CN1064499C - 缓冲器访问控制方法、数据包的临时存储装置及交换装置 - Google Patents

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Abstract

缓冲器访问控制方法，该缓冲器内每一数据包赋予至少两个优先级别中的一个，一起存放，每个优先级别赋予一个阈值，用于和缓冲器的占用度比较，高优先级别的阈值大于或等于低优先级别的阈值，依据比较决定是否将数据包写入缓冲器或将它们抛弃，其特征在于至少一个阈值是动态加以控制的。

Description

缓冲器访问控制方法、数据包的临时存储装置及交换装置
本发明涉及到一种用于控制对缓冲器的访问的方法和临时存储数据包的装置以及具有这种装置的交换装置。
在ATM(异步传送模式)装置中，数据包(也称单元)的缓冲存放具有很大意义。
在ATM通信网络中，诸如语音或视频数据的同步(更确切说是等时的)数据和诸如数据处理装置间通信中产生的异步数据两者都沿着同样的物理连接路径传导。这些不同数据通信服务的每一项都对数据连接的质量有完全不同的要求。例如数据处理装置间的通信允许比语音通信低得多的(单元)丢失概率。
因此明智的做法是赋予数据包不同优先级别，并在交换操作中对它们区别对待。这需要一个临时存储器，以便在最大可能地利用存储空间的情况下，确保有一个和优先级有函数关系的数据包的丢失概率上限。
1991年12月第9卷第9期的选择通信领域的IEEE杂志中Arthur Y．-M．Lin和John A Sylvester在题为“用于ATM集成宽带交换系统的通信控制的优先级排队策略和缓冲器分配协议”的文章叙述了用作“部分缓冲器共享”的缓冲器类访问控制方法。
分别赋予一高一低两个优先级别之一的数据包都一起存放在一个缓冲器内。在将缓冲器投入服务之前，为每一个优先级别确定一个用于和缓冲器的占用度相比较的阈值。为高优先级别所用阈值所确定的值对应于缓冲器的最大占用度。基于理论上的通信计算，低优先级别所用阈值在零和缓冲器的最大占用度之间加以确定。
缓冲器建立为FIFO队列(先进先出)。有几个读出设备，用于每个从队列低端移出一个数据包。队列的低端包含那些首先写入队列的数据包。
高和低的优先级数据包按照预定的随机过程到达缓冲器。这些数据包按下法加以处理：
a)如它是一个高优先级别的数据包，同时缓冲器内尚有地方，则数据包被插入队列的高端。
b)如它是一个低优先级别的数据包，而缓冲器的占用度又低于该低优先级别的阈值所决定的大小，该数据包也插入队列的高端。否则的话，进入的数据包被抛弃，因此也就丢失了。
这种访问控制的方法导致这样的事实，即只有部分缓冲器空间对于两个优先级别的数据包都可用。对应于缓冲器的最大占用度和低优先级别所用阈值之间差别的那部分存储空间是为较高优先级别的数据包所保留的。这使得这些数据包的丢失概率低于低优先级别的丢失概率。
这考虑到下列事实：缓冲器总是比完全共享缓冲器使用得少一些，因此略为增加了总的丢失概率。
如果为高优先级别的数据包确保一个上限，在很多实际应用场合下缓冲器的使用将比这种安排所解释的使用情况低得多。
本发明的目的是在“部分缓冲器共享”的许多应用场合下改善缓冲器差的使用情况，因此减少所需缓冲器的大小。
为实现上述目的，本发明提供一种对缓冲器的访问进行控制的方法，在该缓冲器内每一个数据包赋予至少两个优先级别中的一个，并存放在一起，其中每个优先级别赋予一个阈值，用于和缓冲器的占用度进行比较，高优先级别的阈值大于或等于低优先级别的阈值，其中到达缓冲器的数据包的优先级别和数据包到达时的缓冲器的占用度都予以确定，其中占用度和赋予数据包的优先级别的阈值进行比较，以及其中依据于这个比较而作出决定，是否将数据包写入缓冲器或将它抛弃，其特征在于至少一个阈值是动态地加以控制的。
本发明还提供一种用于临时存储数据包的装置，其中每个数据包被赋予至少两个优先级别中的一个，该临时存储装置包括：用于存放有关每个优先级别所用阈值的数据的第一存储装置；用作缓冲器的第二存储装置；访问控制装置，设计成有能力接收数据包和将所述数据包输入到第二存储装置，同时还依据于从第一存储装置来的数据和有关第二存储装置的占用度的数据来作出决定，是否将输入数据包送入第二存储装置还是抛弃它们；以及一个或更多个用于从第二存储装置读出数据包的读出装置；该临时存储装置的特征在于第一存储装置设计成它内部的数据可以读取和改变，还在于该装置包括一个用于动态地改变第一存储装置中数据的控制器。
本发明还提供一种用于通信网络的交换装置，该交换装置用于传送赋予至少两个优先级别中的一个的数据包，该交换装置包括至少一个用于临时存放数据包的装置，该临时存放数据包的装置包括：用于存放有关每个优先级别所用阈值的数据的第一存储装置；用作缓冲器的第二存储装置；访问控制装置，设计成有能力接收数据包和将所述数据包输入到第二存储装置，同时还依据于从第一存储装置来的数据和有关第二存储装置的占用度的数据来作出决定，是否将输入数据包送入第二存储装置还是抛弃它们；以及一个或更多个用于从第二存储装置读出数据包的读出装置；该交换装置的特征在于：第一存储装置设计成它内部的数据可以读取和改变，还在于：临时存放数据包的装置包括一个用于动态地改变第一存储装置中数据的控制器。8．用于通信网络的交换装置，该交换装置用于传送赋予至少两个优先级别(P1，P2)中的一个的数据包(D1，D2)，该交换装置包括至少一个用于临时存放数据包(D1，D2)的装置，该临时存放数据包的装置包括：用于存放有关每个优先级别(P1，P2)所用阈值的数据的第一存储装置(MEM1)；用作缓冲器的第二存储装置(MEM2)；访问控制装置(ZUG)，设计成有能力接收数据包(D1，D2)和将所述数据包(D1，D2)输入到第二存储装置(MEM2)，同时还依据于从第一存储装置(MEM1)来的数据和有关第二存储装置(MEM2)的占用度(MEMS)的数据来作出决定，是否将输入数据包(D1，D2)送入第二存储装置(MEM2)还是抛弃它们；以及一个或更多个用于从第二存储装置(MEM2)读出数据包(D1，D2)的读出装置(B1，B2)；该交换装置的特征在于：第一存储装置(MEM1)设计成它内部的数据可以读取和改变，还在于：临时存放数据包的装置包括一个用于动态地改变第一存储装置(MEM1)中数据的控制器(REG1；REG2)。
本发明基于以下认识：由于低优先级别的阈值不能最佳地调整，因此缓冲器的使用情况差劣。最佳的阈值决定于输入和输出通信的要求和特性。然而，在很多情况下这是无法预测的，而且随着时间的推移而变化。由于这个原因，低优先级别的阈值是动态地调整的，因而能最佳地安排缓冲负载。
在下面利用配置例子和附图将本发明加以解释。
图1是用于临时储存第一配置例中的数据包的根据本发明的第一装置的框图。
图2是用于临时储存第二配置例中的数据包的根据本发明的第二装置的框图。
第一个例子描述用于临时储存数据包的根据本发明的装置内根据本发明的方法的使用，其中每个数据包属于两个优先级别中的一个。
图1包括存储器MEM1，缓冲器MEM2，访问控制单元ZUG，两个读出装置B1和B2和控制器REG1。
两个数据包括D1和D2到达访问控制单元ZUG。
访问控制单元ZUG为控制器REG1提供数个可用的信号，另外依据提供有关缓冲器MEM2的占有度MEMS信息的数据和从存储器MEM1来的数据，作出判断，是否将输入数据包写入缓冲器MEM2。缓冲器MEM2中的数据包由读出装置B1和B2从缓冲器MEM2读出。存储器MEM1中的数据可由控制器REG1读出和改变。
数据包D1和D2很像通信网络中交换信息用的那种数据包。它们带有识别信号，用于标示它们所赋予的优先级别，数据包D1被赋予优先级别P1和数据包D2被赋予优先级别P2。本列中P1对应于高的而P2对应于低的优先级别。
此外，还可能让数据包D1和D2具有不同形式或应用。例如，这样的数据包可以代表数据处理系统中等待进程的上下文。
缓冲器MEM2建立为FIFO队列。然而，其他缓冲原理，例如较短数据包应先读出的原理，是可以设想的。
缓冲器MEM2的占有度MEMS是队列中所占用空间的数量的量度。此信息送至访问控制单元。
存储器MEM1包含两个阈值，有助于访问控制单元ZUG比较缓冲器MEM2的占用度MEMS。第一个阈值赋予高优先级别P1。此值用于缓冲器MEM2的最大占用度。当缓冲器MEM2的占用度MEMS一达到此值时，这就意味着缓冲器已满。
第二个阈值赋予低优先级别P2。它被定在一个值，此值介于赋予高优先级别的阈值和对应于空缓冲器MEM2的值之间。此阈值由控制器REG1动态地加以改变。
也有可能调整第一阈值。例如，未用过的存储单元可使之用于其他功能单元。
访问控制单元ZUG接收输入数据包，并决定每一个这些数据包应赋予哪一个优先级别。它随后将缓冲器MEM2的占用度MEMS和从存储器MEM1来的阈值加以比较，该阈值被赋予相应数据包的优先级别。
此例中它将用于数据包D1的第一阈值、用于数据包D2的第二阈值和缓冲器MEM2的占用度MEMS加以比较。
如占用度MEMS低于阈值，数据包送入缓冲器MEM2。如果不是这种情况，它即被抛弃。对于数据包D1而言，这意味着只当缓冲器MEM2满时它才被抛弃。而数据包D2则较早即被抛弃，即当占用度MEMS达到存储器MEM1中所存的第二阈值时，D2即被抛弃。
还有，其他方法也可设想：例如，输入数据包的长度也可在决策中起一定作用。
控制器REG1包括两上计数器COUNT1和COUNT2，两个比较器COMP1和COMP2，一个控制单元CONTR1和一个或连接元件。
每一个计数器COUNT1或COUNT2都有一个计数输入端INC1或INC2，一个复位输入端RESET1或REST2。控制单元CONTR1改变存储器MEM1中低优先级别P2的阈值。它有两个输入端DEC3和INC3。当输入端DEC3有脉冲时，它减低阈值，而当输入端INC3有脉冲时，则增加阈值。如两个输入端DEC3和INC3同时都存在脉冲，则阈值不改变。访问控制单元ZUG给出事件信号HPLO，HPAC，HPAR和LPAR，可供控制器使用。这些信号以脉冲形式传送信息，用来描述一定事件。
因此，当具有高优先级别P1的数据包或具有低优先级别P2的数据包到达访问控制单元ZUG时，事件信号HPAR和LPAR产生一个脉冲。因而事件信号HPAR是较高优先级别输入信息的幅值的度量，而事件信息LPAR则是低优先级别的度量。
事件信号HPLO控制计数器COUNT1的复位输入端RESET1而事件信号HPAC则控制其计数输入端INC1。当复位输入端RE-SET1有脉冲时，计数器COUNT1清零。比较器COMP1将计数器COUNT1的读数和参考值V1进行比较。如读数高于此值，则计数器COUNT1请零，于是或连接单元向控制单元CONTR1的计数输入端INC3送去脉冲。
事件信号LPAR控制计数器COUNT2的计数输入端INC2，而事件信号HPAR则控制其复位输入端RESET2。当计数输入端INC2有脉冲时，计数器COUNT2加1，当复位输入端RESET2有脉冲时，计数器清零。比较器COMP2将其读数和参考值V2加以比较。如果计数值大于参考值V2，则计数器COUNT2清零，因而或连接单元向控制单元CONTR1的计数输入端INC3送出一个脉冲。
两个参考值V1和V2用于调整高优先级别数据包的丢失概率。在本例中，参考值V1调整到理想丢失概率值的倒数值，而参考值V2则调到该值的十分之一左右。
控制单元CONTR1的输入端DEC3由事件信号HPLO控制。这导致控制器REG1具有如下功能。
事件信号HPLO和HPAC决定高优先级别P1数据包的丢失概率。丢失这一个数据包将使低优先级别的阈值减少。如果对应于参考值V1的数个这样的数据包不被依次抛弃，该阈值即增加。在由高优先级别P1数据包丢失概率决定的这一点上，被控制的阈值变成暂态的。
事件信号LPAR和HRAR决定了高和低优先级别的输入数据包之间的通信状态，被控制的阈值随着低优先级别数据包的繁忙通信而增加，这可由下列事实看出：有一系列对应于参考值V2的低优先级别数据包连续到达访问控制单元ZUG。然而，如果一个高优先级别P1数据包同时丢失了，则被控制阈值不改变。
利用事件信号LPAR和HPAR的附加控制也可忽略。它只为高优先级别P1数据包的一小部分改善控制器REG1的动态特性。
本例显示数据包的临时存储器中阈值的控制，每个数据包属于两个优先级别中的一个。
还可能扩展第一个例子的装置，其中数据包属于多于两个优先级别中的一个。这需要存储器MEM1中应有更多的阈值，这些阈值由类似于控制器REG1的控制器加以改变。
再有，还可设想只动态地改变一个阈值。
第二个例子也描述了根据本发明的方法用于在根据本发明的装置内临时存储数据包。
图2描述了一个存储器MEM1，一个缓冲器MEM2，一个访问控制单元ZUG，两个读出装置B1和B2，一个控制器REG2和两个输入数据包D1和D2。
除了控制器以外，第二个例子中的装置和第一例中的相似。因为这个理由，这里只解释控制器REG2的功能。
控制器REG2有一个计数器COUNT3，三个比较器COMP3，COMP4，COMP5，一个反相器NOT(“非”)，一个AND(“与”)门和一个控制单元CONTR2。计数器COUNT3有一个计数输入端INC4和一个复位输入端RESET4。控制单元CONTR2有两个输入端DEC5和INC5。
缓冲器的占用度MEMS和一个事件信号HPAR+LPAR是控制器REG2的输入数据。该信号以脉冲形式传送信息，每当高或低优先级别的数据包到达时，访问控制单元ZUG即产生上述脉冲。
时钟来的定时信号也可用来代替事件信号HPAR+LPAR。
比较器COMP3将占用度MEMS和参考值V3加以比较。如占用度MEMS超过参考值V3，则通过输入端DEC5使控制单元CONTR2减少控制单元CONTR2中被控制阈值。比较器COMP4将占用度MEMS和参考值V4加以比较。如占用度MEMS高于参考值V4，则由反相器NOT将计数器COUNT3清零。如它略低或相等，则当计数输入端INC4出现一个脉冲时，计数器COUNT3即加1，此输入端由事件信号HPAR+LPAR加以控制。计数器COUNT3的读数和参考值V5加以比较。一旦读数超过参考值V5，计数器即清零，并通过输入端INC5使控制单元CONTR2增加被控阈值。
三个参考值V3、V4和V5决定了高优先级别数据包的丢失概率。当选择了两个参考值V3和V4后，有一项限制，即V3应大于V4，但应小于缓冲器的最大占用度。当缓冲器MEM2的存储容量是16个数据包，而数据包的负指数通信特性和高优先级别数据包的通信部分的偏差值介于25％和50％之间时，参考值V3设为12左右，参考值V4设为大约6和参考值V5设为100左右，此时丢失的概率如为2×10-5。
在第二例子中，当占用度MEMS超过对应于参考值V3的第一阈值时，被控制阀值即减少，当占用度MEMS一直低于第二阈值时被控制阈值即增加，该第二阈值对应于参考值V4，而在一串数据包连续到达时，它对应于参考值V5。
根据本发明的方法在ATM交换操作中的最佳使用在第三例中加以解释。
在由耦合单元执行的交换操作之前、之后或其中，输入数据包临时存放在这类交换装置中。数据包到达或离开的每条线都需要一个临时存储器。根据本发明的装置在这些单元内用于临时储存数据包。这有个优点，即能为高优先级别的数据包确保丢失概率的上限。

Claims (8)

1．控制对缓冲器(MEM2)访问的一种方法，在该缓冲器内每一个数据包(D1，D2)赋予至少两个优先级别(P1，P2)中的一个，并存放在一起，其中每个优先级别(P1，P2)赋予一个阈值，用于和缓冲器(MEM2)的占用度(MEMS)进行比较，高优先级别(P1)的阈值大于或等于低优先级别(P2)的阀值，其中到达缓冲器(MEM2)的数据包(D1，D2)的优先级别(P1，P2)和数据包(D1，D2)到达时的缓冲器(MEM2)的占有度(MEMS)都予以确定，其中占有度(MEMS)和赋予数据包(D1，D2)的优先级别(P1，P2)的阈值进行比较，以及其中依据于这个比较而作出决定，是否将数据包(D1，D2)写入缓冲器(MEM2)或将它抛弃，其特征在于至少一个阈值是动态地加以控制的。
2．权利要求1所要求的方法，其特征在于：用于控制时，一个或更多优先级别(P1，P2)的数据包(D1，D2)的丢失概率被确定和估值；其特征在于：为此目的，下列两个事件被确定并计数，具体说，一个数据包(D1，D2)写入缓冲器(MEM2)，和一个数据包(D1，D2)被抛弃。
3．权利要求1所要求的方法，其特征在于：用于控制时，一个或更多优先级别(P1，P2)的数据包(D1，D2)所形成的输入通信被定量地确定；其特征在于：为此目的，数据包(D1，D2)到达缓冲器(MEM2)这一事件被确定并计数。
4．权利要求1所要求的方法，其特征在于：用于控制时，在不同时间确定缓冲器(MEM2)的相应的占用度(MEMS)。
5．用于临时存储数据包(D1，D2)的装置，其中每个数据包被赋予至少两个优先级别(P1，P2)中的一个，该临时存储装置包括：用于存放有关每个优先级别(P1，P2)所用阈值的数据的第一存储装置(MEM1)；用作缓冲器的第二存储装置(MEM2)；访问控制装置(ZUG)，设计成有能力接收数据包(D1，D2)和将所述数据包(D1，D2)输入至第二存储装置(MEM2)，同时还依据于从第一存储装置(MEM1)来的数据和有关第二存储装置(MEM2)的占用度(MEMS)的数据来作出决定，是否将输入数据包(D1，D2)送入第二存储装置(MEM2)还是抛弃它们；以及一个或更多个用于从第二存储装置(MEM2)读出数据包(D1，D2)的读出装置(B1，B2)；该临时存储装置的特征在于第一存储装置(MEM1)设计成它内部的数据可以读取和改变，还在于该装置包括一个用于动态地改变第一存储装置(MEM1)中数据的控制器(REG1；REG2)。
6．权利要求5所要求的装置，其特征在于控制器(REG1；REG2)对至少一个定时信号有一个输入端。
7．权利要求5所要求的装置，其特征在于：访问控制装置(ZUG)设计成能产生至少一个事件信号(HPLO，HPAC，LPAR，HPAR；HPAR+LPAR)，这些事件信号由数据包(D1，D2)到达时刻或抛弃时刻所确定，以及控制器(REG1；REG2)对至少一个这样的事件信号(HPLO，HPAC，LPAR，HPAR；HPAR+LPAR)具有一个输入端。
8．用于通信网络的交换装置，该交换装置用于传送赋予至少两个优先级别(P1，P2)中的一个的数据包(D1，D2)，该交换装置包括至少一个用于临时存放数据包(D1，D2)的装置，该临时存放数据包的装置包括：用于存放有关每个优先级别(P1，P2)所用阈值的数据的第一存储装置(MEM1)；用作缓冲器的第二存储装置(MEM2)；访问控制装置(ZUG)，设计成有能力接收数据包(D1，D2)和将所述数据包(D1，D2)输入到第二存储装置(MEM2)，同时还依据于从第一存储装置(MEM1)来的数据和有关第二存储装置(MEM2)的占用度(MEMS)的数据来作出决定，是否将输入数据包(D1，D2)送入第二存储装置(MEM2)还是抛弃它们；以及一个或更多个用于从第二存储装置(MEM2)读出数据包(D1，D2)的读出装置(B1，B2)；该交换装置的特征在于：第一存储装置(MEM1)设计成它内部的数据可以读取和改变，还在于：临时存放数据包的装置包括一个用于动态地改变第一存储装置(MEM1)中数据的控制器(REG1；REG2)。
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