DE19540160C2 - Verfahren zur Koordinierung über serielle Leitungen von eingangsgepufferten ATM Vermittlungseinrichtungen zur Vermeidung von Ausgangsblockierungen - Google Patents
Verfahren zur Koordinierung über serielle Leitungen von eingangsgepufferten ATM Vermittlungseinrichtungen zur Vermeidung von AusgangsblockierungenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Koordinierung von eingangsgepufferten
ATM-Vermittlungseinrichtungen über serielle Leitungen zur Vermeidung von Ausgangs
blockierungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie dies aus der EP 624015 A2 bekannt ist.
Ausgangsblockierungen entstehen bekanntlich (auch in intern blockierungsfreien Vermitt
lungseinrichtungen) für den Fall, daß zwei oder mehr Eingänge der Vermittlungseinrich
tung zur selben Zeit jeweils eine oder mehrere Zellen zum gleichen Ausgang der Vermitt
lungseinrichtung übertragen wollen und die Ausgangsleitung, die normalerweise mit der
selben Bitrate wie die Eingangsleitungen betrieben wird, innerhalb einer Zelldauer nur eine
ATM-Zelle weiterleiten kann. Zur Vermeidung von Zellverlusten müssen daher einige
Zellen vorübergehend zurückgehalten werden.
Für die Art und Weise, wie diese Zwischenpufferung erfolgt, sind aus der einschlägigen
Fachliteratur bereits mehrere Alternativen bekannt (vgl. hierzu u. a.: Garcia-Haro, Joan/
Jajszczyk, Andrzej: "ATM Shared-Memory Switching Architectures" in IEEE Network
Juli/August 1994, S. 18-26; sowie: Liew, Soung C.: "Performance of Various Input-buffe
red and Output-buffered ATM Switch Design Principles under Bursty Traffic: Simulation
Study" in: IEEE Transactions on Communications, Vol. 42, No. 2/3/4, Feb./Mrz./Apr.
1994, S. 1371-1379).
Bei hohen Leitungsbitraten und einer großen Anzahl von Ein- und Ausgängen ist eine Puf
ferung der Zellen an den Eingängen der Vermittlungseinrichtung vorteilhaft (vgl. hierzu
u. a. Peter Newman: "ATM Technology for Corporate Networks" in: IEEE Communica
tions Magazine, April 1992, S. 90-101), da hier anstelle teurer Speziallösungen preisgün
stige dynamische RAM-Speicherbausteine großer Kapazität, wie sie in großen Mengen in
Personal-Computer-Sektor eingesetzt werden, Verwendung finden können.
Zusätzlich muß für jede Zelldauer entschieden werden, welche Zelle welches Eingangs zu
welchem Ausgang übertragen wird. Für dieses Koordinierungsproblem wurden in der Li
teratur bereits mehrere Lösungen vorgeschlagen. Die wesentlichen Grundprinzipien und
ihre Grenzen seien hier im folgenden kurz umrissen:
Sehr häufig werden Verfahren mit einer zentralen Koordinierereinrichtung genannt (vgl.
Obara, H.: "Optimum Architecture for Input Queueing ATM Switches", in: Electronics
Letters, Vol. 27, No. 7, 28. Mrz. 1991, S. 555-557 und Matsunaga, H./Uematsu, H.: "A
1.5 Gb/s 8 × 8 Cross-Connect Switch Using a Time Reservation Algorithm", in: IEEE Jour
nal on Selected Areas in Communications, Vol. 9, No. 8, Okt. 1991, S. 1308-1317), die
für jede Zelldauer zunächst von den Eingangspuffern über die dort vorhandenen Zellen in
formiert wird, dann nach einem bestimmten Algorithmus die zu übertragenden Zellen aus
wählt, diese Entscheidung dann den Eingangspuffern mitteilt, woraufhin letztere schließ
lich die entsprechenden Zellen übertragen können. Da die genannten Kommunikations-
und Entscheidungsvorgänge aus Gründen eines aktuellen Informationsstandes sämtlich
innerhalb einer einzigen Zelldauer ablaufen müssen, sind diese Verfahren nicht für ATM-
Vermittlungseinheiten mit hohen Leitungsbitraten und/oder einer großen Anzahl von Aus
gängen pro Vermittlungseinheit verwendbar.
Aus diesem Grund wird heute allgemein zu einer Parallelisierung des Entscheidungs- und
Kommunikationsproblems übergegangen. Hierbei wird insbesondere das sog. "Output
Scheduling" eingesetzt (vgl. Main, J./Sarkies, K.: "Cell Scheduling Using Status Arrays
in Input Buffered ATM Switches", in: Proceedings of the First IEEE Workshop on Broad
band Switching Systems", Poznan, Polen, 19.-21. April 1995), bei dem jeweils pro Aus
gang eine Entscheidereinheit vorhanden ist, die von den Eingangspuffern die Übertra
gungswünsche zum betreffenden Ausgang empfängt, einen Eingangspuffer auswählt und
diesem dann die konfliktfreie Übertragung der entsprechenden Zelle zusichert. Bei diesem
Verfahren ist also eine Vielzahl von parallel ablaufenden Kommunikationsvorgängen (zu
sätzlich zur eigentlichen Nutzdatenübertragung, d. h. der ATM-Zellen) pro Zelldauer nö
tig, was insbesondere bei großen Vermittlungseinrichtungen einen hohen Bedarf an zusätz
licher schneller und damit teurer Hardware nach sich zieht.
Andere Verfahren (so z. B. Hayter, T. A. et al.: "Improvements Relating to ATM Communi
cation Systems", European Patent Application, Publication Number 0 624 015 A2) versu
chen, den Kommunikationsaufwand des "Output Scheduling" dadurch zu reduzieren, daß
die Koordinierung nicht mehr auf Zellebene, d. h. für jede einzelne ATM-Zelle, ausgeführt
wird. Vielmehr fordern die Eingangspuffer entsprechend ihres Füllstands von Zeit zu Zeit
Übertragungsraten bzgl. der Zellübertragung zu den Ausgängen an und bekommen eben
solche dann zugewiesen. Durch die genannte Verminderung der Anforde
rungs-/Bestätigungskommunikation wird jedoch eine zusätzliche Koordinierungsträgheit
eingebracht, die bei burst-haften (d. h. nicht konstant-bitratigen) Zellströmen zu einer
Minderauslastung der Vermittlungseinrichtung führt.
Ein gänzlich anderer Weg zur Reduzierung des Koordinationsaufwandes (schon auf der
Zellebene) und seiner notwendigen Zusatzkommunikation ist das Ring-Reservation-Ver
fahren (vgl.: Bingham, B./Bussey, H.: "Reservation-Based Contention Resolution Me
chanism For Batcher-Banyan Packet Switches", in: Electronics Letters, Vol. 24, No. 13,
23. Juni 1988, S. 772-773):
Durch Einführung einer hierbei noch ringförmigen seriellen Leitung, die die einzelnen
Eingangspuffer (bzw. deren Steuerungen) miteinander verbindet, wird die Erlaubnis, eine
Zelle zu einem bestimmten Ausgang übertragen zu dürfen, an die erfolgreiche Belegung
einer dem betreffenden Ausgang entsprechenden Bitposition auf der seriellen Leitung ge
koppelt. Hierzu wird zu Beginn einer jeden Zelldauer durch eine Kopfstation ein Strom
einer - der Ausgangsanzahl entsprechenden - Zahl von Bits erzeugt, die zunächst alle den
Wert "unbelegt" (d. h. logisch "0") haben. Die Zuordnung der einzelnen Bits zu den ent
sprechenden Ausgängen der Vermittlungseinheit erfolgt durch ihre Position innerhalb der
so erzeugten Bitfolge (Rahmen). Die einzelnen Eingangspuffersteuerungen "stromab
wärts" (d. h. in Übertragungsrichtung) auf der seriellen Leitung prüfen nun den Zustand
derjenigen Bitposition, die dem Zielausgang der ATM-Zelle an vorderster Pufferposition
entspricht: ist das Bit noch unbelegt, so sichert sich die betreffende Eingangspuffersteue
rung das Übertragungsrecht zum entsprechenden Ausgang dadurch, daß sie es in den Zu
stand "belegt" (log. "1") bringt; ein belegtes Bit hingegen versperrt den Zugang zum ent
sprechenden Ausgang.
Somit kann über eine einzelne serielle Leitung (mit entsprechend geringem Kommunikati
onsaufwand) eine implizite Koordinierung von Eingängen erfolgen, die um denselben
Ausgang konkurrieren.
Das Ring-Reservation-Verfahren führt jedoch zu einer positionsabhängigen Unfairneß:
Puffersteuerungen nahe der Kopfstation haben bessere Chancen, das gewünschte Bit zu be
legen, als weiter entfernt liegende Puffersteuerungen. Die Erfinder der Ring Reservation
versuchten, diese Unfairneß durch ein Weiterschieben der Startposition des Rings (d. h. der
Puffersteuerung, die als erste belegen darf) um jeweils einen Eingang nach jeder Zelldauer
auszugleichen. Wie man jedoch leicht sehen kann kann dieses Verfahren nur eine stark ein
geschränkte Fairneß garantieren: von zwei nebeneinanderliegenden konkurrierenden Ein
gängen X und Y ist bei Durchrotation des Ring-Startpunkts fast immer noch der stromauf
wärts (im Sinne der Übertragungsrichtung des Ring-Bitstroms) liegende Eingang X im
Vorteil (er "sieht" zuerst die unbelegte Bitposition); Y ist nur ein einziges Mal im Vorteil,
nämlich dann, wenn der Startpunkt bei Y selbst liegt.
Ein weiteres Verfahren zur Zuteilung der Übertragungsrechte an die Eingangspuffer wurde
in Lyles, J. B./Bell, Alan G.: "A Switching Network", European Patent Application, Publi
cation Number 0 571 166 A2, (ebenso in US 5 325 356) beschrieben: wieder sind die einzel
nen Eingangspuffersteuerungen über eine Ringstruktur miteinander verbunden. Jedoch
werden auf den Leitungen des Rings nun die Adressen der Kopfzellen der einzelnen FIFO-
Eingangspuffer zusammen mit Statusinformationen (die zukünftige Zellabsendung betref
fend) den einzelnen Eingangspuffersteuerungen mittels Weiterschieben mitgeteilt oder es
bewegt sich wie bei der Ring Reservation ein Vektor von Bits den Ring entlang. Haben zwei
oder mehr Eingangspuffer Zellen zu einem bestimmten Ausgang, so gewinnt zunächst die
(in Ringübertragungsrichtung) zuoberst liegende Eingangspuffersteuerung. Die übrigen
Konkurrentinnen werden jedoch in den nachfolgenden Zellübertragungszeitschlitzen und
den entsprechenden Koordinierungsrunden bevorzugt berücksichtig, sodaß zuerst diejeni
gen Eingangspuffersteuerungen an die Reihe kommen, die in der betrachteten Zelldauer
miteinander konkurriert haben und dann erst die nachträglich hinzukommenden Konkur
rentinnen.
Ein weiterer Nachteil des beschriebenen Ring Reservation- Verfahrens (und auch des Ver
fahrens aus US 5 325 356) ist der geringe Maximaldurchsatz der so koordinierten Ver
mittlungseinrichtung, der durch den in der Literatur als Head-Of-Line(HOL)Blockierung
bezeichneten Effekt hervorgerufen wird: es wird stets nur die vorderste Zelle eines jeden
Eingangspuffers betrachtet; kann diese nicht zum Zuge kommen, da schon ein anderer Ein
gang sich das Übertragungsrecht gesichert hat, so bleiben auch sich weiter hinten im bloc
kierten Eingangspuffer befindende Zellen, die zu bisher (und evtl. insgesamt) unbelegten
Ausgängen gerichtet sind, unberücksichtigt.
Als Abhilfe für die HOL-Blockierung wird häufig eine Erhöhung der internen Verarbei
tungsgeschwindigkeit der eigentlichen Vemittlungseinrichtung vorgeschlagen (so z. B. in:
Lyles, J. B./Bell, Alan G.: "A Switching Network", European Patent Application, Publica
tion Number 0 571 166 A2), sodaß insgesamt pro Zelldauer und Ausgang k (k < 1) Zellen
vermittelt werden können und in insgesamt k Ringreservierungsumläufen pro Zelldauer
die vordersten k Zellen jedes Eingangspuffers betrachtet werden. Problematisch ist hierbei
insbesondere die Vervielfachung des Aufwands an schneller Vermittlungs-Hardware.
Auch sind die auf einer Eingangsleitung hintereinander eintreffenden Zellen bzgl. ihres
Zielausgangs oft sehr stark korreliert, sodaß die Anzahl von Zellen mit gleichem Ziel an
der Spitze des blockierten Eingangs sehr leicht das feste k überschreitet.
Zur Vermeidung von HOL-Blockierungen wurde in Hayter, T. A. et al.: "Improvements
Relating to ATM Communication Systems", European Patent Application, Publication
Number 0 624 015 A2, eine Architektur vorgeschlagen, die die Eingangspuffer entspre
chend der Zielausgänge der Vermittlungseinrichtung in Subpuffer unterteilt. Jedoch kön
nen bei dem dort verwendeten Koordinierungsverfahren, das auf der Ebene der Übertra
gungsraten arbeitet, Kollisionen an den Ausgängen der Vermittlungseinrichtung auf der
Ebene der einzelnen Zellen nicht vermieden werden. Diese Kollisionen müssen weiterhin
intern von der zu koordinierenden Vermittlungseinrichtung abgefangen werden, wozu ein
Aufwand an teurer Spezial-Hardware (bedingt durch die benötigten Bandbreiten der intern
zu verwendenden Speicherelemente, die pro Ausgang schlimmstenfalls gleichzeitig - d. h.
in einer Zelldauer - Zellen von allen Eingängen absorbieren müssen, nötig ist, der dem ei
ner rein ausgangsgepufferten Vermittlungseinrichtung entspricht, was ja eigentlich durch
den Ansatz einer Eingangspufferung hätte vermieden werden sollen.
Desweiteren bieten die bisher bekannten Vorschläge bzgl. Koordinierungsverfahren für
eingangsgepufferte ATM-Vermittlungseinrichtungen gar keine oder nur mangelhafte Un
terstützung für Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen (sog. Multicast-Verbindungen): es
wird von einer Duplizierung der Zellen vor den Eingangspuffern ausgegangen (so z. B. in:
Lyles, J. B./Bell, Alan G.: "A Switching Network", European Patent Application, Publica
tion Number 0 571 166 A2), sodaß nachfolgend nur noch die so erzeugten Tochterzellen
vorliegen. Diese können dann auf gleiche Weise wie die Zellen von Punkt-zu-Punkt-Ver
bindungen im Reservierungsverfahren berücksichtigt werden. Bei einem hohen Anteil die
ser Multicast-Verbindungen und/oder bei Multicast-Verbindungen mit einem großen
"Fanout" (d. h. Verbindungen mit einer großen Anzahl von Zielausgängen und dadurch vie
len Tochterzellen) führt diese Strategie jedoch zwangsläufig zu einer Überfüllung der Ein
gangspuffer und Zellverlusten.
Auch können die bisher bekannten Koordinierungsverfahren Verbindungen unterschiedli
cher Priorität gar nicht oder nur mit hohem Zusatzaufwand berücksichtigen: es wird i. allg:
innerhalb derselben Zelldauer jeweils pro Prioritätsklasse (in absteigender Prioritätsfolge)
jeweils ein getrennter Koordinierungsdurchlauf benötigt, was zu einem hohen Verarbei
tungsaufwand führt, die Geschwindigkeitsanforderungen an die Koordinierungs-Hardwa
re stark erhöht und letztendlich die gezielte Berücksichtigung mehrerer Prioritätsklassen
bei großen Vermittlungseinrichtungen oder hohen Eingangsbitraten unmöglich macht. Be
sonders kritisch wird die Situation bei der Berücksichtigung unterschiedlich priorisierter
Multicast-Verbindungen.
Schließlich ist bei den bisher bekannten Koordinierungsalternativen die Anzahl der Priori
tätsklassen, sowie der Umfang des verarbeitbaren Aufkommens an Multicast-Zellen be
reits bei der Implementierung der Vermittlungseinrichtung festgelegt und im späteren Be
trieb nicht mehr an das dann längerfristig vorherrschende Verkehrsaufkommen
adaptierbar.
Die Vermittlung von Verbindungen mit konstanter Bitrate, deren Zelldurchsatz unabhän
gig vom Zellmultiplex der übrigen Verbindungen zu garantieren ist, kann bei bisherigen
Koordinierungsverfahren nur durch die Einführung einer zusätzlichen Prioritätsklasse be
wältigt werden, was die Ausführung der Koordinierung verlangsamt und den Hardware-
Aufwand erhöht.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein auf dem Zugriff auf eine serielle
Leitung basierendes Koordinierungsverfahren für eingangsgepufferte ATM-Vermitt
lungseinrichtungen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorzustellen, das einerseits
unter allen Lastsituationen für alle Eingänge ein hohen, fairen Durchsatz erzielt und ande
rerseits eine flexible, realisierbare und kostengünstige Lösung des Problems der Bedie
nung von Multicast-Verbindungen, von Verbindungen unterschiedlicher Prioritätsklassen,
sowie von Verbindungen konstanter Bitraten ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist dabei, daß jeder Ein
gangspuffer bzgl. der Ausgänge der Vermittlungseinrichtung in Subpuffer unterteilt wird
und der prüfende und belegende Zugriff der einzelnen Eingangspuffersteuerungen auf die
Bitpositionen der seriellen Leitung zunächst völlig ungeordnet rein sequentiell erfolgt und
stets bei der obersten Steuerung beginnt und der Fairneßausgleich der Durchsätze der ein
zelnen konkurrierenden Eingangspuffer bzgl. derselben Ausgänge durch dem eigentlichen
Bitbelegungszugriff überlagerte adaptive Reservierungsverfahren bzgl. einzelner Bitposi
tionen hergestellt wird, indem zeitweilig nur den Steuerungen der bisher benachteiligten
Eingangspuffer ein Zugriff auf hierfür reservierte Bitpositionen erlaubt wird.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
Durch die Abspeicherung zwischenzupuffernder Zellen in Subpuffern entsprechend ihres
Zielausgangs lassen sich die erwähnten Head-of-Line-Blockierungen vollständig vermei
den, wodurch auch bei einer Koordinierung über eine serielle Leitung ein Durchsatz von
nahezu 100% (gemessen über die Auslastbarkeit einer Ausgangsleitung) erzielt werden
kann, ohne daß eine interne Geschwindigkeitserhöhung des Kerns der Vermittlungsein
richtung nötig ist.
Die so erhaltene Vorsortierung der Zellen ermöglicht desweiteren eine sehr kostengünstige
Ausführung des eigentlichen Switch-Kerns. Die Zielausgangsinformationen der einzelnen
Zellen müssen dort nicht nochmal zusätzlich ausgewertet werden, sodaß einfache Cross-
Bar-Bausteine oder eine reine Verdrahtungslösung bereits ausreichen.
Durch den direkten Vergleich der (bzgl. jeweils eines Ausgangs) erfolgten Zellübertragun
gen der einzelnen Eingangspuffersteuerungen (unter Berücksichtigung ihres Bedarfs an
solchen Übertragungen) können nun zunächst Benachteiligungen einzelner Eingangspuf
fersteuerungen durch den sequentiellen Zugriff auf die Koordinierungsleitung exakt erfaßt
werden.
Dadurch, daß der Fairneßausgleich anschließend über die Reservierung von Bitpositionen
erfolgt (anstelle eines starren Weiterschiebens des Ringstartpunkts), können aufgrund ihrer
Lage benachteiligte Eingangspuffersteuerungen gezielt gefördert werden, sodaß eine höhere
Fairneß zwischen den Eingängen erzielt wird.
Der Zugriff auf die einzelnen Bitpositionen beginnt nun (abgesehen vom Zugriff auf reser
vierte Bits) stets bei der obersten Eingangspuffersteuerung. Dies ermöglicht eine Ausge
staltung nach Patentanspruch 2, bei der die Puffersteuerungen entlang der seriellen Leitung
in Gruppen unterteilt werden, und jeweils der Fairneßausgleich für die Steuerungen einer
Gruppe getrennt von den Reservierungen der anderen Gruppen erfolgt. Entsprechend ihrer
Lage zueinander entlang der seriellen Leitung können nun Puffersteuerungen einer weiter
unten liegenden Gruppe nur noch die Bitpositionen belegen, die ihnen die vorhergehenden
Gruppen übrig gelassen haben. So ergibt sich auf einfache, zuverlässige Weise eine unter
schiedliche Priorisierung der Eingänge.
Der Vorteil einer Ausgestaltung nach Patentanspruch 3 liegt nun darin, daß Zellen von Mul
ticast-Verbindungen und höher priorisierten Verbindungen durch einfaches Rückschleifen
über dedizierte Zwischenausgänge an Eingänge einer höher priorisierten Koordinierungs
gruppe berücksichtigt werden können. Einerseits wird so nicht mehr an jedem Eingang der
Vermittlungseinrichtung eine Einrichtung zur Zellduplizierung mit entsprechendem Spei
cherbedarf für die "Tochter"-Zellen benötigt. Die entsprechenden Einrichtungen zu Zell
duplizierung können je nach eingeplantem Verkehrsaufkommen an Multicast-Verbindun
gen in einigen, wenigen dedizierten Sonderpuffersteuerungen konzentriert werden.
Andererseits lassen sich diese spezialisierten Puffersteuerungen je nach Prioritätsreihung
der zugeordneten Verbindungen in Koordinierungsgruppen am oberen Anfang der seriel
len Leitung anordnen, wodurch den Multicast-Verbindungen eine höhere Priorität zuge
ordnet wird und somit eine übermäßige Blockierung bei einer Vielzahl von Tochterzellen
vermieden werden kann, wenn diese der Einfachkeit halber innerhalb derselben Zelldauer
übertragen werden sollen. Dadurch kann zudem bei speziellen Architekturen von Vermitt
lungseinrichtungen (z. B. Crossbar-Technologien) die Duplizierung der Zellen erst im
Kern der Vermittlungseinrichtung selbst erfolgen, was eine sehr kostengünstige und spei
chereffiziente Lösung darstellt, die jedoch nur bei einer gleichzeitigen Durchschaltung al
ler Tochterzellen möglich ist.
Außerdem läßt sich bei einer solchen Bearbeitung von Multicast- und höherpriorisierten
Zellen eine flexible Umkonfiguration der Sonderpuffersteuerungen im laufenden Betrieb
vornehmen: entsprechend dem längerfristig zu erwartenden Verkehrsaufkommen der ein
zelnen Verkehrsklassen lassen sich die dedizierten Sonderpuffersteuerungen im laufenden
Betrieb in neue, dem Verkehrsaufkommen besser angepaßte, Prioritätsgruppen einglie
dern. Außer einer Information der normalen Eingangspuffersteuerungen über die verän
derte Zuordnung von Bitpositionen zu den entsprechenden Prioritäts-/Multicast-Klassen
reicht hierzu eine Anpassung der Verarbeitung der Fairneßinformationen an die veränderte
Gruppenstruktur aus.
Die Ausgestaltung nach Patentanspruch 4 garantiert ein schnelles, verlustfreies Weiterlei
ten von Zellen aus Verbindungen mit konstanten Bitraten ohne die Einführung einer zusätz
lichen Prioritätsklasse. Dazu reicht es aus, zur Zeit des Verbindungsaufbaus durch die über
lagerte Verbindungsannahmesteuerung für jede neue dieser konstantbitratigen
Verbindungen das zeitlich feste Muster der speziell gekennzeichneten, vorreservierten
Bitpositionen des Zielausgangs entsprechend der Zellrate der neuen Verbindung zu ergän
zen.
Nachfolgend wird nun die Erfindung anhand von Zeichnungen beispielhaft näher beschrie
ben:
Fig. 1 zeigt die Basisarchitektur des vorgeschlagenen Koordinierungsverfahrens (Anmer
kung: Leitungen zur Taktversorgung der einzelnen Einheiten sind der Übersichtlichkeit
halber in den nachfolgenden Darstellungen nicht mit eingezeichnet):
Die auf den Eingangsleitungen 1 (der Eingänge a bis n) hereinkommenden Zellen werden
entsprechend ihrem Zielausgang in die zugehörigen Subpuffer der Pufferverwaltung 2 ein
gereiht (die einzelnen Subpuffer arbeiten nach dem FIFO-Prinzip, sodaß keine Überhol
vorgänge zwischen Zellen derselben Verbindung möglich sind). Die Informationen dar
über, welche Subpuffer eine Zelle verfügbar halten, werden an die Zugriffssteuerungen 3
der Eingangspuffer übergeben. Diese Zugriffssteuerungen sind über Abgriffe 7 mit dem
seriellen Medium 6 verbunden, auf dem durch die Belegung von Bitpositionen die eigentli
che Koordinierung der Zugriffssteuerungen erfolgt (11 symbolisiert die Signalflußrich
tung auf dem seriellen Medium).
Die von der jeweiligen Zugriffssteuerung 3 ausgewählten Zellen werden dann von der Puf
ferverwaltung über die Leitungen 4 an den eigentlichen Kern 10 der Vermittlungseinrich
tung weitergeleitet, wo sie dann zu den Ausgängen 9 (A bis M) der Vermittlungseinrichtung
durchgeschaltet werden.
Der Zugriff auf die einzelnen Bitpositionen unter Berücksichtigung von Reservierungen
ist in Fig. 2a-2d gezeigt. Der Kern der Vermittlungseinrichtung sowie die Pufferverwal
tungen mit ihren hin- und wegführenden Leitungen sind der Übersichtlichkeit halber hier
nicht eingezeichnet. In dieser Topologie werden die Bitpositionen für die serielle Leitung
6 von der Zugriffsteuerung 3.a des Eingangs a erzeugt, die nach der Erzeugung (unter Be
achtung von Reservierungen) als erste Bitpositionen belegen kann. Die einzelnen Bitposi
tionen, die Belegungs- und Reservierungsinformationen betreffen, werden in diesem
Ausführungsbeispiel über parallele Leitungen übertragen: Leitung B für die Belegungsin
formation, Leitung R für die Kennzeichnung bestimmter Bitpositionen auf der Leitung B
als reservierte Bitpositionen und Leitung C für die Einleitung/bzw. Durchführung von
Fairneßausgleichsvorgängen über die Bitpositionen der Leitung R. Eine Zusammenfas
sung der o. g. Bitpositionen im Zeitmultiplexverfahren auf eine einzelne Leitung (höherer
Bitrate) zur Verringerung des Verdrahtungsaufwandes ist genausogut möglich, sofern sie
so erfolgt, daß jeweils die B- und R-Bitpositionen eines Ausgangs nicht durch die Bitposi
tionen anderer Ausgänge unterbrochen werden.
In der Fig. 2 sind unbelegte Bits durch ein leeres Kästchen gekennzeichnet; die Belegung
wird durch Schraffur angegeben.
Im dargestellten Zugriffsszenario werden zuerst die Bits des Ausgangs J erzeugt (6.J auf
der seriellen Leitung 6). Diese Zugriffsmöglichkeit ist als reserviert gekennzeichnet und
da der Eingang b über kein Reservierungsguthaben bzgl. 6.J verfügt, kann er nicht das Bit
auf der B-Leitung belegen. Im nächsten Zeitschritt (eine Bitdauer später, Fig. 2b) hat Ein
gang b dagegen sowohl eine Zelle für Ausgang J verfügbar als auch ein entsprechendes Re
servierungsguthaben und kann somit das zu 6.J gehörende Bit auf der B-Leitung belegen.
Gleichzeitig zum Belegungsvorgang von b hat a die nächsten Bitposition für Ausgang K
erzeugt und (da er selbst über keine Zellen für diesen Ausgang verfügt) unbelegt gelassen.
Erst Eingang c hat eine Zelle für diesen Ausgang und belegt im späteren Zeitschritt der Fig.
2d die Bitposition 6.K. Vor dem Zeitschritt der Fig. 2c hat a dann die Bitposition für Aus
gang L erzeugt und sofort belegt, da eine Zelle vorhanden war und 6.L nicht reserviert war.
Für den Fairneßausgleich sind Verfahren mit expliziter und solche mit impliziter Reservie
rung möglich.
Bei ersteren ist in der obersten Eingangspuffersteuerung (hier 3a) eine zentrale Fairneßaus
gleichseinheit untergebracht, die aus Zuverlässigkeitsgründen auch redundant in den übri
gen Eingangspuffersteuerungen latent vorhanden sein kann. Diese stellt über die (in diesem
Fall bidirektionale) Teilleitung C der seriellen Koordinierungsleitung 6 die Fairneß bzgl.
der abgesendeten Zellen aller Eingänge reihum für jeden Ausgang nacheinander nach fol
gendem beispielhaften Verfahren (auch andere Algorithmen sind denkbar) her:
Pro Ausgang fragt die Fairneßausgleichseinheit zunächst alle Eingangspuffersteuerungen
nach ihren Übertragungen und Subpufferlängen bzgl. dieses Ausgangs ab. Die entspre
chenden Daten werden dann über die serielle Leitung C zur Fairneßausgleichseinheit über
tragen. Diese ermittelt daraus das notwendige Guthaben an reservierten Bitpositionen, das
jede einzelne Eingangspuffersteuerung noch benötigt, um einen fairen Durchsatzanteil zu
erhalten. Die ermittelten Kenngrößen werden dann den einzelnen Eingangspuffersteuerun
gen über die serielle Leitung C bekannt gemacht. Die Fairneßausgleichseinheit summiert
die errechneten Guthabenwerte auf und markiert im folgenden eine entsprechende Anzahl
von Bitpositionen des entsprechenden Ausgangs als reserviert. Die einzelnen Eingangs
puffersteuerungen können nun im Rahmen ihrer Guthabenwerte auf die reservierten Bit
positionen des betreffenden Ausgangs zugreifen und somit einen fairen Anteil am Gesamt
durchsatz des betreffenden Ausgangs erzielen.
Die reservierten Bitpositionen dienen somit als Ausgleich für die unfaire Bevorteilung der
Eingangspuffersteuerungen mit kleinerem Index während der o. g. Übertragungs- und Re
chenzeiten.
Nach Ablauf dieser Markierungsphase beginnt sofort (bzw. nach Beendigung der Daten
übertragung auf C für einen anderen Ausgang) ein neuer Reservierungszyklus mit einer
erneuten Abfrage durch die Fairneßausgleichseinheit.
Zur Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeit kann die Leitung C auch durch ein
paralleles Leitungsbündel ersetzt werden.
Bei Verfahren mit impliziter Reservierung erfolgt die Festlegung, welche Eingangssteue
rungen auf reservierte Bitpositionen zugreifen können, durch Zustandswechsel innerhalb
der einzelnen Eingangspuffersteuerungen, wodurch sich die Tätigkeit der zentralen Fair
neßausgleichseinheit auf ein reines Markieren der zu reservierenden Bitpositionen (auf
Anforderung durch die Eingangspuffersteuerungen) beschränkt.
Ein beispielhafter Ablauf beginnt damit, daß alle Eingangspuffersteuerungen sich im
Grundzustand Z1 befinden, in dem sie nur auf unreservierte Bitpositionen zugreifen dür
fen. Kommt es in der Folge zu einem Zugriffskonflikt dadurch, daß mehr als eine Ein
gangspuffersteuerung zu dem betrachteten Ausgang übertragen will, gewinnt zunächst die
Kontrahentin mit dem kleinsten Index, da sie als erste die unbelegte und unreservierte Bit
position vorfindet. Den übrigen weiter unten liegenden Eingangspuffersteuerungen ist so
der Zugriff auf den Ausgang für die aktuelle Zelldauer verwehrt. Die Verlierer gehen da
raufhin in den privilegierten Zustand Z2, in dem sie auf reservierte Bitpositionen zugreifen
dürfen. Das Vorhandensein von Eingangspuffersteuerungen im Zustand Z2 wird der ober
sten Eingangspufferung (in diesem Fall a, die auch die Bitpositionen erzeugt) durch Setzen
der dem Ausgang entsprechenden Bitposition auf der Leitung C angezeigt. Diese markiert
dann (und nur dann) die Bitposition der nächsten Zelldauer als reserviert. Die Eingangspuf
fersteuerungen im Zustand Z2 gehen jeweils nach dem so für sie reservierten Zugriff in den
Grundzustand Z1 zurück.
Somit wird für die Verlierer einer Konkurrenzsituation unmittelbar anschließend die Fair
neß bzgl. des Durchsatzes wieder hergestellt.
Fig. 3 zeigt beispielhaft die Aufteilung der Eingänge der Vermittlungseinrichtung in 3 ver
schiedene Prioritätsklassen gemäß Anspruch 2:
Unter den Zugriffssteuerungen 3.a bis 3.j wurden 3 Gruppen (I, II und III) gebildet, indem
die R- und die C-Leitung zwischen 3.c und 3.d (Markierung X) sowie zwischen 3.f und
3.g (Markierung Y) unterbrochen wurden.
Dies hat zur Folge, daß ein Fairneßausgleich nur noch zwischen den Eingangspuffern in
nerhalb einer der 3 Koordinierungsgruppen erfolgen kann. Jeweils die oberste Steuerung
innerhalb einer Gruppe führt (aufgrund der Fairneßinformationen, die sie von den einzel
nen Gruppenmitgliedern über die Leitung C erhalten hat) entsprechende Berechnungen
durch, bzw. markiert auf der R-Leitung entsprechende Bitpositionen als reserviert.
Nur die Leitung B wird unverändert zu allen Zugriffsteuerungen durchgeführt. Somit sind
die Mitglieder der Gruppe I als Gesamtheit gegenüber den Mitgliedern der Gruppen II und
III (und ebenso die Mitglieder der Gruppe II gegenüber den Mitgliedern der Gruppe III)
bevorrechtigt bzgl. des Zugriffs auf die entsprechenden Eingänge. Eingangspuffer inner
halb einer Gruppe können jeweils den gleichen Durchsatz erreichen.
Durch Einfügen der Leitungsunterbrechungen an anderen oder zusätzlichen Stellen lassen
sich entsprechend andere Gruppierungen erreichen.
In Fig. 4 werden beispielhaft die oberen beiden Prioritätsklassen I und II gemäß Anspruch
3 durch zusätzliche Rückführleitungen zur Bearbeitung von Multicast- und hochpriorem
Verkehr verwendet. Die dargestellte Topologie der Vermittlungseinrichtung ermöglicht so
die Bearbeitung zweier Prioritätsklassen und eines Multicast-Zelltyps mit variabler Ziel
ausgangsanzahl:
Die an der Vermittlungseinrichtung eintreffenden Zellen werden zunächst den Eingangs
puffer der niedrigsten Prioritätsklasse III zugeführt.
Zellen der niedrigeren Prioritätsstufe werden dort (wie bisher) nach Zielausgängen ge
trennt in den Subpuffern 2.a bis 2.n abgelegt, aus denen sie dann je nach Verfügbarkeit ent
sprechender Bitpositionen an die Zielausgänge weitergeleitet werden (Weg X in Fig. 4).
Zellen der hohen Prioritätsstufe werden zunächst pro Eingangspuffer in jeweils drei eige
nen Subpuffern aufgenommen. Jedem dieser Subpuffer eines Eingangspuffers ist einer der
3 Eingangspuffer (2'.c bis 2'.e) der Sonderpuffersteuerungen der Prioriätsgruppe II zuge
ordnet. Die hochprioren Zellen werden nun über den Weg X' und die Rückführungsleitun
gen 9'.c bis 9'.e an die Eingangspuffer der Prioritätsklasse II weitergeleitet. Dort werden
sie nach Zielausgängen getrennt gespeichert und können bevorzugt auf die Bitpositionen
zugreifen und anschließend über den Weg X" die Ausgänge der Vermittlungseinrichtung
erreichen. Der faire Zugriff der einzelnen Eingänge 1 der Vermittlungseinrichtung auf die
se höhere Prioritätsklasse wird über (in diesem Beispiel) 3 zusätzliche Bitpositionen auf
der seriellen Leitung gesteuert, die von einer Eingangspuffersteuerung belegt werden müs
sen, bevor eine Übertragung auf dem Weg X' möglich ist.
Eine ähnliche Vorgehensweise erfolgt für auf den Eingängen 1 eintreffende Multicast-Zel
len. Diese werden zunächst von jeweils 2 speziellen Subpuffern pro Eingangspuffer (2.a
bis 2.n) aufgenommen. Jedem dieser Subpuffer ist ein Sonderpuffer der Prioritätsgruppe
zugeordnet, zu dem die Zellen (noch ohne Duplizierung) dann wieder auf dem Weg X'
(einen erfolgreichen Zugriff auf eine von 2 zugeordneten Bitpositionen vorausgesetzt)
übertragen werden. Die beiden zugehörigen Sonderpuffersteuerungen 3'.a und 3'.b haben
die höchste Priorität in diesem Ausführungsbeispiel und können nun entsprechend den Zie
lausgängen der Multicast-Zellen entsprechend viele Bitpositionen sofort reservieren, so
daß größtenteils alle Tochterzellen einer Multicast-Zelle innerhalb einer einzigen Zelldau
er zu den Ausgängen (auf dem Weg X") übertragen werden können. Die Erzeugung dieser
Tochterzellen kann dabei je nach koordinierter Grundarchitektur der Vermittlungsein
richtung entweder in den Eingangspuffern 2'.a und 2'.b oder im Kern 10 erfolgen. Die
letztgenannte Möglichkeit ist insbesondere bei der Ausführung des Kerns 10 als Crossbar
oder reine Verdrahtungslösung besonders vorteilhaft.
Bei realen Vermittlungseinrichtungen sind (anders als im vorgestellten Ausführungsbei
spiel) eine Vielzahl von dedizierten Puffern und Puffersteuerungen der höheren Prioritäts
klassen vorhanden. Ähnlich wie oben bei Fig. 3 beschrieben können die einzelnen Priori
tätsklassen durch einfaches Durchtrennen bzw. Neuverbinden der C- und R-Leitungen
leicht modifiziert werden. Da die Anzahl der dedizierten Subpuffer in den "normalen" Ein
gangspuffern (2.a etc.) nur von der Anzahl der insgesamt vorhandenen dedizierten Puffer
steuerungen abhängig ist, kann eine Umgruppierung der Prioritätsklassen (verbunden mit
einer Umwidmung der entsprechenden dedizierten Puffersteuerungen) ohne größere Hard
ware-Modifikationen im laufenden Betrieb erfolgen.
Fig. 5 zeigt die Bearbeitung von Zellen aus konstantbitratigen Verbindungen (nur diese
sind eingezeichnet) durch vorherige Markierung von Bitpositionen auf den Koordinie
rungsleitungen. Es sind insgesamt drei Eingangsleitungen der Vermittlungseinrichtung ge
zeichnet (1, 2, 3), die Zellen für die drei dargestellten Ausgangsleitungen (A, B, C) haben.
Die Pfeile zeigen jeweils die Signalflußrichtung auf den einzelnen Leitungen. Die Vermitt
lungsbeziehungen innerhalb des Kerns der Vermittlungseinrichtung sind hier durch die ge
strichelten Pfeile angedeutet. Die Zellen sind entsprechend ihren Zielausgängen auf den
Eingangsleitungen gekennzeichnet. Sie kommen zu den Zeitpunkten t0 bis t10 an der Ver
mittlungseinrichtung an und verlassen diese zu den Zeitpunkten t1 bis t12 (wobei die genaue
Zeitdifferenz von t0 nach t1 hier ohne weitere Bedeutung ist). Die in Rahmen Ra0 bis Ra11
(entsprechend den einzelnen Zelldauern) gruppierten Bitpositionen auf der Koordinie
rungsleitung sind sind entlang der senkrechten Linie in der Bildmitte eingezeichnet.
Im Beispiel haben u. a. jeweils nach 8 Zelldauern (also zu t1, t9...) alle drei Eingänge je eine
Zelle aus einer konstantbitratigen Verbindung. Entsprechend sind die A-Bitpositionen von
Rahmen 1, 2 und 3 (sowie 9, 10 und 11 etc.) für die ausschließliche Verwendung durch Zel
len aus konstantbitratigen Verbindungen markiert worden (Schraffur). Durch den seriellen
Zugriff der Eingangspuffersteuerungen auf die Koordinierungsleitung werden also die
Eingänge 1, 2 und 3 stets in der gleichen, deterministischen Reihenfolge bedient.
Claims (4)
1. Verfahren zur Koordinierung der Absendeerlaubnis von ATM-Zellen in einer ATM-
Vermittlungseinrichtung durch Vorsehen von Eingangspuffern (2), wobei jeder Eingangs
puffer bezüglich der Ausgänge (9) der Vermittlungseinrichtung in Subpuffer unterteilt ist,
und durch Vorsehen einer seriellen Datenleitung (6) zwischen den Steuerungen (3) der ein
zelnen Eingangspuffer, auf der Bitpositionen für jeden Ausgang eingerichtet sind, die Bele
gungsinformation (B) und Reservierungsinformation (R) beinhalten, wobei eine Zuord
nung des Setzens einer Belegungsinformation (B) von Bitpositionen auf der seriellen
Leitung zur Absendeerlaubnis einer ATM-Zelle zum der Bitposition zugeordneten Aus
gang (9) vorgenommen wird, wobei das Setzen der Belegungsinformation (B) durch die
einzelnen Puffersteuerungen prinzipiell ohne Berücksichtigung von Fairneßaspekten stets
bei derjenigen Eingangspuffersteuerung beginnt, die sich am Anfang der seriellen Leitung
befindet, und wobei ein Fairneßausgleich der Durchsätze einzelner bezüglich der gleichen
Ausgänge konkurrierender Eingangspuffer durch ein dem Setzen der Belegungsinforma
tion (B) überlagertes adaptives Reservierungsverfahren hergestellt wird, indem jeweils in
einem Reservierungszyklus eine notwendige Anzahl von Guthaben an zu reservierenden
Bitpositionen (R) ermittelt wird und die reservierten Bitpositionen auf der seriellen Lei
tung durch Setzen einer Reservierungsinformation (R) gekennzeichnet werden, wobei die
einzelnen Eingangspuffersteuerungen im Rahmen ihrer Anzahlen an Guthaben jeweils Be
legungsinformation (B) für reservierte Bitpositionen setzen können.
2. Koordinierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Puffer
steuerungen entlang der seriellen Leitung nach Bedarf durch die Unterbrechung der ent
sprechenden Reservierungsleitungen, nicht aber der Belegungsleitung, in zusammenhän
gende Gruppen unterteilt werden können und somit jeweils für die Steuerungen innerhalb
einer Gruppe ein von den Steuerungen der anderen Gruppen unabhängiges Reservierungs
verfahren durchgeführt wird, aber die von einer Gruppe belegten Bitpositionen von den
nachfolgenden Gruppen nicht nochmals belegt werden können, wodurch sich jede Gruppe
einer eigenen Prioritätsklasse bezüglich des Zugriffs auf die Ausgänge der Vermittlungs
einrichtung zuordnen läßt.
3. Koordinierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Steue
rungen der untersten Gruppe den eigentlichen Eingängen der Vermittlungseinrichtung zu
geordnet sind, während die auf der seriellen Koordinierungsleitung davor liegenden Grup
pen die Übertragung höher priorisierter ATM-Zellen abwickeln und dazu von den
Steuerungen der untersten Gruppe die entsprechenden Zellen über die Rückschleifung de
dizierter Ausgänge erhalten, wobei der Zugang der Steuerungen der untersten Gruppe auf
diese Rückführungsleitungen über zusätzlich eingeführte Bitpositionen geregelt wird.
4. Koordinierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend
dem Verkehrsaufkommen an ATM-Zellen aus Verbindungen konstanter Bitrate eine An
zahl von Bitpositionen auf der seriellen Leitung durch eine Kopfstation (die den Bitstrom
erzeugt) dergestalt gekennzeichnet werden, daß die Eingangspuffersteuerungen nur für die
Absendung von Zellen aus den konstantbitratigen Verbindungen die so gekennzeichneten
Bitpositionen belegen dürfen.
Priority Applications (1)
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DE19540160A DE19540160C2 (de) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | Verfahren zur Koordinierung über serielle Leitungen von eingangsgepufferten ATM Vermittlungseinrichtungen zur Vermeidung von Ausgangsblockierungen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19540160A DE19540160C2 (de) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | Verfahren zur Koordinierung über serielle Leitungen von eingangsgepufferten ATM Vermittlungseinrichtungen zur Vermeidung von Ausgangsblockierungen |
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ID=7776013
Family Applications (1)
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DE19540160A Expired - Lifetime DE19540160C2 (de) | 1995-10-27 | 1995-10-27 | Verfahren zur Koordinierung über serielle Leitungen von eingangsgepufferten ATM Vermittlungseinrichtungen zur Vermeidung von Ausgangsblockierungen |
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DE (1) | DE19540160C2 (de) |
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