb des Verteilungsfächers kein alternativen Wege mehr zur Verfügung ständen. Stattdessen wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass zumindest Links zu zwei verschiedenen Knoten in den Verteilungsfächer vorhanden sind.
Der Mehrwege-Routing-Algorithmus möge für Knoten A N=2 Wege bestimmen. Figur 3 zeigt dann den logischen Verteilfächer an Knoten A. Er enthält zwei Wege. In Bild 4 wird die logische Sicht wieder auf die physikalische abgebildet. Nun umfasst der Wegefächer von Knoten A vier weiterführende „next hops" bzw. nächste Sprünge, nämlich die drei parallelen Links zu C und den einen Link zu D. In diesem Beispiel wurden mit P=3 alle vorhandenen parallelen Links in das Bündel aufgenommen. Bei einem Ausfall eines der drei Links werden die übrigen zwei als noch intakte, als Alternative für die Umverteilung des Verkehrs zur Verfügung stehende Links behandelt. Die ge
schieht beispielsweise, indem die Verteilungsgewichte für die intakten Links dahingehend geändert werden, dass der regulär über den ausgefallenen Link geleitete Verkehr auf die anderen Links umgeleitet wird. Dabei wird in der Regel der Knoten C für die drei verschiedenen parallelen Links durch drei verschiedene Adressen (z.B. IP Adressen) adressiert.
Claims
1. Verfahren zur Nutzung von parallelen Links in einem mit Knoten und Links gebildeten paketorientierten Netz mit Mehr- wegerouting, demzufolge
- zwei oder mehr physikalisch verschiedene parallele Links bei der Festsetzung eines Verteilungsfächers für die Verteilung von Datenpaketen durch einen Knoten auf wenigstens zwei verschiedene Wege als ein einziger Link behandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die parallelen Links bei einer Fehlerreaktion als getrennte Links behandelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Fehler durch den Ausfall eines Netzelements, z.B. eines der parallelen Links, gegeben ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei den parallelen Links der physikalische Unterschied durch räumliche Trennung oder durch unterschiedliche elektromagnetische Träger gegeben ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - die physikalisch verschiedenen parallelen Links durch mehrfache physikalische Strecken, mehrere Wellenlängen in einem WDM (Wave Length Division Multiplexing) System oder mehrere Kanäle in einem TDM (Time Division Multiplexing) System gegeben sind.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadu rch ge kennz e i chne t , da s s - bei einer NeubeStimmung von Verkehrsgewichten im Rahmen einer Fehlerreaktion die physikalisch verschiedenen parallelen Links getrennt behandelt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- bei einer Neubestimmung von Grenzen für ein Verkehrsaufkommen innerhalb des Netzes im Rahmen einer Fehlerreaktion die physikalisch verschiedenen parallelen Links getrennt behan- delt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Verfahren auf mehr als ein Bündel paralleler Links, die von dem Knoten wegführen, angewandt wird.
9. Netzknoten mit Mitteln für die Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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