CN1373980A

CN1373980A - 利用常规网络节点交换机管理与各种业务质量原则相关联的数据业务的系统和方法

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Publication number: CN1373980A
Application number: CN99814255.7A
Authority: CN
Inventors: 马蒂·K·凯基; 朱塞·P·O·鲁图
Original assignee: Nokia Networks Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2002-10-09
Also published as: AU2478600A; JP2004506343A; US6411617B1; WO2000035240A9; EP1135963A1; WO2000035240A1

Abstract

将具有第一业务质量的第一数据包通过设计用于传输具有第二业务质量的第二数据包的网络系统传输的一种方法和系统。该网络系统包括多个网络节点,各个网络节点包括一个网络交换机。将来自各个网络交换机输入端口的第一数据包交换到该网络交换机的专用输出端口。在专用输出端口将网络节点拥塞控制应用于第一数据包,以按照它们各自的业务质量接受原则选择性接受或丢弃第一数据包。被接受的那些第一数据包被复用成一个或多个具有公共输出端口目的地的虚路径,将这些虚路径输入到网络交换机的专用输入端口。专用输入端口的虚路径被交换到公共输出端口目的地所识别的网络交换机的输出端口目的地。

Description

利用常规网络节点交换机管理与各种业务质量原则相关联的数据业务的系统和方法

本发明一般涉及网络通信系统，尤其涉及在设计用于基于第一业务质量原则(例如SIMA技术)发送和交换数据包的系统中基于另一业务质量原则(例如ATM技术)发送和交换数据包的一种方法和装置。

随着网络继续在全球迅速蔓延，远程计算系统之间数字内容的通信以天文速率增长。绝大部分商用个人电脑和教育机构的个人电脑都连接到网络，不断出现的网络技术的重要性随着大众蜂拥进入因特网领域而继续增加。在带宽有限但是在不断改进的阶段，数据、音频、图像、动态影像以及其它多媒体内容都在竞争传输可用性。

网络业务提供商，以及通信系统基础设施提供商遇到了提供必要带宽和质量业务的许多复杂问题。这些问题包括网络容量的管理、优先级定义、同时管理实时和非实时数据业务量，以及实现公正计费方案。这些问题中，许多问题的一种解决方案是使用基于包的数字数据传输，后者具有相关联的“业务质量”，例如称为异步传递模式(ATM)的传输技术。本领域中技术人员理解ATM所构成的通信网络概念理论上解决了前面提到的许多问题，例如通过提供管理网络负载增加的能力，同时支持实时和非实时应用，在特定环境下，确保提供的业务质量。

常规ATM业务体系结构一般具有多个预定义的业务质量分类，通常称为业务类别。各个业务类别包括多个业务质量(QoS)参数，这些参数定义了各个业务类别的特性。换句话说，指定的业务类别以ATM性能参数子集所指定的方式提供了ATM虚连接(VCC或VPC)的性能。后面引用的ATM论坛规范中定义的业务类别包括，例如固定比特率(CBR)类别、实时可变比特率(rt-VBR)类别、非实时可变比特率(nrt-VBR)类别、未指定比特率(UBR)类别，以及可用比特率(ABR)类别。

固定比特率业务类用于支持连接存在期间需要固定带宽量的实时应用。协商一种特定业务质量以提供CBR业务，其中QoS参数包括峰值信元率(PCR)、信元损失率(CLR)、信元传送时延(CTD)以及信元时延变化(CDV)的特性。常规ATM业务量管理方案确保维持用户合同所规定的QoS，以支持例如实时应用，例如电路模拟和话音/视频应用，这些应用要求时延变化必须在某一范围之内。

非实时VBR业务类用于支持非实时应用，其中结果网络业务量的特征在于经常有数据脉冲串。类似地，实时可变比特率业务类可以用于支持“脉冲串多发”网络业务量情况。rt-VBR业务类与nrt-VBR业务类的不同在于，前者用于支持实时应用，例如话音和视频应用。实时和非实时VBR业务类的特征都在于峰值信元率(PCR)、可支持信元率(SCR)以及最大脉冲串大小(MBS)。

未指定比特率(UBR)业务类通常称为“最佳效果业务”，它并没有指定与业务量相关的业务保证。这样，UBR业务类用于支持非实时应用，包括常规计算机通信应用，例如文件传送和电邮。

可用比特率(ABR)业务类利用反馈机制控制业务量速率，向用户提供可用带宽分配。这种反馈机制允许信元传输速率发生变化以控制或者避免业务量拥塞，更有效地利用可用带宽。资源管理(RM)信元先于数据信元传输，它从源点传送到目的点，然后再返回源点，以向源点提供业务量信息。

尽管上述当前ATM业务体系结构为通信业界目前遇到的许多问题提供了，至少在概念上提供了可行解决方案，但是目前定义的ATM需要实现一种复杂的业务量管理方案，才能满足当前正在考虑的各种ATM规范和建议所明确规定的目标。为了有效管理网络中的业务流，常规ATM业务量管理方案必须评估大量业务量情况指示器，包括业务类参数、业务量参数、业务质量参数等等。ITU-T建议I.371，题为B-ISDN中的业务量控制和拥塞控制，以及ATM论坛技术委员会所出版的业务量管理规范，版本4.0(aftm-0056.000，1996年4月)中给出了这些参数(不全)以及其它ATM业务量管理考虑。

尽管常规ATM业务量管理方案很复杂，当前ATM规范和建议还是无法充分解决业务提供商所需的这样一种方法，该方法用于对网络用户所用业务提供精确和可靠计费。即使假定能够开发出一种计算大部分或全部当前定义的ATM业务量管理特性的计费方法，这种方案也必须是非常复杂的，一般需要高度专业的运营者来管理。支持这种计费方案的高开销和维护成本可能需要转移给网络提供商，最终转移给网络用户。

本发明可以应用于包含基于优先级的业务质量的网络业务类。这种业务量此后称为简单集成媒质接入(SIMA)业务类，它提供了这样一种网络管理体系结构，该网络管理体系结构在概念和实现上都简单，却足以解决业务质量需求以支持多种网络业务，包括实时和非实时业务。它还用于实现对网络业务使用进行结算的简单有效的计费能力。

但是，已有网络基础结构不一定计算使用包括基于优先级的业务质量的SIMA业务类的数据传输。例如，网络节点中已有的ATM交换机并没有配置成基于SIMA业务类中实现的包优先级和允许的节点优先级来管理数据业务量，并且无法得到与SIMA业务类相关联的好处。

因此，通信业界需要一种网管方法和体系结构，它能够识别SIMA包，并在常规的非基于优先级的网络基础结构，例如ATM网络系统中，实现SIMA业务类所提供的业务量管理原则。本发明提供了针对现有技术的这些以及其他缺陷的一种解决方案，它比现有技术更具优越性。

本发明针对通过非SIMA网络传送SIMA信元的一种系统和方法。本发明可以用于常规网络交换机，例如ATM交换机，从而能够将网络上包含的SIMA业务量识别为标准ATM业务量(在涉及ATM交换机的情况下)。本发明使得能够在ATM连接上复用SIMA业务量，同时采纳使SIMA成为重要业务的业务质量原则。

按照本发明的一种实施例，给出了用于将具有第一业务质量的第一数据包通过设计用于传输具有第二业务质量的第二数据包的网络系统传输的一种方法。该网络系统包括多个网络节点，其中各个网络节点包括一个网络交换机。该方法包括将来自各个网络交换机输入端口的第一数据包交换到该网络交换机的专用输出端口。在专用输出端口将网络节点拥塞控制应用于第一数据包，以按照它们各自的业务质量接受原则选择性接受或丢弃第一数据包。被接受的那些第一数据包被复用成一个或多个具有公共输出端口目的地的虚路径，将这些虚路径输入到网络交换机的专用输入端口。专用输入端口的虚路径被交换到公共输出端口目的地所识别的网络交换机的输出端口目的地。

按照本发明的另一实施例，给出了一种用于通过常规非简单集成媒质接入(SIMA)网络系统传输SIMA信元的方法。非SIMA网络系统包括至少一个具有网络交换机的网络节点。该方法包括占用该网络交换机的各个输入端口中至少一条虚路径，以将SIMA信元传送到该网络交换机。从该网络交换机的各个输入端口中占用的虚路径被交换到该网络交换机的专用输出端口。按照预定义的SIMA优先级原则将网络节点拥塞控制应用于SIMA信元。在专用输出端口复用各个被占用的虚路径的虚信道，使得具有公共输出端口目的地的虚信道被一起连接到各个虚路径输出。各个虚路径输出连接到该网络交换机的专用输入端口，根据公共输出端口目的地交换到该网络交换机中它们各自的输出端口。

按照本发明的另一方面，提供一种能够在网络系统的两个或多个端单元之间传输基于包的SIMA和非SIMA信元的网络系统。该网络系统包括一个非SIMA网络交换机，用于复用基于包的信元，并在网络交换机的交换机输入端口和交换机输出端口之间根据信元地址寻址基于包的信元。该网络交换机包括一个专用输出端口，连接到至少一个输入端口，通过网络交换机接收SIMA信元，包括专用输入端口接收过滤之后的SIMA信元。该网络系统还包括一个交换机扩展模块，连接专用输出端口以接收SIMA信元，并连接到专用输入端口以将过滤之后的SIMA信元提供给专用输入端口。该扩展模块包括包过滤模块，它将SIMA拥塞管理原则应用于各个接收到的SIMA信元，产生过滤之后的SIMA信元。通过这种方式，可以利用非SIMA网络交换机毫无问题地交换SIMA信元。

图1的流程图说明了按照本发明在用户/网络接口和使用标称比特率业务的网络之间传送信元信息的一般过程；

图2是按照本发明的标称比特率业务体系结构的系统框图；

图3详细说明了在用户/网络接口和网络之间使用标称比特率业务传送信元信息的过程；

图4的流程图说明了网络节点以标称比特率业务过滤信元的一般过程；

图5的框图说明了在网络节点按照标称比特率业务过滤信元的一种系统实施例；

图6的框图说明了在网络节点按照标称比特率业务过滤信元的另一种系统实施例；

图7说明了一种网络配置，其中灯M网络支持按照本发明的SIMA复用；

图8是按照本发明的一种实施例在ATM交换机中使用的SIMA扩展器的框图；

图9说明了按照本发明的ATM SIMA扩展器的一种例示实现；

图10说明了按照本发明的SIMA扩展器的一种实施例；

图11是按照本发明一种实施例的信元调度和缓存单元(SBU)的图；以及

图12的流程图说明了将SIMA业务量导入ATM网络的实现方式一种实施例。

在下面描述的各个实施例中引用了附图，这些图是描述的一部分，其中通过说明给出的各个实施例中实现了本发明。需要理解，也可以实现其他实施例，在不偏离本发明范围的前提下，可以进行结构性和功能性改动。

本发明针对集成常规网络业务系统和简单集成媒质接入(SIMA)网络业务系统的系统和方法。SIMA业务模型具有ATM的基本特性，还有新业务概念，称为标称比特率或NBR业务中的8个优先级。NBR业务一般提供对不同连接的简单有效的网络容量划分，并对这些连接的使用进行计费。一个网络或者一组网络，例如因特网，可以与使用本发明原理的SIMA网络有效集成。

SIMA业务的典型实现利用了两个主要部分：接入节点和核心网络节点，它们具有根本不同的功能和职责。例如，接入节点可以是用户/网络接口，它完成测量各连接业务量的任务，根据源点的瞬间实际比特率(MBR)对该源点的标称比特率(NBR)的比率确定信元或包优先级。SIMA网络核心节点将SIMA包从输入转发到输出，根据包的优先级和核心节点的缓冲器的占有程度丢弃包。因此，核心节点不需要知道单个连接的任何特性。

SIMA网络的实现和优点可以以本申请和1997年3月20提交的系列号08/821273，题为“标称比特率网络业务”的共同未决美国专利申请中描述的方式确定，该申请授权给本申请的受让人，其内容并入此处以供参考。

按照本发明原理实现的网络允许SIMA网络与常规的未经修改的网络交换机，例如ATM网络交换机集成。承载SIMA业务量的ATM连接可以被复用，AMT信元根据SIMA的优先级原则丢弃。虽然按照本发明的SIMA集成方法和系统可以应用于任何不同的常规网络交换系统，但通过下面的图可以最好地得到对本发明原理的充分理解，其中按照本发明示出了用于ATM交换机的ATM SIMA扩展器(ASE)。

为了理解ATM/SIMA协作网络，首先描述SIMA标称比特率(NBR)概念。现在参看图1，其中示出了在网络/用户接口和网络之间通过NBR业务连接传送信息的一般方法。首先，用户与网络运营商协商或选择40标称比特率，这个过程可以在连接建立之前或者建立时进行。在一种实施例中，用户通知网络运营商需要某种NBR，并将请求的连接带宽分配给用户。根据该实施例，网络运营商不需要在建立或释放NBR连接之前完成分析核心网络节点中当前网络负载情况的任务。在一种可选实施例中，网络运营商在建立或释放NBR连接之前完成确定网络负载情况的任务，尽管该任务在正确规划的支持NRB业务的网络中并不是必要的。

根据特定应用的不同，用户选择42实时或非实时网络连接。确认各信元的优先级(PL)的处理包括在UNI测量选择的实时或非实时连接的44实际或测得比特率(MBR)，前述优先级指示了该信元相对于其他信元的重要性或严重性。各信元的优先级在UNI确定46。在本发明的一种实施例中，利用MBR对NBR的比率确定46PL。

在UNI计算各信元优先级之后，将这些信元传送48给网络，例如网络的某个节点。网络节点在收到从UNI来的信元之后，执行信元过滤处理，该节点通过它确定接受还是丢弃特定信元。信元过滤处理包括确定50网络节点的一个或多个缓冲器或者存储器的状态，以确定缓冲器或存储器的占用程度。该节点根据信元的优先级和节点缓冲器的状态接受或丢弃52信元。满足节点所确定的过滤条件的信元被接受，缓存，最终发送54到网络中的另一节点或者另一网络，其方式与该连接所期望的业务质量相吻合。

在图2中以框图形式给出的实施例中，示出了用户20，他通过UNI24与网络30通信。用户20与网络运营商22协商标称比特率。网络运营商22根据许多因素，包括与其他用户20协商的NBR，与网络中其他用户相关联的不同连接的数量和特性，影响网络容量和业务流的其素因子，评估用户的NBR请求。原则上，NBR可以为0，这种情况下，给通过UNI 24通信的所有信元网络中的最低优先级。在UNI 24中NBR值也可以大于传输容量。如果NBR值远大于传输容量，例如给从UNI 24发送的所有信元以网络30中的最高优先级。需要注意，这里定义的信元优先级在接受NBR业务概念的一个网络或者多个网络中都有意义。经过提供NBR业务的网络边界的信元，例如通过网络/网络接口(NNI)，可以按照其他网络所采用的业务管理策略进行处理。

与设计用于提供保证业务质量的常规网络业务不同，网络运营商22不保证用户协商的NBR的连续可用性。但是，正确规划的网络应当提供充分的带宽以实质上确保，尽管没有保证，已经建立的NBR的可用性。需要注意，通过相同NBR发送数据的所有用户得到大致相同的业务质量。

与网络运营商22建立NBR之后，允许用户20将信息通过网络30传送到所需目的地36。测量单元26测量在UNI 24和网络30之间通信的各个信元的实际或瞬时比特率(即MBR)。在信元离开从UNI 24之前，优先级计算单元28利用协商的NBR和MBR确定信元的优先级。按照一种实施例，可以为给定信元指定8种优先级中的一种。优先级计算单元28通过计算MBR对NBR的比率，确定特定信元的优先级。计算单元28所确定的优先级被指派给该信元，然后将该信元从UNI 24传送给网络30。

UNI 24将包含优先级信息的信元传送给网络30的节点，例如节点_A32。节点_A32根据信元优先级和节点_A32的缓存容量接受或丢弃从UNI24接收的信元。一般随着节点_A32的缓存和存储器的占用度增加(即变得更满)，为了使接受的信元具有较高优先级(即较低优先级值)，需要丢弃较低优先级(即具有较高优先级值)的信元。随着节点_A32的缓存占用度增加(即变得更空)，节点_A32更能容忍接受低优先级(即高优先级值)信元。节点_A32中缓存的信元随后被发送到网络30的另一节点，例如节点_B34，或者其他网络，最终发送到最终目的地36。

用于本描述目的的例示性网络30被描述成具有两个中间节点32和34的网络。这些节点代表了网络数据通信元件，例如路由器、交换机和复用器。但是，本领域中的技术人员将会明白，本发明也可以以网络所用的各种多节点网络结构，例如多点、星、环、环路和网状网络拓扑实现，前述网络可以从局域网(LAN)到急剧增长的全球网(GAN)，例如因特网。

图3-5说明了按照NBR业务方法的一种实施例调度和缓存信元的一种过程。现在参看图3，用户和网络运营商建立60NBR。尽管不是必需的，但是可能希望最初将业务类62设置成非实时(nrt)业务类，以此作为缺省设置。根据特定应用，用户可能要求实时(rt)业务类64，这种业务类可以由用户直接设置，或者一般由用户应用或通信软件设置。如果用户要求实时连接，从用户的UNI发送的各个信元设置信元头中的业务类比特，以指示信元的净荷包含实时信息70。需要注意，在根据本发明的NBR概念实现的网络中，希望实时业务类连接实质上支持任何实时应用，而不需要指定特定信元传送时延(CTD)和信元时延变化(CDV)参数。这样，完全避免了将信元头的CTD和CDV比特设置为适当的值以满足连接的实时业务请求的常规过程。

如果用户不需要实时业务连接，则缺省的非实时业务类条件仍然有效。这样，设置各信元头的rt/nrt业务类比特以指示信元净荷包括非实时信息66。需要注意，这里公开的NBR业务不采用常规ATM业务量管理方法所使用的信元损失优先级(CLP)方案。这样，信元头中的CLP比特可以用于鉴别实时和非实时净荷。

在上述实施例中，通过适当地设置信元头的rt/nrt业务类比特，将通过该连接发送的各信元指定为实时信元或非实时信元。在一种可选实施例中，根据用户的需求，可以将连接指定为实时或非实时连接，通过该连接传送的信元不需要单独指定实时或非实时状态。给定连接的各个节点，例如可以在信元到达该节点时执行一个查表过程，以确定该信元是与某个实时连接关联，还是与某个非实时连接关联。这样，按照这种实施例，不需要占用信元头比特以区分实时和非实时信元。

在以上述方式设置rt/nrt业务类头比特之后，测得的在UNI和网络之间传送的特定信元的实际比特率为74。因为实际上，实际比特率可能随时间而变化很大，所以UNI的测量单元采用平均测量原则以确定实际或瞬时比特率MBR。

UNI一般如下测量74信元，例如信元_i，的实际比特率：在测量周期中取该连接的实际或瞬时比特率的近似值，该测量周期长度应适合特定连接(例如，实时或非实时连接)。本发明提供了瞬时比特率MBR_i的测量。

确定74了测得的比特率MBR_i，利用第i个信元的测得的比特率MBR_i和标称比特率NBR计算第i个信元的优先级。按照一种实施例，假定可以利用采用8种优先级的信元优先级制定方案，从其他信元中区分出某个信元。为了指示给特定信元分配了8种优先级中的哪一个，各个信元都需要分配3个比特用于此目的。

按照当前ATM规范，将ATM信元指定为具有固定大小帧的传输单元，该帧包含5字节头和48字节净荷。应当理解，为了指定信元优先级而必须在信元头中分配3个比特，这可能需要利用当前定义的ATM头比特。作为例子，可以使用当前一般流量控制(GFC)字段，它共有4个比特构成。这种情况下，3个比特可以分配用于指定信元优先级，而一个比特可以用作rt/nrt业务类比特。按照另一实施例，可以不同于5字节头ATM规范，分配其他头比特来指示8个优先级中的一个和rt/nrt业务类。

这样，可以重新定义其它头比特来表示信元优先级和业务类指定。或者，用来指定信元优先级和成业务类的一个或多个比特可以位于当前指定的ATM信元头之外。需要对已有ATM信元头定义进行少量改动所导致的不利远不如采用本发明的NBR业务方案所得到的实质收益，例如大量减少网络和业务管理的开销和复杂性。

可以理解，优先级数量可以少于8或大于8。作为例子，如果假定分配了4个信元头比特来指示信元的优先级，则可以定义多达2⁴(即2^n比特)或16个优先级。增加NBR业务中优先级的数量使得网络运营商可以在管理网络业务量时更好地调节特定连接的带宽。业务量控制的这种精化的代价需要一个或多个附加信元头比特来实现更多的优先级数量。

优先级计算单元确定76各信元，例如信元_i，的优先级。按照本发明的一种实施例，当将第i个信元传送给网络时，假定测得的比特率是MBR_i，则可以利用以下公式计算信元_i的优先级(PL_i)：

x = 4.5 + \frac{\ln ({MBR}_{i} / NBR)}{\ln (2)}

其中[x]表示x的整数部分。本发明利用基于缓存的信元测量和优先级指派技术来确定信元的优先级(PL_i)。

后面将会讨论到，按照同时采用NBR和传统ATM业务连接的一种实施例，0优先级，PL＝0，被使用具有保证带宽和业务质量的普通ATM业务的连接所占用。因此，可以修改上述公式[1]以产生PL＝1和PL＝7之间的信元优先级，例如[x]代表x的整数部分，如果1＜x＜7。

通过应用上述公式[1]可以看出，如果某个连接所使用的网络容量超过了该连接的协商NBR值，则信元_i的优先级至少为4。还可以看出，如果UNI_i的瞬时比特率小于协商的NBR值，则PL最大为4。这样，按照本发明这种实施例的优先级方案允许调整步骤2中连接所用的相对容量。根据以上公式[1]，可以看出对100kbit/s的NBR，高于566kbit/sec的MBR导致PL为7，低于8.8kbit/s的MBR导致PL为0。

将从UNI发送的各个ATM信元的信元头中分配的这3个优先级比特被设置为78。然后利用信元头中给出的节点寻址信息，将ATM信元发送80到目标网络节点_j。

需要注意，如果用户不满足于该连接的业务质量，用户可以在至少3种方案中选择。首先，用户可以选择保持平均比特率不变，但是减少业务量处理的变化。其次，用户可以选择减少平均比特率，或者增加标称比特率。但是，增加NBR一般会导致高速连接的成本的相应增加。最后，用户可以改换网络运营商。

在图4中，以流程图形式说明了网络节点按照本发明的一种实施例，处理从UNI接收的s包含优先级信息的信元的一般方法。图5说明了用以实现图4所示方法的网络节点的不同部件的实施例。假定信元，例如信元_i，已在UNI处理，并包括以上述方式得到的优先级信息。

信元_i从UNI传送到网络节点，并在节点的过滤器88中接收。存储器管理器89检查存储器90的状态81以确定存储器90的占用。存储器管理器89根据存储器90的占用状态确定82允许的优先级(PL_a)。存储器管理器89一般确定一个较高的允许的优先级，后者被翻译成较低的允许的优先级“值”，例如当存储器90的占用程度较大(即可用存储器位置较少)时，PL_a＝0或2。当存储器管理器89确定存储器90有足够的容量来接收新信元时，存储器管理器89确定一个较低的允许的优先级，后者被翻译成较高的允许的优先级“值”，例如PL_a＝6或7。本领域中的技术人员将会明白，在不偏离本发明精神的前提下，PL_a的计算可以基于未占用的缓冲容量，而不是占用的缓存。

如果信元_i的优先级大于存储器管理器89所确定83的允许的优先级PL_a，则过滤器88丢弃84信元_i。另一方面，如果信元_i的优先级等于或小于允许的优先级值PL_a，则过滤器88接受85信元_i。存储器管理器89协调信元_i到存储器90的传送，更新耦合到存储器管理器89的索引表91，以包括新接受的信元_i的新的索引表。在一种实施例中，索引表91存储了存储器90中接受的信元_i的位置，还存储了信元类型指示器，后者指定了信元_i是实时信元还是非实时信元。这样，存储器90可以同时存储实时和非实时信元。

存储器管理器89与索引表91一起管理从存储器90到存储器90的输出的信元传送操作，使实时信元的优先于非实时信元。作为例子，存储器管理器89在确定rt信元和nrt信元在存储器90中都存在时，在传送任何nrt信元之前，将所有rt信元都传送到存储器90的输出。

如图6所示，存储器管理器89可以确定实时缓存(rt缓存)93和非实时缓存(nrt缓存)94的状态。存储器管理器89以类似于前面描述的方式，根据rt缓存93和nrt缓存94的状态，确定过滤器88的允许的优先级值PL_a。如果信元_i的优先级大于允许的优先级值PL_a，则过滤器88丢弃信元_i。另一方面，如果信元_i的允许的优先级值PL_a等于或小于，则接受信元_i。

网络节点可以采用一种基于信元包，而不是单个信元实现过滤功能的缓冲过滤方案。作为例子，以上描述的过滤过程可以应用于各个包的第一信元。如果第一信元被节点丢弃，则包中第一信元之后的所有信元也被丢弃。但是，如果接受了包的第一信元，则属于该包的所有其它信元的优先级可以增加，例如将优先级从PL＝5改变到PL＝3。即使增加一个优先级，例如从PL＝4到PL＝3，也足以确保部分发送的包的数量很少。

信元类型检测器92从过滤器88接收被接受的信元，信元_i，确定信元_i是rt信元还是nrt信元。前面讨论过，信元_i的头包括一个头比特，例如CLP比特，它表明了信元_i是rt信元还是nrt信元。信元类型检测器92在确定信元_i的业务类类型时，将信元_i传送到rt缓冲器93或者nrt缓冲器94。存储器管理器89以类似于前面针对图4和5描述的方式分别协调来自rt缓冲器93或者nrt缓冲器94的rt信元和nrt信元的输出，rt信元优先。

为了改进网络扩展和业务量控制，可能希望请求网络的各个用户购买最大NBR。此外，可能希望请求各个用户选择适当的瞬时NBR，后者应当不大于选择的最大NBR。适当的瞬时NBR的选择一般涉及价格和业务质量之间的折中。用户检测到的业务质量很大程度上取决于3个参数，即NBR、平均比特率和业务量变化。尽管用户可以改变这些参数中的任何一个，但网络在开始信元传输时需要知道的信息只有连接的NBR和业务类(实时或非实时)。

同时用于NBR和常规ATM业务的SIMA业务需要网络运营商有用于各个常规ATM连接，或者可能用于各个虚路径的专用的UPC设备。通过常规ATM业务连接传送的所有信元都被指定最高优先级PL＝0，并被指派为实时(rt)业务类。按照这种方案，0优先级被使用具有保证带宽和业务质量的普通ATM业务的那些连接占用。因此修改上面的优先级确定公式[1]以生成在PL＝1和PL＝7之间的信元优先级值，[x]表示x的整数部分，如果1＜x＜7。需要注意，如果网络运营商希望将多余的信元标记为CLP＝1信元，则这些信元可以标记为较低优先级，例如PL＝6。

与常规ATM技术的可能的不兼容点包括各个ATM信元需要3个比特确定信元优先级，如果使用信元头中当前信元损失优先级CLP比特，则需要2个比特。此外，需要一个比特区分实时和非实时连接。各个信元可以，但不一定必须包括rt/nrt业务比特。可以利用由4个比特构成的当前一般流量控制(GFC)字段。这种情况下，可以分配3个比特指定信元优先级，一个比特指派为rt/nrt业务类比特。

上述SIMA网络的演进必然需要与其它不支持SIMA特性的网络类型共存和协作。更具体地说，考虑已有基础设施，通过不以SIMA原理工作的网络传送SIMA业务量的方式将是有利的。本发明解决了这些问题，下面针对ATM技术予以描述。ATM是用于SIMA网络的适当对象，因为ATM目前是骨干网络技术的通用选择。

SIMA包可以通过一个或多个ATM信元在ATM网络中传送。因此，支持SIMA的IP或ATM网络可能必须支持其SIMA包(或信元)通过不支持SIMA的常规ATM网络。ATM网络可以被SIMA网络严格看作是SIMA网络的一条链路或者信道，所以ATM网络被SIMA网络看作仅是SIMA元件之间的一组链路。但是，这种方案导致了SIMA复用功能的损失。这些ATM连接需要具有足够的保留容量用于传送所有SIMA业务量，后者导致无法释放未使用的ATM传送容量(保留用于SIMA连接)用于其它用途。也可以在几乎没有容量可被占用，ATM交换机缓冲器全满时，ATM交换机丢弃SIMA包(在ATM信元中承载)，而不管这些信元的指定SIMA优先级。利用这种方案，SIMA业务等级可以不加区分，提供各种业务等级和相应的优先级值的目的将无法实现。

另一方案是修改ATM网络以完全支持SIMA。这样，基于SIMA技术的ATM交换机必须具有SIMA核心网络节点的所有功能。但是，这也有不足。一个主要的缺陷在于必须将已有的ATM交换机更换成支持SIMA的新ATM交换机。这种更换所需的时间和耗费使得这种方案无法被接受。

图7说明了按照本发明的网络配置100，其中ATM网络支持SIMA复用。这种方案采用了已有的常规ATM网络102的元件，并为复用来自一个或多个SIMA网络104的SIMA信元提供附加功能支持。在本发明的一种实施例中，ATM SIMA扩展器(ASE)106为ATM网络提供这种附加支持，该扩展器使得承载SIMA业务量的已有ATM交换连接得以复用。这减少了可能被浪费的带宽，使得SIMA优先级原则可以在ATM网络中实现。本发明的一个大的优越性在于，不需要对原ATM交换机进行改动。

图8的框图是按照本发明的SIMA扩展器110的一种实施例。在图8的例子中，SIMA扩展器110是用于常规ATM交换机112的ATMSIMA扩展器(ASE)。ASE 110包括各个常规ATM交换机112所具有的网络设备或者功能。ASE 110可以是物理上的独立设备，或者集成到ATM交换机112中。ATM交换机112可以是没有特定SIMA特性的常规交换机。

虽然不需要对ATM交换机12进行改动，但是网络控制平面114必须支持ASE 110的使用。本领域技术人员都知道，控制平面114处理所有与虚连接相关的功能，以及编址和寻路。它为用户平面提供了支持特定类型连接，例如交换虚连接(SVC)和永久虚连接(PVC)的方式，可以是点对点、点对多点、多点对点或者多点对多点虚路径或虚电路连接。

在采用图8所示ASE110的系统中，承载SIMA业务量的ATM信元可以认为具有的ATM优先级对应于部分或完全由ATM信元承载的SIMA包的优先级。按照本发明，分离这种ATM信元的不同优先级的可能方式有若干种。首先，可以使用ATM信元头中未使用比特(例如GFC)来指定优先级值。另一方案是利用ATM信元的虚路径标识符(VPI)或虚信道标识符(VCI)来区分优先级值。这样，特定虚路径和/或虚信道将被用于特定优先级值。例如，VPI字段的最后3个比特可以用于该优先级。剩下的VPI比特可以用于信元的常规路由寻址和交换。

图8的ATM SIMA扩展器110允许进入ATM交换机112的SIMA业务量被交换到ASE 110，根据SIMA原理完成ATM信元复用。承载SIMA业务量并进入输入端口116、117的ATM信元被寻路到一个或多个专用输出端口118，从而寻路到ASE 110。下面将更为详细地描述，ATM/SIMA信元在ASE 110处复用。ASE 110中的缓存还能应用SIMA优先级原则，从而在ATM交换机112的输出端口出现拥塞情况时丢弃低优先级信元。ASE 110将复用后的ATM信元通过专用输入端口120导回ATM交换机112，交换到ATM交换机112的适当的输出端口122、123。从ATM交换机112的角度来看，交换机112和ASE 110之间的连接与其它连接没有什么不同。应当注意，ASE 110可以通过交换机112的一个或多个输入端口，以及一个或多个输出端口连接到ATM交换机112。

图9说明了按照本发明的ATM SIMA扩展器110的实现的例子。与图8和9中相同的引用数字表示了对应部分。该例中假定ATM信元头中的CFG比特用于指示ATM信元所承载的SIMA包的SIMA优先级。在该例示实施例中，ATM交换机112中各个物理ATM链路或者“端口”116、117、122、123具有至少一个虚路径(VP)，保留用于承载SIMA业务量。假定虚路径标识符(VPI)100用于ATM交换机之间的所有链路上的SIMA业务量。应当理解，此处给出的VPI值只是作为例子，一般可以使用任何VPI值。

各个入虚路径内分组的是一个或多个虚信道(VC)，它们用于任何给定的SIMA网络之间的连接。ATM技术领域中技术人员知道，传输路径包含一个或多个虚路径，各个虚路径包含一个或多个虚信道。不同传输路径定义了各个节点之间的物理连接，而虚路径定义了可以通过节点间这些物理连接的不同路由。虚信道表示了任何给定“路由”或虚路径上的各个信道连接。虚路径连接(VPC)只基于VPI值交换，而虚信道连接(VCC)只基于VPI和VCI值的组合交换。

再次参看图9，进入线路126上的端口-1 116的虚路径VPI＝100可以包含一些通往端口-3 122的虚信道和通往端口-4 123的另一些虚信道。类似地，进入线路128上的端口-1 117的虚路径VPI＝100可以包含一些通往端口-3 122的虚信道和通往端口-4 123的另一些虚信道。ATM交换机112将端口116和117的两个入虚路径交换到输出端口118，后者连接到ASE 110。为方便和简洁起见，该例中ATM交换机112和ASE100之间的VPI被设置成等于其对应的源和目的端口号(来自端口1的VPI＝1，依此类推)。

ASE 110的输入由ATM交换机112的各个输入端口的虚路径通过专用SIMA输出端口提供。ASE 110然后复用这些承载SIMA业务量的虚信道。例如，ATM交换机112在通往端口-3 122的端口-1 116或端口-2 117接收的任何虚信道都由ASE 110复用，使得ASE 110到专用SIMA输入端口120的输出上虚路径标识符是VPI＝3。因此，ASE 110的输出端口为ATM交换机112的各个可用输出端口包含一个虚路径。这样，ATM交换机112可以将虚路径从ASE 110交换到它们的适当的输出端口。从专用SIMA输入端口120到输出端口122、123的ATM虚路径同样会有VPI 100。

图10说明了按照本发明的SIMA扩展器200的一种实施例。SIMA扩展器200可以是ATM SIMA扩展器(ASE)，也可以与其它路径/信道相关的网络技术相关联。为便于说明，SIMA扩展器200将针对ATMSIMA扩展器来描述。

源自ATM交换机的输入端口的虚路径(VP)202交换到专用ATM交换机输出，寻路到ASE 200的输入204。3个VP 202被输入到分配器单元(DU)206。DU 206的主要目的是按照网络控制数据所提供的信息分配虚信道。虚信道的配置基于来自网络控制平面的路由信息，网络控制平面提供网络控制数据。ATM交换机的各个输出端口都有一个调度和缓存单元(SBU)。这些SBU在图10中以SBU 208、210到212形式示出。分配器单元206将发往特定输出端口的ATM信元转发到它们各自的SBU。

ASE中SBU的使用使得SIMA优先级原则可以在ATM网络环境中维护。信元调度和缓存单元208、210到212确定入信元是否具有可接受的优先级以免被丢弃。这些SBU还为实时和非实时净荷信息提供了缓存功能。入信元或包基于信元的优先级(PL)，以及该位置或节点的接受优先级值PL_a来丢弃。如果入信元的优先级不大于或等于该节点的接受优先级值，则丢弃该包。否则，接受该包，将其传送到适当的内部缓冲器。在接受该包之后，基于该包的实时比特指示器将其发送到实时或非实时缓冲器。SBU的缓冲器以速率C_out清空，实时缓冲器在非实时缓冲器之前清空。图11和下面的相应描述提供了SBU操作的详细描述。

现在参看图11，给出了按照本发明一种实施例的信元调度和缓存单元(SBU)250。前面描述过，ATM节点32所接收的各个信元有与其相关的优先级值，该值以前基于源UNI 24的业务量条件确定。此外，各个信元有与其相关的业务类指示器，它表示该信元包含实时或非实时净荷。信元调度和缓存单元250仅基于两个外部因素为实时和非实时信元提供有效处理：各信元的优先级值和业务类状态。

如图11所示，信元，例如信元_i252包括优先级值(PL)254，实时/非实时(rt/nrt)指示器256，以及净荷258。信元调度和缓存单元250的输入260接收到信元_i252。信元过滤器262读取信元头中的优先级值比特PL 254，确定信元_i252的优先级值。作为信元过滤过程的一部分，基于信元调度和缓存单元250所提供的一般是两个缓冲器的当前状态计算允许优先级值PL_a。

按照SBU 250的一种实施例，包含两个缓冲器，实时缓冲器264和非实时缓冲器266。通过确定目前在rt缓冲器264中的信元数量，记为M_rt，以及目前在nrt缓冲器266中的信元数量，记为M_nrt，计算这两个缓冲器264、266的占用程度。这可以以多种方式实现，包括利用算法逻辑单元或者类似的处理设备来确定最后进入该缓冲器的信元的地址和对应于空缓冲器的地址之差，或者可以将当前缓冲器占用地址与多个预定义的占用范围或值中的一个相比较。

需要注意，rt缓冲器264的阴影部分代表了占用的rt缓冲器部分268，而没有阴影的部分代表了未占用的rt缓冲器部分270。类似地，nrt缓冲器266的被占用的nrt缓冲器部分272由阴影区示出，而没有阴影的区域表示了未占用的nrt缓冲器部分274。还需要注意，各个缓冲器264、266包括多个缓冲器位置275，决定nrt缓冲器266的非实时缓冲器位置的数量一般超过决定rt缓冲器264的缓冲器位置的数量。

以下缓存参数的定义是为了便于说明，而不是施加限制：

M_rt＝rt缓冲器264中的信元数量

K_rt＝rt缓冲器264中的缓冲器数量

M_nrt＝nrt缓冲器266中的信元数量

K_nrt＝nrt缓冲器266中的缓冲器数量

由PL_a逻辑276表示的处理器确定当前占用rt缓冲器264(M_rt)的信元的数量，以及当前占用nrt缓冲器266(M_nrt)的信元的数量。处理器276还确定构成rt缓冲器264(K_rt)的缓冲器位置的数量，以及构成nrt缓冲器266(K_nrt)的缓冲器位置的数量。利用下面的公式[2]和[3]分别确定rt缓冲器264(x_rt)和nrt缓冲器264(x_nrt)的占用程度：

x_rt＝M_rt/M_rt

[2/3]

x_nrt＝M_nrt/K_nrt

然后通过一种或多种方式确定整个缓存系统(x)的平均占用程度，包括例如使用以下公式之一：

x＝(x_rt+x_nrt) (a)

x = \sqrt{x_{rt}^{2} + x_{nrt}^{2}} - - - (b) - - - [4 (a) / (b) / (c)]

x＝max(x_rt，x_nrt) (c)

将信元_i252的优先级值PL254(PL_信元i)与利用以下公式得到的结果比较：

PL＜a-bx [5]

其中，a和b是常量，假定该例中a＝b＝9。根据利用上述公式[5]进行的比较的结果决定是接受还是丢弃信元_i252。

最好利用一种可选方法确定允许的优先级值PL_a。最初，假定rt缓冲器264的占用程度x_rt和nrt缓冲器266的占用程度x_nrt被划分成N个等级，其中N可以例如是16或12。为便于说明，下面的表1假定两个缓冲器264、266的占用程度被划分成N＝12个等级。当信元到达信元调度和缓存单元250时，调度处理器276通过简单的计算确定M_rt和M_nrt的当前值，尤其在是在K_rt、K_nrt和N是2ⁿ的形式时，可以得到缓冲器264、266的当前占用程度值的估计。这两个值x_rt和x_nrt决定了表1的行和列。表1的各个信元的内容给出了在信元_i252到达时，根据两个缓冲器264、266的当前状态得到的最高的允许优先级PL_a。

表1

可以看出，表1提供了最高的允许优先级PL_a的非常有用的估计，它反映了rt缓冲器264和nrt缓冲器266的状态和相对大小。可以根据节点32中非易失性存储器的需要存储或更新表1中的一个阵列。

再次参看图10，分配器单元(DU)206将ATM信元导向适当的SBU208、210、212。SBU的输出率C_out可以根据网络控制平面所提供的网络控制信息决定。这种输出率应当等于或小于SIMA业务量虚路径在ATM交换机的输出端口所占用的带宽。可以通过网络的控制平面动态控制带宽。例如，如果网络控制平面认识到端口3的非SIMA业务量的减少，则会通知SUB输出率C_out可以增加，从而将附加带宽指派给VPI＝100的虚路径端口3。链路控制单元(LCU)214连接到ASE 200中的各个SBU，以预定方式链接输出218的虚路径216。LCU 214将ASE输出到ATM交换机输入的链路的容量分配给不同SBU。例如，LCU214可以使用先进先出(FIFO)缓冲器，或者已知的循环方法。

图12的流程图说明了将SIMA业务量注入ATM网络的实现方式的一种实施例。首先，修改300ATM信元以包含SIMA信元的SIMA优先级和实时指示器。前面提过，这可以利用ATM信元头中的未用比特(例如GFC)，通过ATM信元头中的VPI或VCI，或者类似方式来实现。ATM交换机然后将为SIMA保留的虚路径从各个输入端口交换302到专用ATM交换机输出端口。承载SIMA转换后的ATM信元的所有为SIMA保留的虚路径都从这个专用输出端口经过。然后将这里描述的SIMA优先级原则应用于SIMA信元，这些信元是从专用ATM交换机输出端口为各个虚路径接收的，如框304所示。这些虚路径被复用306，使得来自各个虚路径输入得所有虚信道被复用成正确的虚路径输出。这将导致ATM交换机的每个输出端口存在一个虚路径输出，其中通往特定ATM输出端口的所有虚信道由其各自的虚路径输出提供。ATM交换机将其专用ATM输入端口的虚路径交换308到该ATM交换机的适当的输出端口。应当注意，该ATM交换机的输出端口的专用SIMA虚路径与该ATM交换机的输入端口的专用SIMA虚路径的VPI是相同的。因此，该ATM交换机的交换功能对其它任何标准ATM信元的处理都是相同的，同时可以维持SIMA信元的复用，以及因ATM交换机拥塞而导致的包丢弃。

当然，需要理解在不偏离本发明的范围和精神的前提下，可以对上述各种实施例进行不同的改进和增加。因此，本发明的范围应当不受限于上述特定实施例，而仅由下面给出的权利要求书及其等价文档来定义。

Claims

1.将具有第一业务质量的第一数据包通过设计用于传输具有第二业务质量的第二数据包的网络系统传输的一种方法，该网络系统包括多个网络节点，各个网络节点包括一个网络交换机，该方法包括

将来自各个网络交换机输入端口的第一数据包交换到该网络交换机的专用输出端口；

在专用输出端口将网络节点拥塞控制应用于第一数据包，以按照第一业务质量接受原则选择性接受或丢弃这些第一数据包中的某些；

被接受的那些第一数据包被复用成一个或多个具有公共输出端口目的地的虚路径；

将一个或多个虚路径输入到网络交换机的专用输入端口；以及

专用输入端口的一个或多个虚路径被交换到公共输出端口目的地所识别的网络交换机的输出端口目的地。

2.根据权利要求1的方法，还包括在各个网络交换机输入端口分配一个虚路径以承载具有第一业务质量的第一数据包。

3.根据权利要求1的方法，还包括将第一数据包与预定虚路径标识符相关联，其中将第一数据包交换到专用输出端口的过程包括确定到网络交换机的第一和第二数据包输入的每一个的虚路径标识符，将具有预定虚路径标识符的第一数据包导向专用输出端口。

4.根据权利要求1的方法，其中按照第一业务质量接受原则应用网络节点拥塞控制的过程包括：

确定所连接的包缓冲器的数据包占用程度，前述包缓冲器用于从专用输出端口接收第一数据包；

根据包缓冲器的占用程度，确定与该网络节点相关联的允许优先级值；

检测在专用输出端口接收的各个第一数据包中优先级值标识符，该优先级标识符指示了各个第一数据包相对于其它第一数据包的优先级；以及

在确认特定第一数据包的优先级值标识符位于允许的优先级值时，接受第一数据包并传送到包缓冲器。

5.根据权利要求4的方法，其中对接受的第一数据包的复用包括将包缓冲器中被接受的数据包复用成一个或多个具有共同输出端口目的地的虚路径。

6.根据权利要求5的方法，其中包缓冲器中对接受的数据包的复用包括为各个被接受的数据包指定一个虚路径标识符。

7.根据权利要求6的方法，其中一个或多个虚路径的交换包括根据各个被接受数据包的虚路径标识符，将被接受的数据包导向它们各自的输出端口目的地。

8.一种用于通过常规非简单集成媒质接入(SIMA)网络系统传输SIMA信元的方法，其中非SIMA网络系统包括多个网络节点，各个网络节点都有网络交换机，该方法包括

占用该网络交换机的各个输入端口中至少一条虚路径，以将SIMA信元传送到该网络交换机；

将占用的虚路径从各个输入端口交换到该网络交换机的专用输出端口；

按照预定义的SIMA优先级原则将网络节点拥塞控制应用于SIMA信元；

在专用输出端口复用各个被占用的虚路径的虚信道，使得具有公共输出端口目的地的虚信道被一起连接到各个虚路径输出；

各个虚路径输出连接到该网络交换机的专用输入端口；以及

将专用输入端口上各个虚路径输出根据公共输出端口目的地交换到该网络交换机中它们各自的输出端口。

9.根据权利要求8的方法，其中占用至少一个虚路径的过程包括在各个网络交换机输入端口分配一个预定的虚路径标识符给各个SIMA信元。

10.根据权利要求9的方法，其中将从各个输入端口占用的虚路径交换到专用输出端口的过程包括在网络交换机识别与SIMA信元相关联的虚路径标识符，将相关SIMA信元导向专用输出端口。

11.根据权利要求8的方法，其中对SIMA信元应用网络节点拥塞控制的过程包括：

确定所连接的队列中SIMA信元的占用程度，前述队列用于从专用输出端口接收SIMA信元；

根据该队列的占用程度，确定与该网络节点相关联的允许优先级值；

检测在专用输出端口接收的各个SIMA信元中优先级值标识符，该优先级标识符指示了各个SIMA信元相对于其它SIMA信元的优先级；以及

在确认特定SIMA信元的优先级值标识符小于或等于该网络节点所确定的允许优先级值时，接受该SIMA信元并送入队列。

12.一种能够在网络系统的两个或多个端单元之间传输基于包的SIMA和非SIMA信元的网络系统；该网络系统包括

一个非SIMA网络交换机，用于复用基于包的信元，并在网络交换机的交换机输入端口和交换机输出端口之间根据信元地址寻址基于包的信元；该网络交换机包括

一个专用输出端口，连接到一个或多个输入端口，通过网络交换机接收SIMA信元；

一个专用输入端口，用于接收过滤之后的SIMA信元；

一个交换机扩展模块，连接专用输出端口以接收SIMA信元，并连接到专用输入端口以将过滤之后的SIMA信元提供给专用输入端口；该扩展模块包括包过滤模块，它将SIMA拥塞管理原则应用于各个接收到的SIMA信元，产生过滤之后的SIMA信元；

从而可以利用非SIMA网络交换机毫无问题地交换SIMA信元。

13.根据权利要求12的网络系统，其中非SIMA网络交换机包括异步传递模式(ATM)网络交换机。

14.根据权利要求12的网络系统，其中信元地址是存储在SIMA和非SIMA信元头的虚路径标识符。

15.根据权利要求12的网络系统，包括一个网络控制模块，用于提供信道路由信息，其中交换机扩展模块包括一个分配器单元，它连接到交换机扩展模块的输入以接收各个虚信道的SIMA信元，按照网络控制模块所提供的信道路由信息将虚信道分配给包过滤模块。

16.根据权利要求15的网络系统，其中包过滤模块包括多个包调度和缓存单元，这些单元用于从分配器单元所提供的各个虚信道接收SIMA信元。

17.根据权利要求16的网络系统，其中各个包调度和缓存单元包括：

临时存储从专用输出端口进入交换机扩展模块的SIMA信元的缓冲器；

缓冲器占用程度检测器，连接到该缓冲器以确定当前缓冲器中的SIMA信元的占用程度，将缓冲器占用程度转换成与该网络节点相关联的允许优先级值；

比较器，用于接收允许优先级值和与各个SIMA信元相关联的优先级值标识符，如果SIMA信元的优先级值标识符所表示的优先级大于或等于允许优先级值，则将该信元输入到缓冲器，如果该优先级值标识符所表示的优先级小于允许优先级值，则丢弃该SIMA信元。

18.根据权利要求16的网络系统，还包括一个链路控制单元，它连接到各个包调度和缓存单元，将缓冲器中的SIMA信元复用成一个或多个具有公共输出端口目的地的虚路径。