DE69838269T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung, Korrektur und Abweisung von verfälschten Datenpaketen in einem Daten übermittelnden Kabelsystem - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung, Korrektur und Abweisung von verfälschten Datenpaketen in einem Daten übermittelnden Kabelsystem Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft allgemein Datennetzwerke und betrifft insbesondere Datennetzwerke, die Protokolle verwenden, die zu der TCP/IP-Protokoll-Suite gehören, und Datennetzwerke, die asymmetrisch sind, das heißt, Datennetzwerke, in denen es mehr Kapazität zum Transportieren von Daten in einer Richtung als in der Gegenrichtung gibt.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In nicht allzu ferner Vergangenheit konnten Bilder nur mit großen Spezialrechnersystemen verarbeitet und angezeigt werden. Besitzer von preiswerteren und weniger leistungsfähigen Rechnern, wie etwa Personal Computern, mussten sich mit Anzeigen auf Zeichenbasis zufrieden geben. In den letzten Jahren sind jedoch die Speicherkosten so schnell gesunken und die Leistung von Mikroprozessoren ist so stark gestiegen, dass moderne Personal Computer perfekt in der Lage sind, Bilder zu verarbeiten und anzuzeigen. In der Tat hängen moderne grafische Benutzeroberflächen in hohem Maße von dieser Fähigkeit ab.
  • Für Personal-Computer-Nutzer ist es frustrierend, dass die alten Probleme mit Bildern nun wieder auf einem anderen Gebiet auftreten, und zwar beim Network Computing (Rechnen in Netzwerken). Beim Network Computing wird der Personal Computer oder die Workstation mit einem Netzwerk verbunden und er/sie kann mit dem Netzwerk die Daten, die er/sie verarbeitet, von entfernten Orten abrufen. Die neueste Entwicklung beim Network Computing ist das Internet, ein weltweites logisches Netzwerk, das es jedem, der Zugang zum Internet hat, gestattet, Daten, unter anderem Bilder, von so gut wie überall auf der Welt interaktiv abzurufen. Unter Verwendung des Internets können beispielsweise Bilder der letzten Restaurierungsprojekte in Florenz, Italien, von der Homepage dieser Stadt im World Wide Web abgerufen werden.
  • Der Hauptnachteil des interaktiven Abrufens von Daten im Internet ist die lange Zeit, die zum Abrufen und Anzeigen von Bildern benötigt wird. Das Problem ist so ernst, dass viele Leute das Programm, das sie für den Zugang zum Internet verwenden, so einrichten, dass es keine Bilder abruft. Dadurch wird der Nutzer zwar auf Zeichendaten beschränkt, aber die Zeit, die für das Zugreifen auf Informationen benötigt wird, wird stark verkürzt. Der Engpass beim Abrufen von Bildern aus dem Internet ist nicht der Personal Computer, sondern vielmehr die mangelnde Kapazität oder Bandbreite der Netzwerke, über die die Bilder abgerufen werden müssen. Ein Teil des Netzwerks, in dem die Bandbreite besonders beschränkt ist, ist die analoge Telefonleitung, die die meisten PC-Nutzer mit dem Internet verbindet. Seit Jahren ist bekannt, dass die Bandbreite des Telefonnetzes dadurch erhöht werden kann, dass das analoge System durch ein digitales System ersetzt wird, aber alle bekannten Verfahren hierfür erfordern eine umfangreiche Modifikation des Telefonnetzes.
  • Sehr viele Wohnungen haben tatsächlich eine Verbindung mit einer hohen Bandbreite, und zwar die, die durch das Kabelfernsehen (KFS) bereitgestellt wird. Das Problem bei dieser Verbindung ist, dass sie eine Einwegverbindung ist. Ein PC kann Daten über ein KFS-Kabel einer Wohnung empfangen, aber er kann das Kabel nicht zum Senden von Daten nutzen. Auch hier sind Methoden, das KFS-System bidirektional zu machen, seit Jahren bekannt. Beispielsweise hat Anfang der 1980er Jahre Scientific Atlanta, Inc. ein als Breitbanddaten-Modem Typ 6404 bekanntes Produkt für den Einsatz bei bidirektionalen KFS-Systemen eingeführt und auf den Markt gebracht. Scientific Atlanta, Inc. hat auch vor kurzem folgende Dokumente eingereicht, die bidirektionale KFS-Systeme beschreiben: die US-Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 08/627.062, eingereicht am 3. April 1966, und 08/738.6681, eingereicht am 16. Oktober 1996, und eine Teilfortführungsanmeldung mit dem Titel „System and Method for Providing Statistics for Flexible Billing in a Cable Environment" („System und Verfahren zum Erstellen von Statistiken zur flexiblen Abrechnung in einer Kabelfernseh-Umgebung"), Koperda et al., eingereicht am 14. März 1997. Wie bei den Telefonnetzen ist das Problem hier nicht die Technologie, sondern der Umstand, dass ihre Einführung eine umfangreiche Modifikation der meisten vorhandenen KFS-Systeme erfordert.
  • Angesichts der Tatsache, dass viele Wohnungen ein KFS-Kabel und praktisch alle Wohnungen eine analoge Telefonleitung haben, sind Systeme vorgeschlagen worden, in denen das KFS-Kabel zum Senden von Daten vom Internet zum PC verwendet wird und die Telefonleitung zum Rücksenden von Daten vom PC zum Internet verwendet wird. Diese Systeme nutzen den Umstand, dass das bei weitem am häufigsten anzutreffende Schema der Interaktion zwischen Nutzern und Netzwerken darin besteht, dass die Nutzer eine große Datenmenge über das Netzwerk abrufen, beispielsweise ein Bild eines restaurierten Kunstwerks aus Florenz, das Bild genau betrachten und dann einige Anschläge über das Netzwerk senden. Bei dieser Art von Interaktion wird weit weniger Bandbreite in dem Kanal, der zum Rücksenden der Anschläge verwendet wird, als in dem Kanal benötigt, der zum Abrufen des Bilds verwendet wird.
  • Ein Beispiel für ein solches System ist das System, das in Moura et al., „Asymmetric Hybrid Access System and Method" („Asymmetrisches Hybridzugriffssystem und -verfahren"), US-Patent 5.586.121 , erteilt am 17. Dez. 1996, und in Moura et al., „Remote Link Adapter for Use in TV Broadcast Data Transmission System" („Fernverbindungsadapter zur Verwendung in einem Fernsehrundfunk-Datenübertragungssystem"), US-Patent 5.347.304 , erteilt am 13. Sept. 1994, beschrieben ist. Bei diesem System hat die Kopfstelle eines Kabelnetzes einen Zugang mit hoher Bandbreite zum Internet oder zu anderen Netzwerken und hat Zugang über KFS-Kabel und das Telefonnetz zu Haushalten oder Geschäften mit PCs. Daten, die von diesen Netzwerken empfangen werden, werden an PCs gesendet, die mit den Kabeln des Kabelnetzes verbunden sind, und Antworten von den PCs werden über das Telefonnetz erfasst und an das Netzwerk gesendet. In der Wohnung oder dem Geschäft ist der PC entweder direkt oder über ein lokales Netzwerk mit einer Vorrichtung verbunden, die ein Hochfrequenzmodem und ein normales Analogtelefonmodem enthält. Das Hochfrequenzmodem ist mit dem KFS-Kabel verbunden. Es empfängt und decodiert die auf dem KFS-Kabel gesendeten Daten und stellt sie für den PC bereit. Das Telefonmodem ist mit einer normalen Telefonleitung verbunden. Es empfängt Daten von dem PC und sendet sie an die KFS-Kopfstelle, die sie dann an das Internet oder andere Netzwerke weiterleitet.
  • Systeme, wie das in den Moura-Quellen beschriebene System, bieten zwar tatsächlich eine Lösung für das Bandbreiten-Problem, aber sie haben viele Schwächen, insbesondere wenn sie in Zusammenhang mit dem Internet verwendet werden. Zu den Schwächen zählen:
    Das System von Moura vergeudet Internet-Protokoll(IP)-Adressen für Computer, die an dem Modem hängen. IP-Adressen sind knapp. In dem System von Moura werden jedoch den PCs IP-Adressen statisch zugewiesen und sie sind dadurch nicht für die Wiederverwendung verfügbar, wenn ein PC außer Betrieb ist oder nicht an einer Aktivität beteiligt ist, die mit einem Zugriff auf ein Netzwerk verbunden ist.
  • Vom Standpunkt des Internets ist das System von Moura ein Verbindungsebenensystem, das heißt, die Komponenten des Systems von Moura haben selbst keine IP-Adressen und können nicht selbst IP-Protokolle abarbeiten. Insbesondere erfolgt innerhalb des Systems von Moura kein IP-Routing. Eine Schwierigkeit, die durch diese Situation entsteht, ist, dass das IP-Routing in dem IP-Router zentralisiert ist, der die Kopfstelle mit dem Internet verbindet, und eine weitere Schwierigkeit ist, dass das Modem in dem System von Moura nicht als IP-Router arbeiten kann.
  • Bei Moura wird die Telefonverbindung mit dem Modem einzig und allein zum Übertragen von Daten von dem PC und Modem zu der Kopfstelle verwendet. Alle Daten, die mit dem PC und dem Modem empfangen werden, werden über das KFS-Kabel gesendet. Daher bleibt bei einer Störung des KFS-Systems der PC ohne eine Verbindung, mit der er Daten empfangen kann. Diese Situation wird durch den Umstand, dass KFS-Systeme viel öfter ausfallen als das Telefonnetz, noch weniger wünschenswert.
  • Der KFS-Kanal, auf den das Modem von Moura reagiert, wird einem gegebenen Modem statisch zugewiesen, wodurch der Kanal für die Verwendung durch andere Modems nichtverfügbar wird, wenn der mit dem gegebenen Modem verbundene PC außer Betrieb ist oder nicht an einer Aktivität beteiligt ist, die mit dem Zugriff auf ein Netzwerk verbunden ist.
  • Ziel des hier beschriebenen Systems ist es, die vorhergehenden und weitere Mängel von Systemen wie dem von Moura zu beheben.
  • Das Dokument WO 95/27348 A beschreibt eine Teilnehmereinrichtung, die es einem Personal Computer eines Nutzers gestattet, Abwärtsrichtungsinformationen über einen Kabelfernsehkanal zu empfangen, und dabei eine Übertragung in Aufwärtsrichtung über einen gesonderten Kommunikationskanal, wie etwa über das öffentliche Telefonnetz, zulässt. Ein Router ist zwischen einen ersten Übertragungsabschnitt, der eine Gruppe von zusammenwirkenden Kanälen hat, auf denen Pakete gleichzeitig übertragen werden können, einen zweiten Übertragungsabschnitt und einen dritten Übertragungsabschnitt mit mindestens einem Host geschaltet, wobei der Router einen Empfänger für den ersten Übertragungsabschnitt, der so eingestellt werden kann, dass er einen Kanal aus der Gruppe von zusammenwirkenden Kanälen empfängt und Daten liest, die darauf empfangen werden, und ein Steuergerät aufweist, das auf eine in dem zweiten Übertragungsabschnitt empfangene Nachricht reagiert.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Das Problem des Vergeudens von Kanälen in dem KFS-System durch statisches Zuweisen der Kanäle an Modems wird durch Verwenden eines zwischen das KFS-Kabel, die Telefonleitung und einen Host geschalteten Kabel-Routers gelöst, der seinen Tuner auf einen ausgewählten Kanal der Kanäle einstellen kann. Wenn der Kabel-Router aktiv wird, empfängt er eine Nachricht über die Telefonleitung, die einen Kanal in dem KFS-Kabel und eine logische Netzwerk-Adresse festlegt. Der Kabel-Router weist dem Host die IP-Adresse zu und stellt den Tuner auf den ausgewählten Kanal ein. Darauf empfangene Pakete, die die IP-Adresse haben, werden an den Host geroutet, dem sie zugewiesen wurde.
  • Weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung dürften Fachleuten auf den Fachgebieten, zu denen die Erfindung gehört, beim Durchlesen der nachstehenden Detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen klar werden. Hierbei sind:
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Überblick über die physischen Komponenten des hier beschriebenen Kabeldatennetzwerks;
  • 2 zeigt die logischen Netzwerke, zu denen die in dem Kabeldatennetzwerk verwendeten IP-Adressen gehören;
  • 3 zeigt ein IP-Datagramm und einen Ethernet-Frame, wie sie in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet werden;
  • 4 zeigt die Kanäle, Superframes und Superpakete, die zum Übertragen von Daten auf der HF-Verbindung in der bevorzugten Ausführungsform verwendet werden;
  • 5 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des in dem Kabeldatennetzwerk verwendeten HF-Modems;
  • 6 ist ein Diagramm der IP-Adressen und Teilnetzwerkmasken, die in dem Kabeldatennetzwerk verwendet werden;
  • 7 ist ein Diagramm, das zeigt, wie das HF-Modem IP-Adressen und ein <channel,pipe,LinkID>-Triple empfängt, wenn das HF-Modem aktiv wird;
  • 8 ist ein Diagramm, das zeigt, wie an Hosts adressierte IP-Pakete über das Telefonnetz umgeleitet werden, wenn das HF-Modem einen Fehler in der HF-Verbindung erkennt;
  • 9 ist eine Darstellung von Routing-Tabellen für einen Router 101, einen Modem-Pool 135, ein HF-Modem 106 und einen Kommunikationsverwalter 102;
  • 10 ist ein Diagramm des ARP-Cache für den Kommunikationsverwalter 102;
  • 11 ist eine Darstellung einer Routing-Tabelle und eines ARP-Cache für einen Host 108; und
  • 12 ist ein Diagramm, das zeigt, wie IP-Adressen und <channel,pipe,LinkID>-Triples dynamisch zugewiesen werden.
  • Die Bezugssymbole in den Zeichnungen haben mindestens drei Ziffern. Die beiden rechten Ziffern sind Bezugssymbole innerhalb einer Figur, und die Ziffern links neben diesen Ziffern sind die Nummer der Figur, in der der mit dem Bezugssymbol bezeichnete Gegenstand erstmals vorkommt. Beispielsweise kommt ein Gegenstand mit dem Bezugssymbol 203 erstmals in 2 vor.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die nachstehende Detaillierte Beschreibung beginnt mit einem Überblick über Internetprotokollpakete (Datagramme) und die IP-Adressierungsarchitektur, die in dem Kabeldatennetzwerk der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, und beschreibt dann die physischen Komponenten des Kabeldatennetzwerks der bevorzugten Ausführungsform. Anschließend wird die Erörterung zeigen, wie IP-Adressen auf diese Komponenten abgebildet werden, wie IP-Adressen den Komponenten zugewiesen werden und wie das Routing von IP-Paketen in Reaktion auf eine Störung der HF-Verbindung dynamisch geändert werden kann.
  • Internetprotokollpakete (Datagramme): 3
  • 3 zeigt die Teile eines Internetprotokoll(IP)-Pakets oder -Datagramms 301, die zum Verständnis der folgenden Erörterung erforderlich sind. Ein IP-Paket 301 hat zwei Hauptteile: einen Header 303, der Steuerinformationen zu dem Paket enthält, und Daten 305, die die Daten sind, die in dem Paket transportiert werden. Der Header 303 hat ein festes Format und eine feste Länge, während die Daten 305 eine wechselnde Länge haben können. Alles, was man zu dem Inhalt des Headers 303 für die vorliegende Erörterung wissen muss, ist, dass er zwei 32-Bit-Internetprotokoll(IP)-Adressen enthält, von denen eine, DEST IPA 307, ein Ziel im Internet angibt, an das das IP-Paket 301 gesendet werden soll, und die andere, SRC IPA 309, die Quelle des Pakets 301 im Internet angibt. Quellen und Ziele von Internetpaketen 301 werden hier als Internet-Hosts bezeichnet. Ein Internet-Host ist eine Entität in einem Netzwerk, die eine IP-Adresse hat und die auf mindestens einige der Protokolle in der TCP/IP-Protokoll-Suite reagieren kann. Einzelheiten zur IP-Adressierung und den Protokollen in der TCP/IP-Protokoll-Suite siehe W. Richard Stevens, „TCP/IP Illustrated: The Protocols" („Erläuterungen zu TCP/IP – die Protokolle"), Addison-Wesley, 1994, deren Inhalt hiermit im Rahmen dieser Anmeldung vollumfänglich als geoffenbart gilt.
  • Das Internet ist ein logisches Netzwerk, kein physisches Netzwerk. Internetpakete 301 werden über viele verschiedene physische Netzwerke transportiert. Ein Internetpaket 301 befindet sich zwar in einem bestimmten physischen Netzwerk, aber es wird in der gleichen Weise transportiert, wie das physische Netzwerk jede Art von Daten transportiert. Beispielsweise ist eine häufig anzutreffende Art eines physischen Netzwerks ein LAN, das das 10-Base-T-Protokoll verwendet. Ein Beispiel für ein solches LAN ist ein LAN, das das von der Xerox Corporation entwickelte Ethernet®-Protokoll verwendet. Bei dem Ethernet-Protokoll bewegen sich Daten in Paketen, die als Frames bezeichnet werden. Jedes Frame hat eine Präambel (PR) 313, eine Ziel-Ethernetadresse (DA) 315, eine Quellen-Ethernetadresse (SA) 317, ein Ethertypfeld (ET) 319, das einen Typ des Protokolls angibt, ein Datenfeld 321, das die Daten enthält, und eine Prüfsumme 323, die ein Fehlerprüfcode ist. Wenn ein Ethernet-Frame 311 ein IP-Datagramm 301 enthält, belegt das IP-Datagramm 301 einfach das Datenfeld 301. Es sollte hier erwähnt werden, dass das Ethernet-Protokoll nicht den Inhalt des Datenfelds 321 prüft. Es kann natürlich viele Protokoll-Ebenen zwischen einem IP-Datagramm 301 und dem physischen Medium geben, auf denen das IP-Datagramm transportiert wird. Im Folgenden ist nur die nächste Ebene unterhalb der IP-Ebene von Interesse, und diese Ebene wird allgemein als Verbindungsebene bezeichnet, wobei die Adressen auf dieser Ebene als Verbindungsadressen bezeichnet werden. Wenn die Verbindungsebene das Ethernet-Protokoll verwendet, sind die Verbindungsadressen somit DA 315 und SA 317.
  • IP-Adressierungs- und -Routing-Architektur
  • Die IP-Adressierungs- und -Routing-Architektur des Kabeldatennetzwerks legt fest, wie die IP-Adressen, die zum Übertragen von Internetprotokollpaketen (Datagrammen) im Internet verwendet werden, auf den Netzwerken, die die Verbindungsebene des Kabeldatennetzwerks bilden, abgebildet werden sollen. Die Architektur hat eine Reihe von Grundsätzen:
    • • Jedes Kabeldatennetzwerk legt seine eigene IP-Adressdomain fest, d. h., das Netzwerk legt fest, wie IP-Adressen in einem Satz von IP-Adressen, die dem Kabeldatennetzwerk zugewiesen worden ist, einzelnen Vorrichtungen in dem Kabeldatennetzwerk zugewiesen werden.
    • • Alle Vorrichtungen in dem Kabeldatennetzwerk, die das Routing durchführen oder Datenbanken unterhalten, die beim Festlegen von Routen verwendet werden, sind IP-Hosts.
    • • In der Adressdomain werden Sätze von IP-Adressen Hosts zugewiesen, die durch ein LAN mit einem HF-Modem verbunden sind, das wiederum mit einem KFS-Kabel verbunden ist, das Teil eines Netzwerks in der Adressdomain ist. Das HF-Modem arbeitet als Router für Pakete, die an die mit dem LAN verbundenen Hosts adressiert sind.
    • • Das IP-Routing in den Netzwerken, die aus Teilen des Kabelnetzwerks bestehen, ist hierarchisch. Ein an einen Host adressiertes IP-Paket wird zunächst an das entsprechende Kabelnetzwerk geroutet, dann von dem HF-Modem des Hosts erfasst und schließlich von dem HF-Modem an den Host geroutet.
    • • Das HF-Modem kann IP-Pakete, die an seinen Host adressiert sind, von zwei unabhängigen Verbindungsebenen-Netzwerken empfangen: einem HF-Verbindungsebenen-Netzwerk (beispielsweise einem KFS-Netzwerk) und einem öffentlichen Telefonnetz. Das HF-Modem kann außerdem abgehende IP-Pakete über das öffentliche Telefonnetz übertragen.
  • Aus diesen Grundsätzen ergeben sich mehrere Vorteile:
    Da alle Vorrichtungen, die das Routing durchführen oder Routing-Datenbanken unterhalten, Internet-Hosts sind, können die IP-Adressenzuweisung, das Umleiten von Paketen und die Netzwerkverwaltung unter Verwendung der normalen DHCP-, RIP- und SNMP-TCP/IP-Protokolle erfolgen. Einzelheiten siehe die Stevens-Quelle (s. o.).
  • Da das HF-Modem Pakete, die an seine Hosts adressiert sind, nicht nur über die HF-Verbindungsebene, sondern auch über das Telefonnetz empfangen kann, wenn die HF-Verbindung ausfällt, können Pakete für die Hosts einfach über das Telefonnetz an das HF-Modem umgeleitet werden. Außerdem kann das Umleiten mittels des RIP-TCP/IP-Protokolls erfolgen.
  • Pakete, die über das Telefonnetz an das HF-Modem gesendet werden, können zum Einstellen des HF-Modems auf einen bestimmten Kanal in der HF-Verbindung verwendet werden, wodurch es möglich wird, einen Kanal in der HF-Verbindung dynamisch einem HF-Modem zuzuweisen. Dadurch wird die Verbindungsebenenadresse in der HF-Verbindung dem HF-Modem dynamisch zugewiesen.
  • Da das Kabeldatennetzwerk seine eigenen IP-Adressen zuweisen kann, kann ein gemischtes statisch-dynamisches Verfahren zum Zuweisen von Adressen durchgeführt werden, und zwar mit Komponenten, die ständig aktiv sind und statisch zugewiesene IP-Adressen haben, und mit nicht ständig aktiven Komponenten, wie etwa den HF-Modems und den an ihnen hängenden Hosts, die dynamisch zugewiesene IP-Adressen haben, die am Beginn der Aktivität von der Komponente zugewiesen werden und deren Zuweisung am Ende der Aktivität aufgehoben wird.
  • Die dynamische Zuweisung von IP-Adressen an HF-Modems und deren Hosts ermöglicht es, eine kleine Anzahl von IP-Adressen unter einer viel größeren Gruppe von Nutzern aufzuteilen. Außerdem kann die dynamische Zuweisung von IP-Adressen mittels des DHCP-TCP/IP-Protokolls erfolgen.
  • Die dynamische Zuweisung von IP-Adressen an HF-Modems ermöglicht es auch, eine kleine Anzahl von Adressen in der HF-Verbindung unter einer viel größeren Gruppe von HF-Modems aufzuteilen.
  • Die Netzwerkverwaltung kann mittels des SNIP-TCP/IP-Protokolls erfolgen.
  • Die Anzahl von IP-Adressen, die in dem Netzwerk benötigt werden, wird dadurch weiter verringert, dass den HF-Modems eine wiederverwendbare IP-Adresse zur Verwendung innerhalb des LAN gegeben wird, an dem die Hosts eines bestimmten HF-Modems hängen.
  • Physische Komponenten des Kabeldatennetzwerks: 1
  • 1 zeigt die physischen Komponenten eines Kabeldatennetzwerks 100 in einer bevorzugten Ausführungsform. Das Kabeldatennetzwerk (CDN) 100 überträgt Datenpakete mit IP-Adressen zwischen dem Internet 150 und Hosts 108, die in einer bevorzugten Ausführungsform PCs oder Workstations sind. Das Kabeldatennetzwerk 100 überträgt auch Pakete mit IP-Adressen unter den Komponenten des Kabeldatennetzwerks 100 und verwendet das Internet 150 zum Austauschen von Datenpaketen mit IP-Adressen zwischen dem Kabeldatennetzwerk 100 und entfernt angeordneten Steuer- und Verwaltungskomponenten 111. Diese Komponenten befassen sich normalerweise mit Funktionen wie Empfangen von Informationen über neue Teilnehmer oder Abrechnung.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kabeldatennetzwerk 100 in einem Kabelfernsehsystem (KFS-System) implementiert. Pakete aus dem Internet 150, die die IP-Adresse eines Hosts 108(i) enthalten, werden in einer KFS-Kopfstelle 122 empfangen, werden in die geeignete Form zum Übertragen über ein zu dem KFS-System gehörendes Kabel 132 gebracht und werden dann über das Kabel 132 an ein HF-Modem 106(j) gesendet, an dem der Ziel-Host 108(i) hängt. Das HF-Modem 106(j) liest die IP-Adresse des Hosts 108(i) aus dem Paket und routet das Paket an den Host 108(i). Pakete von dem Host 108(i), die für ein Ziel im Internet 150 bestimmt sind, gehen an das HF-Modem 106(j), das sie über eine Telefonleitung 131 und ein öffentliches Telefonnetz (PSTN) 109 an ein Telefonmodem (Tmodem) 110(k) in einem Telefonmodem-Pool 135 in der Kopfstelle 122 routet. Das Telefonmodem 110(k) routet das Paket an den Router 101, der es an das Internet 150 routet. Da das öffentliche Telefonnetz 109 eine bidirektionale Kommunikation gestattet, kann der Router 101 auch Pakete, die aus dem Internet 150 für den Host 108(i) empfangen werden, über das Telefonmodem 110(k) und das HF-Modem 106(j) an den Host 108(i) routen. Wie nachstehend näher erläutert wird, wird diese Route für den Fall einer Störung in dem KFS-Teil des Netzwerks 100 verwendet.
  • Fahren wir nun mit den Einzelheiten der Implementierung des Kabeldatennetzwerks 100 fort. Datenpakete werden mittels eines Übertragungsmediums, das zu einem Weitverkehrsnetz(WAN)-Backbone 124 gehört, zwischen dem Internet 150 und der KFS-Kopfstelle 122 übertragen. Normalerweise ist das Übertragungsmedium ein schnelles Hochleistungs-Glasfaserkabel, wie etwa ein T1- oder T3-Kabel, aber es könnte auch eine terrestrische oder Satelliten-Mikrowellenverbindung sein. Das Übertragungsmedium ist mit dem Router 101 verbunden, der in einer bevorzugten Ausführungsform ein Router sein kann, der zu der Baureihe 7000, hergestellt von Cisco Systems, Inc., San Jose, Kalifornien, gehört.
  • Der Router 101 ist zwischen das WAN-Backbone 124 und ein lokales Netzwerk (LAN) 120 geschaltet, das ein Verbindungsebenen-Netzwerk ist, das die Komponenten des Kabeldatennetzwerks 100 verbindet, die sich in der KFS-Kopfstelle 122 befinden. Der Router 101 kann Pakete von dem Backbone 124 oder dem LAN 120 empfangen. Jede Komponente, die mit dem LAN 120 verbunden ist, hat eine IP-Adresse und eine LAN-Adresse in dem LAN 120, und der Router 101 enthält eine Routing-Tabelle, die er zum Routen von IP-Paketen an die IP-Hosts verwendet, zu denen andere Router gehören. Der Router 101 prüft jedes Paket, das er in dem WAN-Backbone 124 oder dem LAN 120 empfängt; wenn die Ziel-IP-Adresse des Pakets eine der Adressen in der Routing-Tabelle ist, routet der Router 101 sie an die Komponente in dem LAN 120, die die IP-Pakete mit der Adresse empfangen soll; wenn sie nicht eine der Adressen in der Routing-Tabelle ist, routet der Router 101 sie an das WAN-Backbone 124, das sie zum Internet 150 bringt. In jedem Fall bringt der Router 101 das Datenpaket in eine geeignete Form, in der es über das entsprechende Verbindungsebenen-Netzwerk gesendet werden soll.
  • Wie aus der vorstehenden Erörterung hervorgehen dürfte, können das LAN 120 und der Router 101 zum Routen von IP-Paketen, die vom Internet 150 empfangen werden und für einen Host 108 bestimmt sind, über zwei Routen verwendet werden. Die erste Route ist über einen Kommunikationsverwalter 102 und eine Kabelanlage 105, das Kabel 132 und das HF-Modem 106. Die zweite Route ist über den Telefonmodem-Pool 135 und das HF-Modem 106 zu dem Host 108. Pakete von dem Host 108 und dem HF-Modem 106 gehen über den Telefonmodem-Pool 135 und das LAN 120 zu dem Router 101. Bei anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, Pakete, die an das HF-Modem 106 adressiert sind, über die erste Route zu routen. Der Router 101 kann schließlich Pakete über das Internet 150 zwischen den Komponenten in der Kopfstelle 122, den Hosts 108, den HF-Modems 106 und der entfernt angeordneten Steuer- und Verwaltungskomponente 111 routen.
  • Wenn Pakete über das Kabel 132 an einen Host 108 gehen sollen, werden sie an den Kommunikationsverwalter 102 geroutet, der die Pakete in die geeignete Form für den Transport mit dem Verbindungsebenen-Netzwerk bringt. 4 zeigt, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform Daten auf dem Kabel 132 transportiert werden. Das Kabel 132 ist ein HF-Medium 401, das Daten auf einer feststehenden Anzahl von Kanälen 403 überträgt. Jeder Kanal 403 belegt einen Teil des Bereichs von Frequenzen, die mit dem Kabel 132 übertragen werden. In einem Kanal 403(i) bewegen sich Daten in Superframes 405. Jeder Superframe enthält einen Superframe-Header (SFHDR) 414 und eine feste Anzahl von Superpaketen 407 fester Größe. Der einzige Teil des Superframe-Headers, der für die vorliegende Erörterung wichtig ist, ist ein Strom-Identifikator (STRID) 415, der ein eindeutiger Identifikator für den Strom von Daten ist, die auf dem Kanal 403 übertragen werden. Die Kombination aus einer Kanalfrequenz und dem Strom-Identifikator 415 identifiziert eindeutig das Netzwerk, zu dem das Kabel 132 in dem KFS-System gehört. Wie später näher erläutert wird, wird diese eindeutige Identifikation des Netzwerks, zu dem das Kabel 132 gehört, von dem Kommunikationsverwalter 102 verwendet, um festzulegen, welches Netzwerk die IP-Pakete empfangen sollte, die für die mit einem gegebenen HF-Modem 106 verbundenen Hosts 108 bestimmt sind.
  • Jedes Superpaket 407 enthält einen Header 409 und Daten 411. Der Header enthält einen Verbindungsidentifikator (LinkID) 413 in dem Kabelnetz 132 für ein HF-Modem 106. Die Anzahl von Superpaketen 407 ist die Anzahl von Pipes in dem Kanal 403(i). Wenn ein gegebenes HF-Modem 106(i) aktiv ist, wird es mit einem <channel,pipe,LinkID>-Triple verknüpft, das heißt, das HF-Modem 106(i) wird auf den in dem Triple angegebenen Kanal 403(j) eingestellt und überwacht die Superpakete, die zu der in dem Triple angegebenen Pipe gehören. Wenn das HF-Modem beispielsweise mit der Pipe 3 verknüpft wird, überwacht es das Superpaket 407(3) in dem Superframe 405, und wenn der Header 409 des Superpakets 407(3) den Verbindungsidentifikator 413 des HF-Modems 106(i) enthält, liest das HF-Modem 106(i) die Daten 411 aus dem Superpaket 407(3). Das <channel,pipe,LinkID>-Triple ist somit die Verbindungsadresse des HF-Modems 106(i) auf dem Kabel 132. Die Daten 411 sind natürlich ein ganzes IP-Paket 301 oder ein Teil davon. Wenn die IP-Adresse des Pakets 301 einen mit dem HF-Modem 106(i) verbundenen Host 108 festlegt, routet das HF-Modem 106(i) es an den Host 108.
  • Kommen wir nun wieder zu dem Kommunikationsverwalter 102 zurück. Diese Komponente empfängt IP-Pakete 301, die an die Hosts 108 adressiert sind, die mit Netzwerken verbunden sind, deren Verbindungsschichten die mit der Kabelanlage 105 verbundenen Kabel 132 sind, und routet sie an die entsprechenden HF-Modems 106 für die Hosts. Das geschieht dadurch, dass sie die IP-Adresse eines aktiven Hosts 108 in Beziehung zu einem der Netzwerke setzt und in dem Netzwerk in Beziehung zu einem <channel,pipe,LinkID>-Triple setzt, das das HF-Modem 106 angibt, mit dem der Host 108 verbunden ist. Ein aktiver Host, wie in dem vorliegenden Zusammenhang verwendet, ist ein Host, der aktuell eine ihm zugewiesene IP-Adresse hat. Unter Verwendung der Informationen in der Routing-Tabelle erzeugt der Kommunikationsverwalter 102 Superframes 405 für jeden Kanal 403(i) in dem Netzwerk, das das Kabel 132 enthält. Die Superframes enthalten Superpakete 407, die an die HF-Modems 106 gerichtet sind, die mit dem Kanal verbunden sind, für den der Kommunikationsverwalter 102 die IP-Pakete 301 empfangen hat. Die Superframes werden in einem Doppelportspeicher gespeichert, der auf QPR-Modulatoren 103 zugreifen kann.
  • Es gibt für jeden Kanal 403 in einem gegebenen Netzwerk einen QPR-Modulator 103, und der QPR-Modulator liest die Superframes für seinen Kanal, moduliert das HF-Signal digital für den Kanal entsprechend dem Inhalt der Superframes und gibt das modulierte Signal an einen Kombinator 104 aus, der die Ausgangssignale von allen QPR-Modulatoren kombiniert und das kombinierte Ausgangssignal für die Kabelanlage 105 bereitstellt, die es an die zu dem Kabelnetz gehörenden Kabel 132 ausgibt. Die QPR-Modulatoren verwenden die Quadrature-Partial-Response-Modulation. Natürlich könnte jede Art von digitaler Hochfrequenz-Modulation verwendet werden. Man beachte auch, dass jede Anordnung verwendet werden könnte, die ein gegebenes HF-Modem 106 in Beziehung zu einem Teil der Bandbreite des Netzwerks, zu dem das Kabel 132 gehört, anstatt zu dem <channel,pipe,LinkID>-Triple setzt, das in der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, und dass der Teil der Bandbreite, der Pakete überträgt, die an die mit einem gegebenen HF-Modem 106 verbundenen Hosts 108 adressiert sind, im weiteren Sinn als „Kanal" des HF-Modems bezeichnet werden kann.
  • Verfolgt man das Kabel 132 zu dem HF-Modem 106, so ist das HF-Modem 106 zwischen das Kabel 132, ein LAN 133, mit dem ein oder mehrere Hosts 108 verbunden sind, und die Telefonleitung 131 geschaltet und es stellt Schnittstellen für das Kabel 132, das LAN 133 und die Telefonleitung 131 dar. 5 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des HF-Modems 106. Die Komponenten des HF-Modems 106 arbeiten unter Steuerung einer CPU 505 und lesen Daten aus einem Speicher 507 und schreiben Daten in den Speicher 507. Der Speicher 507 hat drei Arten von Speicherkomponenten: einen statischen RAM 509, der nichtflüchtig ist, das heißt, er ist beschreibbar, aber hält seinen Inhalt, wenn das HF-Modem 106 ausgeschaltet wird; einen dynamischen RAM 511, der flüchtig ist; und einen Flash-RAM 513, der nichtflüchtig ist und beschreibbar ist, aber nur eine feste Anzahl von Schreibvorgängen zulässt. Der SRAM 509 dient zum Speichern von Daten, die sich ändern, aber über Aktivierungen des HF-Modems 106 hinweg erhalten bleiben müssen. Beispiele für diese Daten sind die Telefonnummer des HF-Modems und die Adressen des HF-Modems 106 und der Hosts 108 in dem LAN 133. Der DRAM 511 wird für Daten verwendet, die nur während einer Aktivierung gültig sind, wie etwa die aktuelle Routing-Tabelle. Der Flash-RAM 513 wird für Informationen verwendet, die sich nur selten ändern, wie etwa die Programme, die von der CPU 505 abgearbeitet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform kann das HF-Modem 106 Programme, die es in IP-Paketen über die Telefonleitung 131 empfängt, in den Flash-RAM 513 laden.
  • Kommen wir nun zu den Schnittstellen und beginnen mit der Schnittstelle zu dem Kabel 132. Diese Schnittstelle hat zwei Hauptkomponenten: einen Tuner 501 und einen Decodierer 503. Der Tuner 501 kann unter Steuerung der CPU 505 auf einen Kanal 403(i) in dem Kabel 132 eingestellt werden. Der Tuner 501 demoduliert die Superframes 405, die er auf diesem Kanal empfängt, und leitet sie an den Decodierer 503 weiter. Der Decodierer 503 prüft das Superpaket 407(i) für die Pipe, die Daten überträgt, die an das HF-Modem 106 adressiert sind, und wenn der Verbindungsidentifikator 413 in dem Superpaket 407(i) das HF-Modem 106 angibt, führt der Decodierer 503 eine Fehlerkorrektur durch, decodiert die Daten und sendet sie an den Speicher 507. Wenn ein IP-Paket in dem Speicher 507 gespeichert worden ist, prüft die CPU 505 die Ziel-IP-Adresse in dem Paket und verwendet eine Routing-Tabelle in dem Speicher 507, um zu ermitteln, ob das Paket an einen mit dem HF-Modem 106 verbundenen Host 108 adressiert ist. Wenn das Paket so adressiert ist, erhält die CPU 505 die LAN-Adresse, die der IP-Adresse entspricht. Die CPU 505 stellt die LAN-Adresse und die Position des Pakets in dem Speicher 507 für eine integrierte Ethernet-Schaltung 515 bereit, die das Paket in einen oder mehrere Ethernet-Frames packt und es an das LAN 133 ausgibt.
  • Das HF-Modem kann IP-Pakete, die entweder an das HF-Modem 106 selbst oder an einen der mit dem HF-Modem 106 verbundenen Hosts 108 adressiert sind, auch über die Telefonleitung 131 und einen Modemchip 517 empfangen. Im ersten Fall reagiert das HF-Modem 106 auf das Paket, und im zweiten Fall routet es das Paket an den Host, wie es gerade für Pakete von dem Kabel 132 beschrieben worden ist. Wenn das HF-Modem 106 ein Paket, das nicht an das HF-Modem 106 selbst adressiert ist, über das LAN 133 empfängt, routet es das Paket über den Modemchip 517 und die Telefonleitung 131. In dem Host 108 ist eine Software 107 enthalten, die für die Interaktion mit dem HF-Modem 106 erforderlich ist.
  • Fahren wir nun mit dem Teil der Verbindungsebene fort, der unter Verwendung des öffentlichen Telefonnetzes implementiert wird. Der Modemchip 517 in dem HF-Modem 106 ist mittels einer normalen analogen Telefonleitung 131 mit dem öffentlichen Telefonnetz (Public Switched Telephone Network, PSTN) 109 verbunden, und dadurch kann das HF-Modem 106 andere Telefonnummern über das öffentliche Telefonnetz 109 anrufen und kann von anderen Telefonnummern in dem öffentlichen Telefonnetz 109 angerufen werden. Wenn in dem vorliegenden Fall das HF-Modem 106 eine Sitzung aufbauen will, die es ihm gestattet, IP-Pakete 301 für einen Host 108 zu übertragen, ruft es eine Telefonnummer für den Telefonmodem-Pool 135 an. Der Modem-Pool reagiert so, dass er dem HF-Modem 106 ein Telefonmodem (Tmodem) 110 zuweist und dem HF-Modem 106 eine IP-Adresse zuweist. Wie in 1 gezeigt, ist der Telefonmodem-Pool 135 auch mit dem LAN 120 in der Kopfstelle 122 verbunden. Der Telefonmodem-Pool 135 dient als Router für das LAN 120 und die Telefonverbindungen, die aktuell von den Telefonmodems 110 in dem Modem-Pool verwendet werden. Wenn dem HF-Modem 106 ein Telefonmodem 110 und eine IP-Adresse zugewiesen worden sind, kann das HF-Modem 106 IP-Pakete 301 an die mit dem LAN 120 verbundenen Vorrichtungen senden und IP-Pakete 301 von diesen Vorrichtungen empfangen.
  • Wie nachstehend näher erläutert wird, wird der Umstand, dass das öffentliche Telefonnetz 109 eine bidirektionale Verbindung zwischen den mit dem LAN 120 verbundenen Vorrichtungen und dem HF-Modem 106 herstellt, verwendet, um zu ermitteln, wo sich das HF-Modem 106 in dem von der Kopfstelle 122 verwalteten Kabelnetz befindet, um dem HF-Modem 106 ein <channel,pipe,LinkID>-Triple in dem Kabel 132 zuzuweisen und um eine alternative Route zu den mit dem HF-Modem 106 verbundenen Hosts 108 bereitzustellen, wenn es eine Störung in der HF-Verbindung zwischen der Kopfstelle 122 und dem HF-Modem 106 gibt.
  • Die restliche Vorrichtung, die mit dem LAN 120 verbunden ist, ist ein Steuerungs-/Verwaltungsserver 125, der bei einer bevorzugten Ausführungsform in einer Software implementiert ist, die auf einem Server läuft, der von SUN Microsystems, Inc., Mountain View, Kalifornien, gebaut wird. Der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 verwaltet das Kabeldatennetzwerk 100. Er reagiert auf DHCP-Pakete, indem er den Hosts 108 IP-Adressen dynamisch zuweist und SNMP-Pakete an den Router 101 und den Kommunikationsverwalter 102 sendet, die sie veranlassen, ihre Routing-Tabellen festzulegen, die für die neu zugewiesene IP-Adresse benötigt werden; er reagiert auf SNMP-Trag-Pakete von den mit dem LAN 120 verbundenen Vorrichtungen und von den HF-Modems 106; er reagiert auf RIP-Pakete, die zum Aktualisieren von Routings benötigt werden; und er unterhält die Verwaltungsinformationen-Datenbank, die von dem SNMP-Protokoll verwendet wird, sowie eine Liste von nichtzugewiesenen IP-Adressen. Eine grafische Benutzeroberfläche in dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 zeigt den aktuellen Status des Kabeldatennetzwerks 100 und gestattet dem Operator einen Eingriff in den Betrieb des Kabeldatennetzwerks 100.
  • IP-Adressierungsarchitektur des Kabeldatennetzwerks 100: 6 und 2
  • Das Kabeldatennetzwerk 100 unterhält seine eigene IP-Adressdomain. Die Besitzer des Kabeldatennetzwerks 100 empfangen einen Satz von 32-Bit-IP-Adressen und können diese Adressen für Vorrichtungen verwenden, die mit dem Kabeldatennetzwerk 100 verbunden sind, wenn sie dazupassen. 6 zeigt eine 32-Bit-IP-Adresse 601. Die 32 Bit sind in zwei Felder eingeteilt: ein Typ-Feld 603, das den Typ der IP-Adresse 601 definiert, und ein Host-ID-Feld 613, das einen speziellen Host 108 identifiziert. Die Host-Identifikatoren sind in Gruppen von Identifikatoren für die Netzwerke in der Adressdomain organisiert. Das geschieht mit einem Verfahren, das als Classless Interdomain Routing (CIDR) bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren ist die gesamte Adresse ein Host-ID 613, der einen einzelnen Host identifiziert; einige der höchstwertigen Bits der Host-IP-Adresse sind zum Festlegen eines bestimmten Netzwerks vorgesehen, das zu der Domain gehört; diese Bits sind für alle IP-Adressen in dem bestimmten Netzwerk gleich und bilden einen Netzwerk-ID 605.
  • Pakete mit IP-Adressen, die mit dem CIDR-Verfahren zugewiesen worden sind, werden mittels Teilnetzwerk-Masken geroutet. Eine Teilnetzwerk-Maske 608 ist ein 32-Bit-String aus Bits, die zum Maskieren einer IP-Adresse, das heißt, zum Auswählen des Teils der IP-Adresse verwendet werden, der aktuell für den Routing-Prozess relevant ist. Wenn die IP-Adresse beispielsweise an das Netzwerk geroutet wird, zu dem sie gehört, ist der einzige Teil der Adresse, der relevant ist, der Teil, der den Netzwerk-ID 605 enthält. Wie in 6 gezeigt, wählt in diesem Fall ein unmaskierter Teil 610 die Bits des Netzwerk-ID 605 aus, und ein maskierter Teil 611 blendet die übrigen Bits der IP-Adresse aus. Wenn das Paket in dem Netzwerk ist, das mit dem Netzwerk-ID 605 identifiziert wird, ist die gesamte IP-Adresse relevant und kein Teil davon wird maskiert.
  • Unter Verwendung dieses Verfahrens können die Besitzer einer Domain von IP-Adressen die Anzahl von Hosts in einem Netzwerk problemlos festlegen. In dem Kabeldatennetzwerk 100 legen die Bits der IP-Adresse 601, die von der Teilnetzwerk-Maske angegeben werden, die das Netzwerk-ID-Feld 605 identifiziert, einen Teil eines städtischen Kabelnetzes fest (beispielsweise ein einzelnes Kabel 132, eine einzelne Kabelanlage 105 und die von ihr abgehenden Kabel, oder auch eine einzelne Kopfstelle 122 und die von ihr verwendeten Kabel 132). Das Host-ID-Feld 613 identifiziert einen der Hosts 108 in dem Netzwerk, das von dem Netzwerk-ID-Feld 605 identifiziert wird. Wie man aufgrund des Umstands erwarten könnte, dass das Kabeldatennetzwerk 100 eine relativ kleine Anzahl von KFS-Kabeln, eine relativ große Anzahl von HF-Modems 106 und eine relativ kleine Anzahl von Hosts 108 für jedes HF-Modem 106 hat, ist die Anzahl von Bits in dem Netzwerk-ID-Feld 605 vergleichsweise gering.
  • Unter Verwendung der Teilnetzwerk-Masken 608 wird ein Vergleich der Adressen für Routing-Zwecke durchgeführt. Die Größe, mit der eine IP-Adresse, die gerade geroutet wird, mit Adressen in der Routing-Tabelle verglichen wird, ist die unmaskierte Länge der Adresse in der Routing-Tabelle. Auf diese Weise wird die Adresse, die gerade geroutet wird, zunächst mit Adressen verglichen, die völlig unmaskiert sind. Einzelheiten siehe Stevens, ebenda, S. 7–9 und 140–141.
  • 2 zeigt die in dem Kabeldatennetzwerk vorhandenen IP-Netzwerke und zeigt, wie sie mit den Verbindungsebenen-Netzwerken zusammenhängen. Jede adressierbare Komponente des Kabeldatennetzwerks erscheint in 2 mit den IP-Adressen und Verbindungsebenenadressen, die für sie gelten. Wie bei allen IP-Netzwerken muss jeder Host seine eigene IP-Adresse haben und muss außerdem die Adresse eines Gateway in dem Netzwerk haben, an die er IP-Pakete zum Routen senden kann. Es braucht nur eine Gruppe von IP-Netzwerken, und zwar die Netzwerke B 208(0...n), zu einer Kabeldatennetzwerk-IP-Adressdomain 202 zu gehören, das heißt, das Kabeldatennetzwerk weist die Adressen in diesen Netzwerken aus der für das Kabeldatennetzwerk vorgesehenen Gruppe zu. Bei der bevorzugten Ausführungsform gehören auch die Netzwerke A und D zu der Adressdomain 202. Die IP-Adressen in dem Netzwerk A haben alle den Netzwerk-ID 605 des Netzwerks A, und die IP-Adressen in dem Netzwerk B 208(i) haben alle den Netzwerk-ID 605 des Netzwerks B 208(i). Das dritte IP-Netzwerk ist das Netzwerk D 212. Der Router für dieses Netzwerk ist der Modem-Pool 135. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die IP-Adressen in dem Netzwerk D 212 außerhalb des Kabeldatennetzwerks 100 nicht sichtbar. Bei anderen Ausführungsformen können die IP-Adressen in dem Netzwerk D 212 vollständig zu einer anderen Domain gehören, beispielsweise zu einer Domain, die der Telefongesellschaft gehört, die den Modem-Pool bereitstellt.
  • Fahren wird nun mit einem IP-Netzwerk A 206 fort. Dieses Netzwerk hat das LAN 120 als sein Verbindungsebenen-Netzwerk. Das LAN 120 verbindet Komponenten des Kabeldatennetzwerks 100, die stets in Gebrauch sind, und somit können die IP-Adressen in dem Netzwerk A 206 statisch zugewiesen werden. Router mit IP-Adressen in dem Netz A sind der Router 101, der Kommunikationsverwalter 102 und der Modem-Pool 135.
  • Das IP-Netzwerk B 208(i) kann eines von mehreren solcher Netzwerke sein, die jeweils ihren eigenen statisch zugewiesenen Netzwerk-ID 605 haben. Das Netzwerk B 208(i) hat als seine Verbindungsschicht ein oder mehrere Kabel 132, an die die HF-Modems 106 angeschlossen sind. Der Router für das Netzwerk B 208(i) ist der Kommunikationsverwalter 102. Jedes aktive HF-Modem 106(j) in dem Netzwerk B 208(i) hat einen Satz 210(j) von IP-Adressen mit dem Netzwerk-ID 605 des Netzwerks B 208(i), die zum Zuweisen an die mit dem HF-Modem 106(j) verbundenen Hosts 108 zur Verfügung stehen. Ein aktives HF-Modem 106 ist ein HF-Modem, das einen aktiven Host 108 hat, der mit ihm verbunden ist. Jede IP-Adresse mit dem Netzwerk-ID für das Netzwerk kann zu einem gegebenen Satz 210(j) gehören. Das Verbindungsebenen-Netzwerk für jeden IP-Adressensatz 210(j) ist das LAN 133, das die Hosts 108 mit dem HF-Modem 106(j) verbindet. Das HF-Modem 106(j) dient als Router für diesen Adressensatz. Die IP-Adressen der Hosts 108 in dem Netz B 208(i) werden von dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 dynamisch zugewiesen. Wenn das HF-Modem 106(j) aktiv wird, weist der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 dem Modem 106(j) einen IP-Adressensatz für die mit dem HF-Modem 106(j) verbundenen Hosts 108 zu. Die IP-Adressen haben den Netzwerk-ID 605 für das Netzwerk B 208(i) und so viele Host-IDs 613, wie für die Hosts 108 erforderlich sind. Wie nachstehend näher erläutert wird, hat jeder mit einem HF-Modem 106(j) verbundene Host 108 eine IP-Adresse für das HF-Modem 106(j). Das Kabeldatennetzwerk 100 konserviert IP-Adressen dadurch, dass es dem HF-Modems 106(j) identische IP-Adressen in den LANs 133 gibt, die die HF-Modems 106 mit ihren Hosts 108 verbinden.
  • Wie bereits dargelegt, verwendet das Netzwerk D 212 in einer bevorzugten Ausführungsform verborgene IP-Adressen, die zu der Domain des Kabeldatennetzwerks 100 gehören, aber die IP-Adressen können auch von einer anderen Partei, wie etwa einer Telefongesellschaft, bereitgestellt werden. Die Verbindungsschicht in diesem Netzwerk ist das öffentliche Telefonnetz 109. Wenn sich das HF-Modem 106(j) in den Modem-Pool 135 einwählt, weist der Modem-Pool 135 dem HF-Modem 106(j) eine IP-Adresse dynamisch zu. Der Modem-Pool 135 arbeitet auch als Router in dem Netzwerk D 212. Der Modem-Pool 135 routet ankommende IP-Pakete mit der IP-Adresse des HF-Modems 106(j) über das Netzwerk D 212 an das HF-Modem 106(j). Wenn die HF-Verbindung nicht betriebsbereit ist, routet der Modem-Pool 135 ankommende Pakete mit den IP-Adressen der an dem HF-Modem 106(j) hängenden Hosts 108 auch an das HF-Modem 106(j), das sie an die Hosts weiterroutet. Der Modem-Pool 135 routet alle abgehenden Pakete, die von dem HF-Modem 106(j) empfangen werden, zusätzlich über das LAN 120 an den Router 101.
  • Der Router 101 routet IP-Pakete, die für das Netzwerk B bestimmt sind, normalerweise an den Kommunikationsverwalter 102, und routet die Pakete, die für das Netzwerk D bestimmt sind, an den Modem-Pool 135. Wenn es eine Störung in dem Netzwerk B gibt, kann der Router 101 auch Pakete, die für einen mit dem HF-Modem 106(j) verbundenen Host 108 bestimmt sind, über das Netzwerk D an das HF-Modem 106(j) routen.
  • 2 zeigt auch die IP- und Verbindungsschichtadressen, mit denen die Komponenten des Kabeldatennetzwerks 100 erreicht werden können. Beginnend mit den Komponenten in dem Netzwerk A hat der Router 101 eine eigene IP-Adresse 203(b) in dem Netz A 206 und hat außerdem eine Adresse 205(a) in dem LAN 120 und eine Adresse 207 in dem WAN 124. Der Kommunikationsverwalter 102 hat eine eigene IP-Adresse 203(c) in dem Netz A 206 und eine Adresse 205(d) in dem LAN 120. Der Router 101 routet auch alle Pakete an den Kommunikationsverwalter 102, die über die Netzwerke B 208 übertragen werden sollen, die in einem oder mehreren Netzwerk-ID-Feldern 605 in den IP-Adressen festgelegt sind. Fahren wir nun mit dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 fort. Diese Komponente hat eine IP-Adresse 203(e) in dem Netz A 206 und eine LAN-Adresse 205(b). Der Modem-Pool 135 hat eine IP- Adresse 214(b) in dem Netz D 212, eine LAN-Adresse 205(c) und eine Telefonnummer 208(a) in dem öffentlichen Telefonnetz 109.
  • Fahren wir nun mit dem Netzwerk B 208(i) fort. Ein gegebener Host 108(k) hat eine dynamisch zugewiesene IP-Adresse 216. In der Adresse legt der Host-ID 613 den Host 108(k) fest, und der Netzwerk-ID 605 legt das Netzwerk B 208(i) fest. Jeder Host hat außerdem eine LAN-Adresse 211(a) in dem LAN 133. Die komplizierteste Adressensituation ist die des HF-Modems 106(j). Das HF-Modem 106(j) hat eine IP-Adresse 214(a) in dem Netzwerk D 212 und hat eine wiederverwendbare IP-Adresse 216. Auf der Verbindungsadressenebene wird das HF-Modem 106(j) an dem Kabel 132 mit einem <channel,pipe,LinkID>-Triple adressiert, und es hat eine Telefonnummer 208(b) und eine LAN-Adresse 211(b) in dem LAN 133.
  • Routing und Routing-Tabellen: 9–11
  • Jeder Host in einem Internet-Netzwerk hat eine Routing-Tabelle. Die Routing-Tabelle setzt Ziel-IP-Adressen von IP-Paketen, die in dem Host empfangen werden, in Beziehung zu Gateway-IP-Adressen von Hosts in demselben Verbindungsebenen-Netzwerk wie der Host, zu dem die Routing-Tabelle gehört. Wenn der Host ein Router ist, setzt seine Routing-Tabelle IP-Adressen, die in dem Router empfangen werden, in Beziehung zu IP-Adressen von Hosts in den Verbindungsebenen-Netzwerken, die durch den Router verbunden sind. So kann ein Host ein IP-Paket an einen Host in einem anderen Verbindungsebenen-Netzwerk dadurch senden, dass er das Paket an den Router in dem Verbindungsebenen-Netzwerk des Hosts sendet, der Pakete an das andere Verbindungsebenen-Netzwerk sendet. Jeder Host in einem Internet-Netzwerk kann auch das ARP-Protokoll abarbeiten, das eine IP-Adresse in eine Verbindungsebenenadresse des Verbindungsebenen-Netzwerks übersetzt, mit dem der Host verbunden ist.
  • Tatsächlich ist das Routing eines IP-Pakets, das von einem Host empfangen wird, somit ein Zweischrittprozess. Zunächst referenziert der Host die Routing-Tabelle, um die Gateway-IP-Adresse zu ermitteln, die der Ziel-IP-Adresse des IP-Pakets entspricht und die festlegt, an welchen Host in dem Verbindungsebenen-Netzwerk das IP-Paket gesendet werden soll; und dann arbeitet der Host das ARP-Protokoll ab, um die Verbindungsebenenadresse des von der Gateway-IP-Adresse festgelegten Hosts zu ermitteln. Wenn der Host die Verbindungsebenenadresse hat, bringt er das IP-Paket in die von dem Verbindungsebenen-Netzwerk geforderte Form und sendet es an die Verbindungsebenenadresse. Um beim Abarbeiten des ARP-Protokolls Zeit zu sparen, hat jeder Host außerdem einen ARP-Cache, der eine Tabelle der aktuellen Mappings zwischen IP-Adressen von Hosts in dem Verbindungsebenen-Netzwerk und den Verbindungsebenenadressen dieser Hosts ist. Einzelheiten zu Routing-Tabellen siehe Stevens, ebenda, S. 111–117; Einzelheiten zu dem ARP-Protokoll siehe Stevens, ebenda, S. 53–64.
  • 11 zeigt eine Routing-Tabelle 1101 für einen Host 108(k), für den Fall, dass der Host 108(k) mit dem Kabeldatennetzwerk 100 verbunden ist. Der Host 108(k) hat nur drei Ziele, an die er IP-Pakete routen kann: an sich selbst; an einen anderen Host 108(i), der mit dem LAN 133 verbunden ist; oder an das HF-Modem 106(j), das natürlich ein Host in dem LAN 133 ist, aber auch der Router für alle IP-Pakete ist, die Ziele außerhalb des LAN 133 haben. Es gibt somit n + 2 Einträge 1103 in der Routing-Tabelle 1101, wobei n die Anzahl von Hosts 108 ist, die an dem LAN 133 hängen. Jeder Eintrag hat drei Teile: eine Ziel-IP-Adresse; eine Gateway-IP-Adresse, die eine IP-Adresse eines Hosts in dem LAN 133 sein muss; und Routing-Informationen, die unter anderem angeben, ob der von der Gateway-IP-Adresse festgelegte Host ein Router ist, und die den Namen des Verbindungsschicht-Netzwerks angeben, in dem das Paket geroutet werden soll.
  • Ein Eintrag 1103(i) ist für die sogenannte Rückschleif-Schnittstelle. Sie hat eine spezielle IP-Adresse, die Clients und Server an demselben Host verwenden können, um IP-Pakete aneinander zu senden. Pakete, die an diese IP-Adresse gesendet werden, werden vollständig in dem Client 108 verarbeitet und erscheinen niemals in dem LAN 133. Wie aus 11 zu erkennen ist, wird die gleiche Rückschleif-IP-Adresse 1103 für die Ziel-IPA und die Gateway-IPA verwendet. Die mit 1104 bezeichneten Einträge sind für die anderen Hosts 108 in dem Satz 210(j). Jeder von ihnen hat die volle IP-Adresse des gegebenen Hosts sowohl als seine Ziel-IP-Adresse als auch als seine Gateway-IP-Adresse. Das bedeutet, dass wenn ein Paket eine IP-Adresse hat, die mit der Ziel-IPA in dem Eintrag 1103(j) übereinstimmt, sein Endziel ein Host 108(l) ist und der nächste Schritt beim Routing ist, dass der Host 108(k) das ARP-Protokoll zum Ermitteln der LAN-Adresse verwendet, die der Gateway-IP-Adresse des Pakets entspricht, und dann das IP-Paket an die LAN-Adresse sendet.
  • IP-Pakete, deren Zieladressen nicht in dem Satz 210(j) sind, werden von einem Eintrag 1103(k) behandelt, der der Standard-Eintrag für IP-Adressen ist, die nicht unter Verwendung anderer Einträge 1103 geroutet werden können. Die Standard-IPA 1115 ist daher die Ziel-IPA. Die Gateway-IPA ist die wiederverwendbare IPA für das HF-Modem 106(j). Wie später näher erläutert wird, gehört diese wiederverwendbare IPA 1117 nicht zu dem Satz von IP-Adressen 210(j), die den mit dem LAN 133 verbundenen Hosts 108 dynamisch zugewiesen werden, wenn das HF-Modem 106(j) aktiv wird. Wenn der Host 108(k) ein Paket empfängt, das mit dem Standard-Eintrag 1103(k) übereinstimmt, verwendet der Host 108(k) das ARP-Protokoll zum Auffinden der LAN-Adresse, die der wiederverwendbaren IPA 1117, das heißt, der LAN-Adresse des HF-Modems 106(j), entspricht, und sendet das IP-Paket an das HF-Modem 106(j). Da sowohl die Hosts 108 als auch das HF-Modem 106(j) mit dem LAN 133 verbunden sind, legen die Routing-Informationen in den Einträgen 1104 und 1103(k) das LAN 133 fest.
  • 11 zeigt auch einen ARP-Cache 1119 für den Host 108(k). Der Cache 1119 hat einen Cache-Eintrag 1120 für jeden mit dem LAN 133 verbundenen Host 108, der aktuell eine ihm zugewiesene IP-Adresse hat, die bei 1122 gezeigt ist, und einen Cache-Eintrag 1120(j) für das HF-Modem 106(j). Bei den Einträgen 1122 hat jeder Eintrag die IP-Adresse 1121 für den Host 108, zu dem der Eintrag gehört, und die LAN-Adresse 1123 für den Host 108, und der Eintrag 1120(j) hat eine wiederverwendbare IP-Adresse 1117 für das HF-Modem 106(j) und eine LAN-Adresse 1125 des HF-Modems 106(j).
  • 9 zeigt die Routing-Tabellen für den Router 101, den Modem-Pool 135 und das HF-Modem 106. Beginnen wir mit einer Routing-Tabelle 901 für den Router 101. Für die vorliegende Erörterung sind zwei Routings in der Routing-Tabelle 901 von Interesse. Das von einem Eintrag 903(i) angegebene Routing ist für eine IP-Adresse, die einen Host 108 für den Fall festlegt, dass die HF-Verbindung funktioniert, die die Kopfstelle 122 mit dem HF-Modem 106 des Hosts 108 verbindet. In dem Eintrag 903(i) ist die Ziel-IP-Adresse maskiert, sodass nur der Netzwerk-ID 605 zum Routen verwendet wird. Da das der Fall ist, passt der Eintrag 903(i) zu jeder Ziel-IP-Adresse 307 mit diesem Netzwerk-ID 605, das heißt, zu den Netz-Adressen für alle Hosts, die mit dem HF-Netzwerk verbunden sind, zu dem das Kabel 132 gehört. Die Gateway-IP-Adresse ist die IP-Adresse 203(c) für den Kommunikationsverwalter 102. Wenn es keinen Eintrag 903 gibt, dessen Maske länger als die ist, die bei dem Eintrag 903(i) verwendet wird, wird das Paket also an den Kommunikationsverwalter 102 geroutet.
  • Wie nachstehend näher erläutert wird, gibt es nur einen Eintrag für den Netzwerk-ID 605 für das Netzwerk, an dem das HF-Modem 106 hängt, solange die von dem Kabel 132 bereitgestellte HF-Verbindung zu dem HF-Modem 106 funktioniert, und somit werden alle Pakete, die an Hosts 108 gerichtet sind, die an dem Modem 106 hängen, über den Kommunikationsverwalter 102 und das Kabel 132 geroutet. Wenn die gesamte HF-Verbindung oder ein Teil davon ausfällt, wird in der Routing-Tabelle 901 für jeden Host 108, der an einem HF-Modem 106 hängt, dessen HF-Verbindung ausgefallen ist, ein Eintrag wie der für 903(j) gemacht. In diesem Eintrag wird die unmaskierte IP-Adresse des Hosts als Ziel-IP-Adresse verwendet, und die Gateway-IP-Adresse ist die IP-Adresse 214(b), die die Adresse des Modem-Pools 135 ist. Solange der Eintrag 903(j) in der Routing-Tabelle 901 vorhanden ist, werden Pakete, die an den Host 108 adressiert sind, der in der Ziel-IP-Adresse festgelegt ist, mittels des Modem-Pools 135 und des öffentlichen Telefonnetzes 109 anstatt mittels des Kabels 132 übertragen.
  • Fahren wir mit einer Routing-Tabelle 921 für den Modem-Pool 135 fort. Diese Routing-Tabelle hat die gleiche Grundstruktur wie die Routing-Tabelle 901. Auch hier gibt es wieder zwei Einträge, die in der vorliegenden Situation von Interesse sind. Wenn ein gegebenes HF-Modem 106(i) IP-Pakete, die an seine Hosts 108 adressiert sind, mittels des Kabels 132 empfängt, kann es immer noch IP-Pakete empfangen, die an die IP-Adresse 214(a) des HF- Modems 106(i) adressiert sind, und somit gibt es einen Eintrag 922(j) für diese IP-Adresse, solange das HF-Modem 106(i) aktiv ist. Bei diesem Eintrag haben das Ziel-IP-Feld 930 und das Gateway-IP-Feld 932 beide die IP-Adresse 214(a).
  • Wenn die HF-Verbindung des HF-Modems 106(i) über das Kabel 132 ausgefallen ist, gibt es einen weiteren Eintrag 922(i) für jeden der Hosts 108, die an dem HF-Modem 106(i) hängen. Das Ziel-IP-Feld 929 dieses Eintrags enthält die IP-Adresse für den Host 108, und das Gateway-IP-Adressen-Feld 931 hat die IP-Adresse 214(a) für das HF-Modem 106(i). Wenn die HF-Verbindung außer Betrieb ist, werden also Pakete für Hosts 108, die von dem Router 101 an den Modem-Pool 135 geroutet werden, von dem Modem-Pool 135 weiter an das HF-Modem 106(i) weitergeroutet.
  • Fahren wir nun mit einer Routing-Tabelle 933 für das HF-Modem 106 fort. Diese Routing-Tabelle hat einen Eintrag 935 für jeden Host 108, der an dem LAN 133 hängt, und zwei weitere Einträge, die in dem vorliegenden Zusammenhang von Interesse sind. Jeder der Einträge 936 für die Hosts 108 enthält die IP-Adresse des Hosts sowohl als seine Ziel-IP-Adresse als auch als seine Gateway-IP-Adresse. Die Ziel-IP-Adresse des Eintrags 935(j) ist die IP-Adresse 214(a), die dem HF-Modem 106(j) von dem Modem-Pool 135 zugewiesen worden ist, als das HF-Modem 106(j) aktiv wurde, und die Gateway-IP-Adresse ist auch hier wieder die wiederverwendbare IP-Adresse 1117 des HF-Modems 106(j). Dieser Eintrag routet Nachrichten für das HF-Modem 106(j), die über das öffentliche Telefonnetz 109 empfangen werden, an das HF-Modem 106(j) selbst. Der letzte Eintrag, 935(k), ist der Standard-Eintrag, und die Gateway-IP-Adresse ist die IP-Adresse 214(b) für den Modem-Pool 135, und somit werden alle übrigen Pakete, die von dem HF-Modem 106(j) empfangen werden, über das öffentliche Telefonnetz 109 an den Modem-Pool 135 und von dort an den Router 101 geroutet.
  • Die Routing-Tabelle für den Kommunikationsverwalter 102 ist bei 949 gezeigt. Auch hier gibt es wieder drei Eintrage 951, die von Interesse sind. Ein Eintrag 951(i) routet alle IP-Pakete, die für die von dem Kommunikationsverwalter 102 verwalteten Netzwerke bestimmt sind, und in dem Ziel-IPA-Teil dieses Eintrags ist alles außer dem Netzwerk-ID-Teil der Adresse maskiert. Ein Eintrag 951(j) routet Pakete, die für den Kommunikationsverwalter 102 selbst bestimmt sind, und die Ziel-IPA und die Gateway-IPA sind die IPA 203(c) für den Kommunikationsverwalter 102. Schließlich hat ein Standard-Eintrag 951(k) als seine Gateway-IPA die IP-Adresse 203(b) des Routers 101, und dadurch werden alle anderen IP-Pakete über das LAN 120 zurück an den Router 101 geroutet.
  • Schließlich zeigt 10 die Implementierung eines ARP-Cache 1001 in dem Kommunikationsverwalter 102. Das Verfahren, das zum Implementieren der Tabelle verwendet wird, ist Hashing, das ein normales Verfahren zum Verkürzen der Suchzeit in großen Tabellen ist. In einer ARP-Cache-Tabelle 1001 werden die IP-Adressen 1003 für ankommende Pakete, die an einen Host 108 adressiert sind, gehasht, das heißt, sie werden in eine Funktion 1005 eingegeben, die kleine ganzzahlige Werte 1009 aus den IP-Adressen erzeugt. Die kleine Ganzzahl wird als Index in ein Hash-Array 1011 verwendet, dessen Elemente Zeiger 1013 auf Listen mit IP-Adressen sind, die den Index des Elements 1013 hashen. Jeder Listeneintrag 1015 hat drei Felder: ein Feld 1017 enthält eine Ziel-IP-Adresse; ein Feld 1019 ist ein Zeiger auf den nächsten Listeneintrag 1015 in der Liste; und ein CCB-Zeiger 1021 ist ein Zeiger auf eine als CCB-Block 1023 bezeichnete Datenstruktur, die die Frequenz, die Pipe-Nummer und den Verbindungsidentifikator festlegt, an den Pakete mit der IP-Adresse 1017 gesendet werden können. Die Felder des CCB-Blocks 1023 sind eine IP-Adresse 1025, die die gleiche IP-Adresse wie die IPA 1017 ist; eine Modulator-Nummer 1029, die die Frequenz effektiv festlegt; eine Pipe-Nummer 1031, die die Pipe angibt; ein Pipe-Verbindungsidentifikator 1033, der das HF-Modem 106 angibt; und ein nächster Zeiger 1035, der den nächsten CCB-Block 1023 angibt. Die Übersetzung einer IP-Adresse in das entsprechende <channel,pipe number,LinkID>-Triple geschieht durch Hashen der IP-Adresse, um den Index des Listenzeigers 1013 zu erhalten; Verfolgen des Listenzeigers 1013 auf die Liste; Durchsuchen der Listeneinträge 1015, bis einer gefunden wird, der die IP-Adresse hat, die gerade als seine IP-Adresse 1017 übersetzt wird; und Gehen zu dem CCB-Block 1023 dieses Listeneintrags 1015, um die Informationen zu finden, die zum Erzeugen des Triples benötigt werden. Es sollte hier erwähnt werden, dass es die Struktur des ARP-Cache 1001 ist, die es bei einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht, jede IP-Adresse in dem Netzwerk des Kabels 132 zu verwenden, an dem ein HF-Modem 106(j) für einen Host 108 hängt, der an dem HF-Modem 106(j) hängt.
  • Dynamische Zuweisung von Ressourcen: 12
  • Ein Problem bei der Gestaltung von Netzwerken, die IP-Adressen verwenden, besteht darin, dass die IP-Adressen nur 32 Bit lang sind. Die Höchstanzahl von Adressen ist somit 232, und das enorme Wachstum des Internets hat zu einem Mangel an IP-Adressen geführt. Eines der Verfahren, das das Kabeldatennetzwerk 100 zum Verringern der Anzahl von in dem Kabeldatennetzwerk 100 benötigten IP-Adressen verwendet, ist die dynamische Zuweisung von IP-Adressen an Hosts 108 in dem Netzwerk B 208(i) und von <channel,pipe,LinkID>-Triples, die zum Festlegen von Zielen von Daten in dem Kabel 132 für die HF-Modems 106(j) verwendet werden. Mit dynamischer Zuweisung ist hier gemeint, dass die IP-Adressen in einem gegebenen Satz von Adressen C 210(j) und das von dem HF-Modem 106(j) abgehörte <channel,pipe,LinkID>-Triple dem HF-Modem 106(j) für den Zeitraum zugewiesen werden, in dem das HF-Modem 106(j) aktiv ist. Wenn das HF-Modem 106(j) nicht aktiv ist, sind die IP-Adressen für die Zuweisung an andere Hosts 108 verfügbar, und das <channel,pipe,LinkID>-Triple ist für die Zuweisung an ein anderes HF-Modem 106(k) verfügbar. Da nur ein kleiner Anteil von Hosts 108 zu einer bestimmten Zeit aktiv ist, kann durch die dynamische Zuweisung eine relativ kleine Anzahl von IP-Adressen und <channel,pipe,LinkID>-Triples unter einer viel größeren Anzahl von Nutzern aufgeteilt werden. Es sollte hier außerdem erwähnt werden, dass die Bindung zwischen einem <channel,pipe,LinkID>-Triple und dem Satz von IP-Adressen 210(j) ebenfalls dynamisch ist, d. h., welche IP-Adressen einem bestimmten <channel,pipe,LinkID>-Triple entsprechen, wird erst entschieden, wenn die IP-Adressen und das <channel,pipe,LinkID>-Triple zugewiesen werden.
  • 12 zeigt das System, das für die dynamische Zuweisung von IP-Adressen und <channel,pipe,LinkID>-Triples bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet wird. Die dynamische Zuweisung wird kooperativ von dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 und dem Kommunikationsverwalter 102 durchgeführt. Beide sind Hosts in dem IP-Netzwerk A 206 und haben TCP/IP-SNMP-Agenten 1203 und 1233 (SNMP: Simple Network Management Protocol), und der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 und der Kommunikationsverwalter 102 können mittels SNMP-Nachrichten kooperieren. Einzelheiten zu SNMP siehe Stevens, ebenda, S. 359–387.
  • Der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 hat weiterhin einen DHCP-Server 1201 und einen IPA-Verwalter 1204, der auf dem Server läuft. Der DHCP-Server 1201 reagiert auf IP-Pakete, die zu dem TCP/IP-DHCP-Protokoll (DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol) gehören. Wie nachstehend näher erläutert wird, wird dieses Protokoll verwendet, um einem IP-Host eine IP-Adresse dynamisch zuzuweisen. Einzelheiten zu dem DHCP-Protokoll sind zu finden in R. Droms, „Dynamic Host Configuration Protocol", RFC 1541, erhältlich im März 1997 an der URL www.cis.ohio-state.edu/htbin/rfc/rfc1541.html. Die IP-Adressen selbst werden von dem IPA-Verwalter 1204 verwaltet. Der Kommunikationsverwalter 102 lässt auf ihm auch einen Kanalverwalter 1231 laufen, der die <channel,pipe,LinkID>-Triples verwaltet, die den HF-Modems 106 zugewiesen werden.
  • Die Zuweisung von IP-Adressen an mit einem HF-Modem 106 verbundene Hosts 108 und eines <channel,pipe,LinkID>-Triple an das HF-Modem 106 beginnt, wenn der DHCP-Server 1201 eine DHCPDISCOVER-Nachricht von einem aktiv gewordenen HF-Modem 106(j) empfängt. Die DHCPDISCOVER-Nachricht fordert die Zuweisung einer Anzahl von IP-Adressen für die Hosts 108 an, die an dem HF-Modem 106(j) hängen. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält die DHCPDISCOVER-Nachricht 1213 die IP-Adresse 1215 des HF-Modems 106(j) (die ihm von dem Modem-Pool 135 zugewiesen wurde). Der Teil Händler-gekapselte Optionen der DHCPDISCOVER-Nachricht enthält Folgendes, wie bei 1213 in 12 gezeigt:
    • • Eine Anzahl 1216 von angeforderten Adressen. Für jeden mit dem HF-Modem 106(j) verbundenen Host 108 wird eine Adresse angefordert.
    • • Ein <frequency,streamID>-Paar 1217 und 1219. Sie identifizieren eindeutig das Kabel 132, mit dem das HF-Modem 106 verbunden ist.
  • Die IP-Adressen der Hosts 108 werden von dem IP-Adressen-Verwalter 1204 mit Unterstützung des SNMP-Agenten 1203 zugewiesen. Der erste Schritt beim Zuweisen der IP-Adressen besteht darin, zu ermitteln, mit welchem IP-Netzwerk B 208(i), zu dem das Kabel 132 gehört, dieses HF-Modem 106(j) verbunden ist. Der IPA-Verwalter 1204 verwendet für diese Ermittlung eine <frequency,streamID>,Netz-ID-Tabelle 1237. Jeder Eintrag in der Tabelle setzt ein <frequency,streamID>-Paar in Beziehung zu einem Netz-ID. Alle IP-Adressen, die in dem IP-Netzwerk B 208 zugewiesen werden, das mit dem Netz-ID identifiziert wird, müssen den Netz-ID enthalten. Die Informationen in der Tabelle 1237 werden von dem Kanalverwalter 1231 in dem Kommunikationsverwalter 102 bereitgestellt.
  • Wenn der IPA-Verwalter 1204 den Netz-ID hat, kann er die IP-Adressen zuweisen. Der IPA-Verwalter 1204 hat eine Liste 1211(i) der freien IP-Adressen für jedes Netzwerk B 208(i), und er nimmt einen Satz von IP-Adressen, der die Anzahl von Adressen hat, die in einem Adressbereich 1216 angegeben ist, aus der freien Liste 1211 für das Netzwerk B 208(i). Der IPA-Verwalter 1204 sendet dann eine SNMP-Satz-Nachricht mit den IP-Adressen an den SNMP-Agenten 1203. Wie durch einen Pfeil 1241 angegeben, sendet der SNMP-Agent 1203 die Nachricht an den SNMP-Agenten 1233 in dem Kommunikationsverwalter 102.
  • Der SNMP-Agent 1233 sendet die Nachricht an den Kanalverwalter 1231, der eine Freie-CCB-Blöcke-Liste 1235 für jedes Netzwerk unterhält. Der Kanalverwalter 1231 ermittelt einen freien CCB-Block in der Liste für den angegebenen Netz-ID. Der Block ist für ein bestimmtes <channel,pipe>-Paar. Der Kanalverwalter 1231 gibt die IP-Adresse aus der SNMP-Nachricht und einen Verbindungsidentifikator für das HF-Modem 106 in den CCB-Block 1023 ein und fügt den CCB-Block 1023 zu einer ARP-Tabelle 1101 hinzu. Der Kanalverwalter 1231 verwendet dann den SNMP-Agenten 1233, um eine Rücksende-Nachricht über den SNMP-Agenten 1233 an den IPA-Verwalter 1204 zu senden. Wie bei dem Pfeil 1243 angegeben, enthält die Rücksende-Nachricht die IP-Adresse und das <channel,pipe,LinkID>-Triple, das ihr zugewiesen worden ist. Der Kanalverwalter 1231 fügt Einträge für die neu zugewiesenen IP-Adressen zu der ihm zugeordneten IPA-Datenbank 1207 hinzu. Jeder Eintrag enthält die IP-Adresse und das <channel,pipe,LinkID>-Triple. Nun, da alle Informationen verfügbar sind, die benötigt werden, um die IP-Adressen der Hosts 108 des HF-Modems 106(j) in Beziehung zu einem <channel,pipe,LinkID>-Triple auf dem Kabel 132 zu setzen, sendet der DHCP-Server 1201 ein DHCPOFFER-IP-Paket an das HF-Modem 106(j), das die IP-Pakete empfangen soll, deren Ziel-IP-Adressen zu einem Satz von Adressen 210(j) gehören, die dem <channel,pipe,LinkID>-Triple entsprechen.
  • In einer bevorzugten Umgebung werden IP-Adressen, die den Hosts zugewiesen werden, die zu dem HF-Modem 106 gehören, aufgehoben, wenn das HF-Modem 106(j) inaktiv wird. Das wird von dem Modem-Pool 135 erkannt, wenn das HF-Modem 106(j) auflegt und der Modem-Pool 135 eine SNMP-Nachricht an den SNMP-Agenten 1203 in dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 sendet, der dem Agenten 1203 diesen Umstand mitteilt. Der Agent 1203 entfernt die Einträge für die IP-Adressen für die mit dem HF-Modem 106(j) verbundenen Hosts 108 aus seiner Datenbank und sendet die IP-Adressen an den IPA-Verwalter 1204 zurück, der sie auf die entsprechende freie Liste 1211(i) setzt. Der Agent 1203 sendet außerdem eine SNMP-Nachricht an den SNMP-Agenten 1233 in dem Kommunikationsverwalter 102, die dem Kommunikationsverwalter 102 mitteilt, dass die Zuweisung der IP-Adressen aufgehoben worden ist. Der Agent 1233 sendet die IP-Adressen an den Kanalverwalter 1231, der die CCB-Blöcke für die IP-Adressen aus der ARP-Tabelle 1101 entfernt und sie an die Freie-CCB-Blöcke-Liste 1235 für das Netzwerk sendet, zu dem die Adressen gehören.
  • Bei anderen Ausführungsformen können weitere Verfahren verwendet werden, um zu gewährleisten, dass die Zuweisung von IP-Adressen und <channel,pipe,LinkID>-Triples, die gerade nicht verwendet werden, aufgehoben wird. Ein Verfahren ist der Lease-Mechanismus in dem DHCP-Protokoll. Dieser Mechanismus weist eine IP-Adresse nur für einen begrenzten Zeitraum zu, und wenn ein anderes DHCP-Protokoll, das das Lease erneuert, nicht innerhalb des begrenzten Zeitraums von dem HF-Modem 106(j) empfangen wird, wird die Zuweisung der IP-Adresse aufgehoben. Ein weiteres Verfahren ist die Überwachung der Anzahl von Paketen, die in einem Zeitraum an eine IP-Adresse gesendet werden. Wenn es keine Pakete gibt, wird die Adresse aufgehoben. Das gleiche Verfahren kann bei <channel,pipe,LinkID>-Triples verwendet werden, und wenn es keinen Verkehr in dem <channel,pipe,LinkID>-Triple gibt, wird seine Zuweisung aufgehoben. In der Regel können Verfahren, die analog zu denen sind, die zum Wiederherstellen von Cache-Einträgen oder Speicherseiten verwendet werden, auch bei IP-Adressen und <channel,pipe,LinkID>-Triples verwendet werden.
  • Aufbauen einer Sitzung mit dem HF-Modem 106
  • 7 zeigt Interaktionen 701 zwischen den Komponenten des Kabeldatennetzwerks 100, wenn ein HF-Modem 106(i) inaktiv ist und ein Nutzer des mit dem HF-Modem 106(i) verbundenen Hosts 108(j) mit dem Internet 150 verbunden werden will. Der Nutzer arbeitet Routinen in der Software 107 ab, die den Host 108(j) eine Aufbau-Anforderung an das HF-Modem 106(i) an der Adresse des Modems 106(i) in dem LAN 133 senden lassen, wie bei 702 gezeigt. In der Aufbau-Anforderung sind Authentisierungsinformationen, wie etwa eine Nutzer-Identifikation und ein Nutzer-Passwort und die Telefonnummer des Telefonmodem-Pools 135, enthalten. Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Authentisierung für alle Hosts 108, die mit dem HF-Modem 106 verbunden sind. Das HF-Modem 106 reagiert, indem es zunächst eine Schein-IP-Adresse an den Host 108(j) sendet und dann die Telefonnummer wählt. Die Schein-IP-Adresse hat ein kurzes Lease, d. h., das Lease ist nur kurze Zeit gültig. Der Telefonmodem-Pool 135 reagiert durch Aufbauen einer PPP-Verbindung (PPP: Point-to-Point-Protokoll) zwischen dem HF-Modem 106 und einem Telefonmodem 110(k) über das öffentliche Telefonnetz 109. Anschließend sendet das HF-Modem 106 die Authentisierungsinformationen an den Modem-Pool 135, der sie an den Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 weiterleitet. Der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 prüft dann die Authentisierungsinformationen, und wenn sie gültig sind, weist der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 dem HF-Modem 106(i) eine IP-Adresse in dem Netzwerk D 212 zu. Er sendet die IP-Adresse an das HF-Modem 106(i) zurück. Das HF-Modem 106(i) kann jetzt TCP/IP-Protokolle zum Kommunizieren mit den mit dem LAN 120 verbundenen Kopfstellen-Vorrichtungen verwenden.
  • Das HF-Modem 106(i) muss als Nächstes eine IP-Adresse für den Host 108(j) und das <channel,pipe,LinkID>-Triple erhalten, die Pakete empfangen soll, die an die IP-Adresse des Hosts 108(j) an dem Kabel 132 adressiert sind. Hierzu sendet es ein DHCPOFFER-IP-Paket 703 an den Modem-Pool 135. In dem Händler-gekapselte-Optionen-Teil des Protokolls sind die IP-Adresse des HF-Modems 106(i) und ein <frequency,streamID>-Paar enthalten, das das HF-Modem 106(i) durch Abhören einer Frequenz auf dem Kanal 132 erhält. Wie bereits bei der Erörterung der Superframes 405 erläutert worden ist, identifiziert das <frequency,streamID>-Paar eindeutig, mit welchem Kabel 132 das HF-Modem 106(i) verbunden ist.
  • Der Modem-Pool 135 empfängt das DHCPOFFER-Paket 703, fügt die IP-Adresse des Modem-Pools 135 hinzu und unicastet das Paket 705 über das Netz A 206 an den DHCP-Server 1201. Das DHCP in dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 reagiert auf das Paket 705 und weist den Hosts 108, die an dem HF-Modem 106(j) hängen, IP-Adressen zu und weist dem HF-Modem 106 ein <channel,pipe,LinkID>-Triple zu, wie vorstehend dargelegt. Die IP-Adressen haben Leases, die lang genug für einen Zeitraum sind, in dem ein HF-Modem 106 normalerweise aktiv ist. Dann sendet der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 ein DHCPOFFER-Paket 715, das an die IP-Adresse des HF-Modems 106(i) adressiert ist. Dieses wird an den Modem-Pool 135 geroutet. Das DHCPOFFER-Paket enthält folgende Informationen:
    • • den Bereich von IP-Adressen für die mit dem HF-Modem 106 verbundenen Hosts 108,
    • • eine IP-Adresse für das HF-Modem 106 in dem LAN 133. Wie nachstehend näher erläutert wird, ist diese IP-Adresse nicht auf das HF-Modem 106 beschränkt.
    • • die Teilnetzwerk-Maske für die IP-Adressen des Hosts,
    • • IP-Adressen in dem Netzwerk A 206 für einen Domainnamen-Server, für den SNMP-Agenten 1203, den Kommunikationsverwalter 102 und den Router 101,
    • • Informationen darüber, wo das HF-Modem 106 aktuelle Firmware erhalten kann, und
    • • das <channel,pipe,LinkID>-Triple, das dem HF-Modem 106 zugewiesen worden ist.
  • Der Telefonmodem-Pool 135 sendet das DHCP-Antwortpaket an das HF-Modem 106(i) (717), und das HF-Modem 106(i) stellt seinen Tuner 501 so ein, dass er auf der festgelegten Frequenz abhört, und stellt seinen Decodierer 503 so ein, dass er Superpakete in der festgelegten Pipe liest, wenn sie den Verbindungsidentifikator des HF-Modems haben.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist das Lease an der Schein-IP-Adresse des Hosts 108(j) fast abgelaufen, und der Host 108(j) sendet ein DHCPDISCOVER-Paket, das eine neue IP-Adresse anfordert. Das HF-Modem 106(j) reagiert so, dass es dem Host 108(j) eine der IP-Adressen, die es in dem DHCPDISCOVER-Paket empfangen hat, zuweist und ein DHCPOFFER-Paket mit der IP-Adresse an den Host 108(j) sendet. Ebenso weist das HF-Modem 106(i), wenn es ein DHCPDISCOVER-Paket von einem der anderen an dem LAN 133 hängenden Hosts 108 empfängt, diesem Host 108 eine der IP-Adressen zu und sendet dem Host 108 ein DHCPOFFER-Paket, das die zugewiesene IP-Adresse enthält.
  • Bei weiteren Ausführungsformen kann das HF-Modem 106(i) außerdem auf das DHCPOFFER-Paket 715 so reagieren, dass es ein Quittungs-IP-Paket über das öffentliche Telefonnetz 109 und den Modem-Pool 135 an den Kommunikationsverwalter 102 sendet (719). Der Kommunikationsverwalter 102 reagiert auf die Quittung so, dass er eine Quittung 721 auf dem Kabel 132 auf dem Kanal sendet und das Pipe-HF-Modem 106(i) diese abhört. Die Quittung enthält zumindest den Verbindungsidentifikator des HF-Modems 106(i).
  • Abbauen einer Sitzung mit dem HF-Modem 106
  • Solange einer der Hosts 108 mit dem Internet 150 verbunden ist, hört das HF-Modem 106 die Superpakete ab, die an das HF-Modem 106 mit dem <channel,pipe,LinkID>-Triple adressiert sind, und hält seine Verbindung mit dem Modem-Pool 135 über das Telefonnetz aufrecht. Wenn der letzte Host 108 seine Verbindung mit dem Internet 150 beendet, legt das HF-Modem 106 an der Telefonleitung auf, die es mit dem Modem-Pool 135 verbindet. Der Modem-Pool 135 reagiert auf den Umstand, dass das HF-Modem 106 aufgelegt hat, mit einer DHCP-Freigabe-Nachricht an den DHCP-Server 1201. Die DHCP-Freigabe-Nachricht gibt die dem HF-Modem 106 zugewiesenen IP-Adressen an.
  • Der Server 125 sendet ein SNMP-Paket an den Kommunikationsverwalter 102, das ihn anweist, die Einträge für die IP-Adressen aus seinem ARP-Cache 1001 zu entfernen. Der Kommunikationsverwalter 102 sendet das <channel,pipe,LinkID>-Triple an seine Liste der freien <channel,pipe,LinkID>-Triples zurück. Wenn der Server 125 eine SNMP-Quittung von dem Kommunikationsverwalter 102 empfängt, löscht er die Einträge für die IP-Adressen für die mit dem IP-Modem verbundenen Hosts 108 aus seiner Datenbank und sendet die IP-Adressen an seine Liste der freien IP-Adressen zurück. Bei anderen Ausführungsformen können die DHCP-Protokolle, die zum Erhalten von freien IP-Adressen für die Hosts 108 verwendet werden, von dem einzelnen Host 108 stammen.
  • HF-Modem 106 als Proxy-DHCP-Server
  • Die Entitäten in einem Netzwerk, die auf DHCP-Protokolle reagieren, sind als DHCP-Server bekannt. In dem Kabeldatennetzwerk 100 ist der DHCP-Server in einer Software implementiert, die auf dem Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 läuft. Jedes aktive HF-Modem 106(i) arbeitet aber außerdem auch als Proxy-DHCP-Server. Damit ist gemeint, dass es lokal so viele Informationen hält, dass es DHCP-Protokolle abarbeiten kann, die von Hosts 108 stammen, die mit dem HF-Modem 106(i) verbunden sind. Dabei wirkt es für den. Host 108 als normaler DHCP-Server und verringert außerdem erheblich den Umfang des Verkehrs, der erforderlich ist, um die Hosts 108 mit IP-Adressen zu versorgen.
  • Normale DHCP-Server sind ständig aktiv, und somit erwartet die normale Internet-Client-Software, die auf dem Host 108 läuft, dass der DHCP-Server ständig auf ein DHCPDISCOVER-Paket von einem Host mit einem DHCPOFFER-Paket reagiert, das eine IP-Adresse für den Host 108 enthält. Das HF-Modem 106 ist jedoch nicht ständig aktiv und muss möglicherweise eine Verbindung mit dem Netzwerk A 206 herstellen und das DHCP-Protokoll verwenden, um die IP-Adressen für das Teilnetzwerk C 210(j) zu erhalten, bevor es auf ein DHCPDISCOVER-Paket von einem Host 108 reagieren kann. Aus diesem Grund stellt das HF-Modem 106, wenn es zum ersten Mal aktiv wird, für den Host 108, der es hat aktiv werden lassen, eine kurzlebige Schein-IP-Adresse bereit, wie bereits dargelegt. Das HF-Modem 106 erhält dann einen Satz von IP-Adressen für seine Hosts 108, wie bereits dargelegt. Wenn es die IP-Adressen hat, reagiert es auf DHCPDISCOVER-Pakete von den Hosts 108 so, dass es den Hosts 108 IP-Adressen aus dem Satz zuweist. Es ist daher in diesen Fällen nicht erforderlich, ein DHCPDISCOVER-Paket an den Modem-Pool 135 und den Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 zu senden.
  • Automatisches Umleiten bei einer Störung der HF-Verbindung: 8
  • Ein wichtiger Vorteil des Kabeldatennetzwerks 100 besteht darin, dass bei einer Störung der HF-Verbindung zu einem HF-Modem 106(i) das Kabeldatennetzwerk 100 Pakete, die an die mit diesem HF-Modem verbundenen Hosts 108 adressiert sind, automatisch so umleitet, dass sie mittels des Modem-Pools 135 und des öffentlichen Telefonnetzes 109 an das HF-Modem 106 geroutet werden. Wenn die HF-Verbindung wieder funktionsfähig ist, routet das Kabeldatennetzwerk 100 die Pakete automatisch wieder über die HF-Verbindung. Diese Funktion Automatischer Rückfall und Wiederherstellung nutzt voll die Umstände aus, dass das öffentliche Telefonnetz 109 bidirektional ist und dass ein aktives HF-Modem 106 eine IP-Adresse hat, mittels der es über den Modem-Pool 135 und das öffentliche Telefonnetz 109 zugreifbar ist.
  • Die Funktion Automatischer Rückfall und Wiederherstellung wird unter Verwendung des TCP/IP-Routing-Informationen(RIP-2)-Protokolls implementiert, das bei Stevens, ebenda, ab S. 29 beschrieben ist. Dieses Protokoll wird in Netzwerken, die IP-Adressen verwenden, zum Verbreiten von Adressierungsinformationen unter den Routern in dem Netzwerk verwendet. Es könnte auch jedes andere Protokoll, das diese Funktion ausführt, verwendet werden. Normalerweise sendet jeder Router in einem Netzwerk etwa alle dreißig Sekunden ein RIP-Paket an die anderen Router. Das RIP-Paket enthält die aktuelle Routing-Tabelle des Routers, der das RIP-Paket sendet. Die anderen Router lesen das RIP-Paket und aktualisieren ihre Routing-Tabellen entsprechend. Ein getriggertes Paket wird immer dann gesendet, wenn sich die Metrik für eine Route ändert. Die Metrik ist ein Wert, der die Kosten für das Senden eines Pakets auf der Route ausdrückt. Jeder Router verfolgt den Zeitraum, der seit dem Zeitpunkt vergangen ist, zu dem er zuletzt ein RIP-Paket von jedem der anderen Router empfangen hat, und wenn der Zeitraum ein vorgegebenes Maximum überschreitet, entfernt der Router die von diesem Router empfangenen Routen aus seiner Routing-Tabelle.
  • Wenn bei der bevorzugten Ausführungsform das HF-Modem 106 aktiv ist, hört es ständig das Kabel 132 ab. Wenn der Tuner 501 erkennt, dass es kein HF-Signal auf dem Kanal gibt, den er gerade abhört, oder wenn der Decodierer 503 erkennt, dass er keine Superframes 405 mehr empfängt oder dass er die Superpakete 407, die er empfängt, nicht mehr decodieren kann oder dass die Anzahl der Superpakete 407 mit Fehlern über einen vorgegebenen Schwellenwert hinaus angestiegen ist, zeigt der Tuner 501 oder der Decodierer 503 der CPU 505 einen Fehlerzustand an. Was als Nächstes geschieht, ist in 8 gezeigt. Ein Teil 701 von 8 ist das Aufbau-Szenario von 7, und ein Teil 801 zeigt, wie das HF-Modem 106 und das System 100 reagieren, wenn ein solcher Fehlerzustand eintritt.
  • Wenn, wie bei 803 gezeigt, der Fehlerzustand eintritt, routen die Routing-Tabellen in dem Router 101 und dem Kommunikationsverwalter 102 die an die Hosts 108 adressierten IP-Pakete über den Kommunikationsverwalter 102 und das Kabel 132, und die IP-Pakete von den Hosts 108 an IP-Adressen im Internet 150 werden über das HF-Modem 106, das öffentliche Telefonnetz 109, den Telefonmodem-Pool 133, das LAN 120 und den Router 101 geroutet. Dieser Zustand ist im Teil 801 bei 803 angegeben. Bei 805 erkennt das HF-Modem 106 eine Störung in der HF-Verbindung, und das HF-Modem 106 sendet daraufhin ein SNMP-Trag-Paket 807, d. h. eine Fehlermeldung, das das TCP/IP-SNMP (Simple Network Management Protocol) verwendet, das an den Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 adressiert ist, über das öffentliche Telefonnetz 109 und den Telefonmodem-Pool 135. Das Netzwerk-Verwaltungssystem (Network Management System; NMS) wird mit Programmen implementiert, die auf dem Server 125 laufen, und das NMS reagiert auf das Trap-Paket so, dass es den Umstand, dass es eine Störung in der HF-Verbindung gegeben hat, in seine Systemverwaltungs-Datenbanken aufzeichnet. Die NMS-Reaktion kann auch andere Aktionen umfassen, wie etwa das Erzeugen einer Anzeige, die das Problem in der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) des NMS darstellt, oder das Auslösen eines Alarms.
  • Dann sendet das HF-Modem 106 ein getriggertes RIP-Paket 809 mit der Routing-Tabelle des HF-Modems 106 an den Modem-Pool 135. Der Modem-Pool 135 reagiert auf das RIP-Paket so, dass er die IP-Adressen der Hosts 108 zu seiner eigenen Routing-Tabelle 921 hinzufügt. Er sendet ein getriggertes RIP-Paket 809 mit den Änderungen an die Router in dem LAN 120. Der Router 101 reagiert auf das RIP-Paket so, dass er die IP-Adressen für die Hosts 108 zu seiner Routing-Tabelle 901 hinzufügt. Bei anderen Ausführungsformen kann das HF-Modem 106 getriggerte RIP-Pakete direkt an den Modem-Pool 135 und den Router 101 senden. Wie bei der Erörterung der Routing-Tabellen vorstehend dargelegt, bestehen die Folgen dieser Änderungen darin, dass Pakete, die an die Hosts 108 adressiert sind, jetzt über den Modem-Pool 135 und das öffentliche Telefonnetz 109 an die Hosts 108 geroutet werden. Der Steuerungs-/Verwaltungsserver 125 empfängt ebenfalls das RIP-Paket und erzeugt ein NMS-Trap 815 für das NMS, das ihm anzeigt, dass der Rückfall-Aufbau abgeschlossen ist. Das NMS speichert diese Informationen in seiner Datenbank und ändert die Anzeigen, die das Netzwerk zeigen, entsprechend.
  • Es ist unbedingt zu beachten, dass sich das Routing von Paketen an mit dem HF-Modem 106 verbundene Hosts 108 nicht ändert, solange die HF-Verbindung funktionsfähig ist. Somit erzeugt das HF-Modem 106 keine RIP-Pakete, wenn die HF-Verbindung funktionsfähig ist. Solange jedoch die HF-Verbindung nicht funktionsfähig ist, erzeugt das HF-Modem 106 periodisch RIP-Pakete in der gleichen Weise wie die anderen Router, und die RIP-Pakete werden an den Modem-Pool 135 und den Router 101 gesendet, wie gerade dargelegt. Das Rückfall-Routing für die IP-Adressen, die zu den Hosts 108 gehören, dauert so lange an, wie das HF-Modem 106 weiter RIP-Pakete sendet. Wenn das HF-Modem 106 erkennt, dass die HF-Verbindung wieder funktionsfähig ist, sendet das HF-Modem 106 ein weiteres getriggertes RIP-Paket mit seiner Routing-Tabelle, aber mit der Metrik zum Erreichen der Hosts 108, die so hoch eingestellt sind, dass der Modem-Pool 135 und der Router 101 die Einträge für die IP-Adressen der Hosts entfernen. Anschließend beendet das HF-Modem 106 das Senden von RIP-Paketen. Wenn das HF-Modem das Senden von RIP-Paketen einfach beendet, beispielsweise weil ein Nutzer es ausgeschaltet hat, werden die Einträge für die IP-Adressen der Hosts aus den Routern in der Weise entfernt, wie es bei der Erörterung des RIP-Protokolls vorstehend beschrieben wurde.
  • Wiederverwendbare IP-Adressen für HF-Modems 106: 11 und 12
  • Wie vorstehend erwähnt, ist ein Hauptziel bei der Gestaltung des Kabeldatennetzwerks 100 die Verringerung der Anzahl von IP-Adressen, die für das Kabeldatennetzwerk erforderlich sind. Ein Verfahren zum Erreichen dieses Ziels ist es, allen HF-Modems 106 in einem Netzwerk dieselbe wiederverwendbare IP-Adresse in den LANs 133 zu geben, an denen die Hosts 108 hängen, für die das HF-Modem 106 der Router ist. Das ist deshalb möglich, weil die IP-Adresse des HF-Modems 106 in dem LAN 133 nur von den Hosts 108 verwendet wird, die an dem LAN 133 hängen, und IP-Pakete, die von anderen Hosts an das HF-Modem 106 gesendet werden, werden an die IP-Adresse 214(a) in dem Netzwerk D 212 gesendet, die von dem Modem-Pool 135 bereitgestellt wird. Da die IP-Adresse des HF-Modems 106 in dem LAN 133 außerhalb des LAN 133 nicht sichtbar ist, kann die IP-Adresse in allen LANs 133 gleich sein. Wie bei der Erörterung des Aufbaus einer Sitzung vorstehend dargelegt, empfängt das HF-Modem 106 seine IP-Adresse in dem LAN 133 in dem DHCPOFFER-Paket, das die IP-Adressen für seine Hosts 108 und das <channel,pipe,LinkID>-Triple des HF-Modems 106 enthält. Die Einsparungen von IP-Adressen, die mit diesem Verfahren möglich sind, sind beachtlich. Viele LANs 133 befinden sich beispielsweise in privaten Haushalten und haben nur einen einzigen PC als Host 108. Sowohl der PC als auch das HF-Modem 106 müssen eine IP-Adresse in dem LAN 133 haben. Man beachte weiterhin, dass, da die wiederverwendbare IP-Adresse 117 nur innerhalb der mit dem HF-Modem 106 verbundenen LANs 133 verwendet wird, es nicht notwendig ist, dass sie auch eine IP-Adresse in der Adressdomain des Kabeldatennetzwerks 100 ist.
  • Schlussbemerkung
  • Die vorstehende Detaillierte Beschreibung hat Fachleuten auf den betreffenden Gebieten gezeigt, wie ein vollständig in das Internet integriertes Kabeldatennetzwerk zu gestalten und zu verwenden ist, das die bidirektionale Beschaffenheit des Telefonnetzes zum Herstellen eines Signalflusswegs zwischen der Kopfstelle des Kabeldatennetzwerks und den an dem KFS-Kabel hängenden HF-Modems und zum Bereitstellen eines alternativen Wegs für Daten, die bei einer Störung der HF-Verbindung an die an dem HF-Modem hängenden Hosts gesendet werden, ausnutzt, das Hosts IP-Adressen dynamisch zuweist und HF-Modems Verbindungsadressen zuweist, das die HF-Modems als Router verwendet und das IP-Adressen durch Wiederverwendung der IP-Adressen von HF-Modems in den LANs, an denen sie hängen, einspart.
  • Die Detaillierte Beschreibung stellt zwar die beste Art und Weise dar, die den Erfindern für die Implementierung des Kabeldatennetzwerks zurzeit bekannt ist, aber Fachleute auf den entsprechenden Gebieten dürften sofort erkennen, dass die Grundsätze, die für die Implementierung des Kabeldatennetzwerks verwendet werden, auch unter vielen anderen Umständen verwendet werden können. Beispielsweise kann eine HF-Verbindung durch eine unidirektionale Verbindung ersetzt werden, und die Telefonleitung kann durch eine bidirektionale Verbindung, die von der HF-Verbindung unabhängig ist, ersetzt werden. Ebenso kann das LAN, das das HF-Modem mit den Hosts verbindet, durch ein Medium ersetzt werden, das eine bidirektionale Verbindung zwischen HF-Modem und Hosts ermöglicht.
  • Außerdem funktionieren die hier beschriebenen Verfahren zum dynamischen Zuweisen von IP-Adressen an Hosts mit jeder Art von logischen Netzwerk-Adressen, unter anderem beispielsweise mit Nummern von virtuellen Verbindungen. Ebenso können die Verfahren, die für das dynamische Zuweisen von <channel,pipe,LinkID>-Triples an HF-Modems beschrieben wurden, genauso gut zum dynamischen Zuweisen jeder Art von Verbindungsebenenadresse verwendet werden. Die Verfahren funktionieren auch für ein Verfahren zum Aufteilen der Bandbreite der unidirektionalen Verbindung auf eine Anzahl von Modems.
  • Schließlich können die TCP/IP-Protokolle, die bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet werden, durch andere Protokolle ersetzt werden, die die gleiche Wirkung haben. Insbesondere kann das DHCP-Protokoll durch ein Protokoll ersetzt werden, das zum dynamischen Zuweisen von logischen Netzwerk-Adressen verwendet werden kann, das RIP-Protokoll kann durch ein Protokoll ersetzt werden, das Routern Änderungen der Routings mitteilt, und das SNMP-Protokoll kann durch jede Art von Netzwerk-Verwaltungsprotokoll ersetzt werden.
  • Da dem so ist, soll die Detaillierte Beschreibung nur der Erläuterung dienen und nicht beschränkend sein, und der hier beanspruchte Schutzumfang der Erfindung wird nicht von der Detaillierten Beschreibung, sondern von den beigefügten Ansprüchen bestimmt, die in der vollen Breite, die von den Patentgesetzen zugelassen wird, auszulegen sind.

Claims (1)

  1. Router (106), der zwischen eine erste Verbindung (132), die eine Gruppe von zusammenwirkenden Kanälen (403) hat, auf denen Pakete gleichzeitig übertragen werden können, eine zweite Verbindung (131) und eine dritte Verbindung (133) mit mindestens einem Host (108) geschaltet ist, mit: einem Empfänger (501) für die erste Verbindung (132), der so eingestellt werden kann, dass er einen Kanal aus der Gruppe von zusammenwirkenden Kanälen (403) empfängt und Daten liest, die darauf empfangen werden, wobei der Router (106) dadurch gekennzeichnet ist, dass er weiterhin Folgendes aufweist: ein Steuergerät (505), das auf eine in der zweiten Verbindung (131) empfangene Nachricht, die einen der Kanäle als Quelle von Paketen (301) mit einer logischen Adresse festlegt, dadurch reagiert, dass es dem Host (108) die logische Adresse zuweist, den Empfänger (501) so einstellt, dass er den festgelegten Kanal empfängt, und anschließend auf diesem Kanal empfangene Pakete, die die logische Adresse des Hosts haben, über die dritte Verbindung (133) an den Host (108) routet.
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