CN1153409C

CN1153409C - 在虚拟局域网络环境中多点传送转送的装置及方法

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Publication number: CN1153409C
Application number: CNB011328711A
Authority: CN
Inventors: 刘广治; 李枋壅
Original assignee: Acute Tech Corp
Current assignee: Acute Tech Corp
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2021-09-12
Also published as: CN1404258A

Abstract

一种在虚拟局域网络(VLAN)环境中执行IP多点传送转送的装置，适用于网络设备的网络端口之间对多点传送地址转送多点传送信息。该网络设备内多点传送地址可含有多个VLAN，每一VLAN具有一多点传送目的子集合，该多点传送目的子集合由一个以上的目的端口所构成，该目的端口是从网络设备的网络端口之中所指定。该装置包括产生装置，查询器，转送器，多个转译器。产生装置产生一多点传送目的端口组。查询器用来将多点传送地址映对至一索引值。转送器则耦合至该查询器，根据该位字串分发索引值和多点传送信息给网络设备的多点传送目的端口组。网络设备的各个网络端口上分别设置有转译器，属于多点传送目的端口组里网络端口的各个转译器，独立平行地执行VLAN识别码(VID)的转译。

Description

在虚拟局域网络环境中多点传送转送的装置及方法

技术领域

本发明涉及在电脑网络中分发信息的装置及其方法，特别涉及在虚拟局域网络(Virtual Local Area Network)环境中有效地分发IP多点传送(IPMulticast)信息的装置及其方法。

背景技术

虚拟局域网络(Virtual Local Area Network，以下简称VLAN)是交换式的网络，能够以组织为基础，而不是根据实体或地理位置，依功能、依工作团队或者依照应用的不同来作逻辑上的区分。举例来说，某一特定工作组所使用的工作站全部连到同一VLAN，而不管其网络的实体连结或是他们可能与其他团队掺杂的事实。网络组态的重新设定可以通过软件的执行而不必实际地拔起以移动设备或缆线。美国专利第5,394,402号曾提出一种能够把交换器(Switch)上的任何网络端口(Port)与任何特定隔离网络组结合的安排，根据此篇专利，通过虚拟地结合网络端口与一特定的VLAN目的地，任何数量的实体网络端口可以这种VLAN安排方式和交换器内的任何数量的组结合。除此之外，每一个VLAN拥有唯一的虚拟局域网络识别码(VLAN Identifier，以下简称VID)，当发自某一VLAN的数据框(Frame)横越主干网络时，将载有所属VID并以加标签(Tagging)的方式达到VLAN交换的目标。无论从以网络端口为基础(Port-based)、以地址为基础(Address-based)或以协议为基础(Protocol-based)的VLAN结构的观点，VID使得VLAN交换器或路由器(Router)可以选择性地转送信息到拥有相同VID的网络端口。VID是电机和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronic Engineers，下文简称IEEE)802.1Q标准(或者是802.1v，针对以协议为基础)所使用的VLAN识别码，有12位(bit)，总共可以识别4096个VLAN。

为增加网络的灵活度，因特网协议(IP Protocol)可实作于局域网络之内。当因特网协议中的IP多点传送(IP Multicast，下文均以“多点传送”二字简称IP Multicast)在局域网络内与VLAN结合时，产生以下更为灵活但趋复杂的应用。例如，可以提供传送信息到一预定的工作站组，该组包括不同VLAN目的地的工作站，这样的信息是所知的多点传送(Multicast)信息。例如，一工作站组想接收从一源工作站所产生的某类信息，这些工作站会在一或多个控制横越VLAN范围传递信息的网络设备(例如路由器或多协议层交换器)上注册。经由定义用来让工作站成员加入组的各种操作的因特网组管理协议(Internet Group Management Protocol，下文简称IGMP)可以达到注册和订阅多点传送信息的目的。上述网络设备也可以利用安全机制以防止具有特定VLAN目的地的工作站成员将订阅的多点传送信息送到无权使用的工作站。

在收到多点传送信息时，传统的网络设备会检查该多点传送信息的多点传送地址以及一个与此多点传送地址相关的VLAN组串列，VLAN组串列通常以链结串列的数据结构运作，其包括一串列的节点项目(Node)，每一个节点项目拥有各自的VID以及与其VID相关联的多点传送目的子集合，通常多点传送目的子集合是以一种称为出口端口(Port-On-Exit，下文简称POE)的位图(Bitmap)形式来表示。POE中的每个有效位代表着一个目的端口，如果多点传送信息预定送到好几个VLAN和网络端口，传统的网络设备将会以一个接一个审视VLAN组串列所有节点项目的方式，查询该串列中的每个VID以及与其VID相关联的目的端口，一旦目的端口决定好了之后，传统的网络设备才把多点传送信息转送到与VID相关联的目的端口，并以该节点项目中所属的VID贴入将该多点传送包内的VLAN标签处，如此反覆直到VLAN组串列从头至尾处理完毕。因此，传统网络设备执行上述查询-转送的程序是逐次审视多点传送地址相关联的串列节点，其设计原理是以各别VLAN为观点出发的查询基础。然而，所知的实施方式却有下列的缺点：

(1)以各别VLAN为查询基础的做法是一种集中且序列式(Serialized)的处理，这样的做法并没有充分地利用系统的资源，即使网络设备的网络端口上的输出队列(Output Queue)仍可供利用。

(2)在上述的VID查询和转送之间存在着延迟时间，与多点传送地址相关联的VLAN愈多，则将累积愈多的延迟时间，使得多点传送信息无法以高速的线速度(Wire-speed)转送。

发明内容

有鉴于此，需要提供一种可以在网络设备的网络端口之间有效率分发多点传送信息而且不会降低网络设备效率的机制。

本发明的目的是提供一种装置可以在VLAN环境中有效地分发多点传送信息。

本发明的别一目的是提供一种以VLAN为基础，将多点传送信息有效地转送至一网络设备目的端口上的方法。

为达上述目的，本发明提供一种在VLAN环境中多点传送转送的装置，适用于一网络设备的多个网络端口之间分发与一多点传送地址结合的多点传送信息，该网络设备内有多个VLAN被指定至该多点传送地址，此装置包括一产生多点传送目的端口组的产生装置以及分别设置于网络设备各个网络端口上的多个转译器。该多点传送目的端口组是通过将网络设备里被指定至该多点传送地址的全部VLAN内的每一多点传送目的子集合进行联集而产生。此多点传送转送装置还包括一查询器以及一耦合至该查询器的转送器。查询器用来将多点传送地址映射至一索引值，并且将多点传送地址和代表多点传送目的端口组的位字串指定至该索引值；转送器则用来根据该位字串分发索引值和多点传送信息给网络设备的多点传送目的端口组。属于多点传送目的端口组里的网络端口上的各个转译器，将各自独立且平行地执行从识别码标签串列转译成VID的工作。

本发明还提供了一种在虚拟局域网络环境中多点传送转送的方法，适用于一网络设备的多个网络端口之间分发与一多点传送地址结合的多点传送信息，该网络设备内有多个虚拟局域网络被指定至该多点传送地址，每一虚拟局域网络具有一多点传送目的子集合，该多点传送目的子集合由至少一目的端口所构成，该目的端口是从该网络设备的所述网络端口之中所指定，其方法包括下列步骤：A.提供一多点传送目的端口组，一索引值，至少一识别码选取指针，以及多个识别码标签串列，每一该等识别码标签串列各自相应于该网络设备的每一所述网络端口；B.依照指定至该多点传送地址的该索引值来查询该多点传送目的端口组；C.转送多点传送信息给该网络设备的该多点传送目的端口组；以及D.独立且平行地找出各个所述网络端口相关于该多点传送地址的全部虚拟局域网络识别码，各个所述网络端口的每一所述虚拟局域网络识别码由所述索引值、所述识别码选取指针以及相应于各个所述网络端口的每一所述识别码标签串列依次转译产生；其中，该多点传送目的端口组是该网络设备被指定至该多点传送地址的上述全部目的端口；该索引值被指定至该多点传送地址；该识别码选取指针与该索引值相关联。

就操作上而言，查询器只需执行一次以找到与多点传送地址相关联的多点传送目的端口组，并报告给转送器，之后，回应此查询器的报告，转送器仅将多点传送信息分发至与此多点传送相关联的目的端口，并且这些目的端口会平行地处理它们各自的VID转译和输出队列任务。如此一来，本发明提出的方法将尽可能的利用所需的输出队列资源，也可以达到在查询和转送多点传送信息之间最短延迟时间的目的。

附图说明

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：

图1A是本发明3-D存取模型的示意图；

图1B是提取自3-D存取模型的多点传送表说明图；

图1C提取自3-D存取模型以网络端口为基础的VID表说明图；

图2是本发明所据以实施的设计模型示意图；

图3是本发明实施例的方块说明图；

图4是地址查询表的组织说明图；

图5A是源于多点传送表的识别码选取表说明图；

图5B是源于以网络端口为基础VID表的识别码标签串列说明图；

图6是查询器中包括一执行网络链接聚合(Link Aggregation)处理单元的方块图。

附图符号说明：

10～3-D存取模型； 11～设计模型；

12～识别码选取指针； 13～查询步骤；

15～转送-转译步骤； 20～多点传送表；

22～多点传送表项目的位图；

30～以网络端口为基础的VID表；

32～识别码标签串列； 40～查询器；

42～地址查询表； 44～地址查询表的项目；

45～处理单元； 46～搜寻键；

47～索引值； 48～位字串；

50～转送器； 60～网络端口；

62～转译器； 70～识别码选取表；

72～识别码选取位图； 80～识别码标签串列；

90～CPU； 100～产生装置。

具体实施方式

在上文中所描述横越多个VLAN范围转送多点传送信息的问题，可以减化为一3-D查询问题，图1A是根据本发明3-D存取模型的示意图，3-D存取模型10的三个轴分别是多点传送识别码(Multicast-id，以下简称Mid)、网络端口识别码(Port-id，以下简称Pid)以及虚拟局域网络识别码(VLAN-id，以下简称VID)，还有一称为识别码选取指针12的辅助指针用以选取VID。每一Mid是被指定到各个多点传送地址的唯一索引值，此外，网络设备的每个网络端口都被指定一对应的Pid，并且可以从Mid和Pid得出识别码选取指针12(稍后详述)。识别码选取指针12从识别码标签串列挑选出与多点传送地址相关联的VID，每一对(Mid，Pid)维持一识别码标签串列。参考图1B，多点传送表20具有多个项目，每个项目是和各自的Mid相关联的位图(bitmap)22，对于网络设备的每个网络端口，位图22的每个有效位(数值为1)映射至一识别码选取指针12。如图1C所示，以网络端口为基础的VID表30有多个识别码标签串列，每个识别码标签串列32各自与一Pid相关联。

图2是建立在3-D存取模型10基础上的本发明设计模型11，设计模型11利用了分散式处理领域中“单一指令流，多重数据流(Single InstructionStream，Multiple Data Stream-SIMD)”的精神，设计模型11包括查询步骤13以及转送-转译步骤15，其中每个网络端口拥有自己的识别码标签串列32。图2中的Mid以及POE联集(以下简称UPOE)乃预先设定(稍后详述)，产生装置100具有产生UPOE功能的手段。UPOE代表了指定给多点传送地址的多点传送目的端口组，也就是说从系统的角度来看，UPOE中的每一个有效位是指定给多点传送地址的实体网络端口，产生装置100通过将参与多点传送的全部VLAN内的所有目的端口做联集来产生UPOE。本发明的其中一个关键运作就是对于每个多点传送组(地址)设定好各自的UPOE，如同SIMD设计理念里的单一指令流。另一个关键运作则是在所有目的端口上独立且平行地转译出与该多点传送地址相关联的VID，可以将这看作是SIMD设计理念里的多重数据流。这两个关键运作将在稍后做更详尽的描述。

查询步骤13只需执行一次以找到与多点传送地址相关联的UPOE和Mid，并报告给转送-转译步骤15，接着，响应此查询步骤13的报告，转送-转译步骤15仅将多点传送信息分发至与此多点传送相关联的目的端口，并且这些目的端口会平行地处理它们各自的VID转译和输出队列任务。如此，即使有好几个VLAN参与此多点传送转送，查询步骤只需执行一次，然后，在各个目的端口上独立且平行地进行转送和VID转译步骤。前面提及的3-D存取模型10是一VID转译的概念模型，具有8个网络端口的网络设备以及每个网络端口至多可以容纳4个VID的例子仅仅为了说明的目的，非用以限定本发明。

图3详细地说明本发明网络设备(未示出)里的方块图，此网络设备具有一优选实施例，其包括查询器40、耦合至该查询器40的转送器50以及和转送器50做通讯的多个网络端口60，每个网络端口60包括一转译器62。参考图4，查询器40最好包括具有多个项目44的地址查询表42(Address LookupTable，以下简称ALT)，每一项目44包括一搜寻键46、一索引值47以及一位字串48。搜寻键46的内容是一多点传送地址，而且其寻求配对方式可以是以凑杂为基础(hash-based)或以内容可寻址存储器(content addressablememory，CAM)为基础，视ALT 42的实施作法而定，然而，本领域技术人员必须清楚的是：其它可用以搜寻ALT 42的技术均为本发明所考虑实施的范围。索引值47代表指定给该多点传送地址的Mid，与该多点传送地址相关联的UPOE则存放在位字串48。位字串48当做一端口遮罩之用，该端口遮罩的每个位相对应网络设备的一个网络端口，而且根据端口遮罩将多点传送信息转送至网络设备的多点传送目的端口组。例如，若位字串48储存的值为‘11010110’，代表着根据此多点传送地址，Pid＝1、Pid＝2、Pid＝4、Pid＝6以及Pid＝7这5个网络设备的实体网络端口是此多点传送地址的目的端口。

如图5A、5B所示，一识别码选取表70以及一识别码标签串列80从分散式处理的观点具体实现图1A中3-D存取模型的概念，意味着每个网络端口拥有自己的识别码选取信息和识别码标签串列，而且每个网络端口可以独立且平行地进行VID转译。网络设备的每个网络端口都有与其相关联的识别码选取表70以及识别码标签串列80，举例来说，如图5A、5B中的2号网络端口(Pid＝2)，优选实施例中的每个网络端口有自己的识别码选取表70和识别码标签串列80。根据指定给多点传送地址的索引值47(Mid)从识别码选取表70挑选出对应的识别码选取位图72，识别码选取位图72是作为识别码标签串列80的选取遮罩，该选取遮罩的每一有效位象征网络设备的每一个网络端口的识别码选取指针，而且该识别码选取指针从识别码标签串列80中挑选出与多点传送地址相关联的对应的VID。例如，2号网络端口的识别码选取位图72为‘0011’，表示位1和位0为可从识别码标签串列80挑选VID的两个有效位，VID选取的结果使得2号网络端口连续将VID＝1和VID＝5加标签在外送的多点传送信息上。

再次参考图3、4、5A、5B，在收到因特网组管理协议(Internet GroupManagement Protocol，简称IGMP)服务要求时，CPU 90立刻将查询器40以及全部转译器62的内容做重新配置，换句话说，CPU 90把一新的多点传送地址存放在查询器40中的ALT 42以作为搜寻键46，在建立新的多点传送组时，CPU 90也指定一Mid给多点传送地址并存放在ALT 42的索引值47，CPU 90还会将所有目的端口与多点传送地址结合且将目的端口做联集后存放在位字串48。应IGMP服务要求，CPU 90视需要而更新所有转译器62里的识别码选取表70和识别码标签串列80。

举例来说，假设与一多点传送地址A结合的多点传送信息会被转送到下列3个VLAN：

VID＝1，其POE为POE₁＝‘11010100’

VID＝3，其POE为POE₂＝‘01010010’

VID＝5，其POE为POE₃＝‘01000100’

其中POE表示VLAN内的多点传送目的子集合，该多点传送目的子集合由至少一目的端口所构成，目的端口则从网络设备的网络端口之中所指定而来。例如，POE₃＝‘01000100’表示一8个网络端口的网络设备，其Pid＝2和Pid＝6是与VLAN 5(VID＝5)相关联的目的端口(端口编号由0开始于POE的最低有效位)。与多点传送地址相关联的UPOE(就是多点传送目的端口组)可通过将参与多点传送的全部VLAN内的所有目的端口做联集来产生。因此，本例中产生装置100可以逻辑或(Logical OR)运算得到UPOE：

UPOE＝POE₁ or POE₂ or POE₃

＝‘11010100’or‘01010010’or‘01000100’

＝‘11010110’

然而，需明了的是：其他可以获得UPOE的技巧均在本发明所考虑实施的范围。Mid＝2指定给多点传送地址A且存放在ALT 42的索引值47，UPOE也存放在ALT 42的位字串48中。就多点传送地址A而言，CPU 90会预先设定好所有相关信息(搜寻键46、索引值47、位字串48以及每个网络端口的识别码选取位图72和识别码标签串列80)。

在收到与多点传送地址A结合的多点传送信息时，查询器40只会执行一次以将多点传送地址A映对至Mid＝2以及包含其UPOE的位字串48，如前所述，从相关VLAN所有POE联集的角度来说，UPOE代表多点传送目的端口组。接着，转送器50根据UPOE把多点传送信息和Mid＝2分发到网络设备的目的端口，其中多点传送目的端口组里目的端口的Pid为：Pid＝1、Pid＝2、Pid＝4、Pid＝6以及Pid＝7。之后，这些属于多点传送目的端口组里的网络端口上的各个转译器，将各自独立且平行地执行VID转译工作。例如，2号网络端口上的转译器62可以根据Mid＝2从识别码选取表70得到识别码选取位图72，然后自识别码选取位图72中取出第一个识别码选取指针，接着，转译器62根据第一个识别码选取指针从识别码标签串列80得到第一个VID＝1，再来，2号网络端口会将外送多点传送信息加上VID＝1标签并且执行输出队列任务。接着再一次，2号网络端口上的转译器62自识别码选取位图72中取出第二个识别码选取指针，然后，转译器62根据第二个识别码选取指针从识别码标签串列80得到第二个VID＝5，再来，2号网络端口同样会将外送多点传送信息加上VID＝5标签并且执行输出队列任务。网络设备的每个网络端口平行地处理上述的程序一直到每个网络端口将各自的识别码选取位图72的所有位检视完毕为止。8个网络端口的网络设备的例子仅仅为了说明的目的，并非用以限定本发明，本领域技术人员可以应用本发明到具有任意数目网络端口的网络设备之上。

本发明另一实施例中，参考图6，查询器40还包括一执行遵守IEEE802.3ad标准的网络链接聚合(Link Aggregation)功能的处理单元45，该处理单元45可以集合多个实体网络端口形成较高频宽的逻辑连接，并且可使网络更具弹性。

综合以上所述，本发明提供一种可以在横越多个VLAN分发多点传送信息时，能够更有效率地转送的装置及其方法，不仅可以充分利用网络端口上输出队列的资源，也没有查询和转送之间延迟时问累积的问题。

虽然本发明已经用一具体实施例披露如上，然其仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限定于该实施例，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应由所附的权利要求限定。

Claims

1.一种在虚拟局域网络环境中多点传送转送的装置，适用于一网络设备的多个网络端口之间分发与一多点传送地址结合的多点传送信息，该网络设备内有多个虚拟局域网络被指定至该多点传送地址，每一虚拟局域网络具有一多点传送目的子集合，该多点传送目的子集合由至少一目的端口所构成，该目的端口是从该网络设备的该等网络端口之中所指定，该装置包括：

一个产生装置，通过将该网络设备里被指定至该多点传送地址的全部所述虚拟局域网络内的每一多点传送目的子集合做联集，以产生一多点传送目的端口组；以及

多个转译器，分别设置于该网络设备的各个网络端口上，其中，属于该多点传送目的端口组里的所述网络端口的各个转译器，各自独立且平行地执行一虚拟局域网络识别码的转译；

其中，该多点传送目的端口组是该网络设备被指定至该多点传送地址的全部目的端口；

所述多点传送转送装置还包括：

一个查询器，用来将该多点传送地址映对至一索引值，该多点传送地址和代表该多点传送目的端口组的一位字串指定至该索引值；以及

一个转送器，耦合至该查询器，用来根据该位字串分发该索引值和多点传送信息给该网络设备的该多点传送目的端口组。

2.如权利要求1所述的多点传送转送装置，其中所述转译器各自将该索引值以及一识别码选取指标转译成该虚拟局域网络识别码。

3.如权利要求1所述的多点传送转送装置，其中该查询器包括具有多个项目的一位元址查询表，每一所述项目包括该多点传送位元址、该索引值以及该位字串。

4.如权利要求1所述的多点传送转送装置，其中该位字符串当做一端口屏蔽用，该端口屏蔽的每个位相对应该网络设备的该等网络端口之一，而且根据该端口屏蔽将多点传送信息转送至该网络设备的该多点传送目的端口组。

5.如权利要求1所述的多点传送转送装置，其中每一所述转译器包括：

一识别码卷标串行，该网络设备的每一该等网络端口具有相对应的该识别码标签串行；以及

一识别码选取表，具有多个识别码选取位图，每一该等识别码选取位图相应于该索引值，其中每一该等识别码选取位图对于相对应的网络端口当做一选取屏蔽用，该选取屏蔽的每一有效位象征该网络设备的每一所述网络端口的该识别码选取指针，而且该识别码选取指针从该识别码标签串行中挑选出与多点传送地址相关联的对应的虚拟局域网络识别码。

6.如权利要求5所述的多点传送转送装置，其中该网络设备的每一所述网络端口可从对应于该索引值的该识别码选取位图，分别地取出每一个上述识别码选取指标。

7.一种在虚拟局域网络环境中多点传送转送的方法，适用于一网络设备的多个网络端口之间分发与一多点传送地址结合的多点传送信息，该网络设备内有多个虚拟局域网络被指定至该多点传送地址，每一虚拟局域网络具有一多点传送目的子集合，该多点传送目的子集合由至少一目的端口所构成，该目的端口是从该网络设备的所述网络端口之中所指定，其方法包括下列步骤：

A.提供一多点传送目的端口组，一索引值，至少一识别码选取指标，以及多个识别码标签串行，每一该等识别码标签串行各自相应于该网络设备的每一所述网络端口；

B.依照指定至该多点传送位元址的该索引值来查询该多点传送目的端口组；

C.转送多点传送信息给该网络设备的该多点传送目的端口组；以及

D.独立且平行地找出各个所述网络端口相关于该多点传送位元址的全部虚拟局域网络识别码，各个所述网络端口的每一所述虚拟局域网络识别码由所述索引值、所述识别码选取指标以及相应于各个所述网络端口的每一所述识别码标签串行依次转译产生；

其中，该多点传送目的端口组是该网络设备被指定至该多点传送位元址的上述全部目的端口；

其中，该索引值被指定至该多点传送地址；

其中，该识别码选取指针与该索引值相关联。

8.如权利要求7所述的多点传送转送方法，其中步骤A包括：

A1.将该网络设备里被指定至该多点传送位元址的全部所述虚拟局域网络内的每一多点传送目的子集合做联集，以产生该多点传送目的端口组；

A2.将该多点传送目的端口组、该索引值以及该多点传送地址存放至一地址查询表里多个项目的其中一项，其中该多点传送目的端口组存放在该项目里的一位字符串；以及

A3.将该识别码选取指针存放至一识别码选取表里多个识别码选取位图的其中一个位图。

9.如权利要求8所述的多点传送转送方法，其中应一因特网组管理协议的服务要求而执行步骤A1-A3。

10.如权利要求8所述的多点传送转送方法，其中步骤D包括：

D1.对应于该索引值，从该识别码选取表挑选出所述识别码选取位图的其中一个；

D2.从该识别码选取位图中取出各个所述网络端口相关的该识别码选取指针；

D3.根据步骤D2得到的该识别码选取指标和各个所述网络端口对应的每一所述识别码标签串行，独立且平行地取出各个该等网络端口与该多点传送地址相关的该虚拟局域网络识别码；以及

D4.重复步骤D2和D3直到检查过该识别码选取位图中的所有位为止。

11.如权利要求8所述的多点传送转送方法，还包括下列步骤：

E.独立且平行地将该网络设备的每一所述网络端口的外送多点传送信息附加一卷标。