CN1739276A - 用于以太网mac地址管理的系统、方法和功能 - Google Patents

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Abstract

一种以太网中用于将原媒体访问控制(MAC)地址映射到唯一的本地管理的虚拟MAC地址的方法和系统。接入节点利用地址映射功能，将每个原MAC地址映射到多个本地管理的虚拟MAC地址之一，以及反之亦然。利用所述地址的第一八位字节的六个最高有效位来定义所述地址的域，以及第一八位字节的次低有效位来指示所述地址是本地管理的MAC地址。利用所述地址的第二和第三个八位字节来指示单元特定用法。所述地址的最后三个八位字节指示组织指配的单元唯一MAC地址。附加的地址映射功能可以将原地址从不同的源映射到同一个以太网，同时保持每个虚拟MAC地址的唯一性。

Description

用于以太网MAC地址管理的系统、方法和功能
发明背景
本发明涉及数字通信系统。具体而非限制性地说，本发明涉及一种用于管理以太网局域网(LAN)中本地管理的媒体访问控制(MAC)地址的系统和方法。
以太网是一种基于分组的传输协议，主要用于LAN中。以太网是IEEE 802.3业界规范的统称。数据以以太网帧传输，图1是典型以太网帧10的图示。为了同步接收节点，每个帧以仅用于同步的64个比特开头，其中包含56个比特的前导部分11和8个比特的起始帧定界符(SFD)12。在该前导部分之后是目的地址13、源地址14和长度/类型标识符15。媒体访问控制(MAC)客户数据16连同分组组装/分拆器(PAD)17可以有不同的长度，范围从46到1500个八位字节。帧校验序列(FCS)18添加了四个以上的八位字节。帧的大小从目的地址计数到FCS(包括FCS)，因此该大小可能在64到1518个八位字节之间变化，不包括可选的虚拟局域网(VLAN)标记，它添加了4个八位字节。
图2显示典型的以太网目的地址和源地址结构，即IEEE802.3(它通过引用结合于本文中)所描述的MAC地址。I/G字段21指示该地址是单独的地址还是组地址。该字段为零(0)表示单独的地址，而一(1)表示组地址(组播)。注意源地址可以在I/G字段中只具有零(0)。U/L字段22指示该地址是通用地址还是本地地址。该字段为零(0)表示全局管理的地址，而一(1)表示本地管理的地址。全1的目的地址表示广播地址。MAC地址结构以实际地址比特23结尾。
图3显示IEEE标准802-1990中所描述的全局管理的单元唯一MAC地址30，IEEE标准802-1990通过引用结合于本文中。为每个全局MAC地址指配组织唯一标识符(OUI)31，以确保唯一性。OUI是3个八位字节的十六进制数，用作6个八位字节MAC地址的前半部分。采用给定OUI的某个组织负责通过为每个产生的单元指配其唯一的3个八位字节的单元唯一MAC地址32来确保该MAC地址的唯一性。
图4显示本地管理的MAC地址40。IEEE标准802.3描述如何通过指配“1”和“0”作为首先传送的八位字节41的两个最低有效位(LSB)来确保对于本地管理的地址的唯一MAC地址。这些比特在图2中还显示为21和22。比特“1”表示该地址是全局管理的地址，而比特“0”表示它是单播地址。但是，IEEE标准802.3未公开任何方法，用于在多个节点以自治方式操作时或当属于不同解决方案的多个节点在同一个以太网网络中利用本地管理的地址工作时确保本地管理的MAC地址的唯一性。本发明对此缺点提出了一种解决方案。
发明概述
因此，本发明的目的在于克服上述问题，并提供一种方法，用于在多个节点以自治方式工作时或当属于不同的解决方案的多个节点在同一个以太网网络中利用本地管理的地址工作时，确保本地管理的MAC地址的唯一性。这样，多个节点可以自治方式工作，同时分配唯一的本地管理的MAC地址。
因此，在一个方面，本发明涉及以太网中的一种方法，用于将原媒体访问控制(MAC)地址映射到唯一的本地管理虚拟MAC地址的方法。该方法包括如下步骤：利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域；利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法；以及利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址。
在另一个方面，本发明涉及以太网中的一种系统，用于将原MAC地址映射到唯一的本地管理虚拟MAC地址。该系统包括至少一个地址映射功能，用于将原MAC地址从输入以太网分组映射到多个指配的本地管理虚拟MAC地址之一。该地址映射功能包括如下装置：利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域的装置；利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址的装置；利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法的装置；以及利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址的装置。
该系统还可包括：存储所述网络中所有节点的单元唯一MAC地址的MAC地址数据库；访问所述MAC地址数据库，并将节点的单元唯一MAC地址与已用于其它节点的单元唯一MAC地址比较的装置；以及所述地址映射功能中用于执行如下操作的装置：在所述节点的单元唯一MAC地址已用于另一个节点时，为所述节点的本地管理的MAC地址定义新的MAC域。
在另一个方面，本发明目涉及一种用于防止以太网中用户欺骗的方法。该方法包括如下步骤：将源MAC地址映射到本地管理的虚拟MAC地址；以及确保所述本地管理的虚拟MAC地址是唯一的。通过如下方式确保每个地址的唯一性：利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域；利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法；以及利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址。本发明可以在适于在以太网中接入节点中工作的地址映射功能中实现。
在另一个方面，本发明涉及一种在以太网中将原MAC地址映射到唯一的本地管理虚拟MAC地址的方法。该方法包括如下步骤：利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域；利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；以及利用所述虚拟MAC地址的第三部分来唯一地标识每个MAC域内的特定用户。此方法可以由64个不同的系统或节点以自治方式使用，条件是它们具有各自的MAC域。或者，每个节点可以查询数据库来确定哪些地址可供使用。
附图简介
下面将参考附图所示的示范实施例来描述本发明，附图中：
图1(现有技术)显示一个典型的以太网帧。
图2(现有技术)显示称之为MAC地址的典型以太网目的地址和源地址结构；
图3(现有技术)显示典型的全局管理的单元唯一MAC地址的布局；
图4(现有技术)显示典型的本地管理的MAC地址的布局；
图5显示根据本发明原理构造的本地管理的单元唯一虚拟MAC地址的布局；
图6是说明在其中各单元以自治方式利用本地分配的MAC地址的网络中，管理本地管理的MAC地址以及映射以太网业务时执行的功能的简化功能框图；
图7是说明原MAC地址域和虚拟MAC地址域的网络体系结构的框图；以及
图8显示根据本发明原理构造的本地管理的虚拟MAC地址的布局。
优选实施例的详细说明
在以下描述中，为了解释而非限制的目的，给出了一些具体细节，如特定的实施例、电路、信号格式等，以便透彻地理解本发明。对本领域技术人员显而易见的是，本发明可以背离这些具体细节的其它实施例实施。
图5显示根据本发明原理构造的本地管理的单元唯一的虚拟MAC地址50。本发明提供一种方法，用于在多个节点以自治方式工作时或属于不同解决方案的多个节点在同一个以太网网络中工作时提供唯一的本地管理的MAC地址。如图5所示，如IEEE 802.3目前规定的那样，可以对第一个八位字节的最后两个比特51指配值“1”和“0”，以指示该地址是本地管理的单播地址，但是，第一个八位字节的前六个比特52是可供利用的，本发明利用它们来定义本地管理的MAC地址的域(随后称为“MAC域”)。这样，可以定义64个不同的域，其中每个域可以与节点的组织指配的单元唯一MAC地址53相组合。因此，本发明利用节点的单元唯一MAC地址和全局管理的单播地址所用OUI的替代、域标识以及指示地址是本地管理的单播地址的指示。这样，本发明允许节点利用余下的16个比特54来指定唯一的本地管理的MAC地址。
利用单元唯一MAC地址作为本地管理的MAC地址本身并不能确保唯一的地址。当多个组织部署在交付设备以用于同一网络中时，或同一个供应商的设备以新的OUI和重复的单元唯一MAC地址交付时，就可能发生单元唯一MAC地址重复的情况。利用本发明的MAC域可以区分这些地址并确保本地管理的MAC地址的唯一性。
当安装和配置网络单元时，最好选择MAC域。当为单元指配MAC域时可以采用多种方法。在一种方法中，为具有不同GUI的节点指配不同的MAC域。在另一种方法中，对于每个新节点，对照已用于其它节点的单元唯一MAC地址来验证该新节点的单元唯一MAC地址。如果该新单元唯一MAC地址已被使用，则指配新的MAC域。但是，如果该新的单元唯一MAC地址尚未被使用，则不指配新的MAC域。这些功能可以在每个接入节点内执行，从而允许每个接入节点独立地指配唯一的虚拟MAC地址，而无需访问中央数据库。或者，也可以实现登记所有单元的已指配虚拟MAC地址的中央数据库，以确保每个本地管理的地址的唯一性。
以自治方式使用本地指配的MAC地址的节点是网络业务的接入点，它必须像任何网络接口一样进行响应。接口需要响应并管理所有指配的MAC地址的映射。映射的网络业务可以始发于诸如端口、用户或会话等的源端。甚至以太网业务可以通过例如接入节点执行再映射，以使原MAC地址与本地管理的虚拟MAC地址进行交换。这样可以防止用户欺骗并允许网络操作员控制以太网业务。所述映射是一对一执行的。
本发明还可在多个测试设备连接到同一个网络时使用。如果为每个测试设备指配了不同的本地管理的唯一虚拟MAC地址，则每个测试设备可以在网络上发送和接收信息，而不会影响其它测试设备。可以利用指配的MAC域52或单元唯一MAC地址字段53结合随机选择的单元特定用法字段54来生成虚拟MAC地址。此外，当测试设备生成大量业务时，每个测试设备(单元)可以基于测试设备自己的单元唯一MAC地址53来指配自己的本地管理的MAC地址。
图6是说明在其中各单元以自治方式利用本地分配的MAC地址的网络中，管理本地管理的MAC地址以及映射以太网业务时执行的功能的简化功能框图。地址映射应用61包括多个地址映射功能62，其将输入的MAC地址63从输入的以太网分组映射到多个指配的本地管理的MAC地址64之一。其中还显示了登记所有单元的MAC地址的单元MAC地址数据库65。网络节点的单元应用66与该数据库接口，以对照已用于其它节点的单元唯一MAC地址来验证本节点的单元唯一MAC地址。应用66具有有关所有其它节点的MAC地址的知识。该知识对于节点可以是内部的，也可以是外部的，并且可以由公共以太网管理器(PEM)79来管理(参见图7)。
在以太网LAN是通过数字用户线路(DSL)接入的系统中，希望具有较高灵活性，以允许最终用户更改其最终用户设备的MAC地址。例如，最终用户希望能够无需运营商干预便可购买新的以太网适配器。为了提供这种灵活性，同时避免任何潜在的MAC寻址欺骗威胁，本发明采用了了本地管理的唯一虚拟MAC地址。
图7是说明源MAC地址域71和虚拟MAC地址域72的简化网络体系结构框图。原MAC地址域中的站点采用非对称DSL(ADSL)技术接入网络。接入节点73将所有原MAC地址映射到适当的虚拟MAC地址。因此，对于上行业务，以太网帧中的源MAC地址字段以插入的虚拟MAC地址代替原MAC地址，而对于下行业务，以太网帧中的目的MAC地址字段以插入的原MAC地址代替虚拟MAC地址，因此，原MAC地址只存在于接入节点的从属终端(用户)侧，而虚拟MAC地址存在于接入节点的汇聚(用户)侧。此功能的优点在于，网络侧所利用的MAC地址仅由网络来控制，而无原MAC地址可以“污染(pollute)”网络。这消除了MAC地址欺骗威胁，因为网络中不可能有完全相同的MAC地址。
该网络体系结构还包括交换器74、路由器/宽带远程接入服务器(BRAS)75和市话交换机76。路由器/BRAS可以将网络连接到外部宽带网络77，如IP网络或异步传输模式(ATM)网络。市话交换机可以将网络连接到外部电话网78，如公众交换电话网(PSTN)或综合业务数字网(ISDN)。公共以太网管理器(PEM)79控制虚拟MAC地址域72，但是它本身不包含在该虚拟MAC地址域内，因为虚拟MAC地址不在管理虚拟LAN(VLAN)中使用。网络还可以包括多个接入节点73，其中每个接入节点将原MAC地址从不同的源映射到同一个以太网，同时保持每个虚拟MAC地址的唯一性。
图8显示图5的本地管理虚拟MAC地址的示范实施例的布局，其中显示单元特定用法字段54的示范实现。本发明已经设计了虚拟MAC地址的布局，以提供唯一地址，并因此避免接入节点73生成两个完全相同的虚拟MAC地址的可能性(图7)。该虚拟MAC地址布局反映了灵活性与可跟踪性之间的折中。如图所示，为第一个八位字节的两个最低有效位81指配值“1”和“0”，以指示该地址是本地管理的单播地址。将次低有效位(LSB)设为“1”表示该地址是本地管理的地址。通过设置该比特，接入节点可以管理以太网MAC地址中48个比特中的46个。但是，必须确保该虚拟MAC地址从未到达公共网络，所述公共网络中其它特殊的本地管理的MAC地址可导致唯一性的丧失。
第一八位字节的六个最高有效位82用于定义虚拟MAC地址域。为了确保特定的接入节点生成唯一的虚拟MAC地址，将接入节点MAC地址(最后三个八位字节86)的一半插入到所述虚拟MAC地址中。接入节点MAC地址的剩余三个八位字节(即组织唯一标识符(OUI)31)保留不用。当安装接入节点时，PEM79应该为具有该MAC地址的最后三个共同八位字节的接入节点设置不同的虚拟MAC域。这样，确保了虚拟MAC地址对近十亿个网络单元保持唯一性。应该注意的是，虚拟MAC域是在多个供应商的设备或系统在利用本地管理的MAC地址的同一个以太网中使用时，为确保虚拟MAC地址的唯一性引入的。
利用上述比特，如果将一个接入节点的虚拟MAC地址与另一个接入节点生成的地址比较，该虚拟MAC地址始终是唯一的。为了在给定接入节点内进一步区分用户，将图5所示的单元特定用法字段54划分成多个字段83-85。为了在给定接入节点内区分每个用户，选择了四个(线路)比特83用于包含每个用户的ADSL线路编号(即1-8、1-10或1-12)。还可以在虚拟MAC地址中区分每条永久虚拟电路(PVC)，选择了四个(PVC)比特84来表示该PVC。为了确保最终用户可以将一个以上的MAC地址用于特定PVC，采用余下的一个八位字节85用作索引。三个地址八位字节86提供接入节点唯一的MAC地址。
应该注意的是，除唯一性之外，虚拟MAC地址中的各字段还提供可跟踪性。即，虚拟MAC地址的任何用户在网络上的位置可以通过MAC域82、线路字段83、PVC字段84、索引字段85和接入节点唯一MAC地址比特86来精确地确定。
其它类型的设备也可以在网络内使用。为了确保其它网络设备的唯一性，可以利用不同的MAC域52(图5)来表示不同类型的设备。或者，单元特定用法字段54可以用于表示设备类型。但是后者将使追溯给定虚拟MAC编号的任务复杂化。此外，索引字段85、PVC字段84和线路字段83(图8)可用于不同的网络目的。例如，如果具有100个端口的接入节点或以太网交换器执行诸如接入节点73(图7)所执行的映射操作，则PVC和线路字段可以组合起来表示256个不同的端口。虚拟MAC地址的单元特定用法字段54的布局可以根据需要改动，因为虚拟MAC地址到源MAC地址(以及反之亦然)的映射仅由接入节点来控制。
本领域技术人员会认识到，本申请中描述的创新概念可以针对各种应用进行修改和变更。因此，本发明专利主题范围不应该限于所讨论的任何具体示范原理，而是由如下的权利要求书限定。

Claims (18)

1.以太网中一种用于将原媒体访问控制(MAC)地址映射到唯一的本地管理的虚拟MAC地址的方法，所述方法包括如下步骤：
利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域；
利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；
利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法；以及
利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述唯一的本地管理的虚拟MAC地址包含六个八位字节，以及：
利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域的所述步骤利用所述虚拟MAC地址的第一八位字节的六个最高有效位来定义所述域；以及
利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址的所述步骤利用所述虚拟MAC地址的第一八位字节的次低有效位来指示所述地址是本地管理的地址。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法的所述步骤包括：利用所述虚拟MAC地址的第二和第三个八位字节指示所述单元特定用法。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：利用所述虚拟MAC地址的第二和第三个八位字节指示所述单元特定用法的所述步骤包括：利用所述虚拟MAC地址的第二和第三个八位字节内的字段来指示每个用户的线路编号、每个用户的永久虚拟电路(PVC)以及每个PVC所用的每个虚拟MAC地址的索引。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：为不同的节点指配不同的组织唯一标识符(OUI)，并且利用所述虚拟地址的第一部分为所述地址定义MAC域的所述步骤包括为每个指配的OUI定义不同的域。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：利用所述节点的本地管理的MAC地址的第一部分定义域的所述步骤包括如下步骤：
将所述单元唯一MAC地址与已用于其它节点的单元唯一MAC比较；以及
如果所述单元唯一MAC地址已经已用于另一个节点，则为所述虚拟MAC地址定义新的MAC域。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：将所述单元唯一MAC地址与已用于其它节点的单元唯一MAC地址比较的步骤包括访问存储所述网络中所有节点的MAC地址的MAC地址数据库。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述原MAC地址由地址映射功能接收，其将原MAC地址从以太网分组映射到多个指配的本地管理虚拟MAC地址之一。
9.以太网中一种用于将原媒体访问控制(MAC)地址映射到唯一的本地管理的虚拟MAC地址的系统，所述系统包括：
至少一个地址映射功能，其将原MAC地址映射到多个指配的本地管理虚拟MAC地址之一；
所述映射功能内利用所述虚拟地址的第一部分为所述虚拟MAC地址定义域的装置；
所述映射功能内利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址的装置；
所述映射功能内利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法的装置；以及
所述映射功能内利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址的装置。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于：所述唯一的本地管理的虚拟MAC地址包含六个八位字节，其中利用来定义所述域的所述虚拟MAC地址的所述第一部分是所述虚拟MAC地址的第一八位字节的六个最高有效位。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于：利用来指示所述地址是本地管理的MAC地址的所述虚拟MAC地址的所述第二部分是所述虚拟MAC地址的第一八位字节的次低有效位。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于：利用来指示单元特定用法的所述虚拟MAC地址的所述第三部分是所述虚拟MAC地址的第二和第三八位字节。
13.如权利要求9所述的系统，其特征在于还包括：
MAC地址数据库，其存储所述网络中所有节点的单元唯一MAC地址；
用于执行如下操作的装置：访问所述MAC地址数据库，并将所述单元唯一MAC地址与已用于其它节点的单元唯一MAC地址比较；以及
所述地址映射功能中的装置：用于在所述单元唯一MAC地址已用于另一个节点时为所述原MAC地址定义新的域。
14.以太网中一种防止用户欺骗的方法，它包括如下步骤：
将原媒体访问控制(MAC)地址映射到本地管理的虚拟MAC地址；以及
通过如下步骤确保所述本地管理的虚拟MAC地址是唯一的：
利用所述虚拟地址的第一部分定义所述地址的域；
利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；
利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法；以及
利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址。
15.适于在以太网中接入节点中工作的地址映射功能，所述地址映射功能包括：
将每个原媒体访问控制(MAC)地址映射到多个指配的本地管理的虚拟MAC地址之一的逻辑；以及
确保每个指配的本地管理的虚拟MAC地址是唯一的的逻辑；所述确保唯一性的逻辑包括：
适于利用所述虚拟MAC地址的第一部分为所述虚拟MAC地址定义域的逻辑；
适于利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址的逻辑：；
适于利用所述虚拟MAC地址的第三部分指示单元特定用法的逻辑；以及
适于利用所述虚拟MAC地址的第四部分指示组织指配的单元唯一MAC地址的逻辑。
16.如权利要求15所述的地址映射功能，其特征在于还包括：适于存储所有指配的本地管理的虚拟MAC地址的数据库功能。
17.如权利要求15所述的地址映射功能，其特征在于还包括：适于与存储所有指配的本地管理的虚拟MAC地址的外部数据库通信的通信功能。
18.以太网中一种用于将原媒体访问控制(MAC)地址映射到唯一的本地管理的虚拟MAC地址的方法，所述方法包括如下步骤：
利用所述虚拟MAC地址的第一部分为所述地址定义MAC域；
利用所述虚拟MAC地址的第二部分指示所述地址是本地管理的地址；以及
以及利用所述虚拟MAC地址的第三部分来唯一地标识每个MAC域内的特定用户。
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