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VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen
US-Patentanmeldung Nr. 60/234,171 , eingereicht
am 20. September 2000.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Switch-Anordnung mit mehreren Blades in
einem Chassis und ein Verfahren zur Verwendung dieser Anordnung
zum Vermitteln von Daten. Die Erfindung betrifft im Besonderen Konfigurationen
mit fünf
und neun Blades zur Bereitstellung der erforderlichen Vermittlungskapazität.
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BESCHREIBUNG DES RELEVANTEN
STANDES DER TECHNIK
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Da
sich die Computerleistung in den letzten Jahren verbessert hat,
sind die Anforderungen an Computernetzwerke erheblich gestiegen;
schnellere Computerprozessoren und höhere Speicherfähigkeiten
benötigen
Netzwerke mit hohen Bandbreitenleistungsfähigkeiten, um eine Hochgeschwindigkeitsübertragung
erheblicher Datenmengen zu ermöglichen.
Die wohlbekannte Ethernet-Technologie, die auf zahlreichen IEEE-Ethernet-Standards
basiert, ist ein Beispiel für
eine Computer-Netzwerk-Managementtechnologie, die so modifiziert
und verbessert werden konnte, dass sie eine brauchbare Datenverarbeitungstechnologie
geblieben ist. Eine ausführlichere
Besprechung bekannter Netzwerk-Managementsysteme findet sich z.B.
in SWITCHED AND FAST ETHERNET von Breyer und Riley (Ziff-Davies, 1996)
und zahlreichen IEEE-Publikationen, die IEEE-802-Standards betreffen.
Basierend auf dem Open-Systems-Interconnect-(OSI)-7-Schichten-Referenzmodell
haben sich die Netzwerkleistungsfähigkeiten durch die Entwicklung
von Repeatern, Brücken
(Bridges), Routern und in jüngerer
Zeit von "Switches" verbessert, welche
mit verschiedenen Arten von Kommunikationsmedien arbeiten. Thickwire-, Thinwire-,
Twisted-Pair- und Glasfaser-Kabel sind Beispiele für Medien,
die für
Computernetzwerke verwendet worden sind. Switches sind, soweit sie
sich auf das Computer-Netzwerk-Management
und auf Ethernet beziehen, hardwarebasierte Vorrichtungen, die den
Fluss von Datenpaketen oder Zellen basierend auf Zieladresseninformationen
steuern, welche in jedem Paket verfügbar sind. Ein ordnungsgemäß konzipierter und
implementierter Switch sollte dazu imstande sein, ein Paket zu empfangen
und das Paket mit so genannter Wirespeed oder Linespeed, welche
die maximal erreichbare Geschwindigkeit des spezifischen Netzwerks
ist, an einen geeigneten Ausgangsport zu vermitteln.
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Die
Wirespeed von Basic-Ethernet beträgt bis zu 10 Megabit pro Sekunde
und von Fast-Ethernet bis zu 100 Megabit pro Sekunde. Das neueste Ethernet
wird als 10.000 MBit/s-Ethernet bezeichnet und kann Daten mit einer
Rate von bis zu 10.000 Megabit pro Sekunde über ein Netzwerk übertragen.
Da sich die Geschwindigkeit erhöht
hat, sind die Konstruktionsbeschränkungen und Konstruktionsanforderungen
im Hinblick auf die Beachtung geeigneter Konstruktions- und Protokollregeln
und die Bereitstellung einer kostengünstigen, kommerziell brauchbaren
Lösung
immer komplexer geworden. Beispielsweise in Umgebungen, in denen
eine Datenvermittlung erforderlich ist, werden mehrere Switches zu
einer Switch-Anordnung kombiniert, die dazu in der Lage ist, erheblich
mehr Daten zu vermitteln als ein einzelner Switch.
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Ganz
allgemein ausgedrückt
ist ein Chassis ein Rahmen oder ein kastenartiges Blechgestell zur Anbringung
der Komponenten einer elektronischen Einrichtung. Bei Vermittlungs-(Switching-)Anwendungen
werden die angebrachten Komponenten als Blades bezeichnet. Auf den
Blades sind elektronische Einrichtungen befestigt, wobei es die
Chassisarchitektur ermöglicht,
Blades in Abhängigkeit
von den Anforderungen der Vermittlungsumgebung auszutauschen.
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Bei
bekannten Systemen sehen die Konfigurationen nicht den jetzt und
in der Zukunft zur Datenvermittlung (Daten-Switching) erforderlichen
Durchsatz vor. Daher besteht Bedarf an einer Switch-Anordnung, die
mehrere Konfigurationen vorsieht, es den Blades ermöglicht, "hot swappable" (während des
Betriebs austauschbar) zu sein, und eine Datenhandhabung und -vermittlung
mit der vorstehend besprochenen Wirespeed zulassen.
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Das
Dokument
EPA-0 785 699 offenbart
eine Switch-Anordnung für
die Netzwerkkommunikation, wobei die Netzwerk-Switch-Anordnung ein Switch-Fabric
und eine Mehrzahl an Portkarten, die Eingangsportkarten und Ausgangsportkarten
umfassen, aufweist. Das Dokument zeigt ferner, dass das Switch-Fabric
eine Switch-Karte umfasst. Die Switch-Anordnung ist dafür konfiguriert,
eine Multicast-Routing-Fähigkeit
in einem selbstroutenden Mehr-Stufen-Netzwerk vorzusehen, um eine
verteilte Multicast-Routing-Fähigkeit
bereitzustellen.
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Das
Dokument
EP-A-0 752
668 offenbart eine Alarmschnittstelle für eine Komponente, die während des
Betriebs sicher an eine Alarmverbindung eines elektrisch betriebenen
Systems angeschlossen oder von dieser abgezogen (hot-plugged/unplugged)
werden kann.
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Das
Dokument
US-A-5 764
636 offenbart einen Color-Blocking-Logic-(CBL-/Farbblockieriogik-)Mechanismus
für einen
Netzwerk-Switch. Der CBL-Mechanismus implementiert bezogen auf Daten-Frames,
die innerhalb des Port-Schnittstellenschaltungsaufbaus über eine
verschiedene Switches eines Netzwerks verknüpfende Verbindung transportiert
werden, dynamisch Spanning-Tree-Zustände. Das Dokument lehrt, die
Inhalte von VLAN- und Bridge-Protocol-Data-Unit-(BPDU-/Brückenprotokolldateneinheits-)Feldern
eines Frames mittels einer Zustandsmaschine zu parsen (analysieren)
und sie miteinander zu verknüpfen,
um eine Adresse zum Zugriff auf eine Speichertabelle zu bilden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Netzwerk-Switch-Anordnung und ein
Verfahren bereitzustellen, die dazu in der Lage sind, ein Datenpaket
mit maximaler Geschwindigkeit zu vermitteln.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Netzwerk-Switch Anordnung und ein Verfahren
gelöst,
die in den unabhängigen
Ansprüchen
1 und 7 angegeben sind.
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Insbesondere
wird diese Aufgabe durch die Netzwerk-Switch-Anordnung gelöst, die
dafür konfiguriert
ist, es dem Matrix- oder Fabric-Blade zu ermöglichen, den Verkehrsfluss
durch die Switch-Anordnung effizient zu handhaben.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Switch Anordnung, die dazu in
der Lage ist, Ethernet-, Fast-Ethernet-, 1 Gigabit- und 10.000 MBit/s-Ethernet-Systeme
zu verwenden, wobei diese Anordnung durch eine Mehrzahl an Blades
in einem Chassis gebildet wird und wobei alle Blades miteinander
kommunizieren, um den gewünschten
Durchsatz zu erreichen. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem Verfahren,
die dazu eingesetzt werden, die gewünschte Verarbeitung und Übermittlung
von Daten durchzuführen,
wobei die Daten durch die Switch Anordnung gehandhabt werden.
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Die
Erfindung betrifft daher eine Netzwerk-Switch-Anordnung für die Netzwerkkommunikation,
die wenigstens ein Matrix- oder Fabric-Blade und eine Mehrzahl an
Port-Blades umfasst.
Das wenigstens eine Matrix- oder Fabric-Blade weist wenigstens einen
Switch auf, der eine Mehrzahl von Datenportschnittstellen, die eine
Mehrzahl an Matrix- oder Fabric-Datenports unterstützen, welche
Daten senden und empfangen, und eine CPU-Schnittstelle umfasst,
wobei die CPU-Schnittstelle dafür
konfiguriert ist, mit einer CPU zu kommunizieren. Das wenigstens
eine Matrix- oder Fabric-Blade
umfasst außerdem
ein CPU-Subsystem, das mit der CPU-Schnittstelle kommuniziert. Jedes
der Mehrzahl an Port-Blades weist wenigstens einen Switch mit einer
Mehrzahl an Datenportschnittstellen auf, die eine Mehrzahl von Portdatenports
unterstützen,
welche Daten senden und empfangen. Die Mehrzahl an Portdatenports
kommuniziert mit der Mehrzahl an Matrix- oder Fabric-Datenports über mehrere
Pfade, so dass von den Portdatenports empfangene Daten basierend
auf einem Teil der empfangenen Daten über einen spezifizierten Pfad
der mehreren Pfade an einen Zielport der Netzwerk-Switch-Anordnung
vermittelt werden.
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Die
Erfindung ist gemäß anderen
Ausführungsformen
auch darauf gerichtet, dass jedes der Mehrzahl an Port-Blades ferner
eine lokale CPU und der wenigstens eine Switch der Mehrzahl an Port-Blades
eine lokale CPU-Schnittstelle umfasst, die dafür konfiguriert ist, mit der
lokalen CPU zu kommunizieren. Darüber hinaus kann die Anzahl
an Port-Blades bei anderen Ausführungsformen
in Abhängigkeit
von den Konfigurationen der Netzwerkumgebung vier oder acht Port-Blades
betragen.
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Bei
anderen Ausführungsformen
weist das wenigstens eine Matrix- oder Fabric-Blade mindestens zwei Switches auf,
wobei jeder Switch die Mehrzahl an Matrix- oder Fabric-Datenports umfasst, die Daten
senden und empfangen. Darüber
hinaus kommunizieren die wenigstens zwei Switches mit dem CPU-Subsystem,
um eine Adressensynchronisation zwischen den wenigstens zwei Switches
bereitzustellen. Die Port-Blades sind außerdem "hot swappable", so dass sie ausgetauscht werden können, ohne
die Switch-Anordnung abzuschalten.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zur Handhabung von Daten in einer Netzwerk-Switch-Anordnung,
wobei das Verfahren den Schritt des Empfangens eines in einer Eingangswarteschlange
eines Portdatenports eines Port-Blades eingehenden Datenpakets umfasst.
Ein Teil des eingehenden Datenpakets wird untersucht, um eine Zieladresse
des eingehenden Pakets zu bestimmen. Die Entscheidung, ob das eingehende
Paket an einen auf einem Matrix- oder Fabric- Blade befindlichen Switch übermittelt
werden soll, wird basierend auf der bestimmten Zieladresse getroffen.
Das Paket wird dann basierend auf den Untersuchungs- und Bestimmungsschritten
verworfen, übermittelt
oder modifiziert. Als Letztes verarbeitet der Switch des Matrix- oder
Fabric-Blades das Datenpaket, wenn dieses an den Switch des Matrix-
oder Fabric-Blades übermittelt
wird, so dass das Datenpaket an eine spezifische, der Zieladresse
zugeordnete Zieladresse übermittelt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ein
besseres Verständnis
der Ziele und Merkmale der Erfindung geht unter Bezugnahme auf die
folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen hervor. Es
zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm von Elementen einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit fünf
Blades,
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2 ein
Blockdiagramm von Elementen einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit fünf
Blades,
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3 ein
Blockdiagramm von Elementen einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung mit neun Blades, und
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4 ein
Blockdiagramm, das Leiten von Daten zu Ports des Port-Blades bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform darstellt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anwendung mit einer Mehrzahl
an Chips, die eine kostengünstige
Chassislösung
bereitstellt, welche zahlreiche Port-Blades und ein Matrix- oder
Fabric-Blade aufweisen würde.
Die Switch-Anordnung empfängt Daten
an den Ports der Port-Blades und leitet die empfangenen Daten basierend
auf Adresseninformationen in einem Teil der Daten weiter. Das Matrix- oder
Fabric-Blade kommuniziert
mit jedem der Port-Blades und ermöglicht eine Kommunikation zwischen
den Port-Blades.
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1 zeigt
eine schematische Konfiguration eines Fünf-Blade-Chassis. Bei einer
grundlegenden Ausführungsform
ist das Matrix- oder Fabric-Blade 110 direkt mit einer
Zentraleinheit (CPU) 100 verbunden, wie in 1 gezeigt.
Die Port-Blades 120 sind über eine Stapelverbindung der
Port-Blades mit dem Matrix- oder Fabric-Blade verbunden. Jedes der Port-Blades
weist eine Mehrzahl an Ports auf, die dazu verwendet werden, Daten
zu empfangen und zu senden. Obgleich die Port-Blades eine gewisse
Speicher- und Verarbeitungsfähigkeit
aufweisen, muss die CPU 100 BPDU-(Bridge Protocol Data
Unit) Look-ups (Nachschlagetätigkeiten)
durchführen
und der gesamte Managementverkehr wird an die CPU 100 auf
dem Matrix- oder Fabric-Blade gesendet.
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Auf
jedem Blade ist ein auf einem Chip befindlicher Switch (SOC – Switch
on Chip) enthalten. Die Art von in dem Blade enthaltenen Chip hängt von der
Art der Anwendung und dem Volumen der Daten ab, die eine Switch-Anordnung
verarbeiten muss. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Chip ein
Acht-Port-Gigabit-Switch sein, der Paketdaten mit Linespeeds vermitteln
kann, die mit Ethernet, Fast-Ethernet und 10.000 MBit/s-Ethernet
kompatibel sind.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
stellt die vorliegende Erfindung ein Matrix- oder Fabric-Blade und
4 Port-Blades bereit, wie in 2 gezeigt.
Das Matrix- oder Fabric-Blade
enthält
das Backplane-CPU-Subsystem 200 und einen auf einem Chip befindlichen
Switch (SOC) 210 zur Verbindung mit allen Port-Blades.
Das Port-Blade 220 enthält
einen SOC und ein lokales CPU-Subsystem 230 zur Initialisierung
und zum Registerzugriff. Jedes Port-Blade ist "hot swappable" (während
des Betriebs austauschbar). Bei einer Ausführungsform wird eine Gigabit-Bandbreite
durch Anschließen
eines Gigabit-Ports zwischen dem Matrix- oder Fabric-Blade und dem
Port-Blade bereitgestellt.
Bei einer solchen Ausführungsform
würden
alle angeschlossenen Gigabit-Ports als Stacking-Ports (Stapelports)
ausgelegt werden, die eine Verbindungsaggregation oder -bündelung über die
Blades ermöglichen.
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Bei
einer Ausführungsform
weist jedes Port-Blade 24 10-/100-Ports oder 6 Gig-Ports auf und ist "hot swappable". Bei Netzwerk-Managementumgebungen
mit geringerem Durchsatz können
24 10-/100-Ports auf der Frontplatte bereitgestellt und für jedes
Port-Blade 1 Gig-Port zur Stapelung mit dem Matrix- oder Fabric-Blade
verwendet werden. Bei höheren
Durchsätzen
können
6 Gig-Ports auf der Frontplatte und 1 Gig-Port zur Stapelung mit dem Matrix- oder
Fabric-Blade bereitgestellt werden. Eine externe Hot-Swap-Schaltung
wird dazu verwendet, die Hot-Swap-Fähigkeit der Port-Blades zu unterstützen.
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Die
einzelne CPU auf dem Matrix- oder Fabric-Blade wird dazu verwendet,
Managementfunktionen der Switch-Anordnung bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden ein auf einem Chip befindlicher Switch mit hoher Kapazität und ein PCI2.1-kompatibles
CPU-Subsystem verwendet, um das Matrix- oder Fabric-Blade zu bilden.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
ist auf jedem Port-Blade
eine lokale CPU zur Initialisierung und zum Zugriff auf interne
Register und Tabellen des SOC bereitgestellt. Die lokale CPU liest
die Fernüberwachungs-(RMON-/Remote Monitoring)
Zähler des
Switch-Fabric auf jedem Port-Blade und gibt die Informationen an
das Matrix- oder Fabric-Blade weiter. Die lokale CPU handhabt außerdem die BPDU-Pakete,
um den Spanning-Tree (Spannbaum) des Netzwerks zu analysieren.
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Die
Switch-Anordnung stellt außerdem
eine Spanning-Tree-Unterstützung
bereit. Wenn eine BPDU an einem der Ports im Port-Blade ankommt, wird
die BPDU an die lokale CPU gesendet. Die lokale CPU empfängt BPDUs
und analysiert den Spanning-Tree-Zustand an jedem Port. Dies sorgt
für eine schnellere
Analyse und Verarbeitung. Die Switch-Anordnung stellt außerdem eine
Bündelung
(Trunking) in den und über
die Port-Blades bereit. Die Bündelung
erfolgt, wenn die Ports miteinander verknüpft werden, um zur Entlastung
der Verknüpfung
in diesem kritischen Bereich eines Netzwerks ein "Fat Pipe" (Port-Bündelung)
zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist nur ein Gig-Port
des Switch-Fabric auf jedem Port-Blade als Stapelverbindung zum
Anschluss an das Matrix- oder Fabric-Blade konfiguriert, wobei andere
Ports verwendet werden können,
um eine Bündelung
in dem und über
das Port-Blade zu ermöglichen.
Die Konfiguration ermöglicht
außerdem
eine Spiegelung von Ports über
die Port-Blades.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Die in 3 gezeigte Switch-Anordnung enthält ein Matrix-
oder Fabric-Blade 315 und 8 Port-Blades 320. Das
Matrix- oder Fabric-Blade enthält
das Backplane-CPU-Subsystem 300 und
zwei SOCs 310 zur Verbindung mit allen Port-Blades. Jedes
Port-Blade enthält
einen SOC und ein lokales CPU-Subsystem zur Initialisierung, zum
Registerzugriff und zur BPDU-Handhabung. Jedes Port-Blade ist "hot swappable". Die Port-Blades
sind unter Verwendung von wenigstens zwei Ports mit dem Matrix-
oder Fabric-Blade verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die zwei Ports, die mit dem Matrix- oder Fabric-Blade verbunden
sind, zwei Gigabit-Ports.
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Bei
dieser bevorzugten Ausführungsform sind
alle angeschlossenen Gig-Ports der Port-Blades als Stapelverbindungen
ausgelegt, so dass die Daten korrekt übertragen werden können. Wie
in 4 gezeigt, lenkt der FFP (Fast Filtering Processor/ schnelle
Filterprozessor) 420 des SOC 410 einen Teil des Verkehrs
zu jedem der angeschlossenen Gig-Ports 430. Darüber hinaus
sollten die PTABLE (PTABELLE) und die VTABLE (VTABELLE) der SOCs
näherungsweise
zur VLAN-Mitgliedschaft der Stapelverbindungen programmiert sein.
Dies ermöglicht
eine Verbindungsaggregation der Ports in den und über die
Blades.
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Ein
wichtiger Aspekt der Switch-Anordnung der vorliegenden Erfindung
betrifft den Datenfluss im Port-Blade. Dies ist in 4 gezeigt,
in der der Verkehr über
einen von zwei Pfaden zu dem Matrix- oder Fabric-Blade, d.h. einen
der Gigabit-Ports 430, geleitet wird. Der FFP lenkt den
Verkehr durch Bewerten eines jeden Pakets, um zu bestimmen, ob es
ein Unicast-, Broadcast-, Multicast- oder unbekanntes Unicast-Paket ist. Mehrere
VLAN-Tabellen werden für die
verschiedenen Pakettypen verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht es
dem Matrix- oder Fabric-Blade, den Verkehrsfluss durch die Switch-Anordnung effizient
zu handhaben.
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Wie
vorstehend in Bezug auf die Fünf-Blade-Lösung besprochen,
weist die Neun-Blade-Switch-Anordnung
Port-Blades auf, die "hot
swappable" sind.
Jedes Port-Blade
weist einen SOC mit 24 10-1100-Ports oder 6 Gig-Ports auf. Bei einigen Ausführungsformen
weisen die Port-Blades 24 10-/100-Ports auf der Frontplatte und
zwei Gig-Ports zur Stapelung mit dem Matrix- oder Fabric-Blade auf. Bei
anderen Ausführungsformen
sind 6 Gig-Ports auf der Frontplatte und zwei Gig-Ports zur Stapelung
mit dem Matrix- oder Fabric-Blade bereitgestellt. Wie vorstehend
besprochen, wird eine externe Hot-Swap-Schaltung dazu verwendet,
die Hot-Swap-Fähigkeit
der Port-Blades zu unterstützen. Es
wird außerdem
darauf hingewiesen, dass die in den Port-Blades enthalten SOCs im
Hinblick auf die Geschwindigkeit gemischt sein können, daher könnten die
Ports des Port-Blades, die mit dem Matrix- oder Fabric-Blade kommunizieren, sowohl
ein Gig-Port als auch ein TurboGig-Port sein, vorausgesetzt, dass
die im Matrix- oder Fabric-Port enthaltenen SOCs mindestens 4 Gig-Ports
und 4 TurboGig-Ports umfassen.
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Wie
ebenfalls in Bezug auf die Fünf-Blade-Switch-Anordnung
besprochen, stellt eine einzelne CPU auf dem Matrix- oder Fabric-Blade
Managementfunktionen bereit und unterstützt das ARL-(Adress-Resolution-Logik/Adressenanalyselogik-)Lernen.
Die Die CPU auf dem Matrix- oder Fabric-Blade muss das ARL-Lernen
unterstützen,
um für die
Synchronisation zwischen den zwei SOCs 310 auf dem Matrix-
oder Fabric-Blade
zu sorgen. Die CPU führt
das Lernen der Quellenadresse durch, wenn in einem der SOCs 310 Daten
ankommen, wobei die Quellenadresse in beiden SOCs gelernt wird. Dies
ist notwendig, da der Verkehr zwischen zwei Ports unterschiedliche
Pfade in jede Richtung haben kann.
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Eine
lokale CPU auf jedem Port-Blade wird zur Initialisierung und zum
Zugriff auf interne Register und Tabellen der SOCs der Port-Blades
verwendet. Die lokale CPU liest außerdem die RMON-Zähler des Switch-Fabric
auf jedem Port-Blade und leitet die Informationen an das Matrix-
oder Fabric-Blade werter. Die lokale CPU handhabt außerdem die
BPDU-Pakete, um den Spanning-Tree des Netzwerks zu analysieren.
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Eine
Bündelung
in den und über
die Port-Blades ist bei der in 3 gezeigten
Neun-Blade-Lösung ebenfalls
möglich.
Alle Verbindungen werden als Stapelverbindungen zum Anschluss zwischen dem
Matrix- oder Fabric-Blade und den Port-Blades konfiguriert. Der
FFP 420, in 4, wird dazu verwendet, eine
Hälfte
des Verkehrs zu jedem Gig-Port zwischen dem Matrix- oder Fabric-Blade
und den Port-Blades zu lenken. Dies ermöglicht eine Bündelung
in den und über
die Blades. Darüber
hinaus wird auch eine Ingress-Spiegelung unterstützt, wie vorstehend in Bezug
auf die Fünf-Blade-Lösung besprochen.