ES2237698T3 - Dispositivo y procedimiento para la conmutacion de multiples señales utilizando un procesamiento de protocolo en varias etapas. - Google Patents
Dispositivo y procedimiento para la conmutacion de multiples señales utilizando un procesamiento de protocolo en varias etapas.Info
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Abstract
Dispositivo para la conmutación de múltiples señales orientadas a paquete en segmentos de red (18, 19), en particular para la conmutación y enrutado en los segmentos de red (18, 19), - con múltiples unidades de puerto (14) que incluyen uno o varios puertos (15), pudiendo unirse los puertos con los segmentos de red, - con una unidad de conmutación (16) que presenta preferentemente la función de un conmutador cruzado, - con al menos una unidad de protocolo (12) que al menos analiza una primera parte de las señales y fija su destino, caracterizado porque existen otras muchas unidades de protocolo (17), asociadas directamente a las unidades de puerto (14) para clasificar las señales según su protocolo de transmisión, y en función del protocolo de transmisión asumir autónomamente para una parte de los paquetes el procesamiento del protocolo y para otra parte ceder el procesamiento del protocolo a la primera unidad de protocolo.
Description
Dispositivo y procedimiento para la conmutación
de múltiples señales utilizando un procesamiento de protocolo en
varias etapas.
La invención se refiere a un procedimiento y un
dispositivo para la conmutación de múltiples señales orientadas a
patentes.
En tales redes de transporte de datos es
necesario conducir los datos en forma de paquetes de datos desde una
fuente hasta un destino. Para ello es necesario un correspondiente
sistema de conmutación. En los últimos años ha aumentado fuertemente
la capacidad de transmisión y la velocidad de transmisión de datos
en redes, con lo que también aumentan continuamente las exigencias a
estos sistemas de conmutación. Esto dio lugar a la necesidad de
desarrollar equipos de conmutación, en particular conmutadores y
enrutadores que presenten un flujo de datos en la gama de los
multigigabits e incluso terabits. Para unas velocidades de
transmisión tan altas, los protocolos de red necesarios sólo pueden
realizarse como hardware, para poder realizar los tiempos de
respuesta necesarios.
Los equipos de conmutación para estas elevadas
velocidades de transmisión se realizan, en función de las
posibilidades, utilizando un cableado posterior activo. Aquí se
emplean ante todo arquitecturas de barras cruzadas, que funcionan
completamente en paralelo, con lo que el flujo en tales equipos
queda limitado por la velocidad de los procesos de conmutación de
las barras cruzadas, de la cantidad de puertos individuales y del
protocolo de comunicación utilizado internamente.
Las arquitecturas de barras cruzadas trabajan
usualmente con varios chips de puerto, unidos mediante interfaces
con un chip central de barras cruzadas. Los chips de barras cruzadas
conocidos contienen usualmente memorias tampón, para memorizar
transitoriamente paquetes o células cuando se presentan
colisiones.
Otros componentes de los equipos de conmutación
son las unidades contention-resolution (unidades de
resolución de conflictos de células) que regulan el tráfico entre
los distintos puertos, en el caso de que un puerto deba recibir
datos de otros varios puertos. Por los folletos DE 19935127 y DE
19935126, así como por sus referencias, puede deducirse cómo pueden
resolverse tales conflictos.
Otro componente de los sistemas de conmutación
son las memorias tampón, que son necesarias para poder absorber
puntas en la velocidad de transmisión en sistemas con velocidad de
transmisión de datos variable, por ejemplo sistemas en los cuales se
transmiten distintos servicios por las mismas líneas. Además,
funcionan sobre esta memoria tampón las unidades de procesamiento de
protocolo o bien los correspondientes chips, que calculan el puerto
siguiente al que hay que transmitir el paquete de información o bien
la célula. Las unidades de procesamiento de protocolo determinan, en
base a la cabecera (Header) y las correspondientes tablas, a quién
ha de retransmitirse bien el paquete o bien la célula. Así, para un
entorno multiprotocolo pueden existir varias tablas que se deben
utilizar para el procesamiento de por ejemplo protocolos ATM, MPLS e
IP.
Un inconveniente de estos sistemas conocidos es
el relativamente elevado coste de realización, ya que prácticamente
todos los mecanismos del protocolo, debido a la elevada velocidad de
la transmisión, deben ser realizados como hardware. En particular la
existencia de memorias tampón y las correspondientes vías de
transmisión de alta velocidad para la transmisión interna de datos
desde y hacia las memorias tampón, da lugar a una parte considerable
del coste total en la realización de tales equipos de
conmutación.
La mayoría de los sistemas de conmutación que
pueden obtenerse en el mercado para redes de paquetes y sus
elementos se basan en una retransmisión salto a salto (hop by hop)
de los paquetes mediante los sistemas de conmutación. Entonces se
induce un coste de procesamiento tanto más alto cuanto más elevada
sea la capa de protocolo en la que se toma la decisión, así como su
complejidad. Por lo general se toma la decisión en la capa 1 o en la
capa 2 o bien en el nivel de capas de comunicación. Estas capas
dependen no obstante por lo general de la topología especial de la
red que enlaza las unidades de conmutación entre sí. Las mismas no
incluyen por lo general amplias topologías.
Por ello se desarrollaron en el pasado
procedimientos simplificados de retransmisión de paquetes como MPLS,
ATM (ver los correspondientes RFCs) etc., y que en parte pueden
emplearse también abarcando la topología.
Debido a las limitadas anchuras de banda de
memoria, las grandes unidades de conmutación están compuestas por
varias unidades de procesamiento de protocolo, que son unidas entre
sí mediante unidades de acoplamiento, por ejemplo, el antes
mencionado crossbar-backplane, (cableado posterior
de barras cruzadas) activo; ver al respecto por ejemplo la DE
19935126.0. Las unidades de acoplamiento utilizadas para ello,
tienen debido a su sencilla estructura y a las bajas exigencias de
tamaño de memoria (posibilitado por una coordinación de los flujos
de paquetes que corren por las unidades de acoplamiento) una muy
elevada capacidad de potencia, que llega hasta la gama de los
terabits. La correspondiente estructura de un puesto de conmutación
que posee una capacidad de potencia muy elevada, puede verse en el
folleto J Chao: "Saturn: A Terabit Packet Switch Using Dual Round
Robin" en el IEEE Communications Magazine, Diciembre 2000, 5. 78
- 84. De este folleto puede tomarse un procedimiento
Round-Robin (petición en rueda), según el cual se
asignan a los puertos de entrada los correspondientes puertos de
salida.
Una razón importante para el desarrollo de
protocolos simplificados como ATM, MPLS, fue la de simplificar y
acortar la decisión sobre las vías a utilizar en las unidades de
procesamiento de protocolo. No obstante, según el estado de la
técnica hasta ahora los paquetes siguen recorriendo las mismas
unidades de procesamiento con la misma cantidad de unidades de
procesamiento de protocolos. En las unidades de procesamiento de
protocolos los distintos tipos de paquete sufren un tratamiento
diferente. Por lo general se realiza una diferenciación según el
tipo de protocolo.
La limitada anchura de banda de las memorias
tampón de paquetes en las unidades de procesamiento de protocolo,
limita no obstante adicionalmente el flujo total de paquetes por
cada unidad de procesamiento de protocolos. La interconexión
correspondiente (mencionada bajo 1.) de la unidad de procesamiento
de protocolos, debe coordinarse en la zona de la gestión de memoria
mediante el correspondiente protocolo adicional entre los módulos
(es decir, en principio se forma así una memoria tampón total de
paquetes grande distribuida y virtual; ver al respecto DE
19935127.9). Esto da lugar no obstante por una parte a la necesidad
de una gran anchura de banda para esta cabecera adicional de
protocolo, y por otro lado a la necesidad de integrar en la unidad
de procesamiento de protocolo unidades de comunicación adicionales
para los correspondientes protocolos de coordinación de memoria
distribuidos.
Por otro lado, ciertamente las unidades de
acoplamiento eran hasta ahora cada vez más potentes, pero sólo
existen interfaces internas con las correspondientes unidades de
procesamiento de protocolo, en las cuales cada paquete sufre un
procesamiento valioso y costoso.
Es tarea de la invención poner a disposición una
unidad de conmutación rápida y más económica.
Esta tarea se resuelve mediante un dispositivo y
un procedimiento con las particularidades de las reivindicaciones
independientes. Otras formas constructivas y sus particularidades se
toman de las reivindicaciones secundarias.
La idea básica de la invención reside en la
realización de un procesamiento de protocolo al menos en dos etapas.
Así, presenta cada puerto de una unidad de acoplamiento al menos una
unidad de protocolo, que está en condiciones de realizar una
clasificación sencilla de los paquetes que llegan y procesar
rápidamente protocolos sencillos. Además, se prevén conexiones de
las unidades de acoplamiento que están unidas mediante un segmento
de red dentro o fuera de la unidad de conmutación con otra unidad de
protocolo, que puede realizar análisis más complejos para protocolos
más complejos. Así, paquetes que corresponden a conceptos de
protocolo simplificados, como ATM y MPLS, se procesan directamente
en la unidad de acoplamiento y se retransmiten inmediatamente. A las
unidades de procesamiento de protocolo más complejas se llevan ahora
solamente a través del segmento de red aquellos paquetes o bien
informaciones sobre los paquetes que han de procesarse allí en las
capas de protocolo más elevadas; la correspondiente retransmisión de
los paquetes se realiza entonces mediante las unidades de
acoplamiento. Las unidades de acoplamiento asumen también la
retransmisión del paquete, una vez que el puerto de partida o bien
el puerto de destino haya sido determinado mediante la unidad de
protocolo para protocolos complejos. Los conceptos de protocolos
simplificados modernos, presentan una división estricta entre
control/señalización y transporte de datos por ejemplo MPLS con
LPD/RSVP-TE (Internet Draft), (procedimiento para la
inicialización de rutas MPLS), (conceptos
I-poverWDM, ver p.e. RFC3031/3032/3034/3035)).
Mediante la presente invención se mantiene el coste de transporte de
datos muy bajo, se limita fuertemente el coste en memoria tampón
(Memory and Memory Speed, memoria y velocidad de memoria) y se
reduce muy fuertemente el coste de coordinación entre memorias
tampón distribuidas (mediante ingeniería de tráfico y
toma/establecimiento de enlaces). El tráfico de control/señalización
puede así ser de una complejidad distinta y variar fuertemente en
cuanto a coste de procesamiento también en función de la situación
de carga (tiempo de mantenimiento del enlace) y pese a ello, puede
tratarse de manera dinámica y flexible.
Debido a las nuevas estructuras de los segmentos
de red, la mayor parte del procesamiento de paquetes ya no tiene
lugar en las clásicas unidades de procesamiento de protocolo, sino
que tienen lugar básicamente sólo una rápida clasificación e
identificación, fuertemente simplificada, en las unidades internas
de acoplamiento, que pueden ser tanto de naturaleza eléctrica como
también de naturaleza óptica. Las unidades de conmutación conocidas
se utilizan sólo en casos excepcionales. Así, las unidades de
procesamiento de protocolo sólo deben elaborar aquellos paquetes que
son necesarios para la señalización (p.e. paquetes de control) y en
los casos en los que sea necesaria una elaboración a un nivel más
alto. La matriz de acoplamiento soporta ahora el coste principal de
la retransmisión de paquetes y está unida con la red mediante
interfaces por lo general de lo más sencillas y estandarizadas
(Point to Point, punto a punto). Aquí se utilizan ante todo
protocolos similares a UDLC, como por ejemplo el Simple Data Link
Protocol (SDL, ver Doshi, B. y otros : "A Simple Data Link
Protocol for High Speed Packet Networks" Bell Labs Technical
Journal, pag. 85-104, Vol. 4 Nº 1).
En otra forma constructiva los puertos están
unidos con conductores ópticos. En un posible procedimiento
multietapa, están unidos simples conectores ópticos
Lambda-Cross con/sin conversión de longitud de onda
con acopladores MPLS/ATM y con
IP-Router-Engines. En formas
constructivas futuras, se utilizarán para el enrutado procesadores
de red que mediante las correspondientes soluciones de software
puedan adaptarse a protocolos futuros más complejos.
En su conjunto, da lugar lo aprendido con la
invención a exigencias inferiores a la potencia de procesamiento de
paquetes de la arquitectura completa. Referido al flujo total, el
tratamiento completo del protocolo, es decir, referido a protocolos
complejos, se convierte en un simple tratamiento de excepciones. Una
cantidad flexible de módulos de protocolo puede conectarse en
función de las exigencias. El flujo total viene determinado en gran
medida por las propias unidades de acoplamiento, lo cual puede dar
lugar a un aumento de la potencia.
Mediante la presente invención se pone así a
disposición un diseño completamente nuevo de equipos de conmutación.
Los módulos de acoplamiento presentan conexiones que permiten el
enlace con una red externa y poseen en sus entradas unidades para
una rápida clasificación de paquetes de datos en aquéllos que pueden
ser reprocesados por completo en la propia unidad de procesamiento y
aquéllos que han de transmitirse a los módulos de procesamiento de
protocolo. Esta red es simplemente competente para la comunicación
con las unidades de protocolo. Tiene lugar así una separación
estricta entre control y tráfico de datos de transporte al nivel de
las unidades y módulos.
Las unidades de acoplamiento son dotadas de una
lógica adicional, que asume una gran parte de las decisiones que en
el pasado eran tomadas por unidades de protocolo. Solamente el flujo
de informaciones que son enviadas mediante complejos protocolos, se
controla mediante las unidades de protocolo conocidas. Debido a esto
se renuncia a la elaboración de una parte de los paquetes en los
módulos de protocolo. La gran parte de la carga del paquete se
procesa ya al nivel más bajo de protocolo.
A continuación y en base a las figuras se
describe la posible estructura de una unidad de conmutación
correspondiente a la invención. Se muestra en:
figura 1 una estructura detallada de una unidad
de conmutación, cuya unidad de acoplamiento dispone de puertos con
la red externa, estando implementada en cada puerto de la unidad de
acoplamiento una unidad de protocolo para protocolos poco complejos,
y los módulos de protocolo para protocolos complejos unidos con la
unidad de acoplamiento,
figura 2 una estructura detallada de dos unidades
de conmutación tal y como se representan en la figura 1, estando
unidas las mismas mediante un Cross Connector óptico y convertidores
E/O con una red óptica.
La figura 1 muestra una ejecución simplemente
eléctrica de la presente invención. Las unidades de puerto 14,
llamadas también unidades de acoplamiento, están unidas directamente
mediante interfaces de 10 gigabits o bien puertos 15 con el mundo
exterior, es decir, una red externa 18. Dentro de estas unidades de
puerto se retransmite ya una gran parte de los paquetes según MPLS.
La elaboración de los paquetes tiene lugar mediante unidades de
protocolo 17 para protocolos menos complejos. Los paquetes o bien
sus informaciones de cabecera que necesitan un enrutado de IP, se
elaboran en módulos de protocolo 12 y son sólo retransmitidos
mediante las unidades de acoplamiento o bien unidades de puerto 14.
El enlace entre las distintas unidades de protocolo 12 y 17 se
asegura mediante una red 13, que sirve simplemente para el
intercambio de informaciones de control. Aquí se intercambian tablas
de enrutado y tablas de MPLS. Además, tiene lugar una comunicación
con ayuda de los protocolos ya antes descritos. En otra forma
constructiva se trata de una red jerárquica, que en función de la
carga de protocolos a esperar presenta distintos niveles con
diferente cantidad de unidades de protocolo, que son responsables de
los correspondientes protocolos. Los distintos niveles están
dispuestos a una distancia diferente respecto a las unidades de
puerto. El nivel con la mayoría de las unidades de protocolo está
dispuesto inmediatamente contiguo a las unidades de puerto.
La figura 2 muestra una ejecución que
adicionalmente se basa en la retransmisión de datos mediante una
transconexión (Cross Connect) óptica con conversión de longitudes de
onda (y combinadores separadores Splitter Combiner adicionales
dependientes de la longitud de onda). Según los conceptos básicos
para la llamada conmutación multiprotocolo Lambda (ver D Awduche y
otros: "Multi-protocol Lambda Switching:
Combining MPLS Traffic Engineering with Optical Cross Connects",
Internet Draft,
draft-awduche-mpls-te-optical-0
1.txt) se reproducen rutas MPLS de más longitud y más intensivas en
anchura de banda sobre longitudes de onda propias, que entonces sólo
son retransmitidas en el cross connector 10. Algunas longitudes de
onda quedan reservadas como hasta ahora para el tráfico de paquetes
clásico. Sus flujos de bits son transformados
óptico-eléctricamente y entonces son reelaborados
como en la figura 1 en las barras cruzadas susceptibles de MPLS (y
eventualmente en los módulos de protocolo). El enlace con las
unidades de puerto 14 se realiza mediante un convertidor E/O 11.
En otra forma constructiva no representada se
utiliza una unidad de análisis especial, que analiza las señales o
bien paquetes de información ya de antemano, para determinar de qué
protocolo se trata. Tras determinarlo se retransite el
correspondiente paquete a la correspondiente unidad de protocolo. En
una forma constructiva especial, en esta unidad de análisis está
integrada inmediatamente una unidad de protocolo, que
preferentemente puede elaborar protocolos sencillos, como MPLS o
bien ATM. De esta manera queda asegurado que simultáneamente con el
proceso de análisis las informaciones son leídas y evaluadas, sin
que tengan que ser leídas una segunda vez.
Claims (9)
1. Dispositivo para la conmutación de múltiples
señales orientadas a paquete en segmentos de red (18, 19), en
particular para la conmutación y enrutado en los segmentos de red
(18, 19),
- -
- con múltiples unidades de puerto (14) que incluyen uno o varios puertos (15), pudiendo unirse los puertos con los segmentos de red,
- -
- con una unidad de conmutación (16) que presenta preferentemente la función de un conmutador cruzado,
- -
- con al menos una unidad de protocolo (12) que al menos analiza una primera parte de las señales y fija su destino,
caracterizado porque
existen otras muchas unidades de protocolo (17),
asociadas directamente a las unidades de puerto (14) para clasificar
las señales según su protocolo de transmisión, y en función del
protocolo de transmisión asumir autónomamente para una parte de los
paquetes el procesamiento del protocolo y para otra parte ceder el
procesamiento del protocolo a la primera unidad de protocolo.
2. Dispositivo según la reivindicación
precedente, caracterizado porque las demás unidades de
protocolo (17) simplemente procesan protocolos para los que no son
necesarias operaciones intensivas en memoria y/o intensivas en
tiempo para averiguar el destino de las señales.
3. Dispositivo según la reivindicación
precedente, caracterizado porque mediante las otras unidades
de protocolo (17) se elaboran simplemente señales cuyo protocolo es
MPLS y/o ATM.
4. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada
unidad de puerto lleva asociada al menos otra unidad de
protocolo.
5. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
unidades de protocolo (17,12) presentan en cada caso al menos una
interfaz de red, a través de la cual están unidas las unidades de
protocolo con un segmento de red (13).
6. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
unidades de protocolo (17, 12) intercambian entre sí señales de
control para poner a disposición preferentemente informaciones de
conmutación y/o enrutado.
7. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera
unidad de protocolo (12) procesa señales que son transportadas sobre
la base de IP.
8. Dispositivo según una o varias de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos
una parte de las unidades de puerto (14) está unida ópticamente
mediante un convertidor E/O (11) con un Cross - Connect óptico (10)
para realizar para éste las operaciones de conmutación y/o
enrutado.
9. Procedimiento para la conmutación de múltiples
señales orientadas a paquetes en redes, en particular para la
conmutación y enrutado en las redes, con un dispositivo, en
particular según una o varias de las reivindicaciones precedentes,
que presenta una jerarquía de unidades de protocolo, estando
asignadas en función de los protocolos utilizados distintas
jerarquías de las unidades de protocolo a un protocolo, y
dependiendo la cantidad de unidades de protocolo en esta jerarquía
de la frecuencia del protocolo utilizado,
en el que en un primer paso se analiza la señal
para la determinación del protocolo de transmisión, y a continuación
y en dependencia del protocolo de transmisión, asignar la señal a
una unidad de protocolo en la jerarquía correspondiente al
protocolo, para que la correspondiente unidad de protocolo determine
el destino, para retransmitir entonces la señal a la unidad de
conmutación.
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