CN101491014B - 在交换机上的虚拟网桥之间共享物理端口 - Google Patents

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Abstract

一种技术在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享端口(例如，物理端口)。根据该新颖技术，在交换机上建立两个或更多个虚拟网桥，并且每个虚拟网桥被指派以各自的虚拟局域网(VLAN)的集合。每个虚拟网桥具有与物理端口(“共享干线”)相对应的虚拟接口，虚拟网桥将虚拟接口视作就好像它们是物理端口一样。由虚拟网桥在虚拟接口上发送的控制消息通过物理端口被发送，并例如被共享干线的虚拟集线器发送到端口(共享干线)的每个其他虚拟接口。另外，在物理端口上接收的控制消息通过每个虚拟接口(例如被虚拟集线器)发送到每个虚拟网桥。

Description

在交换机上的虚拟网桥之间共享物理端口
技术领域
本发明涉及计算机网络，更具体而言涉及在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口。
背景技术
包括企业、政府和教育机构在内的许多组织利用计算机网络，以便员工和他人可以共享和交换信息和/或资源。计算机网络一般包括利用一个或多个通信介质互连的多个实体。实体可以由通过通信介质“源发”(即，发送)或者“吸收”(即，接收)数据帧的任何设备(例如计算机)构成。常见类型的计算机网络是局域网(“LAN”)，LAN一般指的是单个建筑物或校园内的私有网络。LAN一般使用定义了由通信体系结构(即，协议栈)的数据链路和物理层执行的功能的数据通信协议(LAN标准)(例如以太网)或者无线协议。
一个或多个中间网络设备经常用于将LAN耦合到一起，并且允许相应的实体交换信息。例如，网桥可用于在两个或更多个LAN或末端站之间提供“交换”功能。一般来说，网桥是一个计算机，并且包括经由LAN耦合到其他网桥或者耦合到诸如路由器或主机计算机之类的末端站的多个端口。用于将网桥彼此耦合起来的端口一般被称为干线端口，而用于将网桥耦合到末端站的端口一般被称为接入端口。桥接功能包括在源端口处接收来自发送方实体的数据并将该数据传送到至少一个目的地端口以便转发到一个或多个接收方实体。注意，网桥也可以被称为“交换机”，并且这两个术语在这里可互换使用。
生成树算法
大多数计算机网络包括冗余通信路径，以便任何给定链路的故障不会使网络的任何部分孤立起来。这种网络一般被称为网状网络(meshednetwork)或部分网状网络。但是，冗余链路的存在可能导致在网络内形成迂回的路径或者“环路”。非常不希望出现环路，因为数据帧可能无限期地往返于环路。
另外，诸如网桥或交换机之类的一些设备对目的地未知的帧进行复制，从而导致环路上数据帧的激增。所造成的流量可能淹没网络。诸如路由器之类的在协议栈内的更高层(例如传输控制协议/因特网协议(“TCP/IP”)参考模型的互联网络层)工作的其他中间设备以与大多数网桥或交换机不同的方式递送数据帧并获知网络上的实体的地址，因而路由器一般不易受到持续的环路形成问题的影响。
为了避免环路的形成，大多数网桥和交换机执行生成树协议，这种协议允许它们计算无环路的活动网络拓扑(即，树)并仍连接网络内的每对LAN(即，该树是生成性的)。IEEE发布了一种标准(目前是IEEE标准802.1D-2004)，这种标准定义了将由802.1D兼容设备执行的生成树协议。一般来说，通过执行802.1D生成树协议，网桥将桥接的网络内的单个网桥选择为“根网桥”。802.1D标准通过规定根网桥为具有最低网桥ID的网桥，从而利用了每个网桥具有唯一的数值标识符(网桥ID)这一事实。此外，对于耦合到任何网桥的每个LAN，选择一个网桥(“指定网桥”)上的恰好一个端口(“指定端口”)。指定网桥一般是最接近根网桥的网桥。根网桥上的所有端口都是指定端口，并且根网桥是所有下述LAN上的指定网桥：根网桥具有到所述LAN的端口。
每个非根网桥也从其非指定端口中选择一个端口(其“根端口”)，该端口给出去往根网桥的最低成本路径。根端口和指定端口被选择来包括在活动拓扑中，并且被置于转发(forwarding)状态中，从而数据帧可以被转发到和转发自这些端口，并因而转发到对网络的网桥和末端站进行互连的LAN上。未包括在活动拓扑内的端口被置于阻止(blocking)状态中。当端口处于阻止状态中时，不会向该端口转发数据帧，也不会从该端口接收数据帧。网络管理员还可以通过将端口置于禁用(disabled)状态中来将其排除在生成树之外。
为了获得运行生成树协议所必需的信息，网桥交换特殊的消息，这种特殊的消息被称为配置网桥协议数据单元(BPDU)消息或者简称为BPDU。BPDU携带着用于计算活动拓扑的信息，例如假定的根和最低根路径成本。更具体而言，在启动后，每个网桥最初假定其自身为根网桥，并相应地发送BPDU。在接收到来自相邻设备的BPDU后，其内容被检查并被与接收方网桥存储在存储器中的类似信息(例如，假定的根和最低根路径成本)相比较。如果来自接收到的BPDU的信息比存储的信息“更好”，则网桥采用该更好的信息并且将该信息用在它从它的除了接收到该“更好”信息的端口之外的端口发送(在把与接收端口相关联的成本添加到根路径成本的情况下)的BPDU中。虽然BPDU不被网桥转发，但是根网桥的标识符如上所述最终被传播到所有网桥并被所有网桥所采用，从而使得它们可以选择其根端口和任何(一个或多个)指定端口。
为了使活动拓扑适应于变化和故障，根网桥周期性地(例如每hellotime)发送BPDU。响应于在其根端口上接收到BPDU，网桥从其指定端口(如果有的话)发送其自己的BPDU。因而，BPDU被周期性地在整个桥接的网络中传播，从而确认活动拓扑。随着BPDU信息被更新和/或淘汰并且活动拓扑被重新计算，端口可以从阻止状态转变到转发状态，反之亦然。也就是说，由于新的BPDU信息，先前被阻止的端口可能获知它应当处于转发状态中(例如，它现在是根端口或指定端口)。
虚拟局域网
计算机网络还可以被分割成一系列逻辑网络。例如，1995年2月28日授权给Ross的美国专利No.5,394,402(“’402专利”)公开了一种将交换机的任何端口与任何特定的网段关联起来的布置。具体而言，根据’402专利，通过利用将端口与特定的虚拟局域网(VLAN)指定(VLAN designation)虚拟地关联起来的VLAN布置，可以将特定交换机的任何数目的物理端口与该交换机内的任何数目的群组关联起来。更具体而言，交换机或集线器将VLAN指定与其端口关联起来，并且还将这些VLAN指定与从该VLAN指定所被指派的任何端口发送的消息关联起来。
每个端口的VLAN指定被存储在交换机的存储器部分中，从而每当在给定的接入端口上接收到消息时，该端口的VLAN指定就与该消息关联起来。关联是由一个流处理元件完成的，该流处理元件基于用来接收消息的特定接入端口在存储器部分中查找VLAN指定。在许多情况下，可能希望互连多个这样的交换机，以便扩展网络中的端口的VLAN关联。具有相同VLAN指定的那些实体就好像它们都是同一VLAN的一部分那样工作。VLAN配置的网桥被具体配置为防止网络的具有不同VLAN指定的部分之间的消息交换，以便保持每个VLAN的边界。但是，在L2以上工作的中间网络设备(例如路由器)可以在不同VLAN网段之间中继消息。
除了’402专利之外，IEEE发布了用于虚拟桥接局域网的802.1Q规范标准。为了保持在VLAN知晓网络中的干线或链路上传输的消息的VLAN关联，Ross和IEEE标准802.1Q-2005规范标准都公开了将VLAN标识符(VID)字段附加到相应的帧。此外，与本申请属于同一申请人的Edsall等人的美国专利No.5,742,604(“’604专利”)公开了一种交换机间链路(ISL)封装机制，用于在交换机之间高效地传输分组或帧(包括经VLAN修改的帧)，同时维持帧的VLAN关联。具体而言，可以利用快速以太网标准的ISL链路连接在每个交换机处部署的ISL接口电路。发送方ISL电路将所传输的帧封装在ISL头部和ISL差错检测信息中，而ISL接收方电路则剥除该信息并恢复原始帧。
注意，IEEE标准802.1Q-2005支持在给定网络内创建多达4K(即，4096)个不同的VLAN或“广播域”，并且值得注意的是，其允许每条链路上多达4K个VLAN进行操作。但是，在某些网络设计中，希望创建多于4K个广播域。例如，利用L2技术可以创建非常大的城域网(MAN)(例如，或者是服务提供商的城市以太网服务)。这些非常大的MAN可以用于向数百或数千不同的客户提供通信服务。为了使来自不同客户的流量保持分离，MAN需要建立多于4K个广播域。但是，大量广播域的创建可能对多生成树协议(下面将描述)的操作造成问题。相应地，可以利用多生成树协议并且还可以支持非常大量的广播域的系统在属于同一申请人的Khan等人于2006年3月提交的未决美国专利申请No.11/416,559(题为“SYSTEM AND METHOD FOR RUNNING A MULTIPLE SPANNINGTREE PROTOCOL WITH A VERY LARGE NUMBER OF DOMAINS”)中有所描述，该申请的内容通过引用整体结合于此。如其中详细讨论的，网桥域(BD)可以用于定义类似于VLAN的广播域。通过基于网桥域(例如，多达16K个BD)进行交换/桥接，可以克服4K个VLAN的限制。其他技术也可用于克服4K个VLAN的限制，本领域技术人员将理解这一点，并且网桥域仅仅是一个代表性示例。
多生成树协议
在IEEE标准802.1Q-2005内，IEEE还包括了针对特别设计来结合支持VLAN的网络使用的生成树协议的规范标准。在IEEE标准802.1Q-2005中描述的多生成树(MST)协议(MSTP)将桥接的网络组织成区域(region)。在每个区域内，MSTP建立内部生成树(IST)，该内部生成树提供与各个区域内的所有网桥的连通性以及与其他区域内建立的IST的连通性。在每个MSTP区域内建立的IST还提供与由运行STP或RSTP的IEEE标准802.1Q-2005兼容网桥在MSTP区域外建立的一个公共生成树(CST)的连通性。给定MST区域的IST接收并发送BPDU到CST。相应地，桥接网络的所有网桥被单个公共和内部生成树(CIST)所连接。另外，从遗留网桥或者IEEE标准802.1Q-2005网桥的角度来看，每个MST区域看起来是CST上的单个虚拟网桥。
在每个MST区域内，MSTP兼容网桥建立多个活动拓扑，每个活动拓扑被称为多生成树实例(MSTI)。MSTP网桥还将每个VLAN指派或映射到一个(且仅一个)MSTI。因为VLAN可被指派给不同的MSTI，所以与不同VLAN相关联的帧可以采取不同的路径经过MSTP区域。网桥可以(但一般不)为每一个VLAN计算一个单独的拓扑，从而节约处理器和存储器资源。每个MSTI基本是一个仅存在于各个区域内的简单RSTP实例，并且MSTI不与区域外界交互。
与其他生成树协议一样，MSTP使用BPDU来建立IST和MSTI，以及定义不同MSTP区域的边界。网桥不为每个MSTI发送单独的BPDU。相反地，每个MSTP BPDU携带为各个区域内定义的所有MSTI计算活动拓扑所需的信息。另外，每个MSTI具有相应的标识符(ID)，并且MSTI ID被编码到网桥ID中。也就是说，每个网桥如上所述具有唯一的ID，并且该ID是由固定部分和可设置部分构成的。对于MSTP，网桥ID的可设置部分被进一步组织为包括可设置优先级成分和系统ID扩展。系统ID扩展对应于MSTI ID之一或者CIST。给定区域内的MSTP兼容网桥从而将针对CIST和每个MSTI具有一个不同的网桥ID。对于给定的MSTI，针对该实例具有最低网桥ID的网桥被选择为根。因而，在给定的MSTP区域内，MSTP兼容网桥可以是一个MSTI的根，但不是另一个MSTI的根。
运行MSTP的每个网桥还具有由三个属性构成的单个MST配置标识符(ID)：文字数字配置名称、修订级别以及将可能的4096个VLAN中的每一个关联到相应的MSTI的VLAN映射表。另外，每个网桥将其MST配置ID加载到该网桥所源发的BPDU中。因为网桥只需要知道它们是否处于相同的MST区域中，因此它们在其BPDU中不传播实际的VLAN到MSTI表。作为替换，MST BPDU只携带VLAN到MSTI表或映射的摘要。该摘要是通过向VLAN到MSTI表应用公知的MD-5算法来生成的。当网桥接收到MST BPDU时，它提取其中包含的包括该摘要的MST配置ID，并将其与它自己的MST配置ID相比较，以判定它是否与发送该MSTBPDU的网桥处于同一MST区域中。如果两个MST配置ID相同，则两个网桥处于同一MST区域中。但是，如果两个MST配置ID具有至少一个不匹配的属性，即，配置名称不同、修订级别不同和/或计算出的摘要不同，那么接收到BPDU的网桥断定它与源发BPDU的网桥处于不同的MST区域中。另外，如果指定网桥处于不同的MST区域中或者如果端口接收到遗留BPDU，则MST网桥的端口被认为处于MST区域的边界处。
虚拟网桥
生成树协议(STP)一般针对每个物理端口(链路/接口)发送单个控制消息(BPDU)。这样，网络的任何被配置的VLAN(例如，802.1Q中的多达4K个VLAN)的状态全都取决于利用该单个BPDU计算出的拓扑。在STP和快速STP(RSTP)的情况下，单个拓扑是在整个网络(L2域)中计算的，并且所有被配置的VLAN都隐性地映射到该拓扑。但是，在MST协议(MSTP)中，可以计算若干拓扑，并且被配置的VLAN被显性地映射到给定拓扑(MST实例)。由于该显性映射，MST协议必须维持关于所有被配置的VLAN(例如，多达4K个VLAN)的存在的知识，并且以这种方式支持越来越来的VLAN(例如，超过4K个VLAN)变得相对复杂。
虚拟网桥提供了一种针对网络(尤其是MST协议网络)中更大数目的VLAN(例如，超过4K个VLAN)的存在的清洁且简单的解决方案。具体而言，交换机可以被分割为若干虚拟网桥实例，其中每个虚拟网桥就好像它是单独的物理交换机/网桥一样(在控制平面中)进行操作。相应地，虚拟网桥可以用于在单个交换机上支持多于4K个VLAN，因为每个虚拟网桥可以单独支持多达4K个VLAN。
图1A和1B是分别在数据平面视图和控制平面视图中的、不共享物理端口的虚拟网桥的示意性框图。例如，在图1A中，交换机102a可以具有两个虚拟网桥103a和103b，每个虚拟网桥被指派以它自身的VLAN的集合(例如，1a-4096a被指派给虚拟网桥103a，1b-4096b被指派给虚拟网桥103b)。物理端口/接口110a将交换机102a(即，虚拟网桥103a)互连到第二交换机102b，第二交换机102b可以被配置为支持VLAN 1a-4096a。物理端口/接口110b将交换机102a(即，虚拟网桥103b)互连到第三交换机102c，第三交换机102c可以被配置为支持VLAN 1b-4096b。以这种方式，由于单独的虚拟网桥103a和103b，交换机102a被配置为支持8K个VLAN(8192个VLAN)。在图1B中，可以看见控制平面视图，其中每个虚拟网桥103在网络内表现为单独的交换机/网桥。
注意，虚拟网桥可以被配置具有多个附接的物理端口。但是，交换机的每个物理端口(或接口)传统上仅被(例如手工地)指派给单个虚拟网桥。具体而言，这一限制目前阻止了交换机在同一端口上混合属于不同虚拟网桥的VLAN(以及网桥域)。因此，仍然需要一种允许在多个虚拟网桥之间共享物理端口的技术，尤其是遵从当前标准(例如，802.1Q和802.1D中提出的标准)的技术。
发明内容
本发明涉及一种用于在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享端口(例如，物理端口)的技术。根据该新颖技术，在交换机上建立两个或更多个虚拟网桥，并且每个虚拟网桥被指派以各自的虚拟局域网(VLAN)的集合。每个虚拟网桥具有与物理端口(“共享干线”)相对应的虚拟接口，虚拟网桥将虚拟接口视作它们好像物理端口一样。由虚拟网桥在虚拟接口上发送的控制消息通过物理端口例如被共享干线的虚拟集线器发送到该端口(共享干线)的每个其他虚拟接口。另外，在物理端口上接收的控制消息通过每个虚拟接口(例如被虚拟集线器)发送到每个虚拟网桥。
根据本发明的一方面，在网络交换机内建立要共享单个网络端口的两个或更多个虚拟网桥，并且多个VLAN中的每一个被指派给虚拟网桥之一。每个虚拟网桥将共享物理端口上所指派的VLAN表示为虚拟网桥的虚拟接口，并且每个虚拟接口被配置为共享端口(用于生成树协议，“STP”)。在特定虚拟接口上只允许与该特定虚拟接口(即，虚拟网桥)相关联的VLAN，并且每个虚拟网桥控制它们各自的虚拟接口上的VLAN的状态。
根据本发明的另一方面，在虚拟网桥上操作的控制协议(作为示例是多生成树(MST)协议)在其虚拟接口上发送控制消息(例如，网桥协议数据单元，“BPDU”)。控制消息在物理端口上被物理地发送，并被复制(例如，再现并转发)到与共享干线相关联的每个其他虚拟接口(即，每个其他虚拟网桥)。另外，在物理端口上接收到控制消息时，控制消息被复制到与共享干线相关联的每个虚拟接口(即，每个虚拟网桥)。作为示例，复制可以由共享干线的虚拟集线器执行。
有利地，该新颖技术在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口。通过配置虚拟网桥上的虚拟接口，该新颖技术允许多个虚拟网桥利用单个物理端口，尤其是与MST协议一起使用时。具体而言，该新颖技术可以与802.1Q网络配置(即，非专有配置)一起使用，这是由于该新颖的共享干线对“共享网段”的仿真。另外，该新颖技术对于大型计算机网络来说是可缩放的，因为复制(例如，软件)可能仅对控制消息来说是必要的，而数据流量可能仍旧在物理端口上以传统方式(例如，硬件)交换。
附图说明
通过结合附图参考以下描述将更好地理解本发明的以上和其他优点，附图中相似的标号指示相同或功能上相似的元件，其中：
前面讨论的图1A和1B分别是数据平面视图和控制平面视图中的、不共享物理端口的虚拟网桥的示意性框图；
图2是根据本发明优选实施例的桥接网络的高度示意性图示；
图3和4是根据本发明优选实施例的中间网络设备的部分框图；
图5A和5B分别是根据本发明的数据平面视图和控制平面视图中的、共享物理端口的虚拟网桥的示意性框图；以及
图6是图示根据本发明用于在交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口的过程的流程图。
具体实施方式
图2是可以有利地采用本发明的说明性计算机网络200的高度示意性框图。网络200包括多个互连的中间网络设备202a-c。设备202a-c优选地是交换机/网桥。在说明性实施例中，交换机202a-c遵从IEEE标准802.1D-2004和IEEE标准802.1Q-2005，这两种标准通过引用整体结合于此。诸如局域网(LAN)和/或末端站之类的网络实体附接到交换机202a-c。具体而言，工作站204a-b和服务器206直接附接到网桥202a。而且，交换机202a-c通过多条链路208a-d彼此互连，这多条链路可以是共享的介质/网段或点对点链路/网段。
每个交换机202具有用于跨网络200接收和转发消息的多个端口210。而且，每个交换机202的端口可以利用例如端口号来标识，诸如端口0(P0)、端口1(P1)、端口2(P2)等等，从而使可通过各个交换机到达的实体可以与用于到达它们的特定端口相关联。直接耦合到末端站或LAN并且没有相邻交换机耦合到它们的交换机端口被称为“接入端口”或者用户网络接口(UNI)端口。连接到另一中间网络设备(例如，连接到相邻交换机)的交换机端口210被称为“干线端口”。
应当理解，图2的网络200只是用于说明性目的，并且本发明可以结合具有可能复杂得多的拓扑的其他网络工作。
如图所示，网络200包括一个环路。对诸如在IEEE标准802.1D-2004中定义的生成树协议之类的生成树协议的执行通过在桥接网络200中定义无环路拓扑(即，活动拓扑)，从而防止了环路。它还允许作为活动拓扑一部分的端口210快速转变到转发状态，从而使网络消息可以在最小损坏和/或延迟的情况下被转发。此外，如IEEE标准802.1Q-2005中所定义的，对多生成树协议(MSTP)的执行建立了多个活动拓扑，每个活动拓扑与一个多生成树实例相关联。但是，如上所述，包括MSTP的IEEE标准802.1Q-2005支持最多达212或者4K个不同的VLAN(或者广播/网桥域)。在某些网络情形中，希望定义超过4K个网桥域，但是仍然运行多生成树协议。本发明帮助实现了这一目的。
图3是交换机202a的部分的、高度示意性的框图。如上所指示的，交换机具有多个端口210a-f，每个端口优选地通过一个号码(例如，P0-P5)标识。交换机202a还包括与端口210a-f相关联的、总地标注为302的一个或多个帧发送和接收对象，从而使在给定端口(例如P1)处接收的包括数据流量和控制消息/帧在内的网络消息可以被捕获，并且要被交换机202b发送的帧可以被传递到给定端口(例如P2)。帧接收和发送对象302优选地是消息存储结构，例如优先级队列。
交换机202a还包括至少一个协议实体304，该至少一个协议实体304与帧发送和接收对象302处于通信关系，并且包括多个组件。具体而言，协议实体304包括至少一个生成树实体306、一虚拟网桥实体308和一转发实体310。生成树实体306优选地包括多个子组件，这些子组件包括多生成树协议(MSTP)控制器312、控制消息生成器314、端口角色选择状态机316、端口转变状态机318、MSTP区域判定引擎320和生成树协议(STP)存储器322。存储器322优选地被组织为包括多个记录或单元338，用于存储与生成树有关的信息或参数，例如网桥的数值网桥标识符(ID)、为每个端口210a-f指派的路径成本、每个端口P0-P5的当前或“最佳”生成树信息，等等。存储器322可以是易失性和/或非易失性随机访问存储器(RAM)或某种其他存储器设备。
转发实体310包括一个或多个转发引擎324。每个转发引擎324优选地耦合到存储与网络200的实体(图2)相对应的地址信息的相应过滤数据库326。每个过滤数据库326优选地具有多个记录(未示出)，每个记录包含多个单元，其中包括目的地地址单元、目的地端口单元和相应的定时器单元。过滤数据库326中的每个记录优选地对应于一个特定的网络实体。
转发引擎324被配置为依据适当的过滤数据库326中包含的信息并且还依据由生成树实体306管理的各个端口210的生成树端口状态以及在端口处建立的虚拟LAN(VLAN)(和/或网桥域)，来从源端口210向一个或多个目的地端口210交换或桥接诸如分组和/或帧之类的消息。转发实体310与生成树实体306处于通信关系，并且可以向其中继在端口210接收的消息，例如MSTP网桥协议数据单元(BPDU)控制消息。
虚拟网桥实体308也包括多个子组件。具体而言，虚拟网桥实体308优选地包括一个或多个虚拟网桥控制器328和VLAN(和/或网桥域)控制器332。根据本发明所描述的技术，虚拟网桥控制器328可以用于例如控制/管理在端口210处配置的网桥502，并且充当所有端口210可能属于的默认虚拟网桥。另外，VLAN控制器332可以用于例如利用VLAN ID对要从网桥202a发送的消息加标签，并且用于检查接收到的消息的VLANID，等等，这些都是本领域技术人员将会理解的。
相关领域的技术人员将会理解，虚拟网桥实体308可以被部署在其他位置处。例如，其可以分布在(例如在每个虚拟网桥502处的)端口210a-f上，或者被包含在生成树实体306中。相关领域的技术人员还会理解，交换机202a和协议实体304可包括其他实体和引擎。虚拟网桥实体308也可以利用额外的子组件来配置，这里为了清楚并未示出。
在图示实施例中，交换机202a包括发送和接收电路(例如硬件)，其中包括建立用于交换网络消息的端口的一个或多个线路卡和/或网络接口卡(NIC)、具有中央处理单元(CPU)和/或微处理器及相关联的存储器设备(用于执行计算并存储其结果)以便执行计算并存储计算结果的一个或多个监督卡(supervisor card)、以及一个或多个总线结构。图4是图示这些组件的交换机202a的另一种高度示意性的部分框图。如图4所示，交换机202a包括多个线路卡402和404，以及一个监督卡406。卡402、404和406通过通信总线408与彼此处于通信关系。线路卡402和404中的每一个包括微处理器(μP)410和至少一个存储器412。监督卡406也包括μP414，以及非易失性(N-V)存储器416和易失性存储器418(例如RAM)。
再次参考图3，本领域技术人员将会理解，生成树实体306、虚拟网桥实体308和转发实体310各自可包括被配置和布置为产生时序逻辑电路的寄存器和组合逻辑。在图示实施例中，生成树实体306、虚拟网桥实体308和转发实体310优选地是包含与这里描述的方法有关并且可由交换机202a的一个或多个处理元件(例如微处理器410和/或414，图4)执行的程序指令的软件模块或者库。其他计算机可读介质也可用于存储和执行这些程序指令。但是，本领域技术人员将会认识到可以使用软件和硬件的各种组合(包括固件)来实现本发明。
结合本发明使用的适当的中间网络设备平台包括但不限于可从SanJose，California的Cisco System，Inc.购得的一系列交换机，例如Catalyst6500、7600、3500和GRS。
如上所述(例如，上面参考图1所述)，交换机的每个物理端口在传统上只能被指派给一个虚拟网桥。具体而言，基于端口的控制协议(例如MST协议)一般每端口只发送一个控制消息(例如，网桥协议数据单元(BPDU))。这种单个端口的传统限制在某些情形下可能是不希望发生的，例如，在在交换机的单个物理端口上混合不同虚拟网桥的VLAN(或者网桥域)将有利的情形下。例如，如图2中所示，在端口“P1”和“P5”上建立的不同虚拟网桥之间共享端口“P0”可能是有益的(例如，同样如图3中所示)。
本发明涉及一种用于在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享端口(例如，物理端口)的技术。根据该新颖的技术，在交换机上建立两个或更多个虚拟网桥，并且这些虚拟网桥各自被指派VLAN的不同集合。每个虚拟网桥具有对应于物理端口(“共享干线”)的虚拟接口，虚拟网桥将虚拟接口视作物理端口一样。由虚拟网桥在虚拟接口上发送的控制消息通过物理端口被发送，并且例如被共享干线的虚拟集线器发送到该端口(共享干线)的每个其他虚拟接口。另外，在物理端口上接收的控制消息通过每个虚拟接口(例如被虚拟集线器)发送到每个虚拟网桥。
根据本发明的一方面，在网络交换机(例如202a)内建立要共享单个物理端口(例如P0/210a)的两个或更多个虚拟网桥(例如502a和502b)，并且每个VLAN被指派给虚拟网桥之一。例如，图5A是根据本发明的数据平面视图中的、共享物理端口的虚拟网桥的示意性框图。如图5A所示，VLAN 1-50可以被指派给虚拟网桥502a，而VLAN 51-100可以被指派给虚拟网桥502b。本领域技术人员将会理解，根据本发明可以进行其他VLAN指派，并且这里的VLAN指派仅仅是为了清楚而选出的示例。注意，根据在上述802.1Q中提出的标准，交换机202的每个物理端口210只能支持总共多达4K(4096)个VLAN(例如，如果有必要/希望遵从802.1Q的话)。因此，向两个或更多个虚拟网桥502指派的VLAN不可超过共享干线上总共4K个VLAN，因为虚拟网桥正在共享单个物理端口210a。而且，因为一个端口通常被配置为携带一个VLAN标签(本领域技术人员将理解这一点)，所以相同的VLAN(例如VLAN ID)不能存在于共享干线上的多于一个虚拟网桥中。
根据本发明，每个虚拟网桥502都将共享的物理端口210a上指派的VLAN表示为虚拟网桥的虚拟接口。图5B是根据本发明的控制平面视图中的、共享物理端口的虚拟网桥的示意性框图。也就是说，每个虚拟网桥(例如502a和502b)配置虚拟接口(例如，分别是510a和510b)来代替物理端口210a，并将虚拟接口视作物理端口一样。根据本发明(例如，下面将描述)，每个虚拟接口510可以被配置为“共享端口”，从而使虚拟网桥的STP(控制协议，例如MSTP)将单个物理网络端口210a视作共享的网段/接口。(本领域技术人员将会理解，无论接口是点对点接口还是共享接口，STP都必须被通知。)
只有与特定虚拟接口510(即，虚拟网桥502)相关联的VLAN在该特定虚拟接口上被允许，而所有其他VLAN都被阻止。因此，每个虚拟网桥502在它们的相应虚拟接口510上控制VLAN的状态。例如，虚拟网桥502a(例如，在虚拟网桥上运行的控制协议实例)可以为VLAN 1-50发送控制消息，而虚拟网桥502b可以为VLAN 51-100发送控制消息。注意，尽管本发明是利用VLAN描述的，但是也可以向每个虚拟网桥502指派网桥域(例如，如在以上并入的美国专利申请No.11/416.559中所描述的)，并且以与VLAN类似的方式根据本发明来使用/控制网桥域，本领域技术人员将理解这一点。
根据本发明的另一方面，在虚拟网桥502a上操作的控制协议504a(示为MST协议，或者在这里也称为MSTP)在其虚拟接口510a上发送控制消息555(例如BPDU)。具体而言，每个虚拟网桥502被配置为在控制平面(图5B)中操作，就好像它是物理交换机202一样，并且就好像它的虚拟接口510是物理端口210一样。这样，控制消息可以按与本领域技术人员所理解的传统技术一致的方式生成。在发送控制消息555后(例如，向交换机202b发送，如图5B中实线框的消息555所示)，该消息被在物理端口210a上物理发送，并被复制(例如，再现并转发)到与共享干线相关联的每个其他虚拟接口510(即，每个其他虚拟网桥502)(例如，虚拟网桥502b的虚拟接口510b)。另外，当在物理端口210a上接收到控制消息555时(例如，来自交换机202b的，如图5B中虚线框的消息555所示)，控制消息被复制到与共享干线相关联的每个虚拟接口510(即，每个虚拟网桥502)。
作为示例，控制消息555的复制可以由共享干线的虚拟集线器540执行。具体而言，虚拟集线器540可以由交换机202a管理并控制，例如由虚拟网桥实体308管理并控制。或者，虚拟集线器540可以实现为各个端口210内的进程，具体而言，实现为与特定端口相对应的监督卡406和/或线路卡(例如，402、404等)内的进程。另外，控制消息的复制或者可以通过对原始控制消息555的精确拷贝再现来执行，或者如本领域技术人员所理解的通过创建适当修改的控制消息555来执行，例如对头部修改等等，这种修改的消息适合于适当地转发并分发到虚拟接口510和/或物理端口210。
通过复制控制消息555，本发明允许虚拟网桥502共享控制消息信息，从而允许每个虚拟网桥表现为就好像具有(例如，共享网段的)物理端口的物理交换机一样。否则，从一个虚拟网桥502a发送到共享干线(物理端口210a)上的控制消息将不能被共享干线的第二虚拟网桥502b接收到。这样，第二虚拟网桥将仍然不知道来自第一虚拟网桥的控制消息，并且仍然不能获知适当的信息，本领域技术人员将理解这一点。另外，如果在物理端口上接收的控制消息不被复制，则一个虚拟网桥可能接收到外部生成的控制消息555，而其他的虚拟网桥则可能不能接收到。因此，根据本发明，对控制消息的复制允许了多个虚拟网桥共享单个物理网络端口。
注意，如这里所描述的(例如，具体参考图5A和5B所述)，本发明的虚拟接口510仅被其他控制协议(例如，交换机202的协议实体和/或其他虚拟网桥的控制协议504)视作共享链路(即，控制平面)。这样，例如由虚拟集线器540进行的流量的复制(例如，在软件中)仅对控制消息555来说是必要的。另一方面，数据流量(图5A中的565)仍旧在数据平面中以传统方式(例如，基于硬件和/或逻辑的方式)交换，其仅看见了去往交换机202的物理端口210。具体而言，物理端口接收数据流量并且基于流量的各种字段(例如，VLAN ID、目的地地址，等等)来交换/转发流量，无论虚拟网桥的布置如何。由于流量的有限复制，并且还由于交换机/网桥之间控制消息流量的传统速率限制，本发明可针对大型网络缩放，本领域技术人员将意识到这一点。
总地来说，本发明在共享干线(端口210a)上为虚拟网桥502的控制协议“伪造”了物理端口，并且创建了虚拟集线器以组合/管理从在虚拟网桥上操作的控制协议504(例如，MSTP实例)发送来的消息。因此，单个物理端口(共享干线)随后可以被看作(即，仿真为)共享的网段(根据802.1Q)，并且虚拟网桥502可以在单个端口上重合，因而共享干线将与不支持虚拟网桥并且/或者不支持单个物理端口上的多个虚拟网桥的网桥/交换机协同操作。因而，本发明允许对属于不同虚拟网桥的VLAN(以及网桥域)进行混合以采用相同的端口。同样，图5A中的物理(数据平面)表示表明了来自交换机202a的单个端口/接口210a，而据此图5B中的虚拟(控制平面)表示表明，虚拟网桥502被配置为充当具有单独的端口/接口510的单独交换机(网桥)502，这些单独的端口/接口510经由(虚拟)集线器540相连。
图6是图示根据本发明用于在交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口的过程的流程图。过程600开始于步骤605，并且继续到步骤610，在步骤610中，在网络交换机202(例如202a)上建立要共享物理端口210a(P0，共享干线)的两个或更多个虚拟网桥502(例如502a和502b)。在步骤615中，如上所述向虚拟网桥指派VLAN，并且在步骤620中，共享干线上所指派的VLAN被表示为去往各个虚拟网桥的虚拟接口510(例如，510a是去往502a的，510b是去往502b的)。一旦建立了虚拟网桥和接口，去往/来自虚拟网桥的流量就可以在步骤625中被划分为控制消息555(例如BPDU)或数据流量。
在步骤625处的流量是控制消息的情况下，当发送控制消息时(步骤630)，在发送方虚拟网桥(例如502a)上操作的控制协议504(例如MST实例)可以在步骤635中在其虚拟接口(例如510a)上生成并发送控制消息555。所发送的控制消息555随后在步骤640中在物理端口210a上被发送，并在步骤645中被复制(例如，被虚拟集线器540复制)到共享干线的每个其他虚拟接口(例如510b)。相反地，当接收控制消息时(步骤630)，物理端口210a在步骤650中接收到控制消息555，并且所接收的控制消息被复制(例如，被虚拟集线器540复制)到共享干线的每个虚拟接口510(例如，510a和510b)。最后，如果在步骤625处该流量是数据流量，则在步骤660中可以按传统的方式(例如，基于硬件的方式)发送并接收数据流量。
有利地，该新颖技术在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口。通过配置虚拟网桥上的虚拟接口，该新颖技术允许多个虚拟网桥利用单个物理端口，尤其是与MSTP一起使用时。具体而言，该新颖技术可以与标准802.1Q网络配置(即，非专有配置)一起使用，这是由于该新颖的共享干线对“共享网段”的仿真。另外，该新颖技术对于大型计算机网络来说是可缩放的，因为复制(例如，软件)可能仅对控制消息来说是必要的，而数据流量可能仍旧在物理端口上以传统方式(例如，硬件)交换。
虽然已经示出并描述了在计算机网络中的交换机上的多个虚拟网桥之间共享物理端口的说明性实施例，但是应当理解，在本发明的精神和范围内可以进行各种其他适应性改变和修改。例如，在这里本发明被示出和描述为与遵从802.1Q和802.1D的网络设备一起使用，尤其是用于那些具有4K VLAN限制的网络设备(如上所述)。但是，本发明在其更广泛的意义上并不受此限制，而是实际上可以与其他适当的网络设备(例如那些并不局限于4K VLAN限制的网络设备)一起使用，本领域技术人员将理解这一点。另外，虽然以上描述描述了利用MST协议和BPDU，但是本领域技术人员将理解，可以使用其他控制协议和消息，例如各种注册协议(例如，通用VLAN注册协议“GVRP”)和其他控制消息(例如，专有消息)，等等。
还应当注意，各种专有机制可以用于允许在单个物理端口上混合来自若干虚拟网桥的VLAN。例如，可从Cisco Systems Inc.得到的每VLAN生成树(PVST)和快速PVST协议每一VLAN建立了一个协议的实例。以这种方式，协议实例被配置为以传统方式在单个端口上操作，并且可以不需要由虚拟集线器540进行的单独的虚拟接口和控制消息的复制。但是，为了遵从当前的标准(例如，802.1Q和802.1D)，可能希望使用非专有的协议，例如这里所描述的MST协议。(另外，MSTP可能优于各种专有协议，因为对于大量VLAN来说它的资源密集度较低，并且/或者出于其他原因，本领域技术人员将理解这一点。)
以上描述涉及本发明的特定实施例。但是，很明显，可以对所描述的实施例进行其他变化和修改，并获得其优点中的一些或全部。例如，明确设想本发明的教导可以实现为软件(包括具有在计算机上执行的指令的计算机可读介质)、硬件、固件，或者其组合。另外，可以生成电磁信号，以通过例如无线数据链路或数据网络(例如因特网)来传送实现本发明的技术方案的计算机可执行指令。因此，本说明书应当被理解为仅仅是示例性的，而不是以其他方式限制本发明的范围。因此，所附权利要求的目的是覆盖落在本发明的真实精神和范围内的所有变化和修改。

Claims (20)

1.一种用于在计算机网络中在多个虚拟网桥之间共享物理端口的交换机，该交换机包括：
共享物理网络端口，
两个或更多个虚拟网桥，每个虚拟网桥具有与所述共享物理网络端口相对应的虚拟接口，每个虚拟网桥适合于通过所述虚拟接口发送并接收控制消息，就好像它们是物理端口一样；以及
所述共享物理网络端口的虚拟集线器，所述虚拟集线器适合于i)将通过一个虚拟接口接收的控制消息发送到所述共享物理网络端口并发送到所述共享物理网络端口的每个其他虚拟接口，以及ii)将通过所述共享物理网络端口接收的控制消息发送到所述共享物理网络端口的每个虚拟接口。
2.如权利要求1所述的交换机，还包括：
处理器，该处理器耦合到所述共享物理网络端口并且适合于执行软件进程；以及
存储器，该存储器适合于存储可由所述处理器执行来作为所述两个或更多个虚拟网桥工作的虚拟网桥进程。
3.如权利要求1所述的交换机，还包括：
处理器，该处理器耦合到所述共享物理网络端口并且适合于执行软件进程；以及
存储器，该存储器适合于存储可由所述处理器执行来作为所述虚拟集线器工作的虚拟集线器进程。
4.如权利要求1所述的交换机，其中所述虚拟接口被配置为共享端口。
5.如权利要求1所述的交换机，还包括：
硬件逻辑，该硬件逻辑适合于通过所述共享物理网络端口交换数据流量。
6.如权利要求1所述的交换机，其中所述虚拟集线器还适合于复制所述控制消息以将所接收的控制消息发送到所述共享物理网络端口并发送到所述共享物理网络端口的每个虚拟接口。
7.如权利要求1所述的交换机，其中所述控制消息是网桥协议数据单元(BPDU)。
8.如权利要求1所述的交换机，其中控制消息是利用控制协议来发送和接收的。
9.如权利要求8所述的交换机，其中所述控制协议是多生成树(MST)协议。
10.如权利要求8所述的交换机，其中在每个虚拟网桥上运行着一控制协议实例。
11.如权利要求1所述的交换机，其中每个虚拟网桥被指派以各自的相应虚拟接口的虚拟局域网(VLAN)的集合。
12.如权利要求11所述的交换机，其中为所述共享物理网络端口的所有虚拟接口指派的VLAN的总数不大于4096。
13.如权利要求11所述的交换机，其中所述虚拟网桥适合于控制它们各自被指派的VLAN集合的状态。
14.如权利要求11所述的交换机，其中每个特定虚拟接口适合于仅允许与指派给该特定虚拟接口的VLAN相对应的流量。
15.一种用于在计算机网络中的交换机处在多个虚拟网桥之间共享物理网络端口的方法，该方法包括：
建立两个或更多个虚拟网桥，每个虚拟网桥具有与共享物理网络端口相对应的虚拟接口；
通过各自的虚拟接口从一个或多个虚拟网桥发送控制消息；
将所发送的控制消息发送到所述共享物理网络端口并且发送到所述共享物理网络端口的每个其他虚拟接口；
在所述共享物理网络端口上接收控制消息；以及
将所接收的控制消息发送到所述共享物理网络端口的每个虚拟接口。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：
利用硬件逻辑通过所述共享物理网络端口交换数据流量。
17.如权利要求15所述的方法，还包括：
利用控制协议发送和接收控制消息，其中所述控制协议是多生成树(MST)协议。
18.一种用于在计算机网络中在多个虚拟网桥之间共享物理网络端口的装置，该装置包括：
用于建立两个或更多个虚拟网桥的装置，每个虚拟网桥具有与共享物理网络端口相对应的虚拟接口；
用于通过各自的虚拟接口从一个或多个虚拟网桥发送控制消息的装置；
用于将所发送的控制消息发送到所述共享物理网络端口并且发送到所述共享物理网络端口的每个其他虚拟接口的装置；
用于在所述共享物理网络端口上接收控制消息的装置；以及
用于将所接收的控制消息发送到所述共享物理网络端口的每个虚拟接口的装置。
19.如权利要求18所述的装置，还包括：
用于通过所述共享物理网络端口交换数据流量的装置。
20.如权利要求18所述的装置，还包括：
用于利用控制协议发送和接收控制消息的装置，其中所述控制协议是多生成树(MST)协议。
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