CN103329490A - 用于提高基于分组的通信网络中的数据传输的质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于提高在基于分组的通信网络中的数据传输的质量的方法，该通信网络包括多个网络节点（K）。每个所述网络节点（K）具有一定数量的端口（P），分别向这些端口分配至少一个等候队列（Q）并且经由这些端口能够建立至其它网络节点（K）的通信连接（KV）。在本发明的方法中，在网络节点（K）中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的端口（P）的至少所述等候队列（Q）鉴于其等候队列长度被监视。此外从该等候队列长度中确定针对所涉及的一个或多个端口（P）的过载度量，其中从针对经过所涉及的过载的端口（P）的一个或多个通信路径（PF1，PF2，PF3）的过载度量中能够推断出该数据传输中的运行时间延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）。最后对于至少一个经由过载的端口（P）引导的通信路径（PF1，PF2，PF3），过载度量超过预先给定的阈值。在绕过该过载的端口（P）的情况下设立替换的通信路径（PF2'）。

Description

用于提高基于分组的通信网络中的数据传输的质量的方法

技术领域

本发明涉及用于提高基于分组的通信网络中的质量的方法，该通信网络包括多个网络节点，其中每个所述网络节点都具有一定数量的端口，分别向这些端口分配至少一个等候队列并且通过这些端口可以建立至其它网络节点的通信连接。本发明还涉及基于分组的通信网络的网络节点以及具有多个网络节点的基于分组的通信网络。

背景技术

在许多分布在通信网络上的应用中，数据传输在端到端延迟（延迟（Delay））和/或延迟变化（抖动（Jitter））方面不允许超过确定的极限值，由此实现该应用的期望服务品质。这尤其是当在工业范围中构造的通信网络情况下适用于例如工厂自动化、过程自动化或能量自动化。目前仅基于TDM（Time Division Multiplexing，时分多路复用）的网络技术能够沿着在该通信网络内构造的通信路径满足对延迟和抖动值的预先给定的要求。在该上下文中原则上合适的网络技术是SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）或ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）网络。由于它们的复杂性以及高昂的成本，尤其是在定标（Skalierung）的情况下，这些网络技术在许多应用情景中都不能被有意义地采用。

因此，即使是在定标情况下由于复杂性以及低廉的成本原因，采用基于分组的通信网络是值得期望的。这样的通信网络例如是以太网或基于IP（Internet Protocol，互联网协议）的通信网络。但是基于分组的通信网络的问题在于，原理决定地不能保证在延迟和/或抖动方面的担保。

虽然已知在工业以太网领域中以太网的费事的扩展（例如用于PROFINET的等时实时传输（IRT）），这些扩展通过TDM模仿通信网络的确定性行为。但是该技术只能通过采用专门的硬件以及以高昂的配置耗费被采用。

发明内容

因此本发明的任务是说明一种方法，利用该方法可以提高在基于分组的通信网络中的数据传输的质量。还应当说明基于分组的通信网络的网络节点，该网络节点允许提高该基于分组的通信网络中的数据传输的质量。最后本发明的任务还有说明具有高数据传输质量的基于分组的通信网络。

这些任务通过根据权利要求1的特征的方法、具有权利要求12的特征的网络节点以及具有权利要求13的特征的基于分组的通信网络解决。有利的构型由从属权利要求得到。

本发明实现了用于提高在基于分组的通信网络中的数据传输的质量的方法，该通信网络检测多个网络节点，其中每个所述网络节点均具有一定数量的端口，分别向这些端口分配至少一个等候队列并且通过这些端口可以建立至其它网络节点的通信连接。在该方法中，在网络节点中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的端口的至少所述等候队列鉴于其等候队列长度被监视。从该等候队列长度中确定针对所涉及的一个或多个端口的过载度量，其中从针对一个或多个经过所涉及的过载的端口的通信路径的过载度量中可以推断出该数据传输中的运行时间延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）。当该过载度量超过预先给定的阈值时，对于至少一个经由过载的端口引导的通信路径在绕过该过载的端口下设立替换的通信路径。

本发明还实现基于分组的通信网络的网络节点，该通信网络具有多个网络节点，其中该网络节点包括一定数量的端口，分别向这些端口分配至少一个等候队列并且通过这些端口可以建立至其它网络节点的通信连接。该网络节点包括第一装置，用于对在该网络节点中沿着相应的、沿着该通信网络形成的通信路径布置的端口的等候队列鉴于其等候队列长度进行监视。该网络节点还包括第二装置，用于从针对一个或多个所涉及的端口的等候队列长度中确定过载度量。

本发明还实现基于分组的通信网络，该通信网络包括多个根据本发明构造的网络节点以及用于当在该通信网络中使用路由机制的情况下设立通信路径和/或替换的通信路径的网络管理实体。该网络管理实体包括第三装置，通过该第三装置从由相应的网络节点获得的、针对一个或多个经过所涉及的过载的端口的通信路径的过载度量中可以推断出数据传输中的运行时间延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）。该网络管理实体还包括第四装置，当所述过载度量超过预先给定的阈值时，通过该第四装置可以针对至少一个经由过载的端口引导的通信路径在绕过过载的端口下设立替换的通信路径。

利用本发明可以实现在基于分组的通信网络中的确定论，所述通信网络例如是基于互联网协议的通信网络或以太网。由此得到在针对想该通信网络中所形成的通信路径的延迟和/或抖动方面的高传输质量。本发明行动方式的一个优点在于，为了能确定在通信网络内存在延迟和/或抖动临界情形不需要复杂地计算绝对的延迟和/或抖动值。这尤其是在以下假设下适用：在否则快速、空闲的通信网络中（也就是不存在过载或拥塞情形）延迟和/或抖动要求被毫无问题地得到遵守。另一个优点在于，为了实施根据本发明的行动在该网络节点中几乎不需要修改。另一个优点在于，该方法还保证在大通信网络中的可定标性。该可定标性因此得到保证，因为利用本发明的方法只需要针对每个等候队列和网络节点、而不是针对每个通信路径来监视延迟或抖动值。

在一种适宜的构型中，在绕过包括至少一个过载的端口的节点下设立替换的通信路径。由此该替换的通信路径的路线绕开具有过载的端口的节点引导。这在整个网络节点的性能已经通过端口的过载被负面影响时可能是有利的。

根据另一构型，为了确定过载度量对以下等候队列长度之一进行处理：平均等候队列长度，其中该平均等候队列长度是由等候队列在预先给定的时间段上所检测的多个等候队列长度的时间上的平均来计算的；和/或最大的等候队列长度和/或由时间上过去的和当前的等候队列长度确定的有效的等候队列长度。基于所说明的等候队列长度，可以为延迟或抖动临界的通信路径确定合适的通信路径。

根据另一适宜的构型，所述通信路径和/或所述替换的通信路径在使用路由机制的情况下通过上级网络管理实体设立。该网络管理实体用于主动地在基于分组的通信网络中建立通信路径。通过网络管理实体主动地建立通信路径例如可以类似于MPLS（Multi Protocol Label Switching，多协议标记交换）地进行。在此，作为良好的或恶劣的通信路径的标准根据本发明使用网络节点的若干端口的等候队列长度。网络管理实体可以通过中央计算机、网络节点之一的控制单元或者多个计算机和控制单元来构造。

在该另一构型中，以预先给定的间隔由上级网络管理实体查询多个网络节点的端口的等候队列长度，其中该网络管理实体为每个端口确定过载度量。替换地，以时间上预先给定的间隔和/或依据超过预先给定的全局的或网络节点单独的阈值而由网络节点向上级网络管理实体传输多个网络节点的端口的等候队列长度，其中该网络管理实体为每个端口确定过载度量。

此外适宜的是，在设立新的通信路径时至少考虑在网络节点中沿着该新的通信路径布置的端口的过载度量。由此在建立新的通信度量时，源节点与目标节点之间的最短连接不总是是在设立该新的通信路径时的结果。更确切地说，除此之外还考虑相应网络节点或位于潜在通信路径中的端口的满负荷。

在该上下文中适宜的是，定义针对在网络节点中沿着新的通信路径布置的端口的过载度量（或等候队列）的低的第一阈值，在超过该第一阈值的情况下这样设立该新的通信路径，使得不考虑以下节点用于该新的通信路径：这些节点具有至少一个过载的端口，该过载的端口的过载度量超过该第一阈值，或者不考虑节点的以下过载的端口：这些过载的端口的过载度量超过该第一阈值。

在另一构型中，定义针对在网络节点中沿着该新的通信路径布置的端口的过载度量（或等候队列的等候队列长度）的较高的第二阈值，在超过该第二阈值的情况下确定并设立针对现有通信路径替换的通信路径。

由此通过第一阈值和与该第一阈值相比较高的第二阈值的设置，可以有针对性地在通过网络节点或过载的端口传输的数据方面控制节点或过载的端口的负荷。根据所确定的等候队列长度，可能不仅有针对性地绕开过载的端口或所涉及的网络节点地引导新的通信路径，而且使已经穿过过载的端口的通信路径改道。

根据另一适宜的构型，依据所涉及的等候队列的业务类别来监视过载度量（或等候队列长度）。如果除了高优先级的数据业务之外还出现低优先级的数据业务，可能在高优先级的数据业务时引起低优先级的数据业务的延迟和/或抖动提高。例如，这可能通过网络节点中的不利的调度器实施或者通过在仍发送长的低优先级的数据分组期间有高优先级的数据分组到达而引起。这样的通过低优先级的数据业务引起的临界情形可以通过考虑不同业务类别的等候队列长度来得到可靠的识别。通过使确定的通信路径改道的上述策略，可以在通信网络中改善总满负荷，由此结果可以实现在基于分组的通信网络中用于提高数据传输的质量的确定论。

另一构型规定，从在网络节点中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的等候队列的所确定的过载度量或等候队列长度中确定在所涉及的通信路径上的运行时间延迟和/或延迟变异的端到端值。

由此根据本发明的行动基于在预先给定的阈值被超过的情况下与通过节点对等候队列长度或对应消息的定期查询结合地将网络节点的端口的等候队列长度动态地用于识别延迟和/或抖动临界情形。基于关于在该通信网络中存在的网络节点的端口的等候队列长度的信息，为延迟或抖动临界的业务流计算合适的通信路径。该行动方式的优点在于，给定与详细化的调度器实施或与所使用的调度器概念的无关性。

附图说明

下面借助附图中的实施例更详细地阐述本发明。其中：

图1示出具有多个网络节点和上级网络管理实体的本发明通信网络，

图2示出图1中的通信网络，在该通信网络中示范性地示出3个由该网络管理实体设立的路径，

图3示出图2中的通信网络，在该通信网络中网络节点之一将过载的端口通知给网络管理实体，

图4示出根据图2的通信网络，在该通信网络中原始通信路径之一被设置为替换路线，以及

图5示出图2中的通信网络，在该通信网络中设立了新的通信路径。

具体实施方式

图1示出具有多个网络节点K和网络管理实体NM的本发明通信网络。网络节点K被标号为1至8，其中这些数字代表网络节点K的相应地址。每个所述网络节点K都具有一定数量的端口P，可以经由这些端口建立至其它网络节点K的通信连接KV。在本实施例中，从节点K出发的通信连接的数量与端口的数量对应，其中相应节点原则上可以具有比通信连接更大数量的端口。仅仅对于用地址1和5表示的节点K，给端口P配备其附图标记。通信连接KV可以根据通信网络的类型是基于线路的或者无线的性质的。尤其是在后一种情况下可能的是，在节点K之间还构造与在图1中所示出的通信连接不同的通信连接。

在节点K上级的是已经提过的网络管理实体NM。例如通过中央计算机形成的网络管理实体经由相应的通信连接KVN能够与网络节点K交换数据。在图1中示出的通信连接KVN仅仅是逻辑性质的，并且不需要直接存在于相应网络节点K与网络管理实体NM之间。通过什么方式在网络管理实体与网络节点K之间交换数据（无线或有线）对于本发明来说是次要的。

为了在通信网络的作为源节点工作的网络节点K与作为目标节点工作的网络节点K之间进行数据传输时能够满足对于数据传输在端到端延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）方面的预先给定的要求，在根据图1的原则上基于分组的通信网络中在网络管理实体NM的控制下进行在该通信网络中建立的通信路径的主动管理。原则上，尤其是当由于网络节点K中的分组中间存储（所谓的排队）而沿着源节点与目标节点之间的确定的通信路径产生引起各个网络节点中变化的转发时间的分组拥塞时，端到端延迟和抖动值可能变为临界的。其原因例如是通过发送其它分组而阻塞了输出端口或者优先服务于具有更高优先级的其它中间存储的分组。由于延迟通常不是确定性的，因此可能产生可变的延迟和抖动值。

网络管理实体的任务一方面在于设立和管理在通信网络中形成的通信路径。另一方面，网络管理实体的任务是至少对在网络节点中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的端口的等候队列鉴于其等候队列长度进行监视。网络管理实体可以从该等候队列长度中确定端口的过载度量，其中从针对一个或多个经过所涉及的、过载的端口的通信路径的过载度量中经常可以推断出数据传输中的延迟和/或抖动问题。通常，对于网络节点的每个端口P存在多个等候队列（队列），这些等候队列被分配给一个或多个优先级（业务类别）。这些优先级例如通过IEEE 802.1P服务类别（Class of Service, CoS）或IP服务类型（ToS）来定义。如果所涉及的过载度量超过预先给定的阈值，也即端口的等候队列的等候队列长度大于预先给定的阈值，则为至少一个经由过载的端口引导的通信路径在绕过过载的端口下设立替换的通信路径。这些路径在此被选择为，使得临界的端口P或网络节点不被使用。

该过载度量可以是与等候队列长度直接成比例的值。同样，该过载度量可以对应于等候队列长度，例如直至等候队列处理完为止的时间的字节数量，等等。

图2在示例中示出图1中所描述的通信网络，在该通信网络中通过网络管理实体NM设立三个通信路径PF1，PF2，PF3。该通信路径1从网络节点1经由网络节点5和2伸展到网络节点3。通信路径PF2从网络节点1经由网络节点5和6伸展到网络节点8。通信路径PF3从网络节点4经由网络节点5和6伸展到网络节点8。由此在所选择的实施例中，所有3个通信路径PF1，PF2和PF3都经由网络节点5引导，其中通信路径PF2和PF3还经由共同的端口P1（5）引导。由此决定地，可能在端口P1(5)处发生分组拥塞，该分组拥塞对于通信路径PF2以及通信路径PF3都可能导致延迟和/或抖动。如果由等候队列长度形成的、在端口P1(5)处的过载度量超过预先给定的阈值，则根据图3通过网络节点5向网络管理实体NM传输消息N。

网络管理实体NM可以从针对经过端口P1(5)的通信路径PF2，PF3的过载度量中推断出可能出现的延迟和/或抖动问题。由于该延迟和/或抖动问题，网络管理实体NM对两个通信路径PF2，PF3之一进行重配置。在本实施例中，为通信路径PF2建立替换的通信路径PF2'，该替换的通信路径从网络节点1经由网络节点2和3伸展到网络节点8。

为了设立通信路径，网络管理实体NM原则上使用已知的路由方法。这些通信路径例如可以通过直接在层3路由表或层2转发表中录入来设立。设立或适配还可以通过对影响所述路由表或转发表的量度进行适配来实现。这例如可以是在快速生成树（Rapid Spanning Tree, RSTP）或多生成树（Multiple Spanning Tree, MSTP）情况下的开放式最短路径优先（Open Shortest Path First, OSPF）加权或链路成本和优先级。对应的机制和行动方式是专业人员由现有技术已知的。

从源节点至目标节点的数据传输可以首先沿着预先设定的默认路径进行。这意味着首先与通信路径沿着其伸展的等候队列的等候队列长度无关地来形成默认路径。当在连续监视网络节点K及其等候队列的情况下确定出问题情形时，网络管理实体NM才进行干预。

对设立新通信路径的请求可以被处理为，使得新通信路径避开临界的端口或网络节点。这在图5中示范性示出，其中经由根据图3的通信路径示出从网络节点1经由网络节点4和7至网络节点6的新通信路径PF4。虽然最短路径将会从网络节点1经由网络节点5的端口P1(5)伸展至网络节点6，选择经由网络节点4和7的路径，以回避在网络节点5的端口P1(5)上的显露出的拥塞。

为了设立新通信路径，确定低的第一阈值以及与之相比较高的第二阈值是有用的。在超过低的第一阈值时，经由替换的网络节点设立新的通信路径、例如通信路径PF4，其添加到现有的通信路径PF1、PF2'和PF3。在超过较高的第二阈值时还使现有的通信路径部分地改道。

原则上还可以对于每个所述网络节点集中地单独地定义一个或多个阈值，使得当相应的极限被超过时网络节点K将消息传输给网络管理实体NM。这使得通过该管理实体来不断地查询状态成为多余的并且由此节约通信资源。

为了确定过载度量，优选使用平均等候队列长度，其中该平均等候队列长度从在预先给定的时间段上多个所检测的等候队列长度的时间上的平均来计算。由此可以避免强烈的波动。替换地，还可以定义最大等候队列长度，其中该最大等候队列长度例如可以与上面的较高的第二阈值对应。同样，使用有效的等候队列长度来确定过载度量也是可能的，其中从时间上过去的和当前的等候队列长度中来确定该有效的等候队列长度。由此可以考虑等候队列长度的历史记录，其中例如可以进行指数平滑。

在另一构型中，可以替换地限于针对确定的业务类别（例如确定的优先级类别）监视等候队列长度，因为其典型地承载对延迟和抖动灵敏的数据业务。

除了考虑通过过载度量超过或低于平均的、最大的或有效的等候队列长度之外，还可以借助该过载度量通过管理系统实体推导出延迟或抖动的绝对端到端值。为此添加多个延迟分量：用链路的相应带宽计算的过载度量；由于开关过程而在网络节点中产生的、可以被估计或测量的延迟；在所有所涉及的通信连接上的、可以被估计或测量（例如借助根据IEEE 1588或802.1as在时间同步的范围中被标准化的对应机制）的传播延迟（propagation Delay（传播延迟））。这尤其是在当前的延迟和/或抖动值必须被通知给引起数据业务的应用或者当通信路径仅在不超过确定的延迟或抖动值的辅助条件下才允许被设立时是有利的。

Claims (13)

1.用于提高在基于分组的通信网络中的数据传输的质量的方法，该通信网络包括多个网络节点（K），其中每个所述网络节点（K）具有一定数量的端口（P），分别向这些端口分配至少一个等候队列（Q）并且经由这些端口能够建立至其它网络节点（K）的通信连接（KV），其中，

-至少对在网络节点（K）中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的端口（P）的等候队列（Q）鉴于其等候队列长度进行监视；

-从所述等候队列长度中确定针对所涉及的一个或多个端口（P）的过载度量，其中从针对经过所涉及的过载的端口（P）的一个或多个通信路径（PF1，PF2，PF3）的过载度量中能够推断出该数据传输中的运行时间延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）；

-当该过载度量超过预先给定的阈值时，为至少一个经由过载的端口（P）引导的通信路径（PF1，PF2，PF3）在绕过该过载的端口（P）下设立替换的通信路径（PF2'）。

2.根据权利要求1的方法，其中在绕过包括至少一个过载的端口（P）的网络节点（K）下设立替换的通信路径（PF2'）。

3.根据权利要求1或2的方法，其中为了确定过载度量对以下等候队列长度之一进行处理：

-平均等候队列长度，其中该平均等候队列长度是由等候队列在预先给定的时间段上所检测的多个等候队列长度的时间上的平均来计算的；和/或

-最大的等候队列长度；和/或

-由在时间上过去的和当前的等候队列长度确定的有效的等候队列长度。

4.根据上述权利要求之一的方法，其中所述通信路径（PF1，PF2，PF3）和/或所述替换的通信路径（PF2'）通过上级网络管理实体（NM）设立。

5.根据权利要求4的方法，其中以预先给定的间隔由上级网络管理实体（NM）查询多个网络节点（K）的端口（P）的等候队列长度，其中该网络管理实体（NM）为每个所述端口（P）确定过载度量。

6.根据权利要求4的方法，其中以时间上预先给定的间隔和/或依据预先给定的全局的或网络节点单独的阈值被超过，由网络节点（K）向上级网络管理实体（NM）传输多个网络节点（K）的端口（P）的等候队列长度，其中该网络管理实体（NM）为每个所述端口（P）确定过载度量。

7.根据权利要求4至6之一的方法，其中在设立新的通信路径（PF4）时至少考虑在网络节点（K）中沿着该新的通信路径（PF4）布置的端口（P）的过载度量。

8.根据权利要求7的方法，其中定义针对在网络节点中沿着新的通信路径（PF4）布置的端口的过载度量的低的第一阈值，在超过该第一阈值的情况下设立该新的通信路径（PF4），使得

-不考虑以下节点（K）用于该新的通信路径（KV）：所述节点具有至少一个过载的端口，该过载的端口的过载度量超过该第一阈值，或者

-不考虑节点（K）的其过载度量超过该第一阈值的过载的端口。

9.根据权利要求8的方法，其中定义针对在网络节点中沿着该新的通信路径（PF4）布置的端口的过载度量的较高的第二阈值，在超过该第二阈值的情况下确定并设立对于现有的通信路径（PF1，PF2，PF3）的替换的通信路径（PF2'）。

10.根据上述权利要求之一的方法，其中依据所涉及的等候队列（Q）的业务类别来监视过载度量。

11.根据上述权利要求之一的方法，其中从在网络节点（K）中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径（KV）布置的等候队列（Q）的所确定的过载度量中确定在所涉及的通信路径（KV）上的运行时间延迟和/或延迟变异的端到端值。

12.基于分组的通信网络的网络节点，该通信网络具有多个网络节点（K），其中该网络节点（K）包括一定数量的端口（P），分别向这些端口分配至少一个等候队列（Q）并且经由这些端口能够建立至其它网络节点（K）的通信连接（KV），该网络节点包括

-第一装置，用于对在该网络节点（K）中沿着在该通信网络中形成的相应通信路径布置的端口（P）的等候队列鉴于其等候队列长度进行监视；

-第二装置，用于从针对一个或多个所涉及的端口（P）的等候队列长度中确定过载度量。

13.基于分组的通信网络，该通信网络包括多个根据权利要求12的网络节点（K）以及用于在该通信网络中设立通信路径（PF1，PF2，PF3）和/或替换的通信路径（PF2'）的网络管理实体（NM），其中该网络管理实体包括：

-第三装置，通过该第三装置从由相应的网络节点（K）获得的、针对一个或多个经过所涉及的过载的端口（P）的通信路径（PF1，PF2，PF3）的过载度量中能够推断出数据传输中的运行时间延迟（延迟）和/或延迟变化（抖动）；

-第四装置，当所述过载度量超过预先给定的阈值时，通过该第四装置能够为至少一个经由过载的端口（P）引导的通信路径（PF1，PF2，PF3）在绕过该过载的端口（P）下设立替换的通信路径（PF2'）。

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