DE19745021B4

DE19745021B4 - Netzwerk für paketorientierten Datenverkehr

Info

Publication number: DE19745021B4
Application number: DE19745021A
Authority: DE
Inventors: Thomas Martinson; Fabrice Bonvin; Daniel Gachet; François Volery; Andreas Danuser
Original assignee: Keymile AG
Current assignee: Keymile AG
Priority date: 1996-10-29
Filing date: 1997-10-11
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2017-10-12
Also published as: GB2322053A; GB2322053B; DE19745021A1; GB9722623D0; JPH10200563A; US6104723A

Abstract

Netzwerk für paketorientierten Datenverkehr, bei welchem mehrere Knoten (K1–K4) durch Verbindungen (R11–R14, R21–R24) zu einer Ringstruktur verbunden sind, wobei
a) mindestens eine Benutzer-Schnittstelle (LSI1–LSI4) mit einer Warteschlangenschaltung (Q1–Q4) vorhanden ist und
b) jeder Knoten (K2) durch Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) an den Verbindungen (R12, R13, R22, R23) der Ringstruktur angeschlossen ist, wobei die Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit aufweisen als die wenigstens eine Benutzer-Schnittstelle (LSI1–LSI4), und weiter
c) ein Kontroller für die Behandlung der Datenpakete im Transit-, Insert- oder Extract-Modus vorhanden ist und
d) zwischen den Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI2, HSI4 bzw. HSI1, HSI3) eine Pufferschaltung (B1, B2) zum Lesen einer Routing-Information in einem Kopf eines Datenpakets vorgesehen ist, wobei die Verweilzeit eines Datenpakets in der Pufferschaltung derart ist, dass die Verzögerungszeit der Datenpakete im Transit-Modus im Wesentlichen dem Lesezyklus des Kontrollers zum Auslesen der Routing-Information entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Netzwerk für paketorientierten Datenverkehr, bei welchem mehrere Knoten durch Leitungen zu einer Ringstruktur verbunden sind. Weiter bezieht sich die Erfindung auf einen Knoten für ein solches Netzwerk und auf ein Verfahren zum Betreiben desselben.
Stand der Technik
Die leitungsgebundene Übertragung von Daten mit hoher Datenrate gewinnt zunehmend an Bedeutung. Für den lokalen Datenverkehr werden zur Zeit z. B. sogenannte ATM-Netzwerke (ATM = Asynchronous Transfer Mode) entwickelt.
Aus der US-5.475.682 A ist z. B. ein ATM-Netzwerk bekannt, bei welchem jeder Knoten eine Vermittlungsfunktion hat (Switch). D. h. die in einem Knoten über eine Netzwerkleitung eintreffenden ATM-Zellen werden entsprechend ihrer Destination auf verschiedene Output-Warteschlangen von entsprechenden Netzwerkleitungen aufgeteilt und dann weitergeschickt. Das Problem besteht darin, dass bei starker Auslastung des Netzwerkes einzelne oder mehrere Knoten überlastet werden können. Es ist beim bekannten System deshalb vorgesehen, dass solche Überlastungssituationen mit sogenannten Backpressure-Signalen an die stromaufwärts liegenden Knoten signalisiert werden. Im stromaufwärts liegenden Knoten werden die für den signalisierenden Knoten bestimmten Datenpakete in einer Warteschlange zwischengespeichert. Ist diese voll, werden die Datenpakete trotzdem an den stromabwärts liegenden Knoten übertragen. Dort werden im Fall einer Überlastung Pakete des längsten Bursts aus dem Speicher geschoben und gehen verloren. Mit diesem Verfahren soll verhindert werden, dass ein Knoten alle vorangehenden blockieren kann.
Ein grundsätzliches Problem bei dieser bekannten Netzwerkstruktur stellt die Gewährleistung einer minimalen Paket-Verzögerung dar. Für Echtzeit-Anwendungen ist es nämlich unumgänglich, dass die Übertragung innerhalb einer im Einzelfall vorgegebenen Zeit stattfindet. Ebenfalls kann es von Bedeutung sein, mit welcher Variation die vorgegebene Zeitlimite eingehalten werden kann. Bei den bekannten Netzwerken ist die Übertragungszeit (namentlich wenn eine grössere Anzahl von Knoten während der Übertragung durchlaufen werden müssen) relativ hoch und kann auch stark variieren.
Des Weiteren ist aus der US 5 103 447 A eine Zugriffskontrollvorrichtung für einen Schalter eines Knotens für ein Ringnetzwerk bekannt, die Datenpakete aus einem Puffer entnimmt und vor einem Weiterleiten temporär in einem Empfangsregister zwischenspeichert. Der Puffer wird mit einem Takt, welcher durch den Datenverkehr auf dem Ring vorgegeben ist, mit Datenpaketen beschickt, während er mit einem internen Taktsignal des Schalters von der Zugriffskontrolleinrichtung ausgelesen wird.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzwerk der eingangs genannten Art anzugeben, das hohe Übertragungsraten und geringe Paket-Verzögerungszeiten ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung hat jeder Knoten mindestens zwei Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (Highspeed-Interfaces) zu entsprechenden Netzwerkverbindungen (el. oder optische Leitungen, drahtlose Kommunikationsverbindungen etc.). Diese Schnittstellen sind über eine Pufferschaltung verbunden, in welcher ein Datenpaket (z. B. eine ATM-Zelle) gerade solange verweilt, bis ein Kontroller die im Kopf der Zelle enthaltene Zieladressen-Information (Routing-Information) gelesen hat. Am Knoten können mehrere Benutzer (Subscriber) angeschlossen sein. Sie werden durch Benutzer-Schnittstellen bedient, welche eine viel geringere Arbeitsgeschwindigkeit haben als die Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen. Für den Datenverkehr mit den Benutzern hat der Knoten Warteschlangen, welche die auf das Netzwerk zu gebenden und von diesem extrahierten Datenpakete zwischenspeichern. Der Kontroller steuert Transit-, Insert- und Extract-Verkehr.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, den Transit-Verkehr auf den Ringleitungen auf höchstmöglichem Geschwindigkeits-Niveau zu halten. Im Unterschied zum Stand der Technik wird bei der Erfindung der Transit-Verkehr in den Knoten nicht über Warteschlangen geführt. Die Zellen werden so schnell wie möglich weitergeleitet, d. h. die Verzögerungszeit ist so kurz gewählt, dass der Kontroller gerade Zeit hat, um denjenigen Teil des Kopfes zu lesen, der eine Entscheidung darüber erlaubt, ob die eingetroffene Zelle zu extrahieren oder im Transit-Verkehr wieder auf die Netzwerk-Leitung zu geben ist. Der auf der Ringleitung befindliche Datenverkehr kann im Prinzip frei zirkulieren, warten muss höchstens der Insert-Verkehr.
Daten-Insert- und -Extract laufen dagegen durchaus über Warteschlangen. Diese dienen dazu, den Verkehr auf der Ringleitung so zu steuern, dass keine Überlastung bzw.
Verstopfung möglich ist. Mit anderen Worten, Daten werden nur dann auf die Ringleitung gegeben, wenn die erforderliche Bandbreite zur Verfügung steht bzw. wenn freie Kapazitäten vorhanden sind – und zwar vom Ausgangspunkt bzw. -Knoten bis zum Endpunkt bzw. -Knoten.
Vorzugsweise hat das Netzwerk eine reine Ringstruktur. Dies bringt eine wesentliche Vereinfachung der Knotenstruktur und infolgedessen eine höhere Transit-Geschwindigkeit. Verzweigungen und Kreuzungen sind aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Die Erfindung eignet sich somit insbesondere für ATM-Netzwerke.
Die in den Knoten vorgesehenen Pufferschaltungen sollten eine möglichst kurze Transit-Zeit ermöglichen. Vorzugsweise sind sie so ausgebildet, dass die durch einen einzelnen Knoten insgesamt herbeigeführte Verzögerungszeit deutlich kleiner als 10 μs, insbesondere kleiner als 5 μs ist. Eine Minimierung der Verzögerung pro Knoten ist aus folgendem Grund wichtig: Je nachdem, von welchem Ausgangsknoten zu welchem Zielknoten ein Datenpaket geschickt wird, variiert die Anzahl der im Transit-Verkehr zu durchlaufenden Knoten. Ist nun die Transit-Verzögerung pro Knoten nicht vernachlässigbar klein im Verhältnis zur Zeit, die für den Insert- und Extract-Verkehr im Ausgangs- und Zielknoten benötigt wird, wird es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, auf dem Netzwerk einen Übertragungsdienst mit einer akzeptablen CDV-Grösse (CDV = cell delay variation) bereitzustellen. Wie klein die Verzögerungszeit im Einzelfall ist bzw. sein sollte, hängt natürlich auch von der Datenrate auf der Ringleitung ab.
Damit pro ATM-Zelle genügend Zeit zum Lesen der relevanten Routing-Information zur Verfügung steht, können mehrere Puffer im Multiplex betrieben werden. D. h. die eingangsseitige Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle verteilt die eintreffenden ATM-Zellen systematisch auf mehrere parallel angeordnete Puffer (demultiplexing). Jeder Puffer kann eine ATM-Zelle zwischenspeichern. Der Kopf (header) der gepufferten Zellen wird vom Kontroller gelesen. Eine Zelle, die den Zielknoten erreicht hat, wird extrahiert. Sofern im Transit-Verkehr genügend Platz (Bandbreite) vorhanden ist, können auch ATM-Zellen von den Benutzer-Warteschlangen in die verfügbaren Puffer eingefügt und auf die Ringleitung gegeben werden. Die ausgangsseitige Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle bringt die in den Puffern bereitgestellten Zellen systematisch auf die Ringleitung (multiplexing).
Um zu verhindern, dass im Fall eines Stromunterbruchs in einem Knoten die Ringleitung unterbrochen ist, kann eine Bypass-Funktion vorgesehen sein. Diese wird aktiv, wenn z. B. ein Stromunterbruch (oder eine andere Funktionsstörung) auftritt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Schalter vorgesehen sein, der unter Spannung die Bypass-Leitung überbrückt bzw. ausblendet. Fällt die Spannung zusammen, geht der Schalter in eine Ruhestellung über, in welcher die Bypass-Leitung bedient wird.
Aus Sicherheitsgründen ist es von Vorteil, wenn die Ringverbindung doppelt geführt ist. Vorzugsweise werden beide Ringverbindungen dauernd benutzt wobei die Umlaufrichtungen verschieden sind. Wird eine Verbindung zwischen zwei benachbarten Knoten unterbrochen, dann wird der Transit-Verkehr in diesen Knoten im Sinn eines sogenannten "Loopback" von einer Ringverbindung in die andere gekoppelt. Auf diese Weise entsteht wiederum ein Ring-Verkehr (allerdings mit einfacher statt doppelter Übertragungskapazität). Es ist natürlich auch möglich, die eine der beiden Ringverbindungen auf Reserve zu betreiben ("hot standby"). D. h. es werden keine Nutzdaten, sondern nur Kontroll- bzw. System-Zellen übertragen.
Die Verbindungen können drahtlos oder leitungsgebunden sein. Vorzugsweise handelt es sich um Glasfasern. Für jede Ringleitung (bzw. Richtung) kann eine separate Glasfaserverbindung vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, in einer Faser unterschiedliche Kanäle zur Verfügung zu stellen (z. B. durch Verwendung verschiedener Lichtwellenlängen oder Polarisationsmoden). Eine physikalische Leitung kann also u. U. mehrere logische Kanäle bzw. Kommunikationsverbindungen zur Verfügung stellen. Die genannten Kanäle bzw. Verbindungen können alle in derselben Richtung oder auch in unterschiedlichen Richtungen betrieben werden.
Wenn ein Leitungsunterbruch zu einem Loopback zwingt, wird die noch zur Verfügung stehende Bandbreite der Übertragung von ATM-Zellen höchster Priorität vorbehalten. Mit anderen Worten: Die zur Verfügung stehende Bandbreite wird entsprechend den Prioritäten der ATM-Zellen ausgenutzt. Es gehen zuerst die Zellen niedrigster Priorität verloren. In diesem Zusammenhang muss vorausgesetzt werden, dass grundsätzlich jede ATM-Zelle mit einer Priorität gekennzeichnet ist. Die Schaffung von Prioritätsklassen ermöglicht es auch, unterschiedliche Übertragungsdienste zu unterstützen (z. B. Dienste mit fest vorgegebener Bandbreite, Dienste mit variabler Bandbreite etc.).
Vorzugsweise ist der Knoten so gestaltet, dass auch eine direkte Kommunikation zwischen den lokal angeschlossenen Benutzern möglich ist (Subscriber/Subscriber-Kommunikation). Für den einzelnen Benutzer erscheint dadurch die ganze Ringstruktur als eine in sich geschlossene Schaltungseinheit, die jeden Benutzer mit jedem anderen verbinden kann. Der Benutzer braucht sich also nicht darum zu kümmern, an welchem Knoten des Netzwerkes der gesuchte Empfänger angeschlossen ist.
Der Kontroller fügt nur dann eine Zelle aus einer Benutzer-Warteschlange in einen Puffer, wenn die erforderliche Bandbreite frei bzw. reserviert ist. Dienste hoher Priorität erhalten z. B. die geforderte Bandbreite fest zugeteilt. Dienste mit unspezifischer Bandbreite werden nur dann ausgeführt, wenn Übertragungskapazität frei verfügbar ist.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Netzwerkes mit Ringstruktur;
2 eine schematische Darstellung eines Knotens;
3 eine schematische Darstellung einer Demultiplex/Multiplex-Anordnung.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein ATM-Netzwerk mit Ringstruktur. Eine Anzahl von Benutzern S1–S15 ist durch das Netzwerk verbunden. Sie können für die Kommunikation unterschiedliche Dienste in Anspruch nehmen (z. B. Dienste für die Echtzeit-Datenübertragung oder für den Filetransfer).
Vorzugsweise ist die Steuerung des ATM-Netzwerkes so ausgebildet, dass die Benutzer S1–S15 den Eindruck haben, sie seien alle durch eine einzige Schaltzentrale verbunden. Zu diesem Zweck ist z. B. eine Zentrale vorgesehen, welche die erforderlichen Bandbreiten zuteilt und den Verbindungsaufbau und -abbruch kontrolliert. (Die Zentrale ist in den Figuren nicht dargestellt. Sie kann mit einer separaten physikalischen Einheit oder mit verteilten Funktionsblöcken verwirklicht werden.)
Faktisch sind die Benutzer S1–S15 über ein grösseres Areal verteilt und jeweils an einem nächstliegenden Knoten K1–K4 angeschlossen. Die Knoten K1–K4 sind über Leitungen R11–R14 und R21–R24 so verbunden, dass eine doppelt geführte Ringleitung entsteht. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform werden beide Ringleitungen (R11–R14) und (R21–R24) für die Kommunikation benutzt, wobei der Datenstrom auf der einen Ringleitung (R11–R14) z. B. im Uhrzeigersinn und derjenige auf der anderen z. B. im Gegenuhrzeigersinn läuft.
Alle Knoten K1–K4 haben im Prinzip dieselbe Funktionalität. Diese soll im folgenden kurz erläutert werden. Will der Benutzer S15 z. B. Daten an den Benutzer S4 übertragen, dann meldet er dies bei seinem Knoten K4 an. Dieser wird (z. B. mit Hilfe einer zentralen Kontrollfunktion) dafür sorgen, dass die nötige Bandbreite z. B. auf dem Ringleitungsabschnitt R11–R12 (oder den Leitungen R24–R23) bereitgestellt wird. Danach kann die Datenübertragung stattfinden. In derselben Weise könnte der Benutzer S15 z. B. mit dem Benutzer S14 kommunizieren, wobei er sich aber nicht darum kümmern muss, ob der Benutzer S14 nun am selben Knoten angeschlossen ist oder nicht.
Fällt ein Knoten aus, dann tritt eine lokale Bypass-Leitung in Aktion, so dass der verbleibende Teil des Netzwerkes funktionsfähig bleibt.
Weiter ist für den Fall eines Defektes einer der Leitungen eine Loopback-Funktion in den Knoten K1–K4 implementiert. Wird z. B. die Leitung R13 unterbrochen, dann wird einerseits im Knoten K2 der Transit-Verkehr von der Leitung R12 auf die Leitung R22 (statt auf die Leitung R13) gegeben. Sinngemäss wird im Knoten K3 der Transit-Verkehr von der Leitung R24 auf R14 gegeben. Topologisch gesehen wird auf diese Weise erneut eine Ringstruktur geschaffen (nämlich R12–R22–R21–R24–R14–R11–R12). Diese ist allerdings nur einfach geführt und bietet damit nur die einfache Übertragungskapazität der ursprünglichen Struktur. Bis zur Behebung des Schadens werden im Sinn der Erfindung die verfügbaren Bandbreiten den Übertragungsdiensten mit erhöhter Priorität vorbehalten. Die übrigen müssen mit dem Verlust von Daten rechnen. Dabei wird vorausgesetzt, dass jede Kommunikation bzw. Verbindung auch im Normalbetrieb mit einer Prioritätskennzahl versehen wird, so dass beim Verlust der beispielhaft erwähnten Leitung R13 der Datenverkehr entsprechend den Prioritäten redimensioniert werden kann.
2 zeigt ein Blockschaltbild des Knotens K2 (stellvertretend für alle anderen Knoten). Dieser verfügt im vorliegenden Beispiel über vier sogenannte Lowspeed-Interfaces LSI1–LSI4 für die Benutzer S4–S7 (vgl. 1). Weiter sind vier sogenannte Highspeed-Interfaces HSI1–HSI4 für die Leitungen R22, R12, R23 bzw. R13 vorgesehen. Die Highspeed-Interfaces HSI1–HSI4 arbeiten mit sehr hohen Datenraten (z. B. im Bereich von mehreren GHz oder höher) während die Lowspeed-Interfaces LSI1–LSI4 z. B. im Sub-GHz-Bereich arbeiten. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Highspeed-Interfaces kann also ohne weiteres um einen Faktor 2–10 grösser als diejenige des Lowspeed-Interfaces sein. Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungen R11–R14, R21–R24 Glasfaserkabel. Die Highspeed-Interfaces HSI1–HSI4 sind dabei als optoelektronische Schalter ausgelegt. (Die Lowspeed-Interfaces sind in aller Regel für die elektronische Signalisierung ausgebildet. Der Anwendung von optischen Komponenten steht jedoch grundsätzlich nichts entgegen.)
Zwischen den Highspeed-Interfaces HSI2 und HSI4 bzw. HSI1 und HSI3 ist jeweils eine Pufferschaltung B1 bzw. B2 vorgesehen. Diese speichert die eintreffenden ATM-Zellen gerade so lange, dass der Kontroller C entscheiden kann, ob die ATM-Zelle für den vorliegenden Knoten bestimmt ist oder nicht. Ziel ist es, die Verzögerungszeit einer ATM-Zelle im Transit so kurz wie möglich zu halten. Vorzugsweise liegt die Gesamtverzögerungszeit im Bereich von einigen Mikrosekunden (z. B. bei 5 μs).
Die beiden Pufferschaltungen B1, B2 sind durch passive Bypassleitungen BY1, BY2 überbrückt. Im Normalbetrieb werden die ATM-Zellen in die Pufferschaltungen B1, B2 gegeben, bei Stromausfall (oder einer anderen Funktionsstörung) dagegen fallen in den Highspeed-Interfaces HSI1–HSI4 Umlenkschalter von selbst in eine Stellung, in welcher die ATM-Zellen über die Bypassleitungen BY1, BY2 direkt vom Eingang zum Ausgang geleitet werden (reiner Transit-Verkehr). Bei den genannten Umlenkschaltern kann es sich z. B. um elektronisch ansteuerbare, mikromechanische Umlenkspiegel handeln, die bei Normalbetrieb vorgespannt sind.
Stellt der Kontroller C fest, dass eine in der Pufferschaltung B1 bzw. B2 befindliche ATM-Zelle für einen lokal angeschlossenen Benutzer S2–S4 bestimmt ist, wird sie extrahiert und in die entsprechende Warteschlangenschaltung Q1–Q4 gegeben. Von dort können die ATM-Zellen über das entsprechende Lowspeed-Interface LSI1–LSI4 an den Benutzer weitergegeben werden.
ATM-Zellen, die vom Benutzer kommen, werden in der entsprechenden Warteschlangenschaltung Q1–Q4 zwischengespeichert, bevor sie vom Kontroller C via Pufferschaltung B1 oder B2 auf die Ringleitung R13 bzw. R22 gegeben werden.
Jede Warteschlangenschaltung umfasst in der Praxis eine Mehrzahl von Warteschlangen. Da gemäss einer bevorzugten Ausführungsform Übertragungsdienste unterschiedlicher Qualität und Priorität unterstützt werden, sind sowohl für den Insert als auch für den Extract von ATM-Zellen mehrere Warteschlangen vorgesehen.
Der Kontroller C kann auch den lokalen Benutzer-zu-Benutzer Verkehr unterstützen. D. h. die entsprechenden Daten werden von einer Warteschlange des ersten Benutzers direkt auf eine entsprechende Warteschlange des zweiten Benutzers gegeben. Die Ringleitung wird durch diesen lokalen Datenaustausch natürlich nicht belastet.
Der bereits erwähnte Loopback kann z. B. von der Zentrale angeordnet werden. Der wird vom Kontroller ausgeführt. D. h. der Transitverkehr wird z. B. vom Highspeed-Interface HSI2 (via Pufferschaltung B1) direkt auf das Highspeed-Interface HSI1 gegeben.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer Pufferschaltung B1 bzw. 62. Eingangsseitig werden die ATM-Zellen durch einen Demultiplexer DEMUX auf eine Mehrzahl von Pufferzellen BZ1–BZN verteilt. Für die Übertragung auf der Ringleitung sind die Ausgänge der Pufferzellen BZ1–BZN auf einen Multiplexer MUX geschaltet.
Die so erreichte Parallelität der Verarbeitung führt zu einer Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig kann die Verzögerungszeit minimiert werden. Die ATM-Zellen müssen sich nämlich nicht durch FIFO-Warteschlangen hindurcharbeiten, sondern werden gleich verarbeitet. Ebenfalls im Sinn einer minimalen Verzögerungszeit wird die Verarbeitung auf das absolut Notwendige beschränkt.
Die Pufferschaltung kann z. B. eine Verzögerungsleitung sein, an deren Eingang ein optischer Leser, welcher die Routing-Information im Kopf der ATM-Zelle liest, und an deren Ausgang eine optische Weiche angeordnet ist, welche die ATM-Zelle entweder auf das ausgangsseitige Highspeed-Interface oder in eine Warteschlangenschaltung des betroffenen Benutzers leitet.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die in den Figuren gezeigten Schaltungsbeispiele beschränkt. Es ist im übrigen auch nicht ausgeschlossen, dass mehr als zwei Transit-Pfade vorgesehen sind. Ein bestimmter Knoten könnte sogar zu zwei verschiedenen Ringstrukturen Zugriff haben. Zu vermeiden sind aber all jene Strukturen, die Warteschlangen in Transitverkehr benötigen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch die Erfindung eine Struktur für den paketorientierten Datenaustausch geschaffen worden ist, die für höchste Übertragungsleistungen und -geschwindigkeiten geeignet ist. Das erfindungsgemässe Prinzip lässt sich auch mit rein optischen Schaltungselementen im Transit-Bereich implementieren.

Claims

Netzwerk für paketorientierten Datenverkehr, bei welchem mehrere Knoten (K1–K4) durch Verbindungen (R11–R14, R21–R24) zu einer Ringstruktur verbunden sind, wobei a) mindestens eine Benutzer-Schnittstelle (LSI1–LSI4) mit einer Warteschlangenschaltung (Q1–Q4) vorhanden ist und b) jeder Knoten (K2) durch Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) an den Verbindungen (R12, R13, R22, R23) der Ringstruktur angeschlossen ist, wobei die Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit aufweisen als die wenigstens eine Benutzer-Schnittstelle (LSI1–LSI4), und weiter c) ein Kontroller für die Behandlung der Datenpakete im Transit-, Insert- oder Extract-Modus vorhanden ist und d) zwischen den Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI2, HSI4 bzw. HSI1, HSI3) eine Pufferschaltung (B1, B2) zum Lesen einer Routing-Information in einem Kopf eines Datenpakets vorgesehen ist, wobei die Verweilzeit eines Datenpakets in der Pufferschaltung derart ist, dass die Verzögerungszeit der Datenpakete im Transit-Modus im Wesentlichen dem Lesezyklus des Kontrollers zum Auslesen der Routing-Information entspricht.
Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschaltung (B1, B2) so ausgebildet ist, dass eine Verzögerungszeit im Transit-Modus von weniger als 10 μs, insbesondere etwa 5 μs oder weniger besteht.
Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschaltung (B1, B2) mehrere im Multiplex angeordnete Pufferzellen (BZ1–BZN) aufweist.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Knoten mindestens eine Bypassleitung (BY1, BY2) vorgesehen ist, welche bei einem Leistungsunterbruch im Knoten den Datenverkehr im Transit sicherstellt.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (R11–R14, R21–R24) als doppelt geführte Ringleitung ausgebildet sind und dass der Datenverkehr in beiden Ringleitungen, aber jeweils in entgegengesetzten Umlaufrichtungen geführt ist.
Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungen in einer faseroptischen Leitung untergebracht sind, wobei die Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI2, HSI4 bzw. HSI1, HSI3) so ausgebildet sind, dass die Verbindungen alle in derselben Richtung oder in unterschiedlichen Richtungen betrieben werden können.
Netzwerk nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Knoten (K1–K4) eine Loopback-Funktion implementiert ist, die im Fall eines Defektes einer Verbindung das Weiterbestehen eines Ringverkehrs auf den verbleibenden Verbindungen sicherstellt.
Netzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontroller so ausgebildet ist, dass bei aktivierter Loopback-Funktion die Datenpakete entsprechend ihrer Priorität im Transit- und Insert-Verkehr bedient werden.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontroller einen lokalen Datenaustausch zwischen zwei Benutzern desselben Knotens unterstützt.
Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungen (R11–R14, R21–R24) und die Knoten (K1–K4) für eine rein optische oder optoelektronische Datenübertragung ausgebildet sind.
Knoten für ein Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens eine Benutzerschnittstelle (LSI1–LSI4) mit einer Warteschlangenschaltung (Q1–Q4) vorgesehen ist, b) er durch Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) an den Verbindungen (R12, R13, R22, R23) der Ringstruktur angeschlossen ist, wobei die Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI1–HSI4) eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit aufweisen als die wenigstens eine Benutzerschnittstelle (LSI1–LSI4), c) ein Kontroller für die Behandlung der Datenpakete im Transit-, Insert- oder Extract-Modus vorhanden ist, und d) zwischen den Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen (HSI2, HSI4 bzw. HSI1, HSI3) eine Pufferschaltung (B1, B2) zum Lesen einer Routing-Information in einem Kopf eines Datenpakets vorgesehen ist, wobei die Verweilzeit eines Datenpakets in der Pufferschaltung derart ist, dass die Verzögerungszeit der Datenpakete im Transit-Modus im Wesentlichen dem Lesezyklus des Kontrollers zum Auslesen der Routing-Information entspricht.
Knoten nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschaltung (B1, B2) mehrere im Multiplex angeordnete Pufferzellen (BZ1–BZN) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Netzwerkes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Datenpakete vom Benutzer in eine Warteschlange gegeben werden und von dort erst dann in die Ringleitung eingespeist werden, wenn eine entsprechende Bandbreite oder Kapazität für den Transit auf der Ringleitung zur Verfügung steht.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ringleitungen im Normalbetrieb mit entgegengesetzten Umlaufrichtungen betrieben werden und dass im Fall eines Verbindungsunterbruchs nur Datenpakete erhöhter Priorität im Loopback übertragen werden.