DE10128686A1

DE10128686A1 - Verteilung von Zustandsinformationen mehrerer virtueller Warteschlangen (Virtual Output Queue) über mehrere Vermittlungseinheiten einer Paketvermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE10128686A1
Application number: DE10128686A
Authority: DE
Inventors: Andries Van Ir Wageningen; Hans-Juergen Reumermann; Armand Lelkens; Rainer Schoenen
Original assignee: Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-19
Also published as: US20040233922A1; WO2002101985A3; EP1417803A2; JP2004533189A; WO2002101985A2; US7675910B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Paketvermittlungsvorrichtung mit wenigstens einer Leitungseinheit (1 und 2) mit einer Portsteuerung (6 und 7) zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlagen sowie zur Generierung von Zustandsinformationen der Warteschlange, und wenigstens einer Vermittlungseinheit (3 bis 5), bestehend aus einer Koppelmatrix (8) und einer Zuteileinheit (9) zur Steuerung der Koppelmatrix (8), wobei die Portsteuerung (6 und 7) zur Verteildung der Zustandsinformationen an mehrere Zuteileinheiten (9) vorgesehen ist. Jede sich meldende Zuteileinheit (9) ist zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Paketvermittlungsvorrichtung mit mehreren Vermittlungseinheiten.

In der Veröffentlichung "Weighted Arbitration Algorithms with Priorities for Input- Queued Switches with 100% Throughput" von R. Schoenen, G. Post, G. Sander, Broadband Switching Symposium '99, werden verschiedene, gewichtete Vermittlungs algorithmen einer Paketvermittlungsvorrichtung verglichen. Die Vermittlungsalgorithmen versuchen mit unterschiedlichen Vermittlungsschritten eine Kollision mehrerer für den selben Ausgangsport der Paketvermittlungsvorrichtung bestimmter Pakete zu verhindern und daraus resultierenden Datenverlust oder Verzögerung zu reduzieren. Dabei wird eine Verwendung von Zustandsinformationen über Warteschlangen der Datenpakete nicht berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kollisionsfreie Vermittlung von Daten in Form von Paketen zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird durch eine Paketvermittlungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass

- wenigstens eine Leitungseinheit mit einer Portsteuerung zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlangen sowie zur Generierung von Zustands informationen der Warteschlange, und
- wenigstens eine Vermittlungseinheit bestehend aus einer Koppelmatrix und einer Zuteileinheit zur Steuerung der Koppelmatrix vorgesehen sind,

wobei die Portsteuerung zur Verteilung der Zustandsinformationen mehrere Warte schlagen an mehre Zuteileinheit und
die Zuteileinheit der Vermittlungseinheit zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen vorgesehen sind.

Eine Paketvermittlungsvorrichtung besteht aus mehreren Leitungseinheiten (Line Card) und mehreren Vermittlungseinheiten (Switch Card). Zur Komponenten einer Leitungs einheit zählt als wesentliche Komponente eine Portsteuerung. Jede Portsteuerung ist mit mehreren parallel arbeitenden Vermittlungseinheiten verbunden und hat die Aufgabe an der Paketvermittlungsvorrichtung ankommende, zu vermittelnde Pakete nach Priorität und gewünschten Ausgangsport der Paketvermittlungsvorrichtung anzuordnen. Die Anord nungen der Pakete nach Priorität und einem gewünschten Ausgangsport der Paketvermitt lungsvorrichtung in der Portsteuerung werden als virtuelle Warteschlangen (VOQ bzw. Virtual Output Queue) bezeichnet. Die Portsteuerung besitzt Informationen über den Zustand sog. Zustandsinformationen der virtuellen Warteschlange und verschickt diese in regelmäßigen Zeitabständen zyklisch an die Vermittlungseinheiten.

Jede Vermittlungseinheit besteht aus einer Koppelmatrix (Crosspoint Matrix) und einer Zuteileinheit (Arbiter). Die Konfiguration der Koppelmatrix werden in regelmäßigen Zeitabständen durch die Zuteileinheit neu bestimmt und somit neu Verknüpfungen zwischen Ein- und Ausgangsport der Paketvermittlungsvorrichtung für die Vermittlung der Pakete erstellt.

Zur Berechnung jeder Verknüpfungen schickt die Portsteuerung an die Zuteileinheit Zustandsinformationen, so dass die Berechnung in Abhängigkeit der Zustandsinforma tionen optimiert werden kann.

Die Portsteuerung kann die neuen Zustandsinformationen über die Zuteileinheiten verteilt verschicken. Dabei erhält jede Zuteileinheit jeweils einen Teil der Zustandsinformationen von der Portsteuerung. Durch den Erhalt nur eines Teiles der Zustandsinformation kann eine maximale benötigte Bandbreite zum Austausch von Informationen zwischen der Port steuerung und einer Zuteileinheit konstant gehalten werden. Die konstante Bandbreite zwischen Portsteuerung und einer Zuteileinheit ist unabhängig von der Anzahl der mit der Portsteuerung verbundenen Zuteileinheiten.

Bei der Verteilung der Zustandsinformationen unterscheidet die Portsteuerung nicht zwischen den einzelnen Vermittlungseinheiten. Damit hat die Anzahl der Vermittlungsein heiten keinen Einfluss auf die Funktionalität der Portsteuerung. Auch das Fehlen einer oder mehrerer Vermittlungseinheiten während des Betriebes hat keinen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit der Portsteuerung. Die Portsteuerung braucht keine zusätzliche Funktionen durchzuführen, wenn die Paketvermittlungsvorrichtung durch eine zusätzliche Vermittlungseinheit während des Betriebes ergänzt wird.

Die Portsteuerung einer Leitungseinheit ist gleichzeitig mit mehreren parallel arbeitenden Zuteileinheiten der Vermittlungseinheiten verbunden.

Damit im Störfall eine Vermittlungseinheit die Funktionalität der Paketvermittlungsvor richtung nicht ebenfalls gestört wird, arbeitet die Portsteuerung unabhängig von der Anzahl der Vermittlungseinheiten, soweit eine benötigte Kapazität der Vermittlung erfüllt wird. Durch Variation der Anzahl der Vermittlungseinheiten kann ein Durchsatz und Verzögerung der vermittelten Paketen beeinflusst werden. Durch das Hinzufügen und Entfernen kann eine Skalierung der Leistung der Paketvermittlungsvorrichtung ohne zusätzliche Vorrichtungen erreicht werden. Eine Vermittlungseinheit kann sowohl einzeln in einer Paketvermittlungsvorrichtung betriebenen werden, als auch ohne zusätzlichen Veränderungen in ihrer Funktion, Geschwindigkeit, Schnittstelle etc. als ein unter vielen in einer Paketvermittlungsvorrichtung verwendet werden.

Falls die Vermittlungseinheit nach einem Störfall oder nach dem Hinzufügen neu in Betrieb eingegliedert wird, besitzt die Zuteileinheit dieser Vermittlungseinheit keine Zustandsinformationen der Warteschlangen. Trotzdem berechnet die Zuteileinheit eine Konfiguration seiner zuständigen Koppelmatrix und schickt diese an die Portsteuerung und die Koppelmatrix. Jede Portsteuerung der Paketvermittlungsvorrichtung erhält die errechnete Konfiguration (Default Konfiguration) und antwortet mit den aktuellen (update) Zustandsinformationen. Bei der nächsten Berechnung berücksichtigt die Zuteil einheit die zuvor erhaltenen Zustandsinformationen.

In Abhängigkeit der Anzahl der aktuellen Veränderungen der Zustandsinformationen hat die Zuteileinheit somit nach der m-ten Berechnung die meisten vorhandenen Zustandsin formationen erhalten, wobei m ungefähr der Anzahl der Ein-/Ausgangsports der Paketver mittlungsvorrichtung gleicht. Je mehr redundante Zustandsinformationen von der Port steuerung an die Zuteileinheit verschickt werden, desto schneller kann die Zuteileinheit wieder voll funktionstüchtig arbeiten.

Da jeweils die Portsteuerung gleichzeitig mit mehreren Vermittlungseinheiten verbunden ist, benötigt sie eine Schnittstelle, die gleichzeitig mit mehreren Vermittlungseinheiten betrieben werden kann. Die interne Betriebsgeschwindigkeit der Portsteuerung hat den n fachen Wert der Betriebsgeschwindigkeit einer Vermittlungseinheit, dabei ist n gleich der Anzahl der Leitungseinheiten der Paketvermittlungsvorrichtung.

Eine Betriebsgeschwindigkeitserhöhung durch Mehrfachverwendung der Vermittlungsein heiten, hat keine Änderung an der Vermittlungseinheit oder an der Geschwindigkeit der Verbindungen zwischen Portsteuerung und Vermittlungseinheit zur Folge. Die Vermitt lungseinheit und Geschwindigkeit der Verbindungen erfüllen die Anforderungen einer Paketvermittlungsvorrichtung mit nur einer Vermittlungseinheit, das als Minimal-System bezeichnet wird.

Eine Entscheidung der Portsteuerung eine bestimmte Vermittlungseinheit in Anspruch zu nehme, wird durch die Zuteileinheit ausgelöst. Die Zuteileinheit jeder Vermittlungseinheit übermittelt in regelmäßigen Zeitabständen eine durch sie errechnete Konfiguration der Koppelmatrix an die Portsteuerung auch wenn die Berechnung auf fehlerhaften und un vollständigen Zustandsinformationen basierte. Die Portsteuerung reagiert auf die Benach richtigung der Zuteileinheit. Dabei unterscheidet die Portsteuerung nicht jede individuelle Zuteileinheit, sondern betrachte alle gemeinsam als eine Zuteileinheit und orientiert sich an unterschiedlichen Frequenzen, mit der eine Konfiguration verschickt wurde und an physikalischen Verbindungen zu der Zuteileinheit.

Anhand einer Gewichtung kann die Portsteuerung die Zuteileinheit informieren ob und wie dringend die sich im Eingangport befindenden Pakete vermittelt werden sollten. Die Gewichtung kann innerhalb der Zustandsinformationen an die Zuteileinheit verschickt werden und besteht aus einer Funktion aller Zustandsinformationen für einen Ausgangs port. Eine Gewichtung kann Angaben über die Priorität und Klasse der Pakete bzw. die Wartzeit oder Größe einer Warteschlange beinhalten.

Da die Zuteileinheit eine Kopie des zuletzt empfangenen Wertes der Gewichtung enthält, wäre der Empfang einer Differenz, die sich zwischen den aktuellen Wert der Gewichtung und den zuletzt erhaltenen Wert ergibt, ausreichend. Voraussetzung ist ein zuletzt voll ständig empfangener Wert, der im Falle einer Störung der Zuteileinheit nicht vorhanden ist. Aus diesem Grund wird ein vollständiger Wert, der alle aktuelle Zustandsinforma tionen repräsentiert verschickt.

Die Erfindung betrifft auch eine Leitungseinheit mit einer Portsteuerung zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlangen, sowie zur Generierung von Zustandsin formationen der Warteschlange für eine Paketvermittlungsvorrichtung mit wenigstens einer Vermittlungseinheit bestehend aus einer Koppelmatrix und einer Zuteileinheit zur Steuerung der Koppelmatrix. Die Portsteuerung verteilt die Zustandsinformationen an mehrere Zuteileinheiten, dabei ist jede sich meldende Zuteileinheit zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorge sehen.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vermittlungseinheit bestehend aus einer Koppel matrix und einer Zuteileinheit zur Steuerung der Koppelmatrix für eine Paketvermitt lungsvorrichtung mit wenigstens einer Leitungseinheit mit einer Portsteuerung zur Speicherung und zur Anordnung von Paketen in Warteschlangen, sowie Generierung von Zustandsinformationen der Warteschlange. Die Portsteuerung verteilt die Zustandsinfor mationen an mehrere Zuteileinheiten, dabei ist jede sich meldende Zuteileinheit zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Paketvermittlungsvorrichtung und

Fig. 2 eine Verwaltung der Zustandsinformationen innerhalb der Portsteuerung.

Eine in Fig. 1 dargestellte Paketvermittlungsvorrichtung besteht aus zwei Leitungseinheiten 1 und 2 und mehreren Vermittlungseinheiten 3 bis 5. Die Leitungseinheiten 1 und 2 bestehen jeweils aus unterschiedlichen für die Beschreibung des Ausführungsbeispiels nicht relevanten und deshalb nicht dargestellten Komponente wie optische Übertragungseinheit, Rahmengenerator, Netzwerkprozessor etc., sowie einer für das Ausführungsbeispiel wesent lichen Portsteuerung 6 und 7. Die Anzahl (n) der Portsteuerungen ist häufig viel Größer als zwei, im Ausführungsbeispiel wurde sie aufgrund einer übersichtlichen Darstellung auf zwei beschränkt. Jede Vermittlungseinheit 3 bis 5 besteht aus einer Koppelmatrix 8 und einer Zuteileinheit 9. Sowohl die Zuteileinheit 9 sowie die Koppelmatrix 8 jeder parallel arbeitenden Vermittlungseinheit 3 bis 5 sind jeweils mit der Portsteuerung 6 und 7 verbunden.

Datenpakete konstanter Länge werden als Zellen bezeichnet. Da Zellen konstanter Länge bei der Vermittlung leichter zu handhaben sind als Pakete wechselnder Größe, werden die ankommenden Pakete innerhalb der Leitungseinheiten 1 und 2 in Zellen konstanter Länge zerteilt und in Warteschlangen zwischengespeichert. Nach einer erfolgreichen Vermittlung, d. h. akzeptierte Zuordnung jeweils eines Eingangsports mit einem Ausgangsport, werden die Zellen aus der Warteschlange entfernt.

Die Aufgabe der Portsteuerung 1 und 2 besteht darin, die ankommenden Zellen nach ihrer Priorität und gewünschten Ausgangsport der Paketvermittlungsvorrichtung in Warte schlangen anzuordnen. Die Anordnung wird als virtuelle Warteschlange (VOQ Virtual Output Queuing) bezeichnet. Jede Portsteuerung I und 2 bestimmt die Zustandsinforma tion ihr zugehöriger Warteschlangen und übermittelt die Zustandsinformation in regel mäßigen Zeitabstände an die Zuteileinheit 9.

Die Zuteileinheit 9 jeder Vermittlungseinheit 3 bis 5 berechnet im regelmäßigen Zeitab stand sog. Zellperiode eine optimale Konfiguration der Koppelmatrix 8 zur Verknüpfung von Ein- und Ausgangsports der Paketvermittlungsvorrichtung. Die Berechnungen der Zuteileinheiten 9 basieren auf den Zustandsinformationen der Portsteuerungen 6 und 7, in denen die Zellen in Warteschlangen auf ihre Vermittlung zu einen Ausgangsport warten. Die Verknüpfungen müssen zwei Bedingungen erfüllen. Innerhalb einer Zellperiode darf eine Verknüpfung nicht mehrere Ausgangsports mit einem Eingangsport und/oder mehrere Eingangsports mit einem Ausgangsports der Paketvermittlungsvorrichtung ver knüpfen. Die Zuteileinheit 9 behält alle von der Portsteuerung 6 und 7 erhaltenen, aktuellen Zustandsinformationen und verschickt in jeder Zellperiode die berechnete Konfiguration der Koppelmatrix 8 an die Portsteuerung 6 und 7 und die Koppelmatrix 8.

Da Vermittlungseinheiten 3 bis 5 parallel betrieben werden, ist eine Betriebsgeschwindig keit jeder Vermittlungseinheit 3 bis 5 geringer als eine interne Betriebsgeschwindigkeit der Portsteuerung 6 und 7. Somit ist auch die Zellperiode der Vermittlungseinheiten 3 bis 5 länger als eine interne Zellperiode der Portsteuerung 1 und 2. Da jeweils die Portsteuerung 1 und 2 gleichzeitig mit mehreren Vermittlungseinheiten 3 bis 5 verbunden ist, benötigt sie eine Schnittstelle, welche gleichzeitig mit mehreren Vermittlungseinheiten 3 bis 5 betrieben werden kann. Die interne Betriebsgeschwindigkeit der Portsteuerung 6 und 7 hat den dreifachen Wert der Betriebsgeschwindigkeit einer Vermittlungseinheit 3 bis 5.

Nach Erhalt der durch die Zuteileinheit 9 berechneten Konfiguration und somit der Ver knüpfungen ist der Portsteuerung bekannt, zu welcher Vermittlungseinheit 3 bis 5 sie in der nächsten Zellperiode verbunden wird.

In Fig. 2 wird die Verwaltung der Zustandsinformationen innerhalb der Portsteuerung 6 und 7 dargestellt. Die Portsteuerung 6 und 7 enthält jeweils eine Tabelle 10 mit Zustands informationen 11 bis 19. Weiterhin sind Gewichtungsgeneratoren 20 bis 24 mit einer Anzeige 25 bis 29 notwendig um die Gewichtungen zu generieren und eine Änderung der Gewichtung an zu zeigen. Ein sogenanntes Round-Robin 1-Verfahren 30 und ein Round- Robin 2-Verfahren 31 werden als Bedienstrategie (Scheduling) zur Zugangsregelung an einen Ausgang 34 zur den Zuteileinheiten 9 verwendet.

In der Tabelle 10 werden alle Zustandsinformationen 11 bis 19 und Änderungen der Zustandsinformationen 11 bis 19 seit der letzten Versendung an die Zuteileinheit festge halten. Der Gewichtungsgenerator 20 bis 24 generiert die Gewichtung, welche mit Hilfe des Round-Robin 1-Verfahren 30 als Bedienstrategie durch den Ausgang 34 an eine Zuteileinheiten 9 Zugang erhält. Bei der Generierung der Gewichtung werden nur zuletzt geänderte Zustandsinformationen berücksichtigt. Falls keine geänderten Zustands informationen seit der letzten Zellperiode vorliegen, wird die durch das Round-Robin 2- Verfahren 31 bestimmte Gewichtung verschickt. In jeder Zellperiode werden zwei Gewichtungen gleichzeitig an die Zuteileinheit 9 gesendet.

Je größer die Anzahl der Vermittlungseinheiten 3 bis 5, desto größer ist auch die Menge der Zustandsinformationen, die jede Portsteuerung 6 und 7 an die Zuteileinheit 9 ver schickt. Um die zur Verfügung stehende Bandbreite zwischen Portsteuerung 6 und 7 und Vermittlungseinheit 3 bis 5 konstant zu erhalten, verteilt die Portsteuerung 6 und 7 jeweils nur einen Teil der zuletzt geänderten Zustandsinformationen an die Zuteileinheiten 9 der Vermittlungseinheiten 3 bis 5.

Claims

1. Eine Paketvermittlungsvorrichtung mit
wenigstens einer Leitungseinheit (1 und 2) mit einer Portsteuerung (6 und 7) zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlangen sowie zur Generierung von Zustandsinformationen der Warteschlange, und
wenigstens einer Vermittlungseinheit (3 bis 5) bestehend aus einer Koppelmatrix (8) und einer Zuteileinheit (9) zur Steuerung der Koppelmatrix (8),
wobei die Portsteuerung (6 und 7) zur Verteilung der Zustandsinformationen an mehrere Zuteileinheit (9) vorgesehen ist und
jede sich meldende Zuteileinheit (9) zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorgesehen ist.

2. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Leitungseinheit (1 und 2) der Paketvermittlungsvorrichtung mit mehreren parallel arbeitenden Vermittlungseinheiten (3 bis 5) verbunden ist.

3. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Entfernen und Hinzufügen der Vermittlungseinheiten (3 bis 5) eine Skalierung der Leistung der Paketvermittlungsvorrichtung vorgesehen ist.

4. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere redundante Vermittlungseinheiten (3 bis 5) als Ersatz für fehlerhafte Vermittlungseinheiten (3 bis 5) vorgesehen sind.

5. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine interne Betriebsgeschwindigkeit der Portsteuerung (6 und 7) den n-fach Wert einer Betriebsgeschwindigkeit der Vermittlungseinheit (3 bis 5) hat.

6. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuteileinheit (9) jeder Vermittlungseinheit (3 bis 5) in regelmäßigen Zeitabständen zur Übermittlung an die Koppelmatrix (8) und die Poststeuerung (6 und 7) einer errechneten Konfiguration der Koppelmatrix (8) vorgesehen ist.

7. Paketvermittlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtung bestehend aus einer Funktion aller Zustandsinformationen für einen Ausgangsport der Paketvermittlungsvorrichtung zur Benachrichtigung der Zuteileinheit (9) vorgesehen ist.

8. Eine Leitungseinheit (1 und 2) mit einer Portsteuerung (6 und 7) zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlangen sowie zur Generierung von Zustandsinformationen der Warteschlange für eine Paketvermittlungsvorrichtung mit wenigstens einer Vermittlungseinheit (3 bis 5) bestehend aus einer Koppelmatrix (8) und einer Zuteileinheit (9) zur Steuerung der Koppelmatrix (8),
wobei die Portsteuerung (6 und 7) zur Verteilung der Zustandsinformationen an mehrere Zuteileinheit (9) vorgesehen ist und
jede sich meldende Zuteileinheit (9) zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorgesehen ist.

9. Eine Vermittlungseinheit bestehend aus einer Koppelmatrix (8) und einer Zuteileinheit (9) zur Steuerung der Koppelmatrix (8) für eine Paketvermittlungsvorrichtung mit wenigstens einer Leitungseinheit (1 und 2) mit einer Portsteuerung (6 und 7) zur Speicherung und Anordnung von Paketen in Warteschlangen sowie zur Generierung von Zustandsinformationen der Warteschlange,
wobei die Portsteuerung (6 und 7) zur Verteilung der Zustandsinformationen an mehrere Zuteileinheit (9) vorgesehen ist und
jede sich meldende Zuteileinheit (9) zum zyklischen Empfang jeweils eines Teiles der Zustandsinformationen von der Portsteuerung vorgesehen ist.