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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übermittlung von Multicast-Datenpaketen durch einen Switch, wobei der Switch Multicast-Frames über zumindest einen Eingangsport von einem Absender empfängt und die Multicast-Frames über zumindest einen Ausgangsport an einen Empfänger weiterleitet, wobei der Switch einen Speicherbaustein umfasst, in dem eine Adresstabelle gespeichert ist, wobei in der Adresstabelle eine MAC-Adresse eines Netzwerkteilnehmers und ein dazugehöriger Portvektor eingetragen wird, wobei der Portvektor den Port beschreibt über den der Netzwerkteilnehmer erreicht wird, und wobei der Switch eine Rechnereinheit umfasst, welche die Einträge in der Adresstabelle vornimmt.
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Ein Switch wird benötigt, um Netzwerkteilnehmer in einem Netzwerk, beispielsweise in einem Ethernet-Netzwerk, miteinander zu verbinden und Datenpakete zwischen den Netzwerkteilnehmern weiterzuleiten.
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Da Datenpakete sehr groß sein können, werden sie in einzelne Frames zerlegt, die hintereinander sequenziell übermittelt werden. Im Ethernet werden die Frames auch Ethernet-Frames genannt.
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Stand der Technik
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Ein Switch dient als Vermittler in einem Netzwerk. Er leitet Frames von einem Absender an einen Empfänger oder von einem Knotenpunkt zu Knotenpunkt im Netzwerk weiter.
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Frames, die von einem Absender innerhalb eines Ethernet-Netzwerks verbreitet werden, werden in den verschiedensten Formaten versandt. Weit verbreitete Formate sind z. B. IPv4 oder IPv6.
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Ein Switch braucht in der Regel nicht konfiguriert werden. Sobald er Frames empfängt, wird eine so genannte Mac-Adresse des Absenders und ein zugehöriger, so genannter Portvektor in eine Adresstabelle des Switch eingetragen. Dies wird weiter unten noch genauer beschrieben. Wird eine zugehörige Zieladresse in der Adresstabelle gefunden, werden die Frames direkt an den Empfänger weitergeleitet.
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Es gibt verschiedenartige Frames:
- a) Es gibt so genannte „Broadcast-Frames”, die von einem Absender am Switch eingehen und grundsätzlich an alle Ausgangsports des Switch geleitet werden.
- b) Außerdem sind so genannte „Punkt-zu-Punkt Messages” möglich, bei denen Frames von einem Absender an einen bestimmten Empfänger weitergeleitet werden.
- c) Und die so genannten „Multicast-Frames” werden von einem Absender in der Regel an mehrere Empfänger geleitet.
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Für das Weiterleiten von Multicast-Frames im Ethernet-Netzwerk wurde für den IPv4-Adressbereich ein eigener Adressraum festgelegt. Dieser ist in der Fachwelt unter Class-D Netz bekannt.
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In diesem Dokument soll hauptsächlich das Weiterleiten von letztgenannten Multicast-Frames behandelt werden.
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Um Frames von Multicast-Datenpaketen weiterzuleiten wurden verschiedene Strategien entwickelt.
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Beim so genannten „Dense-Mode” werden die am Switch eingehenden Multicast-Frames so lange auf alle Ausgangsports des Switch weitergeleitet, bis eine Anfrage von einem Empfänger am Switch eingeht, der das Multicast-Datenpaket oder einen Teil davon empfangen möchte.
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Nachteil dabei ist, dass das pauschale Weiterleiten der Multicast-Frames auf alle Ausgangsports die Netzlast unnötig erhöht. Die Netzlast wird über den Anteil der Frames, die gleichzeitig am Switch einlaufen, definiert. Bei gleichzeitig einlaufenden Frames spricht man auch von einer Kollision.
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Die
US 6754211 B1 offenbart ein Verfahren zur Weiterleitung von Multicast-Datenpaketen bei Switches. Das eingehende Multicast-Datenpaket wird im Speicher des Switch gespeichert und ein Weiterleitungsvektor von der Multicast-Weiterleitungslogik bestimmt und an die Ausgangslogig weitergeleitet.
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Die
US 2003/0202513 A1 zeigt einen Switch. In einer Adresstabelle des Switch wird geprüft, ob die Zieladresse eines empfangenen Datenpaketes dort vorhanden ist. Wenn es sich um ein Multicast-Datenpaket handelt, werden die Daten enstprechend dem in der Tabelle eingetragenem Portvektor weitergeleitet.
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Die
DE 10196447 T5 offenbart ein Verfahren zum Weiterleiten von Multicast-Datenpaketen mit einer Eingangsmaschine und einer Ausgangsmaschine. Die Eingangsmaschine erfasst und verarbeitet die Anfangsblöcke indem empfangenen Datenpaket, bestimmt aus dem erfassten Anfangsblock, an welchen Ausgangsport das Datenpaket weiterzuleiten ist und erzeugt einen Weiterleitungsvektor für das Datenpaket. Der Weiterleitungsvektor ist ein Bitmap, wobei jedem der mehreren Ausgangsports ein Bit entspricht, das angibt, ob das Datenpaket an diesen Ausgangsport weiterzuleiten ist.
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Beim so genannten „Sparse-Mode” werden die Multicast-Frames zunächst zu keinem Ausgangsport weitergeleitet. Erst wenn eine Anfrage von einem Empfänger am Switch eingeht, werden die Multicast-Datenpakete an den Ausgangsport des Switch geleitet, der zu diesem Empfänger führt.
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Im Sparse-Mode werden die Multicast-Frames sofort abgefangen, bevor sie erstmalig an die Ausgangsports des Switch geleitet werden.
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Der Sparse-Mode hat Vorteile gegenüber dem Dense-Mode, weil er die Ausgangsports des Switches bei eingehenden Multicast-Frames nicht unnötig blockiert. Allerdings erfordert ein Switch, der im Sparse-Mode arbeiten kann, eine spezielle Hardware-Architektur. Diese spezielle Hardware-Architektur ist wesentlich teurer als die Standard Hardware-Architektur die ein Switch für den Dense-Mode benötigt.
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Ein Fachmann kennt die unterschiedlichen Hardware-Architekturen der verschiedenen Switche.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein Verfahren zur Weiterleitung von Multicast-Datenpaketen über einen Switch vorzuschlagen, der Multicast-Datenpakete weiterleitet, ohne die Netzlast des jeweiligen Netzwerks unnötig zu erhöhen.
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Außerdem soll es möglich sein, Switche nachträglich zu der erfindungsgemäßen Weiterleitung von Multicast-Datenpaketen nachträglich, beispielsweise durch ein Software-Update, zu befähigen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die vom Absender am Eingangsport eingehenden Multicast-Frames an die Rechnereinheit weitergeleitet werden und die Rechnereinheit das Multicast-Datenpaket in die Adresstabelle einträgt, und die Rechnereinheit als zugehörigen Portvektor einen Nullvektor für das Multicast-Datenpaket einträgt, so dass die eingehenden Multicast-Frames an keinen Ausgangsport mehr weitergeleitet werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Alle Frames, die am Eingansport des Switch eingehen, werden automatisch auch der Rechnereinheit des Switch – über einen eigens dafür vorgesehenen Port – zugeleitet. Aufgrund ihrer IPv4-Adresse können diese Frames beispielsweise als Multicast-Frames von der Rechnereinheit identifiziert werden.
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Bei eingehenden Frames trägt die Rechnereinheit die MAC-Adresse des Absenders in die Adresstabelle des Switch ein. Zusätzlich zu der MAC-Adresse des Absenders wird in die Adresstabelle der so genannter Portvektor eingetragen, der den Port beschreibt, über den der Absender erreichbar also mit dem Switch verbunden ist.
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Die IPv4-Adresse der vom Absender am Switch eingehenden Multicast-Frames wird dazu benutzt, um die Multicast-Frames ebenfalls in die Adresstabelle einzutragen. Aus der IPv4-Adresse der Multicast-Frames kann eine so genannte Pseudo MAC-Adresse berechnet werden. Diese Pseudo Mac-Adresse wird ebenfalls in die Adresstabelle des Switch eingetragen.
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Jetzt werden die Multicast-Frames vom Switch an einen Ausgangsport weitergeleitet, der zum anfragenden Netzwerkteilnehmer (Empfänger) führt.
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Vorteilhafterweise trägt die Rechnereinheit für die Multicast-Datenpakete zusätzlich zur Pseudo MAC-Adresse und dem dazugehörigen Portvektor einen statischen Zeitstempel in die Adresstabelle ein. Dadurch wird der Eintrag nicht nach einem bestimmten Zeitintervall gelöscht, wie dies üblicherweise bei Einträgen mit einem definierten Zeitstempel geschieht.
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Es können in der Adresstabelle des Switch mehrere statische Zeiteinträge (static) vorhanden sein, beispielsweise weil mehrere Multicast-Datenpakete am Switch eingegangen sind. Dann ist es sinnvoll den Zeitstempel von Multicast-Datenpaketen, die seit längerem nicht angefragt wurden, von statisch in einen definierten Zeitstempel zu ändern, so dass diese – wie auch andere Einträge – nach einer definierten Zeitspanne aus der Adresstabelle entfernt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es in der Adresstabelle (ATU) statische Zeitstempel durch einen definierten Zeitstempel zu ersetzen, sobald eine gewisse Anzahl an statischen Einträgen in der Adresstabelle vorhanden ist. Die Adresstabelle eines Switch verfügt lediglich über eine begrenzte Kapazität. Beispielsweise ist die Zahl n die maximale Kapazität von statischen Einträgen in der Adresstabelle. Sobald diese Anzahl erreicht ist, wird eine Anzahl von m Einträgen in der Adresstabelle von statisch in definiert geändert. Die Zahl m ist kleiner als die Zahl n, wobei beide Zahlen ganzzahlig sind.
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Vorteilhafterweise ist die Zahl m 10% von der Zahl n. Beispielsweise wird ein Eintrag (m gleich 1) von statisch auf definiert gesetzt, wenn die Zahl n gleich 10 ist.
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Durch die erfindungsgemäße Umprogrammierung des Switch wird dieser in besonderer Weise dazu befähigt das oben beschriebene Datenübertragungsverfahren durchzuführen.
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Die Software, die den Switch zum erfindungsgemäßen Datenübertragungsverfahren befähigt, ist vorteilhafterweise auf einem Datenträger gespeichert, der vom Switch ausgelesen werden kann. Dies kann beispielsweise ein USB-Stick sein, der an eine USB-Schnittstelle des Switch andockbar ist und so die Software auf den Switch und dessen Steuerungselemente überträgt.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigt:
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1 Ein Blockschaltbild eines Ethernet-Netzwerks.
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Die 1 zeigt das Blockschaltbild eines einfachen Ethernet-Netzwerks mit drei Netzwerkteilnehmern H1, H2, H3, die über einen Switch S1 miteinander gekoppelt sind.
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Die Frames der Datenpakete werden hier nach dem IP-Multicast-Verfahren übermittelt. IP-Multicast ist eine Daten-Verteilungs-Methode, bei der der IP-Datenverkehr von einem oder von mehreren Netzwerkteilnehmern an mehrere Abnehmer (man spricht von Multicast-Gruppe) gleichzeitig gesendet wird. Für das IP-Multicast steht der oben bereits erwähnte IPv4-Adress-Bereich von 224.0.0.0 bis zu 239.255.255.255 zur Verfügung. IPv4-Multicast arbeitet mit Multicast-Adressen. Diese bestehen aus IP-Adressen und aus so genannten Pseudo-MAC-Adressen (PMAC). Die IPv4-Adressen werden auf die Pseudo MAC-Adressen abgebildet. Im IPv4-Multicast haben die Pseudo-MAC-Adressen den Adressbereich 01-00-5e-00-00-00 bis 01-00-5e-7f-ff-ff.
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Im Folgenden wird anhand dieses Ethernet-Netzwerks beispielhaft die erfindungsgemäße Übermittlung von Multicast-Frames veranschaulicht: Der Teilnehmer H1 sendet Multicast-Frames mit der Multicast-Gruppe 225.1.1.1 aus. Aus der IPv4-Adresse 225.1.1.1 resultiert die Pseudo MAC-Adresse (PMAC) 01:00:5e:01:01:01.
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Das vom Netzwerkteilnehmer H1 ausgesendete Multicast-Datenpaket geht in Form einzelner Frames sequentiell auf dem Eingansport P1 am Switch S ein. Der Netzwerkteilnehmer H1 wird in der Adresstabelle ATU des Switch S1 mit seiner MAC-Adresse 01:00:FC:01:01:01, dem Portvektor 00000000001 und dem Zeitstempel 00:00:12 eingetragen.
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Der eingehende Multicast-Frame wird vom Switch S zunächst an alle Ausgangsports (hier P2, P3) weitergeleitet. Außerdem wird der Frame über einen speziellen Port (hier P11), einem so genannten CPU-Port, der Rechnereinheit (CPU) des Switch S zugeleitet.
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Die Rechnereinheit CPU erkennt, dass es sich bei dem eingehenden Frame um einen Multicast-Frame handelt. Die Rechnereinheit CPU greift über eine geeignete Datenleitung DL auf die Adresstabelle ATU des Switch S zu und trägt das Multicast-Datenpaket in die Adresstabelle ein. Bei der geeigneten Datenleitung handelt es sich typischerweise um einen Ethernet Datenbus (Schnittstelle MDIO).
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Aus dem IPv4-Adress-Bereich der eingehenden Multicast-Frames wird von der Rechnereinheit die zugehörige Pseudo MAC-Adresse 01:00:5e:01:01:01 (PMAC) errechnet. Das Multicast-Datenpaket wird in der Adresstabelle ATU mit der Pseudo MAC-Adresse des Frames und einem statischen Zeitstempel „static” versehen.
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Der Zeitstempel static sorgt dafür, dass das Multicast-Datenpaket nicht nach einer gewissen Zeitspanne automatisch aus der Adresstabelle (ATU) ausgetragen wird. Zusätzlich zur Pseudo MAC-Adresse (PMAC) und dem Zeitstempel static wird dem Multicast-Datenpaket ein Nullvektor 00000000000 als Portvektor zugeordnet. Dieser Portvektor 00000000000 sorgt dafür, dass die Multicast-Frames an keinen Ausgangsport P2, P3 des Switch mehr weitergeleitet werden. Auch der Port P11 für die Rechnereinheit wird dann von eingehenden Multicast-Frames verschont.
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Neben der Hardware-Adresse, dem Portvektor und dem Zeitstempel enthält die Adresstabelle noch weitere Einträge. Die weiteren Einträge sind aber für dieses Beispiel nicht weiter von Belang und werden daher auch nicht weiter erwähnt.
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Wenn ein Netzwerkteilnehmer H2, H3 das Multicast-Datenpaket oder einen Teil davon vom Teilnehmer H1 empfangen möchte, sendet der Teilnehmer H2 und/oder H3 eine Anfrage, einen so genannten Membership-Report, in das Netzwerk, die vom Switch 51 empfangen wird.
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Der anfragende Netzwerkteilnehmer H2 und/oder H3 wird ebenfalls in der Adresstabelle ATU eingetragen. Dieser Netzwerkteilnehmer H2 und/oder H3 bekommt einen definierten Zeitstempel zugeordnet. Der definierte Zeitstempel sorgt dafür, dass der Teilnehmer aus der Adresstabelle entfernt wird, wenn nach einer gewissen Zeitspanne keine Kommunikation mit ihm erfolgt ist.
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In dem hier gezeigten Beispiel wird das Multicast-Datenpaket vom Netzwerkteilnehmer H3 angefragt. Die MAC-Adresse 00:11:FC:00:00:03 (MAC) des Netzwerkteilnehmers H3 wird in die Adresstabelle mit einem definierten Zeitstempel 00:00:15 eingetragen.
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Die Anfrage wird auch über den CPU-Port P11 an die Rechnereinheit gesendet. Die Rechnereinheit verändert den Portvektor des Multicast-Datenpakets in der Adresstabelle ATU des Switch zu 00000000100, so dass das die Frames des Multicast-Datenpakets zu den anfragenden Netzwerkteilnehmer H3 weitergeleitet werden.
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Wird das Multicast-Datenpaket gleichzeitig von den Netzwerkteilnehmern H2 und H3 angefragt, werden die einzelnen Frames des Paketes auch gleichzeitig an die Ports P2 und P3 geleitet. Der dem Multicast-Datenpaket zugeordnete Portvektor wird von der Rechnereinheit des Switch in der Adresstabelle ATU entsprechend eingetragen.
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Bezugszeichenliste
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- H1 Netzwerkteilnehmer
- H2 Netzwerkteilnehmer
- H3 Netzwerkteilnehmer
- S1 Switch
- P1 Port 1/Eingangsport
- P2 Port 2/Ausgangsport
- P3 Port 3/Ausgangsport
- P11 Port für die Rechnereinheit/CPU-Port
- CPU Rechnereinheit
- ATU Adresstabelle
- MAC MAC-Adresse
- PMAC Pseudo MAC-Adresse
- Portvektor 00000000000, 00000000100
- Zeitstempel static, 00:00:12, 00:00:15
