CN1169327C - 一种估算协议数据单元交换性能的数据交换节点及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了估算的方法和设备，用于估算数据交换设备在处理和传送、延迟、抖动和损失敏感数据流方面的性能。所述设备包括接收跟踪记录和发送跟踪记录，所述方法包括接收和发送跟踪记录的检查，以估算数据交换设备的性能。优点包括数据传送等待时间估计、数据传送抖动和数据片段损失的可用性，以便能够提供流动数据服务。

Description

一种估算协议数据单元交换性能的数据交换节点及方法

技术领域

本发明涉及一种经数据传送网络的数据传送，特别是涉及一种提供传送延迟敏感数据服务的性能估算的方法和设备。

背景技术

在电信领域中，越来越需要流动数据服务。流动数据服务包括：音频、视频和数据流。

音频流通常被称作话音服务，包括：随处可见的简易老式电话服务(POTS)，音频会议，无线电等。POTS服务经由本地环路传送，该本地环路是从本地交换电话转换器连接到每个电话站的一对铜线。一组互联的电话转换器组成所谓的电话网络。然而最近的趋势趋向于无线电话机。音频会议是根据使用需要经由电话交换服务提供的。无线电服务直到最近仍然经由自由空间无线电波传送。

视频流服务包括：电视节目，视频会议和最近的视频点播。电视节目最初并且现在仍然是经由自由空间无线电波传送，但是最近越来越经由包括有线电视的有线服务来传送。无线电也越来越多地经由诸如有线电视的有线服务来传送。

也许视频会议的最普通供应方法包括使用采用了反向多路技术的铜线对的组合，以便经多路本地回线联接传送所需的带宽，因此经由电话网的多电话联接来传送所需的带宽。

视频会议的电话系统的使用可能指出了在提供低抖动的专用电路时电话网的最具代表性的特性。然而，电话系统被认为具有遍及各地的范围，因此需要花费大量基础结构费用进一步扩展。自由空间无线电波、广播媒介通过频率复用数据传送共享这种特性，但是受限于有限的范围和天气条件。有线电视网通过管道化共享上述特性。有线电视网的扩展包括基础结构费用。有线电视网络最初只是广播媒介，但是最近已经提供能够进行电视文本和视频点播服务的双路通信。

到目前为止，依据上述描述的最灵活和最可重新配置的是电话网。在通过公知的电路交换方法连接到本地环路的POTS终端之间可以建立专用联接。电话系统的带宽利用被认为是第二最佳利用，电话网的最广泛使用是人对人话音通信。话音通信具有40％的活动性，导致可用专用带宽的60％浪费。

电话系统通过冗余还被设计为容错。通过使用冗余电话转换器、被称作电话干线的冗余交互电话交换线路、按地理分散方式部署的电话干线，可以实现冗余实施。

最近几十年受益于电信服务增加的需求，特别是受益于数据服务。寻找以低成本、可靠方式提供数据服务的技术方案。该可靠性是通过以下方式提供的：在数据传送网络中使用所谓的数据分组交换技术，其中，保证数据传送分段松散进入被称为数据包的协议数据单元(PDU)。术语数据包的使用非常普遍，尽管在技术上它未包括所有的数据传送技术，比如单元交换和帧数据传送。在本说明书中，数据包交换被理解为是指PDU交换。

PDUs中的传送数据的分段确保带宽的最佳利用。传送可靠性是通过在数据传送网络中的每个PDU的独立路由选择提供，其中包括绕过有故障的数据传送设备向PDU标题指定的目的地数据网络节点的PDUs的路由选择。经由数据网络节点之间互连网可提供经过数据传送网络的可选择数据路径。

相对于曾经建立通信话路并且冗余电路在热备用基础上可以利用的电话网中的电路交换，由于每个PDU的连续独立的路由选择，数据包交换的最普通的形式是以无连接数据传送为特征。每个PDU的独立路由选择在数据传送时增加了一可测延迟。

数据包交换数据传送的最普通的形式还以最高劳动强度为特征。由于数据网络节点被结网互连，PDUs可能被丢弃，以避免PDUs循环和/或防止为发现到达预期目的地的路由而进行过长时间搜索。可通过PDUs的重发来提供可靠传送。然而，通过使用这些方法，PDUs招致传送延迟。由于组成的PDUs的传送时间的差异，数据流被说成是处于抖动。

这些年来，数据传送网络已经享受到迅猛的推广应用，以及供电话网使用的已安装的基础通道。数据传送网络的推广应用、维护以及操作成本比较低，将灵活扩展能力、带宽的迅猛增加、以及新服务的快速实施和传递结合在一起；对把数据包交换技术认为是数据输送手段的传统通信服务，包括上述的流动数据服务造成压力。该压力还来自通信服务提供商需要消除分散网络的维护和管理。

数据传送延迟和抖动的来源是数据传送网络(比如数据交换节点)中使用的数据交换设备。每个PDU的独立路由选择包括大量的处理。通过提供被称作为虚拟电路的数据传送路径的先验定制，数据网络设备、数据传送协议以及PDU交换方法已经被发展成模拟电路交换。然而，尽管提供了高带宽的经济实用的数据传送网络，但是上述现有技术没有提供端对端解决方案。随着在数据传送网络的边缘需要越来越高的带宽，也许在不久的将来将实施这些端对端的解决方案。由于目前数据传送网络还保留数据网络主干方案，因此，需要在现有设备上实施临时的端对端解决方案。

经数据包交换技术传送流动数据服务的当前努力包括基于IP的话音(VoIP)服务，但不限于此。也许最受支持的数据传送协议之一是互联网协议(IP)，这也许是最灵活的技术，并且最明确具有达到被称之为互联网的普遍应用的国际数据传送网络的边缘的最高市场渗透。作为数据传送协议，比如异步传送模式(ATM)、同步光分层(SONET)、帧中继等是现存的并且被使用。这些数据传送协议致力于数据传送网络的高带宽操作，这使得其成为干线网的理想协议。当前，流动数据服务通过这些高带宽数据传送协议来提供，但是需要进一步发展以支持经由IP协议的流动数据服务。

流动数据服务的传送，不论音频流用于：电话服务、音频会议、互联网无线电；不论视频流用于：视频电话服务、视频会议、互联网电视等；或者数据流动用于：电视文本、新闻服务、证券报价服务等；都包括数据传送协议和硬件电平支持。

与数据传送技术无关，PDUs以最大传输速率在数据网络节点之间的数据链路上传送，并且出现唯一的数据传输延迟。有关文献已经描述了诸如VoIP的数据传送协议的改进。PDUs的低效率路由选择导致传递PDUs的延迟，并且是本说明书的主题。

如上所述，尽管存在大量的流动数据服务，并且将来肯定将开发和提供更多的流动数据服务，但是所有这些服务通过延迟敏感来分类，其原因在于每种服务的特性：音频流延迟敏感——影响辨别语音的能力，视频流延迟敏感——影响辨别运动图象的能力，数据流动延迟敏感——影响对传送信息(例如，证券报价服务)适时反应。音频流和视频流还对抖动敏感，数据流动对此相对不敏感。

在某种程度上，这些流动数据服务还对PDU损失敏感：因为人类听觉系统利用会话上下文(参考，噪声部分)弥补声音片段的损失的能力，与视频流动相比，音频流动受到影响较小。因为对于其供应和每个PDU中传递的数据量需要的高带宽，视频流动对PDU相对更敏感。视频数据编码协议不足以发展到提供考虑到若干序列视频帧的PDUs的完全损失为目标的救助。数据流动(证券报价)不容忍PDUs的损失，但是，相比于音频流动和视频流动，通过要求较低的传送带宽，减轻了负荷。

因此，需要发展在提供流动数据服务(但不限于此)的延迟敏感数据服务时，实时估算数据网络设备性能的方法和设备。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种估算数据交换节点的处理性能的方法。该方法包括一系列步骤。从每个接收的PDU中提取PDU标题信息。向接收跟踪记录中的项填充提取的信息和时间标记。由数据交换节点的交换功能处理PDU。向发送跟踪记录中的项填充从交换功能得到的信息和时间标记。根据接收和发送跟踪记录项中保存的信息估算数据交换节点的处理性能。

根据本发明的另一个方面，提供了一种适于估算其交换性能的数据交换节点。该数据交换节点包括：一个PDU分类器，该分类器从经由多个与数据交换节点相关联的端口接收PDU并提取所接收的PDU的标题信息；一个具有诸多项的接收跟踪记录，该接收跟踪记录与PDU分类器相关联，每个接收跟踪记录项说明关于一个对应的被接收的PDU的标题信息及接收该PDU的时间；一个交换功能，该交换功能与PDU分类器相关联并处理所接收的PDU；一个具有诸多项的发送跟踪记录，该发送跟踪记录与交换功能相关联，每个发送跟踪记录项说明关于一个对应的被处理的PDU的标题信息及该PDU被处理时的时间；一个处理器，该处理器与接收和发送跟踪记录相关联并利用跟踪记录项中存储的时间和标题信息来估算交换功能的性能。

本发明的优点得自于可对使流动数据服务能够得以提供的数据传送等待时间、数据传送抖动以及数据片段损失进行评估。

附图说明

通过下面结合附图对本发明优选实施例的详细说明，将会使本发明的特点和优点变得更加清楚。

图1是表示根据本发明优选实施例的实现一个数据交换节点的部件的方框图，在传送流动数据服务PDUs时该数据交换节点提供性能的实时估算。

需要注意的是在附图中相同的功能部件具有一样的标记。

具体实施方式

数据交换节点100对经由广域网(WAN)端口104、局域网(LAN)端口106接收的PDUs执行交换功能102；或者对经由CPU端口110的处理器(CPU)108生成的PDU执行交换功能102。

WAN端口104代表具有较高数据通过量的干线侧数据传送接口。LAN端口106代表具有比较适中的数据通过量的分布侧数据传送接口。数据交换节点100将经由LAN端口106接收的数据通过量聚集到WAN端口104上，并且将从WAN端口104接收的数据通过量解聚集到LAN端口106。本发明不限于所示的端口104/106/110的数量。此外，当WAN端口104传送支持VoIP的音频流时，它可以包括对时分多路复用(TDM)数据传送协议的支持。

PDU分类器112用来检查每个PDU和提取支持交换功能102的标题信息114，以及识别支持性能估算功能的每个PDU。

根据本发明，性能估算功能是经由显示为循环接收跟踪缓存器120(根据优选实施例)的接收跟踪记录提供的。接收跟踪记录包括项122，具有以最小量分别说明的字段说明符：一个说明存储器地址的PDU指针124，在该存储器地址上存储了用于在PDU处理缓存器150中进行处理的对应PDU；一个经由其接收PDU的源端口126；和一个与接收跟踪记录120关联的时间标记功能130提供的时间标记128。也可以存储其他信息，其中包括(但不限于此)：一个由确定PDU所传向的输出端口104/106/110的交换功能102使用的目的地前后关系140。根据所使用的数据传送协议，接收跟踪记录120中的项122包括识别每个流动数据服务PDU的最小信息。

实施接收跟踪记录120时使用的循环缓存器的长度N可以通过在其开发时指定的数据交换节点100的PDU处理通过量来确定，其长度可以通过管理控制台人工设定和/或经由较高级性能估算处理(未示出)监控和调整。

循环接收跟踪缓存器120具有索引132，以保持在接收每个PDU时将要被填充的下一个项的跟踪。

提取的PDU标题信息114也被供应给队列管理器152，使所接收的PDUs根据特性归入各自的处理队列，并且使处理缓存器150中的PDUs的处理列入优先地位154。交换功能102为处理缓存器150中的每个PDU确定目的地端口104/106/110。PDU处理的方法已经在有关文献中说明。

PDU处理是时间密集作业，并且在PDUs的整个端对端传送中产生了被称之为处理延迟的延迟。当由于关联的PDU标题信息114中说明的处理优先权而使交换功能102可能不按PDUs接收的顺序处理PDUs时，PDU处理的列为优先154在PDUs的端对端传送时产生一抖动。

根据本发明，发送跟踪记录160用来估算处理等待时间、抖动和PDU损失，以确定处理PDUs的效率。发送跟踪记录160最好被实施为一个循环发送跟踪缓存器，但不限于此。循环发送跟踪缓存器160存储项122，并且与时间标记功能162相关联，该时间标记功能填充在每个PDU的处理之前由索引指针164所指向的项122。

发送跟踪记录160的项122可以包括目的地前后关系字段140中的目的地端口标志104/106/110。丢弃的PDUs在发送跟踪记录160中将没有对应的项122，或者对应的发送跟踪记录160中的项122可以通过存储目的地前后关系字段140中的保留值来说明该PDU已被丢弃。

在数据交换节点100的性能估算中，CPU 108使接收跟踪记录120和发送跟踪记录160中的项122相关170，以确定出现在每个PDU处理中的等待时间、抖动和/或丢弃。通过比较保存在对应项122的时间标记说明符128中的时间标记值，来确定处理等待时间。通过比较与数据流关联的PDUs的处理等待时间的顺序，来确定与特定数据流关联的PDUs的处理抖动。

处理器108按常规方式执行性能估算，这些常规方式包括：基于编制的进程以及每个PDU的发送。检查跟踪记录120/160以执行性能估算的速率与数据交换节点100的PDU处理速率相匹配，否则性能估算处理就是无效的，丧失了提供实时准确和精确性能估算的能力。

提供数据交换节点100操作的调试模式，根据该模式：数据交换节点100经历的差错条件触发接收120和发送160跟踪缓存器的检查，以确定先于差错条件出现的事件。

所述的实施例仅仅是实例，并且本领域的熟练技术人员将会明白，在不背离本发明精神的条件下，可作出对上述实施例的各种变化。

Claims (27)

1、一种估算协议数据单元(PDU)交换性能的数据交换节点，包括：

a.一个PDU分类器，该分类器从经由多个与数据交换节点相关联的端口接收PDU并提取所接收的PDU的标题信息；

b.一个具有诸多项的接收跟踪记录，该接收跟踪记录与PDU分类器相关联，每个接收跟踪记录项说明关于一个对应的被接收的PDU的标题信息及接收该PDU的时间；

c.一个交换功能，该交换功能与PDU分类器相关联并处理所接收的PDU；

d.一个具有诸多项的发送跟踪记录，该发送跟踪记录与交换功能相关联，每个发送跟踪记录项说明关于一个对应的被处理的PDU的标题信息及该PDU被处理时的时间；

e.一个处理器，该处理器与接收和发送跟踪记录相关联并利用跟踪记录项中存储的时间和标题信息来估算交换功能的性能。

2、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中数据交换节点还包括一个定时器。

3、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中每个跟踪记录包括一个存储跟踪记录项的循环缓存器。

4、根据权利要求3所述的数据交换节点，其中每个循环缓存器包括一个说明下一将要被填充的跟踪记录项的索引指针。

5、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中与每条跟踪记录相关联的跟踪记录项的数目是对应于所设计的数据交换节点的PDU处理容量而预先指定的。

6、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中与每条跟踪记录相关联的跟踪记录项的数量是可变的，记录项的数量可通过手工设置、管理控制台和较高级协议之一来调整，所述的较高级协议对可用于数据交换节点的当前PDU处理容量的资源进行最优化。

7、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中每个接收跟踪记录项还包括说明符，该说明符保存以下内容：

a.一个表示对应的PDU已经接收到的时间的时间值；和

b.对应于所接收的PDU的识别信息。

8、根据权利要求7所述的数据交换节点，其中对应于所接收的PDU的识别信息还包括一个等待处理PDU的存储位置说明。

9、根据权利要求7所述的数据交换节点，其中对应于所接收的PDU的识别信息还包括一个接收PDU的端口的说明。

10、根据权利要求7所述的数据交换节点，其中对应于所接收的PDU的识别信息还包括对应于所接收PDU的目的地前后关系的说明。

11、根据权利要求1所述的数据交换节点，其中发送跟踪记录项还包括说明符，该说明符保存以下内容：

a.一个表示对应的PDU已经处理的时间的时间值；和

b.对应于所处理的PDU的识别信息。

12、根据权利要求11所述的数据交换节点，其中对应于所处理的PDU的识别信息还包括一个等待处理PDU的存储位置说明。

13、根据权利要求11所述的数据交换节点，其中对应于所处理的PDU的识别信息还包括一个接收PDU的端口的说明。

14、根据权利要求11所述的数据交换节点，其中对应于所处理的PDU的识别信息还包括一个对应于所处理的PDU的目的地前后关系的说明。

15、根据权利要求14所述的数据交换节点，其中对应于所处理的PDU的目的地前后关系的说明包括一个端口，PDU经由该端口被传送到一个预期目的地。

16、根据权利要求14所述的数据交换节点，其中对应于所处理的PDU的目的地前后关系包括一个PDU将被丢弃的说明。

17、一种估算数据交换节点传送协议数据单元(PDUs)的处理性能的方法，包括以下步骤：

a.从所接收的PDU中提取PDU标题信息；

b.填充数据交换节点所保存的接收跟踪记录中的一个项；

c.处理所接收的PDU；

d.填充数据交换节点所保存的发送跟踪记录中的一个项；

e.基于跟踪记录项中保存的信息估算处理性能。

18、根据权利要求17所述的方法，其中向跟踪记录项中的一个项填充信息，该方法进一步包括步骤：向一个PDU指针项填充一个表示对应的PDU的暂时存储位置的值。

19、根据权利要求17所述的方法，其中向发送记录项中的一个项填充信息，该方法进一步包括步骤：向发送跟踪项填充表示在PDU丢弃情况下所丢弃的PDU的信息。

20、根据权利要求19所述的方法，其中估算数据交换节点的性能，该方法还包括步骤：计算对应于数据交换节点所传送的每一数据流的PDU丢弃说明。

21、根据权利要求19所述的方法，其中估算数据交换节点的性能，该方法还包括步骤：计算对应于数据交换节点的当前操作状态的PDU丢弃说明。

22、根据权利要求17所述的方法，其中向一个接收跟踪记录项填充信息，该方法进一步包括步骤：向与接收跟踪项相关联的时间标记说明符填充表示PDU被视为接收的时间的时间值。

23、根据权利要求18所述的方法，其中向一个发送跟踪记录项填充信息，该方法进一步包括步骤：向与发送跟踪项相关联的时间标记说明符填充表示PDU被处理的时间的时间值。

24、根据权利要求22所述的方法，其中估算处理性能，该方法还包括步骤：通过计算对应于PDU的接收跟踪记录项与发送跟踪记录项中保存的时间标记值之间的差值来确定PDU处理延迟。

25、根据权利要求23所述的方法，其中估算处理性能，该方法还包括步骤：通过计算由对应的PDU导致的PDU处理延迟平均值，确定出现在数据交换节点上的平均PDU处理延迟。

26、根据权利要求23所述的方法，其中估算处理性能，该方法包括：通过确定由多个与数据流相关联的PDUs造成的PDU处理延迟的分布，确定数据流的PDU传送抖动。

27、根据权利要求23所述的方法，其中估算处理性能，该方法还包括步骤：通过确定由数据交换节点传送的多个PDUs所造成的PDU处理延迟的分布，确定数据交换节点的PDU传送抖动。