DE60221732T2

DE60221732T2 - Dichotomisches Verfahren zur Auswahl eines Weges zwischen zwei Knoten in einem Datennetzwerk

Info

Publication number: DE60221732T2
Application number: DE60221732T
Authority: DE
Inventors: Olivier Marce
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: US7113483B2; US20020131367A1; FR2822324B1; DE60221732D1; EP1241842B1; ATE370580T1; FR2822324A1; EP1241842A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Festlegung eines Weges zwischen zwei Knoten eines Datennetzwerks unter Verwendung der Protokolle der Familie TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
Gemäß diesen Protokollen hat jeder Knoten des Netzes typischerweise nur Sicht auf einen Teil des Netzes, so dass die Routingfunktion über das Netz verteilt wird, ohne dass einer der Knoten Kenntnis des gesamten von den Datenpaketen zurückgelegten Weges hat.
Dieses Routingprotokoll kann beispielsweise TCP (Transmission Control Protocol) oder UDP (User Datagram Protocol) sein.
In der Mehrzahl der Fälle sind diese Protokolle ausreichend, denn im Allgemeinen ist der Absender eines Pakets lediglich an der effektiven Übertragung seines Pakets interessiert und nicht an dem genauen Weg, dem es folgt. Es gibt allerdings auch einige Anwendungen, bei welchen die Kenntnis des gesamten von den Paketen zurückgelegten Weges, wenn nicht unverzichtbar, so doch zumindest wichtig ist.
Eine solche Anwendung ist beispielsweise die Übertragung von Paketen an mehrere Empfänger, wie in 1 veranschaulicht und im RFC (Request for Comments) Nr. 1054 mit dem Titel „Host Extensions for IP Multicasting" beschrieben.
In dieser 1 sind 7 Knoten R₁, R₂, R₃, ...R₇ dargestellt. Der Knoten R₁ ist der Absender von Datenpaketen. Diese Datenpakete sind typisch Bestandteil eines Datenflusses, beispielsweise eines Videodatenflusses. Ebenfalls dargestellt sind Pfeile, die den Richtungen des Informationsaustauschs zwischen den Knoten entsprechen. Die Doppelpfeile bezeichnen symmetrische Verbindungen.
Die Knoten R₆ und R₇ sind daran interessiert, diesen Datenfluss zu empfangen. Außerdem senden Sie an R₁, die Quelle des Datenflusses, eine Registrierungsmeldung wie z.B. eine „Join"-Meldung gemäß dem Protokoll IGMP (Internet Group Management Protocol), wie es im RFC 1112 definiert ist.
Die Registrierungsmeldung des Knotens R₇ durchläuft die Knoten R₅ und R₂, bevor sie beim Quellknoten R₁ eintrifft. Außerdem durchläuft die Registrierungsmeldung des Knotens R₆ die Knoten R₄, R₃, R₂ und R₁.
Der Datenfluss wird somit zugleich zum Knoten R₂ zur Übertragung zum Knoten R₆ und zum Knoten R₅ zur Übertragung zum Knoten R₅ übertragen.
Wenn der Knoten R₁ den genauen Weg zu jedem der Empfängerknoten gekannt hätte, hätte er einen einzigen Datenfluss zum Knoten R₅ übertragen, unter der Bedingung, diesen Datenfluss zu duplizieren und einerseits zum Knoten R₇ und andererseits zum Knoten R₆ zu übertragen.
Wie man sieht, erlaubt die Unkenntnis des gesamten Weges zwischen den Knoten keine optimale Nutzung des Datennetzes und überlastet es unnötig.
Eine Lösung, die es gestattet, Kenntnis von einem Weg zwischen zwei Knoten zu erlangen, wurde mit der Software „TraceRoute" vorgeschlagen, dessen erste Versionen bis ins Jahr 1988 zurückdatieren.
Ihr Prinzip besteht darin, ein Paket zu dem Knoten, zu welchem ein Weg gesucht wird, zu verwenden, indem ihm eine steigende Lebensdauer vorgegeben wird. Jeder durchlaufene Knoten dekrementiert die Lebensdauer des Pakets um eine Einheit. Wenn die Lebensdauer 0 erreicht, überträgt der Knoten, der das Paket erhalten hat, das Paket nicht mehr, sondern sendet an den Absender eine Meldung über das Überschreiten der Lebensdauer, wobei er seine Kennung in die Meldung einfügt. Somit besteht ein einfaches von der Software TraceRoute angewendetes Verfahren darin, ein Paket mit einer Lebensdauer von 1 zu senden, dann mit einer Lebensdauer von 2, 3 usw., bis schließlich der Zielknoten erreicht ist. Wenn jedes Mal der Absenderknoten der Meldung über das Überschreiten der Lebensdauer gespeichert wird, lässt sich der vollständige Weg zum Zielknoten wiederherstellen.
Ein solches Verfahren hat jedoch den gewichtigen Nachteil, dass es eine große Zahl von Paketen benötigt. In einem Datennetz von realer Größe kann nämlich die Länge der Wege erheblich sein und daher eine zu große Anzahl von Paketen und von Meldungen über das Überschreiten der Lebensdauer mit sich bringen.
Ein ähnliches Verfahren wurde im amerikanischen Patent US 5675741 mit dem Titel „Method and apparatus for determining a communications path between two nodes in an Internet Protocol (IP) network" präsentiert. Auch hierbei handelt es sich um ein iteratives Verfahren. Die Anzahl der übertragenen Pakete ist somit proportional zur Länge des gesuchten Weges. Das Verfahren kann daher auf Grund der Multiplikation dieser Meldungen über das Auffinden des Weges zu einem Verstopfen des Netzes führen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, die Anzahl der Pakete, die zur Festlegung eines vollständigen Weges zwischen zwei Knoten nötig ist, und damit die Gefahr einer Blockierung des Datennetzes zu reduzieren.
Zu diesem Zweck ist ein Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Festlegung eines Weges zwischen einem Ursprungsknoten und einem Zielknoten eines Datennetzwerks vom TCP/IP-Typ, darin bestehend, eine Wegsuchfunktion zu definieren, die als Parameter eine Anfangsdistanz und eine Enddistanz hat und die folgenden Schritte beinhaltet:

• Beenden der rekursiven Verarbeitung der Funktion, wenn sich die Anfangs- und die Enddistanz um eine Einheit unterscheiden,
• Versenden einer Meldung mit einer Lebensdauer gleich einem Mittelwert, der zwischen der Anfangs- und der Enddistanz liegt, an den Zielknoten,
• Empfangen einer Antwort, wobei für den Fall,
– dass die Antwort vom Zielknoten kommt, dieser in der Liste der bekannten Knoten gespeichert und rekursiv die Suchfunktion mit der Anfangsdistanz und der Distanz des Zielknotens als Parameter ausgeführt wird,
– dass die Antwort eine Zeitüberschreitungsmeldung ist, die von einem Zwischenknoten kommt, der in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist, rekursiv die Suchfunktion mit der Distanz des Zwischenknotens und der Enddistanz als Parameter ausgeführt wird, und
– dass die Antwort eine Zeitüberschreitungsmeldung ist, die von einem Zwischenknoten kommt, der nicht in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist, der Zwischenknoten in der Liste der bekannten Knoten gespeichert und rekursiv die Suchfunktion ein erstes Mal mit der Anfangsdistanz und der Distanz des Zwischenknotens als Parameter und ein zweites Mal mit der Distanz des Zwischenknotens und der Enddistanz als Parameter ausgeführt wird.

Das Verfahren besteht also darin, zu Beginn diese Wegsuchfunktion mit einer Anfangsdistanz gleich 0 auszuführen.
Somit kann man durch Anwendung eines dichotomischen Verfahrens die Zahl der übertragenen Pakete merklich senken.
Diese liegt nämlich in der Größenordnung des Logarithmus des gesamten Weges.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Abbildungen klarer werden.
Die weiter oben kommentierte 1 zeigt ein Datennetzwerk und eine mögliche Anwendung der Erfindung.
Die 2a, 2b und 2c veranschaulichen die drei nach Empfang einer Antwort möglichen Situationen gemäß der Erfindung.
3 zeigt in schematischer Form ein praktisches Beispiel der Umsetzung der Erfindung.
Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Wegsuchfunktion auszuführen, wobei dieser eine Anfangsdistanz gleich O und eine Enddistanz, die vorzugsweise gleich dem doppelten Mittelwert der Distanzen der Knoten, die in der Liste der bekannten Knoten enthalten sind, vorgegeben werden.
Die Begründung für diesen letzten Wert ist statistischer Art: Man nimmt an, dass die Distanz des Zielknotens gleich dem Mittelwert der Distanz der Knoten ist, die man bereits kennt, und berücksichtigt, dass sich der Zielknoten in einer Distanz befindet, die höchstens gleich dem Doppelten dieses Mittelwerts ist.
Die Wegsuchfunktion versendet zunächst an den Zielknoten eine Meldung, die eine feste Lebensdauer hat.
Die Festlegung einer festen Lebensdauer kann durch Verwendung des Feldes TTL (engl.: „Time To Live") erfolgen, wie es im RFC 791 spezifiziert ist. Dieses Feld TTL wird an jedem Knoten, den die Meldung passiert, um eine Einheit dekrementiert. Wenn es den Wert O erreicht, wird die Meldung nicht mehr übertragen, und eine Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer wird an den Absender dieser Meldung übermittelt.
Diese Meldung ist typisch eine ICMP-ECHO-Meldung gemäß dem Protokoll ICMP (Internet Control Message Protocol), das im RFC 792 definiert ist.
Die Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer ist eine ICMP-Meldung „TTL exceeded" gemäß diesem selben Protokoll.
Gemäß einer Eigenschaft der Erfindung antwortet der Zielknoten, wenn er die ICMP-ECHO-Meldung empfängt, dem Absender mit einer Meldung, die zumindest seine Kennung enthält.
Somit steht der Knoten, der das erfindungsgemäße Verfahren anwendet, vor drei Situationen, die in den 2a bis 2c veranschaulicht sind. In diesen Abbildungen repräsentieren die Bezugszeichen R_O und R_F den Ursprungs- beziehungsweise den Endknoten.
Der Fall, in dem die Antwort vom Zielknoten kommt, ist in 2a veranschaulicht. Dies bedeutet, dass sich der Zielknoten R in einer geringeren Distanz als vorhergesehen befindet. Daher wird die Suchfunktion (rekursiv) ausgeführt, indem ihm dieselbe Anfangsdistanz (also anfänglich 0) und eine Enddistanz, die gleich der Distanz des Zielknotens ist, zugewiesen werden. Anders ausgedrückt, wird der Weg gesucht, der bis zu diesem Zielknoten R führt.
Der Fall, in dem die Antwort eine Zeitüberschreitungsmeldung ist, die von einem Zwischenknoten kommt, der in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist, wird in 2b veranschaulicht. Dieses Mal ist der Fall dargestellt, dass der Zielknoten R weiter entfernt ist als erwartet. Da jedoch der Knoten R₂, der geantwortet hat, bereits bekannt war, ist der Zielknoten zwischen diesem Zwischenknoten und dem Knoten zu suchen, welcher der Enddistanz entspricht.
Nun wird die Suchfunktion mit der Distanz des Zwischenknotens R₂ und der Enddistanz als Parameter ausgeführt.
Der dritte Fall entspricht der Situation, dass die Antwort wie im vorangegangenen Fall eine Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer ist, aber diesmal von einem Zwischenknoten kommt, der nicht in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist. Diese Situation ist in 2c veranschaulicht. Sie zeigt den Fall, dass der Zielknoten weiter als vorgesehen entfernt und der Zwischenknoten R₁ nicht in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist. Es ist somit zugleich der Zielknoten R zu suchen, der sich zwangsweise jenseits vom Zwischenknoten R₁ befindet, und der Weg zu ermitteln, der zu diesem Zwischenknoten führt.
In dieser Situation wird der Zwischenknoten in der Liste der bekannten Knoten gespeichert und rekursiv die Suchfunktion ein erstes Mal mit der Anfangsdistanz und der Distanz des Zwischenknotens als Parameter und ein zweites Mal mit der Distanz des Zwischenknotens und der Enddistanz als Parameter ausgeführt.
Die rekursive Verarbeitung wird beendet, wenn sich die Anfangs- und die Enddistanz nur um eine Einheit unterscheiden.
3 veranschaulicht ein Beispiel für eine Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Bezugszeichen a, b, ...k repräsentieren die Knoten eines Weges. Der Knoten a ist der Knoten, auf welchem das Verfahren zur Festlegung des Weges durchgeführt wird. Dabei wird davon ausgegangen, dass die mittlere Länge der bekannten Wege 5 beträgt und der Zielknoten der Knoten i ist. Außerdem wird davon ausgegangen, dass alle Knoten bis einschließlich zum Knoten f in der Liste der bekannten Knoten enthalten sind.
Zunächst wird die Wegsuchfunktion mit 0 und 10 (dem Doppelten der mittleren Länge der bekannten Wege) als Parameter durchgeführt.
Dann wird ein Paket m₁ mit einer Lebensdauer von 5 (Mittelwert zwischen 0 und 10) an den Knoten i als Ziel gesendet.
Das Paket kommt am Knoten f an, der eine Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer zurücksendet.
Da der Knoten f in der Liste der bekannten Knoten enthalten ist, wird die Wegsuchfunktion mit 5 und 10 als Parameter durchgeführt.
Ein zweites Paket m₂ mit einer Lebensdauer von 7 (abgerundeter Mittelwert von 5 und 10) wird an den Knoten i gesendet.
Das Paket kommt am Knoten h an, der eine Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer zurücksendet.
Der Knoten h ist nicht in der Liste der bekannten Knoten enthalten.
Daher wird er der Liste der bekannten Knoten hinzugefügt, und die Wegsuchfunktion wird zwei Mal durchgeführt.

• Ein erstes Mal erfolgt die Suche mit 5 (frühere Anfangsdistanz) und 7 (Distanz des Knotens h) als Parameter.
• Ein zweites Mal erfolgt die Suche mit 7 (Distanz des Knotens h) und 10 (frühere Enddistanz) als Parameter.

Bei der ersten Ausführung der Wegsuchfunktion wird ein Paket m_3a mit einer Lebensdauer von 6, also dem Mittelwert zwischen den beiden Parametern 5 und 7, an den Knoten i gesendet.
Das Paket m_3a kommt am Knoten g an, der eine Meldung über die Überschreitung der Lebensdauer zurücksendet.
Dieser Knoten ist nicht in der Liste der bekannten Knoten enthalten. Er wird ihr somit hinzugefügt.
Da sich die Distanzen 5 und 6 einerseits und 6 und 7 andererseits nur um eine Einheit unterscheiden, wird die rekursive Verarbeitung hier beendet.
Bei der zweiten Ausführung der Wegsuchfunktion wird ein Paket m_3b mit einer Lebensdauer von 7, also dem abgerundeten Mittelwert der beiden Parameter 7 und 10, an den Knoten i als Ziel gesendet.
Das Paket m_3b kommt am Knoten i an, der der Zielknoten ist. Dieser Knoten i antwortet somit dem Knoten, wobei er in diese Antwortmeldung seine Kennung einfügt.
Bei Empfang dieser Meldung fügt der Knoten a den Knoten i aus denselben Gründen wie bei der ersten Ausführung in die Liste der bekannten Knoten ein, und die rekursive Verarbeitung wird hier beendet.
Somit wurden durch Aussenden von vier Paketen m₁, m₂, m_3a und m_3b der Knoten i sowie der daraus resultierende vollständige Weg gefunden und in die Liste der bekannten Knoten aufgenommen.

Claims

Verfahren zur Festlegung eines Weges zwischen einem Ursprungsknoten (a) und einem Zielknoten (i) eines Datennetzes vom TCP/IP-Typ, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, eine Wegsuchfunktion zu definieren, die als Parameter s eine Anfangsdistanz und eine Enddistanz hat, eine Liste bekannter Knoten verwendet und die folgenden Schritte beinhaltet: • Beenden der rekursiven Verarbeitung der Funktion, wenn sich die Anfangs- und die Enddistanz um eine Einheit unterscheiden, • Versenden einer Meldung (m₁, m₂, m_3a und m_3b) an den besagten Zielknoten (i) mit einer Lebensdauer gleich einem Mittelwert, der zwischen der Anfangs- und der Enddistanz liegt, • Empfangen einer Antwort, wobei für den Fall, – dass die besagte Antwort vom Zielknoten (i) kommt, dieser in der Liste der bekannten Knoten gespeichert und rekursiv die Suchfunktion mit der Anfangsdistanz und der Distanz des Zielknotens als Parameter ausgeführt wird, – dass die besagte Antwort eine Zeitüberschreitungsmeldung ist, die von einem Zwischenknoten (f) kommt, der in der besagten Liste der bekannten Knoten enthalten ist, rekursiv die Suchfunktion mit der Distanz des Zwischenknotens und der besagten Enddistanz als Parameter ausgeführt wird, und – dass die besagte Antwort eine Zeitüberschreitungsmeldung ist, die von einem Zwischenknoten (g, h) kommt, der nicht in der besagten Liste der bekannten Knoten enthalten ist, der besagte Zwischenknoten (g, h) in der Liste der bekannten Knoten gespeichert und rekursiv die Suchfunktion ein erstes Mal mit der Anfangsdistanz und der Distanz des Zwischenknotens als Parameter und ein zweites Mal mit der Distanz des Zwischenknotens und der Enddistanz als Parameter ausgeführt wird, und anfängliches Ausführen dieser Wegsuche mit einer Anfangsdistanz gleich 0.
Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem der besagte Zwischenwert gleich dem Mittelwert der Anfangs- und Enddistanzen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, in welchem die Enddistanz anfänglich auf das Doppelte des Mittelwertes der Distanzen der Knoten festgelegt wird, die in der besagten Liste der bekannten Knoten enthalten sind.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, in welchem die besagte Lebensdauer in einem Feld TTL, Time to Live, gemäß dem RFC 791 registriert wird.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, in welchem die besagte Meldung und die besagte Antwort konform zum Protokoll ICMP sind, das durch den RFC 792 definiert ist.
Software mit Mitteln zur Umsetzung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wenn es von einem Rechner ausgeführt wird.