DE10148893A1 - Method for transmitting streams of traffic in a connectionless packet-oriented communications network uses transmission nodes interconnected so as to create multiple paths between the nodes. - Google Patents
Method for transmitting streams of traffic in a connectionless packet-oriented communications network uses transmission nodes interconnected so as to create multiple paths between the nodes.Info
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Abstract
Description
In einem Kommunikationsnetzen soll der Verkehr nach bestimmten Regeln möglichst gleichmäßig auf alle Knoten und Verbindungsleitungen im Kommunikationsnetz - auch "Netz" genannt - verteilt werden. Das Netz kann von der in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 101 49 349.9 offenbarten Art sein, deren Offenbarung durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht wird. In a communication network, the traffic should follow certain rules as evenly as possible on all nodes and Connection lines in the communication network - also called "network" - be distributed. The network cannot from that in the Pre-published German patent application DE 101 49 349.9 be disclosed type, the disclosure of which by reference to the content the present description is made.
Es ergibt sich bei dieser Art der Verteilung für jede Kommunikationsbeziehung von einem bestimmten Eingang A zu einem bestimmten Ausgang B ein sog. "Verteilungsfächer", der alle für diese Kommunikationsbeziehung sinnvoll nutzbaren Knoten und Verbindungswege umfasst (siehe Fig. 1). In einem entsprechend vermaschten Netz überlappen sich dabei zwangsläufig die Verteilungsfächer verschiedener Kommunikationsbeziehungen derart, dass an den einzelnen Knoten entweder identische oder sich teilweise überlappende oder aber auch völlig disjunkte "Verzweigungsmuster" entstehen (siehe Fig. 2). Die Überlappung hängt dabei von den in den Netzknoten zum Einsatz kommenden Verteilungsmechanismen ab. This type of distribution results in a so-called “distribution fan” for each communication relationship from a specific input A to a specific output B, which comprises all nodes and connection paths that can be usefully used for this communication relationship (see FIG. 1). In a correspondingly meshed network, the distribution subjects of different communication relationships inevitably overlap in such a way that either identical or partially overlapping or also completely disjoint "branching patterns" arise at the individual nodes (see FIG. 2). The overlap depends on the distribution mechanisms used in the network nodes.
Bisher sind folgende Mechanismen zur individuellen Verteilung
von Datenpaketen auf abgehende Bündel bekannt:
- 1. Einfache Verteilung des ankommenden Verkehrs auf ein
abgehendes Bündel ohne Prioritäten:
- a) Vorabverteilung des Verkehrs in individuelle
Warteschlangen pro Port:
Ein zentraler Verkehrsverteiler verteilt den ankommenden Verkehr auf einzelne Warteschlangen, von denen jeweils eine genau einem abgehenden Port des Bündels zugeordnet ist. Die Verteilung kann zyklisch oder (z. B. bei unterschiedlichen Port- Bandbreiten) gewichtet nach verschiedenen Kriterien erfolgen. Dabei kann z. B. auch der aktuelle Füllstand der einzelnen Warteschlangen (nach der Zahl der Pakete oder bei variablen Paketlängen nach der echten Datenmenge in Bytes) oder die individuelle Länge des aktuell zuzuteilenden Datenpaketes berücksichtigt werden. Die Ports bedienen die Warteschlangen in der Regel nach dem FIFO-Prinzip. Was einmal in einer Queue steht, muss dann auch vom zugeordneten Port abgearbeitet werden. - b) Verwendung einer einzigen Warteschlange mit einem
Multi Server Prinzip:
Eine günstige Verteilung des Verkehrs mit gleichzeitig optimaler Ausnutzung der verfügbaren Portkapazitäten kann mit dem Multi-Server-Prinzip erreicht werden. Dabei werden alle ankommenden Datenpakete in eine einzige Warteschlange eingereiht, aus der sich die Ports, wann immer sie frei sind bzw. frei werden, meist nach einem FIFO (First In First Out) Prinzip das nächste zu bedienende Paket abholen.
- a) Vorabverteilung des Verkehrs in individuelle
Warteschlangen pro Port:
- 2. Verteilung des ankommenden Verkehrs auf ein abgehendes
Bündel mit Prioritäten
- a) Vorabverteilung des Verkehrs in individuelle
Prioritäts-Warteschlangen pro Port:
Ein zentraler Verkehrsverteiler verteilt den ankommenden Verkehr auf einzelne Warteschlangen, wobei für jeden abgehenden Port pro Prioritätsklasse jeweils eine individuelle Warteschlange bereitgestellt wird. Die Varianten gemäß 1 (a) sind analog anwendbar. Bei der Bedienung der Warteschlangen berücksichtigen die Ports die Prioritäten nach entsprechenden Regeln ("strikt", "gewichtet" usw.) - b) Multi Server Prinzip mit je einer Warteschlange pro
Prioritätsklasse:
Wie 1 (b), wobei die höherprioren Warteschlangen entsprechend der Prioritätsregeln bevorzugt bedient werden.
- a) Vorabverteilung des Verkehrs in individuelle
Prioritäts-Warteschlangen pro Port:
- 3. Verteilung des ankommenden Verkehrs auf ein abgehendes
Bündel mit prioritätsgesteuertem Per Flow Queueing:
Eine Verfeinerung der oben beschriebenen elementaren Mechanismen besteht darin, zur granulareren Unterscheidung und Priorisierung zwischen verschiedenen individuellen Kommunikationsbeziehungen (Flows) auch individuelle und separate Queues per Flow einzurichten. Damit wird jedoch der Aufwand für Queueing (wg. Zahl der Warteschlangen) und Scheduling (wg. Auswahl des nächsten auszugebenden Paketes aus der Vielzahl der Warteschlangen) um ein Vielfaches erhöht und sehr viel mehr von den Verkehrsmustern (d. h. Zahl der gleichzeitig aktiven Flows) abhängig. Zusätzlich muss dabei auch auf eine faire Verteilung der Ressourcen zwischen gleich priorisierten Flows geachtet werden, wofür spezielle Mechanismen wie z. B. "Weighted Fair Queueing" (WFQ) oder ähnliches eingesetzt werden, deren Komplexität (vor allem bei einer sehr großen Zahl von Queues) die eines einfachen Priority-Queueings um ein Vielfaches übersteigen kann. Selbstverständlich lässt sich Per Flow Queueing sowohl portindividuell [obiges Muster (a)] als auch in Verbindung mit dem Multi-Server-Prinzip [obiges Muster (b)] einsetzen.
- 1. Easy distribution of incoming traffic to an outgoing bundle without priorities:
- a) Advance distribution of traffic in individual queues per port:
A central traffic distributor distributes the incoming traffic to individual queues, one of which is assigned to exactly one outgoing port of the bundle. The distribution can be cyclical or (e.g. with different port bandwidths) weighted according to various criteria. Here, for. For example, the current fill level of the individual queues (based on the number of packets or, in the case of variable packet lengths, the actual amount of data in bytes) or the individual length of the data packet currently to be allocated can be taken into account. The ports usually serve the queues according to the FIFO principle. What is in a queue must also be processed from the assigned port. - b) Using a single queue with a multi server principle:
A favorable distribution of traffic with optimal utilization of available port capacities can be achieved with the multi-server principle. All incoming data packets are placed in a single queue, from which the ports, whenever they are free or become free, usually collect the next packet to be operated according to a FIFO (First In First Out) principle.
- a) Advance distribution of traffic in individual queues per port:
- 2. Distribution of incoming traffic to an outgoing bundle with priorities
- a) Advance distribution of traffic into individual priority queues per port:
A central traffic distributor distributes the incoming traffic to individual queues, with an individual queue being provided for each outgoing port for each priority class. The variants according to 1 (a) can be used analogously. When operating the queues, the ports take the priorities into account according to the corresponding rules ("strict", "weighted" etc.) - b) Multi server principle with one queue per priority class:
Like 1 (b), but the higher priority queues are served preferentially according to the priority rules.
- a) Advance distribution of traffic into individual priority queues per port:
- 3. Distribution of incoming traffic to an outgoing bundle with priority-controlled per flow queuing:
A refinement of the elementary mechanisms described above consists in setting up individual and separate queues per flow for more granular differentiation and prioritization between different individual communication relationships (flows). However, this increases the effort for queuing (due to the number of queues) and scheduling (due to the selection of the next packet to be output from the large number of queues) and is much more dependent on the traffic patterns (ie number of simultaneously active flows) , In addition, attention must also be paid to a fair distribution of resources between flows with the same priority. B. "Weighted Fair Queuing" (WFQ) or the like are used, the complexity (especially with a very large number of queues) can exceed that of a simple priority queuing by a multiple. Of course, per flow queuing can be used individually for each port [sample (a) above] as well as in connection with the multi-server principle [sample (b) above].
Bei allen genannten Verfahren wird bei der Implementierung in den Warteschlangen in der Regel lediglich ein Zeiger (Adresse) zur Identifizierung des jeweiligen Datenpakets in einem üblicherweise gemeinsamen Datenspeicher abgelegt. Die Reihenfolge der Bedienung ergibt sich implizit aus der Reihenfolge der Einträge in der Warteschlange (z. B. nach dem FIFO Prinzip) bzw. aus dem vorgelagerten Verfahren zur Auswahl der als nächstes zu bedienenden Warteschlange (z. B. nach Priorität und bei gleicher Priorität z. B. zyklisch, longest queue first, shortest queue first, nach Gewichtung wie bei WFQ). With all of the methods mentioned, the implementation in queues are usually just a pointer (Address) to identify the respective data packet in one usually shared data storage. The The order of operation results implicitly from the order the entries in the queue (e.g. after the FIFO Principle) or from the upstream process for selecting the as next queue to be served (e.g. by priority and with the same priority z. B. cyclical, longest queue first, shortest queue first, after weighting as with WFQ).
Um zusätzliche spezielle Effekte zu erzielen, können weitere Informationen in diese Scheduling-Entscheidung mit einbezogen werden. Vor allem in der ATM Technik wird sehr häufig (aber vereinzelt auch im IP Umfeld) von der Notwendigkeit eines Traffic Shaping gesprochen. Mit diesem Verfahren sollen in der Regel bestimmte Bandbreiten, meist realisiert durch entsprechende Abstandskriterien zwischen den Zellen (Paketen) einer Verbindung (d. h. Kommunikationsbeziehung), eingehalten werden. Dazu werden zusätzliche Zeitinformationen gespeichert, die einen frühesten, spätesten und/oder optimalen Bedienungszeitpunkt für eine Warteschlange oder eine bestimmte Zelle (Paket) angeben (sog. "Kalender"). To achieve additional special effects, other Information included in this scheduling decision become. Especially in ATM technology is very common (but occasionally also in the IP environment) of the need for one Traffic shaping spoken. With this procedure in usually certain bandwidths, mostly realized by corresponding distance criteria between the cells (packages) a connection (i.e. communication relationship) become. This will include additional time information saved, the earliest, latest and / or optimal Service time for a queue or a specific one Specify cell (package) (so-called "calendar").
Die Mechanismen lassen sich mit gleicher Wirksamkeit auch für die Anwendung auf mehrere Bündel erweitern, sofern diese Bündel sich entweder gar nicht überlappen (disjunkt sind) oder sich vollständig überlappen (identisch sind). Ein Lösungsansatz für eine faire und effiziente paketweise Verkehrsverteilung auf sich teilweise überlappende Bündel mit Berücksichtigung von Prioritäten ist jedoch nicht bekannt. The mechanisms can also be used with the same effectiveness extend the application to several bundles, if these Bundles either do not overlap (are disjoint) or completely overlap (are identical). On Approach for a fair and efficient package-wise Traffic distribution on partially overlapping bundles with Priorities are not known.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt nun darin aufzuzeigen, wie in den Netzknoten unter Berücksichtigung einer evt. vorgesehenen Priorisierung einzelner Verkehrsströme oder individueller Datenpakete der Verkehr gemäß von vorgegebenen Verzweigungsmustern möglichst optimal auf die abgehenden Verbindungsleitungen verteilt werden kann, wobei jeder Netzknoten autonom und individuell pro Datenpaket entscheiden soll. An object of the invention is to show how in the network node taking into account a possible intended prioritization of individual traffic flows or individual data packets traffic according to given Branch patterns as optimal as possible on the outgoing Connection lines can be distributed, each network node decide autonomously and individually for each data packet.
Diese Aufgabe wird, durch die Erfindung gelöst. Die Erfindung sieht vor, dass meinem erfindungsgemäßen Netzknoten pro aktuellem Verzweigungsmuster zumindest je eine Warteschlange vorgesehen ist. Dabei kann eine Warteschlange durchaus für mehrere Verteilungsfächer, die sich in diesem Knoten auf dasselbe Verzweigungsmuster abbilden, gemeinsam benutzt werden. Ankommende Pakete werden nach ihrer Zugehörigkeit zu einem bestimmten Verteilungsfächer (d. h. nicht nach der Zugehörigkeit zu einem bestimmten Flow innerhalb des Verteilungsfächers) unterschieden. Entsprechend werden sie in eine zugehörige Warteschlange eingetragen. This object is achieved by the invention. The invention provides that my network node per current branching pattern at least one queue each is provided. A queue may well be for multiple distribution compartments that are located in this node map the same branching pattern, be shared. Incoming packets become one according to their affiliation certain distribution subjects (i.e. not after the Belonging to a specific flow within the Distribution fan) distinguished. Accordingly, they are in one associated queue entered.
Die Warteschlangen werden von den zum jeweiligen Verzweigungsmuster gehörenden Ports bedient. Sobald ein Port frei wird, wählt er die als nächstes von ihm zu bedienende Warteschlange aus. Die Auswahl beginnt so rechtzeitig, dass auf der abgehenden Leitung keine Lücke entsteht. Bedient ein Port mehrere (in diesem Falle sich ganz oder teilweise überlappende) Verzweigungsmuster, so wird bei dieser Auswahl zunächst über alle diese Verzweigungsmuster nach nicht leeren Warteschlangen gesucht. Werden dabei mehrere nicht leere Warteschlangen aus verschiedenen Verzweigungsmustern gefunden, so wird nach einem vorgegebenen Kriterium entschieden, welche Warteschlange als nächste bedient wird. Das aus dieser Warteschlange auszugebende Paket wird dann nach einem weiteren Kriterium bestimmt. The queues change from one to the other Served ports belonging to the branching pattern. As soon as a port is free he chooses the one to be operated next Queue out. The selection starts on time there is no gap in the outgoing line. Serves a port several (in this case, in whole or in part overlapping) branching pattern, so this selection is first after not clearing all of these branching patterns Queues wanted. If several are not empty Queues found from different branching patterns, so a decision is made based on a predetermined criterion Queue is served next. That from this Queue to be issued packet is then added to another Criterion determined.
Vorteilhaft ist hierbei die Anzahl der benötigten Queues begrenzt und lediglich von der Topologie des Netzes, d. h. der Anzahl der Nachbarknoten unter Berücksichtigung einer Bündelung von Ports, aber nicht vom Verkehr abhängig. The number of queues required is advantageous here limited and only by the topology of the network, i. H. the Number of neighboring nodes considering one Bundling of ports, but not dependent on traffic.
Es gibt es keinerlei Probleme bei einem Einsatz gemischten Netzen, da die Erfindung nur lokal in einem gegebenen Netzknoten zum Einsatz kommt. There are no problems with a mixed use Networks since the invention is only local in a given Network node is used.
Weitergehende Ausgestaltungen der Erfindung sind wie folgt:
- - Zur Delay Optimierung werden mehrere, mit unterschiedlicher Priorität gekennzeichnete Warteschlangen innerhalb eines Verzweigungsmusters vorgesehen. Die Warteschlangen innerhalb eines Verzweigungsmusters werden strikt nach deren Priorität abgearbeitet. Bedient ein Port mehrere (in diesem Falle sich ganz oder teilweise überlappende) Verzweigungsmuster, so wird zunächst über alle diese Verzweigungsmuster nach der höchstprioren, nicht leeren Warteschlange gesucht und diese wird bedient. Werden dabei mehrere nicht leere Warteschlangen derselben Priorität aus verschiedenen Verzweigungsmustern gefunden, so erfolgt die Arbitrierung zwischen diesen Warteschlangen nach einem frei wählbaren Kriterien, z. B. dem Zufallsprinzip, einer zyklischen Reihenfolge, der Größe der Bündel, der Warteschlangenlänge (longest/shortest first), der vergangenen Zeit seit der letzten Bedienung dieser Warteschlange, der Anzahl der Ports, die für ihre Bedienung zuständig sind. Durch den Einsatz priorisierter Warteschlangen wird mit vergleichsweise geringem Aufwand eine ausreichend gute Delay- und Verteilungsqualität bewirkt.
- - Zur Optimierung auf den minimal möglichen Delay für jedes
Paket werden ebenfalls mehrere, mit unterschiedlicher
Priorität gekennzeichnete Warteschlangen innerhalb eines
Verzweigungsmusters vorgesehen, die innerhalb eines
Verzweigungsmusters nach strikter Priorität abgearbeitet. Bedient
ein Port mehrere (in diesem Falle sich ganz oder teilweise
überlappende) Verzweigungsmuster, so wird zunächst über
alle diese Verzweigungsmuster nach der höchstprioren nicht
leeren Warteschlange gesucht und diese wird bedient.
Werden dabei mehrere nicht leere Warteschlangen derselben
Priorität aus verschiedenen Verzweigungsmustern gefunden,
so wird zwischen diesen nach einem Zeitkriterium
entschieden. Dazu wird in den Warteschlangen neben einem
Speicherzeiger (Adresse, s. o.) eine zusätzliche, vorzugsweise
relative, Zeitinformation ("TimeStamp") mit abgelegt, aus
der abgelesen werden kann, wann das Paket in die
Warteschlange eingetragen wurde bzw. wie lange es sich schon
darin befindet (Bild 4). Ausgewählt wird dann die
Warteschlange, an deren Spitze sich das schon am längsten
wartende Paket befindet, wodurch als Kriterium ein FIFO
Prinzip realisiert wird.
Mit dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft sichergestellt, dass mit jedem frei werdenden Port, auch bei sich nur teilweise überlappenden Bündeln, über alle von diesem Port bediente Verzweigungsmuster hinweg immer die momentan gerade dringendste Anforderung mit der minimal möglichen Verzögerung bedient wird. Dies ist besonders dann sehr vorteilhaft, wenn als hochpriore Verkehrströme Daten interaktiver Echtzeitdienste, z. B. Telephon- oder Videokonferenzdienste, übermittelt werden. - - Das paketindividuelle Zeitkriterium wird bei allen Warteschlangen verwendet, sondern nur bei hochprioren Verkehr (bspw. zeitkritischen Echtzeitanwendungen), um diesen mit dem kleinstmöglichen Delay und der entsprechend fairen Verteilung abzufertigen. Warteschlangen, die Verkehr ohne spezielle Delayanforderungen oder einfach nur Best Effort- Verkehr bedienen, können niedriger priorisiert und ohne Berücksichtigung dieser Zeitinformation behandelt werden. Prinzipiell reicht es aus, die Zeitinformation nur für die entsprechend hochprioren Warteschlangen zu speichern und auszuwerten.
- - For delay optimization, several queues with different priority are provided within a branch pattern. The queues within a branch pattern are processed strictly according to their priority. If a port serves several (in this case completely or partially overlapping) branching patterns, all of these branching patterns are first searched for and the queue is searched for the highest priority, not empty queue. If several non-empty queues of the same priority from different branch patterns are found, the arbitration between these queues is based on a freely selectable criteria, e.g. B. the random principle, a cyclical order, the size of the bundle, the queue length (longest / shortest first), the elapsed time since this queue was last operated, the number of ports that are responsible for its operation. By using prioritized queues, a sufficiently good delay and distribution quality is achieved with comparatively little effort.
- - To optimize for the minimum possible delay for each packet, several queues with different priority are also provided within a branch pattern, which are processed within a branch pattern according to strict priority. If a port serves several (in this case completely or partially overlapping) branching patterns, all these branching patterns are first searched for and the queue is used, which is not the highest priority. If several non-empty queues of the same priority are found from different branch patterns, a decision is made between them based on a time criterion. For this purpose, in addition to a memory pointer (address, see above), additional, preferably relative, time information (“TimeStamp”) is also stored in the queues, from which it can be read when the packet was entered in the queue or how long it had been there located ( picture 4). The queue is then selected, at the top of which is the longest waiting packet, whereby a FIFO principle is implemented as a criterion.
This configuration advantageously ensures that with each port that becomes free, even with bundles that only partially overlap, the currently most urgent request is always served with the minimum possible delay across all branching patterns served by this port. This is particularly advantageous if data of interactive real-time services, e.g. B. telephone or video conferencing services are transmitted. - - The packet-specific time criterion is used for all queues, but only for high-priority traffic (e.g. time-critical real-time applications) in order to process this with the smallest possible delay and the appropriate fair distribution. Queues that serve traffic without special delay requirements or simply best effort traffic can be given a lower priority and without taking this time information into account. In principle, it is sufficient to save and evaluate the time information only for the corresponding high-priority queues.
Die Granularität von Zeitinformation sollte die minimale Übertragungszeit eines Pakets, d. h. des kürzest möglichen Pakets auf der schnellsten Leitung des Bündels, berücksichtigen. Der mögliche Wertebereich sollte so gewählt werden, dass ein Überlauf innerhalb der erwarteten maximalen Verzögerungszeit eines entsprechend hochprioren Paketes nicht auftritt (Berücksichtigung der maximalen Längen der zugehörigen Queues, Portbandbreiten etc.) und jederzeit eine sichere Entscheidung möglich ist. Dabei kann auch eine evt. eingestellte Limitierung des hochprioren Verkehrs im Netz mit berücksichtigt werden mit dem Vorteil kürzerer Warteschlangen. The granularity of time information should be the minimum Transmission time of a packet, i. H. the shortest possible Package on the fastest line of the bundle, consider. The possible range of values should be chosen in this way be that an overflow within the expected maximum delay time of a correspondingly high priority Package does not occur (taking into account the maximum lengths the associated queues, port bandwidths etc.) and a safe decision is possible at any time. It can also a possibly set limitation of the high priority Traffic in the network are taken into account with the advantage shorter queues.
Die Implementierung kann über einen einfachen, regelmäßig getakteten Rundzähler (Neustart bei Überlauf) erfolgen. Der Zähler ist nur lokal relevant, eine Synchronisation zwischen den Knoten ist nicht erforderlich, die Taktgenauigkeit unterliegt keinen spezifischen Anforderungen, eine Mischung von Knoten mit und ohne diesen Mechanismus im selben Netz ist jederzeit möglich. (Der Mechanismus betrifft nur die individuelle, lokale Arbeitsweise innerhalb eines Knotens.)
- 1. Das Zeitkriterium wird auch dazu verwendet, um Pakete, die
aus irgendwelchen Gründen zu lange gewartet haben und
deren weitere Übertragung (im Rahmen der zugehörigen
Echtzeitanwendung) nicht mehr sinnvoll erscheint,
auszusortieren und zu verwerfen. Dies kann entweder beim Schedulen
oder durch einen separaten, parallel laufenden Prozess
erfolgen. Ein solcher Prozess könnte z. B. die
Zeitinformation beim Eintragen des Paketes in die Warteschlange auf
einen definierten Anfangswert zu setzen, sie regelmäßig
getaktet auf oder abwärts zu zählen und beim Erreichen eines
bestimmten Grenz- oder Schwellenwertes entsprechende
Aktionen, z. B. Entfernen des Paketes aus der Warteschlange, zu
triggern. Alternativ könnte auch die Differenz zwischen
dem Eintragszeitpunkt (als unveränderlicher Wert) und der
aktuellen Zeit (die mitgezählt wird) in einem sich
regelmäßig wiederholenden Vergleich als Entscheidungskriterium
herangezogen werden.
- - Die Warteschlangen werden von den Ports nach dem Multi Server Prinzip bedient. Das Multi-Server-Prinzip garantiert eine faire Zuteilung und die optimale Nutzung der verfügbaren Ressourcen auch und gerade bei variablen Paketlängen. Der Scheduling Prozess wird vom ausgehenden Port genau dann angestoßen, wenn dieser frei wird. Dies geschieht aber (unter Kenntnis der (Rest-)Länge des momentan bedienten Pakets) so rechtzeitig, dass die Entscheidung und das nächste auszugebende Paket rechtzeitig mit dem Ende des vorhergehenden zur Ausgabe bereitsteht. Ein weiterer großer Vorteil des Multi-Server-Prinzips besteht auch darin, dass bei Ports unterschiedlicher Bandbreite diese Unterschiede dadurch, dass frei werdende Ports sich quasi selbst neue Daten aus der (den) Queue(s) holen, automatisch bei der Verteilung berücksichtigt werden.
- - Die Auswahl der als nächstes von einem Port zu bedienenden Warteschlange erfolgt mit Hilfe einer Scheduling-Funktion.
- - Es werden weitere getrennte Warteschlangen eingesetzt, um zusätzliche, ggf. pro Verteilungsfächer unterschiedliche Kriterien zu berücksichtigen.
- - Das weitere Kriterium ist ein FIFO (First In First Out).
- - Die Warteschlangen werden nur bei Bedarf angelegt. Längere Zeit nicht verwendete Queues werden wieder freigegeben (time-out). Hierdurch wird die Zahl der tatsächlich benötigten Warteschlangen reduziert, weil die Zahl der aktuellen Verzweigungsmuster meiste kleiner sein dürfte als die Zahl der aktuellen Kommunikationsbeziehungen.
- - Die Verkehrsströme werden gezielt ungleichmäßig nach entsprechenden Vorgaben verteilt. Hierzu werden weitere Kriterien in die Verteilungsentscheidung mit einbezogen werden.
- - Es wird eine adaptive Annäherung an einen erwünschten
Zielwert der Verteilung vorgesehen. Bei sich teilweise
überlappenden Bündeln ist es möglich, dass die angestrebten
gleichmäßigen bzw. vorgegebenen Verteilung nicht optimal
bewirkt wird, weil sich Interferenzen zwischen den Bündeln
störend auswirken.
Eine einfache Alternative sieht vor, diese vorausberechnen und bei der Vorgabe der Scheduling-Regeln zu berücksichtigen.
In komplexen Fällen (z. B. unter sich immer wieder ändernden realen Netzbedingungen), in denen das Netzverhalten und mithin das Verhalten der Komponenten der Erfindung nicht zuverlässig vorausberechnet werden kann, ist es von Vorteil, die Scheduling-Parameter im Betrieb adaptiv anpassen zu können.
Dies kann entweder im Knoten autonom oder durch einen Anstoß von außen (Vorgabe neuer Regeln) erfolgen.
Als regulierendes Kriterium kann dazu der Vergleich (resp. die Abweichung) der tatsächlich erzielten Verteilung mit (von) der gewünschten Verteilung dienen. Vorzugsweise sollte dazu im Knoten z. B. die Häufigkeit der Bedienung der verschiedenen Warteschlangen durch die verschiedenen Ports (oder die resultierende Last der Ports pro Verkehrsklasse) gemessen und für die korrigierende Einheit verfügbar gemacht werden.
Für netzweite Korrekturen können auch Angaben über die mittlere und die maximal aufgetretenen Länge der verschiedenen Warteschlangen von Bedeutung sein.
Vorzugsweise werden diese Messungen und Verfahren auf Basis der Anzahl der Pakete vorgenommen. Hierbei wird davon auszugehen, dass sich die Auswirkungen von variabel langen Pakete über relativ kurze Zeiträume ausmitteln. Alternativ können diese Betrachtungen und Messungen auch unter Berücksichtigung der individuellen Längen aller einzelnen Pakete angestellt werden. - - Zur Realisierung einer bestimmten Lastverteilung innerhalb
eines Bündels wird pro Queue für jeden Port eine
Zeitinformation gehalten und beim Scheduling mitberücksichtigt.
Die Zeitinformation enthält z. B. die letzten
Bedienungszeitpunkte der Queue durch die verschiedenen Ports.
Vorteilhaft kann hiermit z. B. portindividuell ein bestimmter Mindest- und/oder Maximalabstand zwischen zwei Bedienungen eingestellt werden oder die Zeiten könnten relativ zueinander bewertet werden ("Port x kommt erst wieder dran, wenn er doppelt so lange nicht dran war wie Port y"). Solche Zeitinformationen könnten auch zur Bestimmung eines nächsten Ziel-Bedienungszeitpunktes (frühestens, spätestens, optimal) verwendet werden oder gleich als solche abgespeichert werden (Kalender).
Eine alternative und vergleichsweise einfachere Lösung besteht darin, für jede Queue lediglich mitzuzählen, wie oft sie von welchem Port bedient wurde, und daraus die Entscheidung abzuleiten, ob sie aktuell mit berücksichtigt werden darf. Die Zähler könnten intervallweise oder auch gleitend (Leaky Bucket) zurückgesetzt bzw. dekrementiert werden.
Auch bei diesen Varianten könnten die Vorgaben und Regeln wie oben beschrieben mit Hilfe von Messergebnissen adaptiv angepasst werden.
- 1. The time criterion is also used to sort out and discard packets that have waited too long for any reason and whose further transmission (within the scope of the associated real-time application) no longer makes sense. This can be done either during scheduling or through a separate, parallel process. Such a process could e.g. B. to set the time information when entering the packet in the queue to a defined initial value, to count it regularly clocked up or down and when a certain limit or threshold value corresponding actions, z. B. Trigger the packet out of the queue. Alternatively, the difference between the entry time (as an unchangeable value) and the current time (which is counted) could be used as a decision criterion in a regularly repeated comparison.
- - The queues are served by the ports according to the multi server principle. The multi-server principle guarantees fair allocation and optimal use of the available resources, especially with variable packet lengths. The scheduling process is triggered by the outgoing port exactly when it becomes free. However, this happens (knowing the (remaining) length of the package currently being served) in good time so that the decision and the next package to be issued are ready for issue in good time at the end of the previous one. Another great advantage of the multi-server principle is that, for ports with different bandwidths, these differences are automatically taken into account in the distribution by the fact that ports becoming free fetch themselves new data from the queue (s).
- - The queue to be served next by a port is selected using a scheduling function.
- - Additional separate queues are used to take additional criteria into account, which may be different for each distribution subject.
- - The other criterion is a FIFO (First In First Out).
- - The queues are only created if necessary. Queues that have not been used for a long time are released again (time-out). This reduces the number of queues that are actually required because the number of current branching patterns is likely to be smaller than the number of current communication relationships.
- - The traffic flows are deliberately distributed unevenly according to the relevant guidelines. For this purpose, further criteria will be included in the distribution decision.
- - An adaptive approach to a desired target value of the distribution is provided. In the case of bundles which partially overlap, it is possible that the desired uniform or predetermined distribution is not optimally effected because interferences between the bundles have a disruptive effect.
A simple alternative is to calculate these in advance and take them into account when specifying the scheduling rules.
In complex cases (e.g. under constantly changing real network conditions) in which the network behavior and therefore the behavior of the components of the invention cannot be reliably predicted, it is advantageous to be able to adaptively adapt the scheduling parameters during operation ,
This can be done either autonomously in the node or by an external push (new rules).
The comparison (or the deviation) of the actually achieved distribution with (from) the desired distribution can serve as a regulating criterion. Preferably, this should be done in the node z. B. the frequency of service of the different queues through the different ports (or the resulting load of the ports per traffic class) are measured and made available to the correcting unit.
For network-wide corrections, information about the average and maximum length of the various queues can also be important.
These measurements and methods are preferably carried out on the basis of the number of packets. It can be assumed that the effects of variable-length packets are averaged over relatively short periods of time. Alternatively, these considerations and measurements can also be made taking into account the individual lengths of all individual packages. - - To implement a specific load distribution within a bundle, time information is kept for each port for each port and is taken into account in the scheduling. The time information contains e.g. B. the last operating times of the queue through the different ports.
Advantageously, z. For example, a specific minimum and / or maximum distance between two controls can be set for each port, or the times could be evaluated relative to one another ("Port x can only be used again if it has not been used twice as long as Port y"). Such time information could also be used to determine a next target service time (at the earliest, at the latest, optimally) or could be saved as such immediately (calendar).
An alternative and comparatively simpler solution is to simply count for each queue how often it was served by which port, and to derive from this the decision as to whether it can currently be taken into account. The counters could be reset or decremented at intervals or in a sliding manner (leaky bucket).
With these variants, too, the specifications and rules could be adapted adaptively as described above with the aid of measurement results.
Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt hierbei: The invention is illustrated on the basis of the figures Embodiments explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Verteilungsfächer, der alle für eine Kommunikationsbeziehung in einem Netz sinnvoll nutzbaren Knoten und Verbindungswege umfasst; Fig. 1 shows a distribution fan, which comprises all of a communication link in a network sense usable node and communication paths;
Fig. 2 überlappende Verteilungsfächer mehrerer Kommunikationsbeziehungen in dem Netz nach Fig. 1, Fig. 2 overlapping distribution fan plurality of communication links in the network of Fig. 1,
Fig. 3 die Grundform einer erfindungsgemäßen Lösung (noch ohne "Timestamp") mit n = 1 für die elementarste Ausgestaltung der Erfindung, wobei durch die Pfeilrichtung andeutet wird, dass der Port sich das nächste auszugebende Paket abholt, und wobei die gestrichelten Dreiecke für die dabei (vom Port aus) aktivierte Scheduling Funktion stehen, Fig. 3 shows the basic form of a solution according to the invention (still without "timestamp") with n = 1 for the most elementary embodiment of the invention, with the direction of the arrow indicating that the port is picking up the next packet to be output, and the dashed triangles for there is an activated scheduling function (from the port),
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Lösung mit Timestamp Information für die Pakete der höchstprioren Queue (das Timestamp Prinzip kann selbstverständlich auch für niederpriore Queues bis hin zum Best Effort eingesetzt werden), die vom Scheduler mit ausgewertet wird, wobei durch die Pfeilrichtung andeutet wird, dass der Port sich das nächste auszugebende Paket abholt, und wobei die gestrichelten Dreiecke für die dabei (vom Port aus) aktivierte Scheduling Funktion stehen, Fig. 4 shows a solution according to the invention with timestamp information for the packets of the highest priority queue (the timestamp principle can of course also be used for low priority queues up to best effort), which is also evaluated by the scheduler, with the direction of the arrow indicating that the Port picks up the next packet to be output, and the dashed triangles represent the scheduling function activated (from the port),
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Lösung mit weiteren Hilfsregistern pro Queue (mit Hilfsinformationen zum Ansteuern einer vorgegebenen Verkehrsverteilung für die jeweilige Verzweigungsgruppe in dem sie bedienenden Bündel), wobei durch die Pfeilrichtung andeutet wird, dass der Port sich das nächste auszugebende Paket abholt, und wobei die gestrichelten Dreiecke für die dabei (vom Port aus) aktivierte Scheduling Funktion stehen, Fig. 5 shows a solution according to the invention with further auxiliary registers per queue (with auxiliary information for controlling a predetermined traffic distribution for the respective branching group in which they are serving bundle), wherein indicates by the direction of the arrow, that the port to pick up the next to be output packet, and wherein the dashed triangles stand for the activated scheduling function (from the port),
Es ist hierbei zu beachten, dass die Verzweigungsmuster in den Fig. 1 und 2 lediglich die Struktur der Vermaschung zwischen den Knoten zeigen. Dies schließt nicht aus, dass an einer Kante der Graphen (d. h. zwischen zwei benachbarten Knoten) mehrere parallele physikalische Leitungen (und sogar auch mit unterschiedlichen Bandbreiten) liegen können, die bei der Verteilung als separate Ports wie in den Fig. 3 bis 5 betrachtet werden (können). It should be noted here that the branching patterns in FIGS. 1 and 2 only show the structure of the meshing between the nodes. This does not exclude that there may be several parallel physical lines (and even with different bandwidths) on one edge of the graph (ie between two adjacent nodes), which are considered as separate ports in the distribution as in FIGS. 3 to 5 (can).
Ein besonders schöner Vorteil der Erfindung liegt darin, dass bei Einsatz sich überlappender Verzweigungsmuster durch, beliebige Kombination der Mechanismen a) Zeitkriterium pro Paket zur Delayoptimierung beim Arbitrieren, b) Einstellung einer vorgegebenen, bei Bedarf auch "schiefen" Verkehrsverteilung, c) adaptive Nachregelung auf das angestrebte Verteilungsmuster, eine sehr flexible und für nahezu jede Netzanwendung optimierbare Adaptionen der Netzknoten und mithin des Netzes als Ganzem ermöglicht wird. A particularly nice advantage of the invention is that when using overlapping branching patterns, any combination of mechanisms a) time criterion pro Arbitration delay optimization package, b) Setting a given, "skewed" if necessary Traffic distribution, c) adaptive readjustment to the target Distribution pattern, a very flexible and for almost everyone Adaptations of the network nodes and consequently the network application Network as a whole is made possible.
Ein Beispiel für eine gezielt ungleichmäßig Verteilung der Verkehrsströme nach entsprechenden Vorgaben mittels Einbeziehung weitere Kriterien in die Verteilungsentscheidung liegt darin, beim Scheduling für bestimmte Ports nach entsprechenden Regeln sporadisch eine bestimmte Warteschlange nicht zu berücksichtigen. Soll beispielsweise bei einer Verteilung auf 4 Ports der hoch- bzw. höchstpriore Verkehr einer Verzweigungsgruppe im Verhältnis 4 : 4 : 3 : 1 auf 4 Ports verteilt werden, so wird vom Scheduler für den 3. Port die höchstpriore Warteschlange dieser Verzweigungsgruppe bei jedem 4. Scheduling-Vorgang nicht berücksichtigt und für den 4. Port wird er nur bei jedem 4. Scheduling-Vorgang mit einbezogen. Dabei sollte das Gesamtvolumen des höchstprioren Verkehrs in jedem Fall (deutlich) unter der dafür bereitgestellten Gesamtkapazität (Port 1 + Port 2 + x Port 3 + R Port 4) des Bündels bleiben. An example of a specifically uneven distribution of traffic flows according to corresponding specifications by including further criteria in the distribution decision is to occasionally ignore a specific queue for certain ports according to the corresponding rules when scheduling. For example, if the high or highest priority traffic of a branch group is to be distributed in a ratio of 4: 4: 3: 1 to 4 ports in a distribution on 4 ports, the scheduler for the 3rd port will assign the highest priority queue of this branch group for every 4. Scheduling process is not taken into account and for the 4th port it is only included in every 4th scheduling process. The total volume of the highest priority traffic should in any case (clearly) remain below the total capacity provided for this (port 1 + port 2 + x port 3 + R port 4 ) of the bundle.
Selbstverständlich können dabei auch Unsymmetrien der Portbandbreiten kompensiert werden. Hat z. B. der 4. Port gegenüber den übrigen 3 Ports nur die halbe Bandbreite, soll aber dennoch ein Zwölftel des Gesamtverkehrs zugeteilt bekommen, so wird für ihn die entsprechende Warteschlange jedes 2. mal mit berücksichtigt. Of course, asymmetries of the Port bandwidths are compensated. Has z. B. the 4th port compared to the other 3 ports only half the bandwidth, but should still get a twelfth of the total traffic, so the corresponding queue becomes every second time also taken into account.
Es sei betont, dass die Beschreibung der für die Erfindung relevanten Komponenten des Kommunikationsnetzes grundsätzlich nicht einschränkend zu verstehen ist. Für einen einschlägigen Fachmann ist insbesondere offensichtlich, dass die verwendeten Begriffe funktional und nicht physikalisch zu verstehen sind. Somit können die Komponenten auch teilweise oder vollständig in Software und/oder über mehrere physikalische Einrichtungen verteilt realisiert werden. It should be emphasized that the description of the invention relevant components of the communication network is not to be understood as restrictive. For a relevant One skilled in the art will particularly appreciate that the to understand the terms used functionally and not physically are. Thus, the components can also be partially or entirely in software and / or across multiple physical Facilities can be realized distributed.
Claims (29)
dessen Knoten gemäß der Topologie des Netzes so untereinander verbunden sind, dass eine Mehrzahl von Wegen zwischen den Netzknoten existiert,
wobei der Netzknoten in zumindest einem Verteilungsfächer enthalten ist, der für eine konkrete Kommunikationsbeziehung zwischen einem als Sendeknoten ausgebildeten Netzknoten und einem als Empfangsknoten ausgebildeten Netzknoten aus der Netztopologie abgeleitet ist und alle Netzknoten und Wege umfasst, die für eine verteilte Übermittlung von der Kommunikationsbeziehung zugeordneten Verkehrsströmen in dem Kommunikationsnetz sinnvoll genutzt werden können,
woraus zumindest für den Netzknoten ein Verzweigungsmuster, auf das der Verteilungsfächer abgebildet ist, bestimmt ist, durch das ein Bündel von abgehenden Ports des Netzknotens festgelegt ist, auf die die dem Verteilungsfächer zugeordneten Verkehrsströme verteilt werden sollen, wobei die den Ports zugeordneten Wege zu zumindest zwei unterschiedlichen, benachbarten Netzknoten führen,
wobei der Netzknoten zumindest ein, zumindest eine Warteschlage umfassendes Warteschlangensystem für das Verzweigungsmuster umfasst, die zumindest dann vorgesehen ist, wenn durch den Netzknoten zumindest ein Verkehrsstrom entsprechend dem Verzweigungsmuster aktuell verteilt übermittelt wird. 1. network node of a packet-oriented communication network,
whose nodes are connected to one another in accordance with the topology of the network in such a way that a plurality of paths exist between the network nodes,
wherein the network node is contained in at least one distribution subject that is derived from the network topology for a specific communication relationship between a network node designed as a transmitting node and a network node designed as a receiving node and includes all network nodes and paths that are used for a distributed transmission of traffic flows assigned by the communication relationship the communication network can be used sensibly,
from which, at least for the network node, a branching pattern, on which the distribution fan is mapped, is determined, by means of which a bundle of outgoing ports of the network node is defined, over which the traffic flows assigned to the distribution fan are to be distributed, the routes assigned to the ports being at least two run different, neighboring network nodes,
wherein the network node comprises at least one queuing system for the branching pattern, comprising at least one queue, which is provided at least when at least one traffic stream corresponding to the branching pattern is currently being distributed by the network node.
ein ankommendes Paket wird in eine der Warteschlangen eingetragen, und
ein Scheduling-Prozess zur Entscheidung über die Ausgabe eines nächsten Pakets aus einer der Warteschlangen wird zumindest von einem der abgehenden Ports des Netzknotens angestoßen. 11. Use of a method with the following steps in a network node according to one of the preceding device claims:
an incoming packet is entered in one of the queues, and
a scheduling process for deciding on the output of a next packet from one of the queues is initiated by at least one of the outgoing ports of the network node.
Zufallsprinzip,
zyklischen Reihenfolge,
Größe der Bündel,
kürzeste Warteschlange zuerst,
längste Warteschlange zuerst,
nach Gewichtung der Warteschlangen,
vergangenen Zeit seit der letzten Bedienung dieser Warteschlange, insbesondere ausgebildet als FIFO Prinzip, bei dem die am längsten unbediente Warteschlange als nächste bedient wird, oder
Anzahl der Ports, die für ihre Bedienung zuständig sind. 15. Use according to one of the two preceding claims, in which the first criterion is designed as one of the following criteria:
Random,
cyclical order,
Size of the bundles,
shortest queue first,
longest queue first,
after weighting the queues,
elapsed time since this queue was last operated, in particular in the form of a FIFO principle in which the least serviced queue is served next, or
Number of ports that are responsible for their operation.
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