CN1823509A

CN1823509A - 无线感知网络交换机和交换机asic

Info

Publication number: CN1823509A
Application number: CNA2004800203443A
Authority: CN
Inventors: 克拉克·A·卡提; 詹姆斯·M·斯萨; 詹姆斯·A·阿莫斯; 史蒂文·M·克劳德; 罗伯特·A·鲍斯尔; 戈登·麦克凯
Original assignee: Cisco Technology Inc
Current assignee: Cisco Technology Inc
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: CA2532053A1; WO2005015859A2; EP1654841B1; EP1654841A2; CN1823509B; US20080279166A1; US20050030946A1; AU2004302216B2; CA2532053C; AU2004302216A1; US8374125B2; US7433342B2; WO2005015859A3

Abstract

公开了一种专用集成电路和相关的网络交换机。集成电路包括用于接收802.11无线数据帧并将其转发到预定端口的交换电路。还提供有用于检查数据帧的属性的检查电路。还提供有用于指导交换电路基于802.3有线属性和802.11无线属性转发数据帧的判决电路。

Description

无线感知网络交换机和交换机ASIC

背景技术

本公开涉及无线局域网(WLAN)领域，具体而言涉及WLAN中与无线接入点一起使用的交换设备的适用性。在如图1所示的WLAN 10中，多个客户端12(例如膝上型计算机等)包括无线卡14，无线卡14能够与接入点(AP)16进行移动无线电通信。每个AP 16具有用于与移动客户端12通信的无线电卡18。AP 16根据IEEE 802.11协议与移动客户端通信。AP 16可以使用单个无线电卡或者第二卡18(b)以允许根据IEEE802.11(b)和(g)标准在2.4GHz频带内进行传输，或者根据IEEE802.11(a)标准在5GHz频带内进行传输。如果需要的话，AP 16也可以使用多于两个无线电卡。

AP 16连接到以太网线缆20，以太网线缆20又连接到网络交换机22，移动客户端通信从网络交换机22发送到网络10上。以太网线缆20根据IEEE 802.3协议(10、100、1000 Base-T)承载信号。对于在移动客户端12和网络10之间交换的数据帧或分组，AP 16的基本功能是提供802.11和802.3协议之间的来回转换；或者802.3到802.11转化的下行流和802.11到802.3转化的上行流，或者802.3分组的802.11封装。

如图2所示，网络交换机22具有多个端口24，这多个端口24能够使多个AP 16和其他网络设备连接到LAN 10。在大的企业展示中，交换机22一般可以有12-48个端口。为了在网络10和客户端设备之间路由分组，交换机22包括交换机芯片26。交换机芯片26是ASIC(专用集成电路)。交换机ASIC 26也与中央处理单元(CPU)28协同操作，这有助于配置交换机ASIC 26。CPU 28和交换机ASIC 26一般通过PCI总线或MII总线来连接。这允许交换机芯片内部缓冲器的存储器映射，从而在需要时允许CPU访问缓冲器。类似地，如果交换机芯片不能自动转发分组，则分组将被缓冲，从而允许CPU手工转发分组。交换机28还包括将交换机连接回WAN 10的上行链路30。

在已有类型的系统中，一般的网络交换机22当用于无线组件时会遇到与性能相关的问题。一般的交换机ASIC 26没有能力区分无线数据流量和任何其他普通网络数据流量。ASIC是硬编码的“状态机”，其中功能被硬编码，并且利用与(AND)门、或(OR)门和触发器被构建，并且直接固定在硅中。一般的交换机ASIC 26只能将分组交换到端口24。但是由于AP 16自身能够处理10-15个客户端，所以网络带宽可能在AP 16和交换机22之间停顿，这是因为无线客户端共享单个交换机端口24，其原因将在下面解释。

接入点16的一个基本功能是接收以802.11无线格式编码的帧，并将帧变换为802.3以太网格式，反之亦然。取决于配置，AP将翻译从802.3到802.11的下行流分组(向AP)，并翻译从802.11到802.3的上行流，或者将802.3分组完全封装到802.11分组中。每个帧具有头部，头部中有开始帧定界符、源地址等，其中每一个都是以各个IEEE 802协议定义的某种顺序排列的一定数目的位。每个帧的中部包括数据，帧末尾包括CRC校验(错误校验)。802.11帧非常类似于802.3帧，但是包括无线无线电传输属性所特有的信息。一般的AP包括其他功能，如用于将新用户关联到网络，并执行过滤从而限制对已经关联的某些用户的网络接入的安全性功能。应当注意，一定量的802.11协议必须在802.11MAC中完成。这包括插入MAC试图传输的下一个分组的分组序列号。由于无线网络中分组传输的不确定特征，802.11协议对分组传输错误是鲁棒性的。但是由于802.11，MAC必须管理直接传输的分组的排序，并且能够从各种队列(即，QoS、省电数据)中选择下一个分组。

在一般的LAN中，大量数据流量传上和传下上行链路28到达交换机22。这种流量包括单播、多播和广播帧。单播流量不会遇到问题，这是因为分组去往具体接受者，并且交换机ASIC 26引导分组经过特定的想要经过的端口24。然而，当发送多播和广播分组时会遇到问题，这是因为它们被发送到多个接受者或所有接受者。这些类型的分组去往交换机22的所有端口24。由于这种多播和广播流量并不是要去往无线客户端12，所以AP 16在挡开这种流量时可能停顿。

一般的已有类型的交换机ASIC还有其他问题。某些类型的网络流量具有比其他类型更高的带宽考虑度。例如，在电话交谈中(当使用基于VoIP 802.11的电话时)，一定量的数据必须比例如web浏览移动得更快。由于这个原因，建立了“服务质量”(QoS)考虑因素，以给予构成时间受限数据流量的分组更高的优先级。QoS的标准在以太网和无线协议，IEEE 802.3(g)和802.11(i)中分别指定。

无线交换机和标准交换机之间的另一个主要差别是某些无线客户端处于省电模式。当无线客户端处于省电模式时，其不能立即接受数据。在省电模式中，无线客户端只能在醒来并响应于省电轮询(作为802.11信标处理的一部分发生)后才能接受数据。这种省电功能迫使无线交换机包括存储和转发机制作为其常用操作的一部分。从而，无线交换机不仅必须处理时间受限QoS分组，还必须处理时间延迟的省电分组。其相似点是这两种流量都要求其自身的队列管理，不同点是管理队列的方式不同。

这种省电机制的示例有许多。一种应用是所有无线客户端都是低功耗手持计算设备，这种设备由于有限的电池运行时间而总是处于省电模式中。省电无线客户端的另一个示例是等待呼叫的802.11 VoIP电话。该电话将处于节电模式中，直到其“响铃”，然后被应答。

VLAN帮助IT管理者配置网络并对网络分段。“虚拟LAN”(VLAN)是无线客户端、有线计算机、服务器和其他网络组件的组，这些网络组件就好像它们被连接到单个网段一样工作(即使它们并没有连接到单个网段)。VLAN能够使特定用户和资源被以逻辑方式分组，而不考虑它们可能物理连接的一个或多个网段。例如，VLAN可用来定义一组访问者，以允许无线因特网接入但是禁止接入安全网络资源。然而，一般的交换机ASIC 28无法为了QoS和VALN目的而区分802.11无线分组。

发明内容

已有类型的系统的困难和缺点被本专用集成电路和相关的网络交换机所克服。该集成电路包括用于接收数据帧并将其转发到预定端口的交换电路。还提供有用于检查数据帧的属性的检查电路。还提供有用于指导交换电路基于属性转发数据帧的判决电路。

如所认识的，本发明能够实现为其他和不同的实施例，并且能够对其多个细节在各个方面进行修改，这些都不脱离本发明。因此，附图和描述仅被看作示例性的，而不是限制性的。

附图说明

图1示出了已有类型的无线LAN。

图2是已有类型的无线LAN所使用的网络交换机的详细视图。

具体实施方式

如目前所预期的，专用集成电路(ASIC)和相关网络交换机被用来帮助避免网络流量在无线接入点处停顿的问题。本ASIC包括用于接收数据帧并将其转发到预定端口的交换电路。还提供有用于检查数据帧属性的检查电路。还提供有用于指导交换电路基于属性转发数据帧的判决电路。

例如，在本发明的一个实施例中，检查电路可以被配置来检查无线属性。在该实施例中，判决电路将被配置来阻挡来自无线端口的非无线数据帧。在本发明的另一个实施例中，检查电路被配置来确定一个数据帧是否具有比另一个数据帧更高的优先级，并且其中判决电路被配置来确保优先转发更高优先级的数据帧。在该实施例中，电路可以包括队列，该队列用于给数据帧区分优先次序，从而提供质量服务，并延迟用于省电客户端的分组传输。在本发明的另一个方面，本电路可以包括用于在第一协议和第二协议之间转化数据帧的协议转换电路。第一协议优选地是以太网网络协议，如基于IEEE 802.3建立的协议。第二协议优选地是无线协议，如基于IEEE 802.11建立的协议。

本集成电路可被配置来包括用于在存储器中存储数据帧并根据数据帧的地址获取数据帧的存储器映射。还可进一步提供用于基于优先级选择性地获取数据帧的电路实现方式。存储器映射可用来在第一协议和第二协议之间转化数据帧。这些协议可以分别是以太网网络协议和无线协议。

利用本ASIC，可以优选地使用如同“PCI Express”一样的被存储器映射并被串行化的内核，来代替已有类型的PCI内核，从而在ASIC内提供快速的、廉价的串行接口。这要求ASIC上有更少的管脚，并且类似于有线交换机ASIC上的Reduced MII总线。可以使用较慢的基于MIPS、Power PC或XScale的处理器来运行受管理交换机的操作系统，受管理交换机经由管理总线连接到ASIC。本ASIC有常规以太网交换机ASIC的功能，并且还优选地结合了一个或多个内核以提供：PCI接口；无阻挡交换架构；分组缓冲器；L2/L3ARL表；CoS队列；和内容可寻址存储器(CAM)接口。除了这些内核以外，还可将PCI Express内核加到交换架构上以提供无线电连接。在优选实施例中，可加入一个或多个无线电专用内核以用于：802.11到802.3头部剥离/封装；消息完整性校验(MIC)硬件辅助；无线电客户端关联表；透明桥接等等。

使用存储器映射接口的主要目的是允许在交换机传输分组的同时，802.11 MAC访问存储器映射的缓冲器和交换机的缓冲器描述符。这允许802.11 MAC管理传输的缓冲器，而不需要在本地存储分组。分组将保留在无线交换机中，直到其被AP无线电设备传输并被802.11客户端确认。本AP要求在本地存储大量分组以应对重传、省电、QoS和802.11无线电设备使用的数据流量。在802.11无线电设备和无线交换机之间的高速链路避免了对该额外缓冲阶段的需要。

远程缓冲机制还有这样的优点，即随着客户端漫游，或者改变与其通信的802.11无线电设备，分组只需要被无线交换机重新排队到适当的802.11无线电设备的队列中。这允许更高速的漫游，这是因为这避免了在无线客户端从AP漫游到AP时对分组进行重排(shuffling)的需求。

本交换机ASIC可被配置来对于有线和无线链路支持传统的VLAN、QoS、生成树、多播过滤、分组老化等。这些特征优选地遵循标准802.11协议。可以结合的附加特征包括：对802.11第二层透明桥接的支持；在不同无线电设备之间加载平衡客户端的能力；和用于客户端的省电模式。本设备可被配置来为处于省电模式的客户端将分组保存在省电队列中。这样，根据本发明的网络交换机扩展了其功能，使其超越了严格意义上的交换功能，而是为处于省电模式中的客户端提供了“存储和转发”型设备。本ASIC除了与很多无线电设备一起位于接入点和网桥内部以外，还可以用在这样的配置中，其中由无线MAC/PHY组成的“轻”接入点经由运行10/100以太网的Cat5线缆而连接到中央盒(central box)。ASIC可以保留在中央盒中，从而使以太网数据帧被转换为无线802.11格式。这样，ASIC可在远离AP的位置处对分组进行操作。

图3中示出了本ASIC 50的一般概图，其中提供了1到n个802.3有线端口52，还提供了1到n个802.11无线端口54。每个端口不应被解释为严格限定为是有线或者是无线的，这些端口可以被认为是取决于插入到端口中的设备类型而可以在这两种类型之间互换。本无线交换机ASIC端口52可以操作在多个不同模式中，这里将进行说明。

在“802.3有线端口”实施例中，端口52充当已有类型的交换机ASIC，其中根据IEEE 802.3以太网协议交换分组。本ASIC 50包括可以对分组排队并引导分组从而提供VLAN功能、QoS、CoS和访问控制列表(ACL)的硬件特征。

在“无线感知802.3有线端口”实施例中，端口52以类似于“802.3有线端口”实施例的方式动作。然而，当连接WLAN接入点(AP)时，ASIC 50包括这样的硬件特征，该硬件特征管理附加协议以防止任何不必要的流量被发送到AP，AP通常会将该流量视作非无线流量加以拒绝。AP的以太网MAC操作在“混杂”模式，并且必须处理每一个分组并确定其是否需要被转发到WLAN。利用本ASIC，端口52感知到AP的关联客户端，并且可以防止任何不必要的流量被发送到可能被该流量淹没的AP。这样的一个示例是单播分组泛滥。本无线交换机ASIC 50包括用于每个具体端口52的转发表。通过参考该转发表，无线交换机ASIC 50可以跟踪哪些客户端当前是关联的，哪些是不关联的。随着客户端的移动，可以从具体端口52的转发表中加入/移去MAC地址。当客户端漫游时，可以从适当端口52的转发表中加入/移去MAC地址。

图4和5中示出了“802.11无线端口”实施例，该实施例包括“无线感知802.3有线端口”实施例的特征。端口52接收/发送以802.3封装器(wrapper)封装的无线802.11分组。这些分组是从仅由具有以太网PHY的802.11无线电设备组成的“轻AP”接收/发送的。只需要相对很小量的处理功率来封装/解封装802.11分组。在该实施例中，交换机ASIC和其管理CPU是“无线感知的”，并且维护客户端关联列表、无线ACL、无线CoS、每端口/无线电设备上的多个无线VLAN、省电分组缓冲、消息完整性校验(MIC)、时间密钥完整性协议(TKIP)。CPU/WSA也可以存储和分发用于“轻AP”的任何无线电固件更新。

图6中示出了“802.11无线存储器映射端口”实施例。该实施例包括“802.11无线端口”实施例的特征，但是“轻AP”的功能被存储器映射到交换机ASIC 50。该实施例提供了优于非存储器映射实施例的优点，即“轻AP”能够请求/夺取无线交换机ASIC 50的存储器缓冲器内的某一分组以执行CoS/QoS。

如上所述，本发明解决了与已有类型系统相关联的许多问题。然而，本领域的技术人员应当清楚，可以对上述部分的细节、材料和配置进行各种变化以说明本发明的特征，这些变化在所附权利要求限定的本发明的原理和范围内。

Claims

1.一种专用集成电路，包括：

用于接收数据帧并将其转发到预定端口的交换电路；

用于检查所述数据帧的属性的检查电路；

用于指导所述交换电路基于所述属性转发所述数据帧的判决电路。

2.如权利要求1所述的集成电路，其中所述检查电路被配置来检查无线属性，并且其中所述判决电路被配置来阻挡来自无线端口的非无线数据帧。

3.如权利要求1所述的集成电路，其中所述检查电路被配置来确定一个数据帧是否具有比另一个数据帧更高的优先级，并且其中所述判决电路被配置来确保优先转发具有更高优先级的数据帧。

4.如权利要求3所述的集成电路，还包括用于区分数据帧的优先次序以提供服务质量的队列。

5.如权利要求1所述的集成电路，还包括用于在第一协议和第二协议之间转化所述数据帧的协议转换电路。

6.如权利要求5所述的集成电路，其中所述第一协议是以太网网络协议，所述第二协议是无线协议。

7.如权利要求1所述的集成电路，还包括用于在存储器中存储数据帧并根据数据帧的地址获取数据帧的存储器映射。

8.如权利要求7所述的集成电路，还包括用于基于优先级选择性地获取数据帧的电路。

9.如权利要求7所述的集成电路，还包括用于在第一协议和第二协议之间转化数据帧的电路。

10.如权利要求9所述的集成电路，其中所述第一协议是以太网网络协议，所述第二协议是无线协议。

11.一种网络交换机，包括：

用于连接到多个网络设备的多个端口，所述多个端口用于在至少某些网络设备之间交换数据帧；

微处理器驱动的专用集成电路，包括：

用于接收数据帧并将其转发到预定端口的交换电路；

用于检查所述数据帧的属性的检查电路；

12.如权利要求11所述的网络交换机，其中所述检查电路被配置来检查无线属性，并且其中所述判决电路被配置来阻挡来自无线端口的非无线数据帧。

13.如权利要求11所述的网络交换机，其中所述检查电路被配置来确定一个数据帧是否具有比另一个数据帧更高的优先级，并且其中所述判决电路被配置来确保优先转发具有更高优先级的数据帧。

14.如权利要求13所述的网络交换机，还包括用于区分数据帧的优先次序以提供服务质量的队列。

15.如权利要求11所述的网络交换机，还包括用于在第一协议和第二协议之间转化所述数据帧的协议转换电路。

16.如权利要求15所述的网络交换机，其中所述第一协议是以太网网络协议，所述第二协议是无线协议。

17.如权利要求11所述的网络交换机，还包括用于在存储器中存储数据帧并根据数据帧的地址获取数据帧的存储器映射。

18.如权利要求17所述的网络交换机，还包括用于基于优先级选择性地获取数据帧的电路。

19.如权利要求17所述的网络交换机，还包括用于在第一协议和第二协议之间转化数据帧的电路。

20.如权利要求19所述的网络交换机，其中所述第一协议是以太网网络协议，所述第二协议是无线协议。