DE102016001925A1 - Verfahren zur Optimierung von IP-Verkehr über 802.3 Ethernetverbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von IP-Paketen über Ethernetverbindungen (Standard 802.3) durch Entfernen nicht benötigter Informationen an den Grenzen eines optimierten MACv6 Netzes. Vor dem Verlassen dieses Netzes werden die Informationen wieder hergestellt, soweit das die Kompatibilität erfordert. Die Erfindung beschleunigt den Datenverkehr in solchen Netzen erheblich.

Description

• Hintergrund/Stand der Technik
• Wird ein IP-Paket innerhalb eines 802.3-MAC-Frames transportiert, wird es wie in Bild 1 dargestellt, als Payload des Ethernetpaketes zwischen MAC-Header und CRC-Prüfsumme eingebettet. Der MAC-Header besteht aus Hardware-Source-Adresse, Hardware-Destination-Adresse sowie einem Typen bzw. VLAN-Feld. Die Summe der Bytes in Adress-, Typen- und VLAN-Feld beträgt 18 Byte. [8] In Netzwerksegmenten in denen ausschließlich IP-Routing stattfindet wird der Pfad eines Paketes durch das Netzwerk anhand der Adressinformationen im IP-Header vorgegeben. Daher kann man ohne Einschränkungen die MAC-Adresse ignorieren. Verarbeitet ein Router ein solches Datenpaket muss er einen Zwischenspeicher von einer Größe füllen, die mindestens das Paket bis zur IP Zieladresse umfasst. Erst dann kann entschieden werden an welchen Netzwerkpartner das Paket weitergereicht wird. Die MAC-Adresse, die zwar erwartet aber in modernen Netzen nicht ausgewertet werden müsste, muss mitgespeichert werden. Das Problem ist hier nicht die Speichergröße sondern die Zeit, die benötigt wird, bis eine Entscheidung fällt ( ). Datenübertragung in Netzwerken ist zeitkritisch, daher ist es sinnvoll die Weiterleitung von Datenpakete nicht zu verzögern. Beispiele für dieses lediglich auf IP basierende Routing werden von Choi u. a. [1] und Foglar [3] vorgestellt. Mit der Optimierung der Layer 2 Adressierung für IP-Verkehr beschäftigen sich die folgenden Patente. Die Ansätze unterscheiden sich jedoch grundlegend vom hier beschriebenen Vorgehen: Goldman u. a. [4] stellen eine Virtualisierung von Layer 2 und Layer 3 Informationen zur Optimierung des Netzwerkverkehrs zu Virtual-Hosts vor. Chunduri u. a. [2] und Wen u. a. [7] stellen Verfahren zur Optimierung der MAC-IPv6-Zuordnung vor, Shimizu u. a. [6] betrachtet den Sicherheitsaspekt dieser Relation. Mulligan [5] stellt eine Methode zur Kompression des IPv6-Headers durch Nutzung von Layer 2 Informationen vor. Da diese Kompression verlustbehaftet ist, eignet sie sich nur für kleine Netze, die Patentschrift nutzt sie für ein WLAN Netz.
• Kurze Zusammenfassung der Erfindung
• Das zu patentierende Verfahren entfernt Teile von Ethernet-Datenpaketen. Die entfernten Teile werden in modernen Netzen nicht mehr benötigt, da diese Aufgaben seit Jahren von höheren Protokollschichten übernommen wurden. Das entstehende Netz wäre nicht mehr kompatibel zu bestehenden Netzen. Router im Inneren des Netzes werden Corerouter genannt. Sie können die neuartigen Datenpakete verarbeiten. Router an den Grenzen werden Edgerouter genannt, sie stellen eine beidseitige Kompatibilität her. Für paketorientierte Verfahren ist die Einsparung bei kurzen Paketen deutlich spürbar. Bei alternativen Verfahren führt das Verfahren zu einer erheblichen Steigerung der Durchlaufgeschwindigkeit an den Knoten. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Router erhöht sich im Inneren des neuartigen Netzes in allen Fällen deutlich, was besonders bei interaktiven Webanwendungen von Bedeutung ist.
• Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• MACv6 basiert auf dem Entfernen der insgesamt 18 Bytes der Netzwerkadresse sowie des VLAN-Feldes aus dem 802.3 Frame. Die Router werden in folgenden Beispielen als Datenflussmaschinen angenommen, die ein Paket sofort weiterleiten, nachdem der Zielport bekannt ist.1

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Die Übertragungsgeschwindigkeit eingehender und ausgehender Pakete wird für die folgenden Betrachtungen als gleich vorausgesetzt, beeinflusst jedoch die Funktion des Verfahrens nicht.

Diese Annahme stellt somit das Optimum für die eingesetzte Hardware dar.
• Netzelemente
• MACv6 ist nicht mit dem 802.3 Ethernetframe kompatibel, daher müssen alle Geräte innerhalb des MACv6-Netzes dieses Protokoll unterstützen. An den Netzkanten werden, wie in Bild 3 gezeigt, Edge-Router eingesetzt, die die Konvertierung zwischen MACv6 und 802.3 realisieren.
• Edgerouter
• Empfängt der Edge-Router ein IP-Paket von außen, wird er die ersten 526 Bit2

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Ethernet Paket + IPv6-Header

lesen, und anschließend am jeweiligen Port die Übertragung des Paketes ins Netzwerk initiieren. Die und zeigen die Funktionsweise dieses Gerätes. Diese Abbildungen korrelieren jeweils mit und welche die Abläufe aus Sicht der versendeten Daten darstellen.
• 4 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung im Edgerouter, wenn ein neues Paket von Außen ankommt. In Schritt 1 kommt ein neues Paket an, von dem in Schritt 2 die ersten 62 Bit in den Buffer eingelesen werden. Diese enthalten Präambel und SFD3

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Start of frame delimiter

. Im Schritt 3 werden weitere 144 Bit in den Buffer eingelesen, welche MAC-Adressen, VLAN und den Typ enthalten. Weitere Bits werden in Schritt 4 eingelesen. In Schritt 5 wird die Entscheidung getroffen, ob die Zielinformationen der Schicht 3 bereits gelesen wurden. Ist die Bedingung hoch nicht erfüllt, wird Schritt 4 erneut ausgeführt bis die Bedingung erfüllt ist, danach wird in Schritt 6 der Ausgangsport anhand der Schicht 3 Information festgelegt. Verfahrensschritt 7 und 8 laufen gleichzeitig ab. In Schritt 7 werden weitere 62 Bit vom Eingangsport eingelesen. Schritt 8 beinhaltet das Senden der Präambel und SFD auf den Ausgangsport. In Schritt 9 werden weitere Daten vom Eingangsport gelesen und gleichzeitig über den Ausgangsport versendet. Die Bedingung, ob das Paketende erreicht wurde, wird in Schritt 10 abgefragt. Ist das Ende erreicht, ist der Vorgang mit Schritt 11 abgeschlossen, ist das Ende nicht erreicht wird Schritt 9 solange ausgeführt, bis die Bedingung 10 erfüllt ist.
• 5 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung im Edgerouter, wenn ein Paket nach Außen, also in das herkömmliche IP Netz, gesendet wird. Beginnend mit Schritt 21, bei dem ein neues Paket nach Außen versendet werden soll. In Schritt 22 werden die ersten 62 Bits, welche Präambel und SFD enthalten, gelesen. Der nächste Schritt 23 sieht das Lesen weiterer Bits im Buffer vor, bis Bedingung 24, das Vorhandensein der MACv6 Zielinformationen, erfüllt ist. Wurden alle Zielinformationen gelesen, wird in Schritt 25 der Ausgangsport anhand der erhaltenen Information festgelegt. Ist die Bedingung 24 noch nicht erfüllt, wird weiterhin Schritt 23 ausgeführt. Auf Schritt 25 folgen 3 gleichzeitig ablaufende Aktionen. Während in Schritt 26 weitere 62 Bits am Eingangsport gelesen werden, wird in Schritt 30 die MAC-Zieladresse über ARP oder die MAC-Table ermittelt. Gleichzeitig werden in Schritt 27 erst die Präambel und SFD über den Ausgangsport gesendet und danach in Schritt 28 die ermittelte MAC-Adresse, das VLAN-Tag und Typ-Feld verschickt. In Schritt 29 wird wieder vom Eingangsport gelesen und die gelesenen Daten über den Ausgangsport verschickt. Schritt 31 fragt ab, ob das Paketende bereits erreicht wurde, ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird weiterhin Schritt 29 ausgeführt. Wenn die Bedingung 31 erfüllt ist, wird der Vorgang beendet. (Schritt 32)
• In Bild 6 ist das Szenario eines Pakets beim Netzwerkeintritt dargestellt. Die Nutzdaten verlassen bei Nutzung von MACv6 den Router 18 Bytes4

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Länge des MAC-Headers

eher als bei der Weiterleitung des unveränderten Frames. Empfängt ein Edgerouter ein Paket von innerhalb des Netzwerkes wird er den 802.3 MAC-Header wieder an des Paket anfügen. Es besteht die Möglichkeit die MAC-Adresse anzufragen oder die eigene MAC-Adresse einzusetzen. Interne Tabellen vermeiden wiederholte Anfragen. Dieser Vorgang ist in Bild 7 dargestellt. Das Anfügen des MAC-Headers verzögert die Nutzdaten um 18 Byte.5

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Falls die Übertragungsgeschwindigkeit des ausgehenden Paketes größer als die des Eingehenden ist, würde hier wiederum ein Zeitgewinn eintreten

Treten auf dem Weg eines Paket durch das MACv6-Netzwerk nur zwei Edge-Router auf, so wird der Zeitgewinn am Eingangs-Edgerouter durch den Verlust am Ausgangsrouter aufgehoben. Das Paket wäre also gleich schnell wie ein Standard-IP-Paket.
• Corerouter
• Die Corerouter behandeln ausschließlich MACv6-Traffic im Inneren des Netzwerkes. Bild 8 zeigt die Verarbeitung. Es entsteht eine deutliche Zeitersparnis.
• 9 zeigt den Ablauf der Paketverarbeitung durch den Corerouter. In Schritt 41 liegt ein neues Paket vor, welches durch die folgenden Arbeitsschritte verarbeitet wird. Schritt 42 sieht das einlesen der ersten 62 Bit, welche Präambel und SFD enthalten, vor. In Schritt 43 werden weitere Bits in den Buffer eingelesen, bis die Bedingung 44 erfüllt ist und somit alle Zielinformationen der Schicht 3 gelesen wurden. Liegen die Zielinformationen vor, wird in Schritt 45 der Ausgangsport anhand dieser Informationen festgelegt. In Schritt 46 werden weitere 62 Bit vom Eingangsport gelesen, gleichzeitig wird in Schritt 47 die Präambel und SFD über den Ausgangsport gesendet. Im nächsten Schritt 48 wird weiterhin am Eingangsport gelesen und die gelesenen Daten gleichzeitig am Ausgangsport versendet. Dieser Schritt wird so lange wiederholt, bis die Bedingung 49 erfüllt ist und das Paketende vollständig gesendet wurde. Mit Schritt 50 ist der Vorgang beendet.
• Abbildungsverzeichnis
• 1 (Stand der Technik) Abstrahiertes IPv6-Paket innerhalb eines MAC 802.3 Payloads
• 2 (Stand der Technik) Herkömmlicher Sendevorgang von IPv6-Paketen
• 3 Abbildung eines MACv6-Netzwerkes mit angrenzenden Standardnetzwerk
• 4 Paketverarbeitung innerhalb des Edgerouters beim Empfangen einen Paketes von Außerhalb
• 5 Paketverarbeitung innerhalb des Edgerouters beim Empfangen einen Paketes von Innerhalb
• 6 Paketverarbeitung bei Eintritt in das MACv6-Netzwerk
• 7 Paketverarbeitung bei Austritt aus dem MACv6-Netzwerk
• 8 Verarbeitung eines Datenpaketes im Inneren des MACv6 Netzes
• 9 Paketverarbeitung innerhalb des Corerouters
• Literatur
• [1] H. G. Choi u. a. Internet addressing architecture and hierarchical routing method thereof. US Patent 6,868,416. 2005 . URL: http://www.google.com/patents/US6868416.
• [2] U. S. Chunduri u. a. Accelerated MAC address resolution for IPv6 traffic with IS-IS protocol. US Patent 8,934,490. 2015 . URL: https://www.google.com/patents/US8934490.
• [3] Andreas Foglar. 6Tree – Efficient IPv6 Routing. InnoRoute GmbH, 2014. URL: http://www.innoroute.com/sites/default/files/6Tree_white_paper.pdf.
• [4] J. Goldman u. a. Combined Layer 2 Virtual MAC Address with Layer 3 IP Address Routing. US Patent App. 11/847,903. 2009 . URL: https://www.google.com/patents/US20090063706.
• [5] G. Mulligan. Method for lossless IPv6 header compression. US Patent App. 11/235,565. 2006 . URL: https://www.google.com/patents/US20060088051.
• [6] S. Shimizu u. a. Packet transfer system, communication network, and packet transfer method. US Patent App. 11/477,450. 2007 . URL: https://www.google.com/patents/US20070022211.
• [7] H. Wen u. a. A method for reconstructing the network address in the ipv6 access network. WO Patent App. PCT/CN2006/001,707. 2007 . URL: http://www.google.com/patents/WO2007028306A1? cl=en.
• [8] Wikipedia. Ethernet – Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. [Online; Stand 1. Juli 2015]. 2015. URL: https://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Ethernet&oldid=143085041.

Claims (5)

1. Verfahren zur Optimierung der Übertragung von IP-Paketen über IEEE 802.3 Ethernetverbindungen, weiterhin als MACv6 bezeichnet, mit folgenden Eigenschaften: a) Entfernung der MAC-Adresse aus dem via Ethernet übertragenen IP-Paket, b) Entfernung des VLAN-Feldes aus dem via Ethernet übertragenen IP-Paket, c) Beschleunigung der Wegfindung in verarbeitenden Netzwerkgeräten Verschiebung der IP-Zieladressinformationen an den Anfang des Frames.
2. Verfahren zur Konvertierung von 802.3-IP-Paketen in MACv6-Pakete mit folgenden Eigenschaften: Modifikation des Pakets nach Anspruch 1, wobei enthaltene Daten und IP-Zielinformationen erhalten bleiben.
3. Verfahren zur Konvertierung von MACv6-Paketen in 802.3-IP-Pakete mit folgenden Eigenschaften: Wiederherstellung eines gleichwertigen IP-Pakets aus einem nach Anspruch 2 modifizierten Pakets, welches die beinhaltenden Daten äquivalent zum unveränderten Paket ausliefert.
4. Gerät für das Routing eingehender und ausgehender Pakete eines MACv6-Netzsegments, bezeichnet als MACv6-Edgerouter, mit folgenden Eigenschaften: Anwendung der in Anspruch 2 und 3 formulierten Verfahren.
5. Gerät für das Routing von Paketen innerhalb eines MACv6-Netzsegments, bezeichnet als MACv6-Corerouter, mit folgenden Eigenschaften: Weiterleitung von MACv6-Paketen, beschleunigte Weiterleitung im Vergleich zu einem unveränderten 802.3-IP-Paketes durch die in Anspruch 1 beschriebenen Eigenschaften.

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