DE3919012C2

DE3919012C2 - Universales Netzwerk

Info

Publication number: DE3919012C2
Application number: DE3919012A
Authority: DE
Inventors: Helmut Martin
Original assignee: Individual
Current assignee: Martin Ingeborg 30559 Hannover De
Priority date: 1988-06-10
Filing date: 1989-06-10
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2009-06-11
Also published as: DE3919012A1

Description

Lokale Netzwerke sind für die Datenerfassung, für die Verbindung zwischen Rechnern und ihren peripheren Einheiten, für den Rechnerverbund sowie für alle Arten der Informations übertragung - Daten, Text, Sprache, Bild und Bewegtbild - nicht nur im Inhouse-Bereich in vielfältiger Form in den letzten zwei Jahrzehnten entwickelt worden. Besondere Bedeutung kommt den Ringsystemen und den unidirektionalen Bussen zu, wobei letztere natürlich auch in Ringform oder flächendeckend verlegt werden können. Lokale Netzwerke in mehreren Ebenen gehen in ihren Einsatzzielen weit über die ursprünglichen Anwendungen hinaus, wie Abb. 1 erkennen lässt.

Im Zuge der aus wirtschaftlichen Gründen notwendigen Digita lisierung der öffentlichen Netze sind auch für diese die Vorteile der paketvermittelten lokalen Netzwerke erkannt worden, da sich die dem augenblicklichen Bedarf anpassungs fähigen Übertragungsraten künftig nicht nur für Rechnerkopp lungen und andere Dialogdienste hervorragend eignen, sondern die Dynamik dieser Übertragungsart wird künftig für die Bewegtbildübertragung und sogar für Telefondienste bevorzugt werden. Für die weitere Beschreibung wird von einem Stand der Technik ausgegangen, wie er beispielhaft in den folgenden Druckschriften beschrieben wird:

1. DE 32 18 146 A1
2. EP 0 161 825 A2
3. EP 0 227 852 A1

Bei den für die öffentlichen Netze entwickelten Netzformen übernimmt die Hauptstelle eines Netzwerkes, z. B. eines unidirektionalen Busses (s. Abb. 2) die gesamte Steuerung des Zugriffs aller Koppelstellen auf freie Sätze oder Zellen des von der Hauptstelle ausgesandten Rahmens für das Absetzen von Informationsteilen in Sätzen (Zellen). Das bedingt nun seinerseits, daß von den Koppelstellen zuvor die Art der Übertragung an die Hauptstelle gemeldet wird. Die Freigabe von Sätzen und deren Satznummer (auch logische Zellennummer genannt) müssen der Koppelstelle auf einer gesonderten Leitung mitgeteilt werden. Da Informationen auch über Brücken (s. Abb. 2) in andere Netzebenen oder parallele Netze geleitet werden und die Übertragungrate sehr hoch ist, ergibt sich ein entsprechend hoher Steuerungsaufwand.

Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Übertra gungsrahmen mit fester Satzeinteilung. Diese feste Struktur ist jedoch dem aktuellen Verkehr nur ausnahmsweise angepasst, im Regelfall jedoch ergibt sich eine nur suboptimale Aus nutzung der gegebenen Informationskapazität. So arbeiten die Netzwerke der oben zum Stand der Technik genannten Druck schriften sämtlich mit fest eingeteilten Übertragungsrahmen.

Ein Frei/Besetztzeichen, das von Koppelstellen verändert werden kann, ist aus Druckschrift 2 bekannt (token or toggle signal). Allerdings wird es dort nur von frei auf besetzt geändert, um nachfolgende Stationen vom Zugriff abzuhalten. Ein Informationsrückfluss zur Hauptstelle findet nicht statt.

Ein Netzwerk, das sowohl Echzeitdienste als auch Dialogdienste bedient, ist aus Druckschrift (3) bekannt. Dialogdienste werden jedoch über einen separaten Bus (backbone bus) abgewickelt. Die Fähigkeit die vorhandene Verkehrskapazität auf einem Bus bzw. einem Ring nach Bedarf zwischen Dialog- und Echtzeitdiensten aufzuteilen ist nicht gegeben. Das System nach Druckschrift (3) benutzt ein "token" im klassischen Sinne, d. h. ausschließlich zur Vermeidung von Konflikten bei der Aufschaltung.

Die Erfindung löst die Aufgabe, ein universales Netzwerk mit höherer Effektivität, höherer Dynamik und höherer Sicherheit zu betreiben, als nach dem Stand der Technik bekannt ist. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Steuerung des Informationsverkehrs durch das enge Zusammenspiel von Haupt- und Koppelstellen erfolgt, indem die Hauptstelle einen wiederkehrenden Impulsrahmen aussendet und jeweils Sätze für vorgesehene Verkehrsarten - Echtzeitdienste verschiedener Übertragungsraten über virtuelle Verbindungen, paketver mittelte Dialogdienste und Verteildienste (Fernsehen, Hörfunk) - in gemischter Folge am Beginn jedes Satzes (auch Zellenkopf genannt) kennzeichnet sowie mit Satznummer im Übertragungs rahmen, ggf. in gekürzter Form versieht, wobei der Informa tionsaustausch zwischen Koppelstellen und Hauptstelle über ein spezielles Frei-/Besetztzeichen am Satzanfang erfolgt das sowohl von der Hauptstelle als auch von den Koppelstellen gesetzt bzw. modifiziert werden kann.

In der vorliegenden Erfindung wird das Frei/Besetztzeichen, das unter anderem die Rolle des "tokens" spielt, wie folgt verwendet: Die Koppelstelle sucht im Bedarfsfall einen freien, für die vorgesehene Verkehrsart gekennzeichneten Satz, und wenn der Sensor einen solchen erkennt, fordert er den Sender auf, mit dem Senden der in einem Durchlaufspeicher (FIFO) bereitstehenden Meldung, deren Kopf aus der Teilnehmernummer des Empfängers und des Absenders besteht, zu beginnen, wobei als erstes das Besetztzeichen gesetzt bzw. modifiziert wird. Dabei erhält der Sender durch die Umwegleitung, die sich in den Kopplern von Sensor und Sender befindet (s. Abb. 3) genügend Reaktionszeit, um das Besetztzeichen an die Stelle des erkannten Freizeichens zu setzen.

Die Umwegleitung erlaubt es auch, alle Sätze, die von den Koppelstellen und Brücken ausgesandt werden, auf der Empfangs leitung nochmals zu lesen wodurch die Kontrolle der ordnungs gemäßen Formatierung des Satzes durch den eigenen Sender sowie die Weiterleitung der Information an die Teilnehmer endgeräte - oder über Brücken in andere Netze - gewährleistet wird. Um das Ergebnis der Kontrolle der Hauptstelle und den Empfängern der Nachricht mitzuteilen, ist am Ende jeden Satzes ein Kontrollbyte vorgesehen. War das Prüfergebnis negativ, so wird der betroffene Satz von den Empfängern ignoriert und vom Sender wiederholt.

Die von der Hauptstelle vorgenommene Rahmeneinteilung ist den Koppelstellen und Brücken aus dem Rahmenkopf bekannt. Umgekehrt bezieht die Haupstelle Informationen über den angeforderten Verkehr aus der Auswertung des speziell ausgebildeten Besetztzeichens und des Kontrollbytes, die von den Koppelstellen gesetzt bzw. verändert werden. Mit diesen Informationen ist die Hauptstelle in der Lage die Struktur der bereitzustellenden Rahmen, insbesondere das Verhältnis von Echtzeitdiensten zu Dialogdiensten, dem aktuellen Verkehr nach Art, Übertragungsrate und Mischung anzupassen. Dabei erhalten die Echtzeitdienste Priorität in der Reihenfolge der Anfor derung, um die Unterbrechung von virtuellen Verbindungen zu vermeiden, während Dialogdienste in verbleibende Lücken gepackt bzw. für spätere Absendung gespeichert werden.

Für virtuelle Verbindungen werden Gruppen mit jeweils maximalen Übertragungsraten gebildet. Aus der höchsten Übertragungsrate ergibt sich die benötigte Satzzahl im Übertragungsrahmen, deren Plätze festzulegen sind. Dem ersten Satz im Rahmen kommt besondere Bedeutung zu. Er muß als erster besetzt werden, damit danach von den Folgesätzen diejenigen besetzt werden können, die für die virtuelle Verbindung maximal benötigt werden. Für die Hauptstelle und das Weiter leiten der Information ist es gleichgültig, ob es sich bei der virtuellen Verbindung um eine rahmensynchrone Übertragung oder eine asynchrone handelt. Damit alle für eine virtuelle Verbindung festgelegten Sätze für die nächste Rahmenbesetzung frei bleiben, ist es die Aufgabe der Hauptstelle, besetzte Sätze von virtuellen Verbindungen bereits beim Aussenden des nächstfolgenden, von Informationsinhalt freien Rahmens von vornherein als besetzt zu kennzeichnen. So ist es möglich zu verhindern, daß für eine virtuelle Verbindung bereits in Anspruch genommene Sätze, Leitsatz und Folgesätze, beim nächsten Rahmen noch vor Erreichen der zuständigen Koppelstelle belegt werden.

Da Dialogdienste im allgemeinen nur Pakete aussenden (die mit Empfänger- und Absenderadresse versehen sind) und nur Einzel übertragung verlangen, müssen diese die Sätze mit einem "Einmal-Besetztzeichen" markieren, d. h. es kann auf den Aufbau einer virtuellen Verbindung verzichtet werden. Dieses "Einmal- Besetztzeichen" wird von der Hauptstelle "gelöscht". Es ist zweckmäßig, daneben noch ein "Vorbereitend-Besetztzeichen" und ein "Dauer-Besetztzeichen" zu definieren, die dem Aufbau virtueller Verbindungen dienen. Auch ein "Freigabe-Zeichen" ist zu vereinbaren, um der Hauptstelle zu signalisieren, daß diese bei der nächsten Aussendung eines Rahmens diesen Satz für ändere Teilnehmer zu Verfügung stellen bzw. mit dem Frei zeichen versehen kann.

Da die Sender der Koppelstellen und der Brücken lediglich L-bits dort hinzufügen können, wo 0-bits stehen, müssen die Frei-/Besetzt-Zeichen logisch aufeinander aufbauen. Das kann in folgender Weise geschehen:

1. Freizeichen: alle 8-bits eines Bytes sind 0-bits
2. Einmal-Besetzt: bit 1, 2, 3 sind L-bits
3. Vorbereitd.-Besetzt: bit 3, 4, 5 sind L-bits
4. Dauernd-Besetzt: bit 1 bis 5 sind L-bits
5. Freigabezeichen: bit 1 bis 8 sind L-bits

Es sind auch andere Kombinationen denkbar. Bei auftretenden Ein-bit-Fehlern sind Irrtümer entweder nicht möglich, oder sie können durch Plausibilitätsprüfung ausgeschaltet werden.

Die Überprüfung der Exaktheit der Sendevorgänge erfolgt einmal durch die Selbstkontrolle der Koppelstellen, aber der gesamte Informationsfluß wird auch von der Hauptstelle beobachtet. Sie kann Anlagenteile, die sie als defekt erkennt, ausschalten, auf Ersatzgeräte umschalten und/oder den Service alarmieren.

Die Rahmenaufteilung wird den Koppelstellen und den Brücken am Kopf des auszusendenden Übertragungsrahmens mitgeteilt. Dort ist der aktuelle Stand ersichtlich. Je nach Veränderung des Verkehrsaufkommens teilt die Hauptstelle den zur Verfügung stehenden Sätzen des Übertragungsrahmens mehr oder weniger Plätze für virtuelle Verbindungen der verschiedenen Geschwindigkeitsgruppen zu und verändert auch die nur für Dialogdienste vorgesehene Platzzahl. Die Veränderung durch Auswertung und Setzung der verschiedenen Frei/Besetzt-Zeichen kann in kleinen Schritten, ohne Unterbrechung von virtuellen Verbindungen geschehen.

Eine Taktkopplung aller Netzebenen ist nicht erforderlich. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sollten jeweils mehrere Netze zu einer Taktinsel zusammengeschlossen werden. Um die dann noch vorhandenen minimalen Taktdifferenzen bei Übergängen zwischen Netzen verschiedener Taktinseln bei Echtzeitdau erverbindungen auffangen zu können, ist mit dem Weiterleiten des ersten Paketes dann zu beginnen, wenn der (1 + a) . Pakete aufnehmende Durchlaufspeicher etwa mit (1 + a/2) . Paketen gefüllt ist. Eine Berechnung ergibt, daß bei einer angenomme nen maximalen Taktdifferenz von 1 . 10^-10, einer Paketlänge von 64 Bytes und a = 1 in einer Echtzeitverbindung von 2,048 Mb/s erst nach ca. 6 Std. ein zusätzliches Paket übertragen werden müßte oder eine Pause von der Länge eines Paketes entstünde. Der bei einer virtuellen Festverbindung für Datenübertragung gefürchtete Verlust eines Paketes kann voll ausgeschaltet werden.

Claims

1. Universales Netzwerk mit Übergängen zu anderen Netzebenen oder Nachbarnetzen für die Übertragung und/oder die Vermittlung aller Informationsdienste - Sprache, Bild, Text und Daten - zwischen Koppelstellen die mit ihren Sensoren und Sendeeinrichtungen an die von der Hauptstelle abgehende Sendeleitung - wobei sich zwischen Sensor und Sender eine Umwegleitung befindet - sowie mit ihren Empfangseinrichtungen passiv an die an der Hauptstelle endende Empfangsleitung angeschlossen sind, wobei beide Leitungen zu einem unidirektionalen Bus gehören, der auch die Form eines Ringes annehmen kann, wobei die Hauptstelle bit-, Byte- und Satztakt sowie einen wiederkehrenden Rahmen aussendet, und jeweils die Sätze am Satzanfang mit einem Kennzeichen entsprechend der vorgesehenen Verkehrsarten bzw. Informationsdienste sowie mit den Nummern der Sätze, die sie im bit-Rahmen besitzen, versieht dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Informationsverkehrs durch das enge Zusammenspiel von Hauptstelle und Koppelstellen in der Weise erfolgt, dass die Hauptstelle die wiederkehrenden Rahmen so strukturiert, dass sie den durch die Koppelstellen vorgenommenen oder beabsichtigten Besetzungen nach Art des Dienstes und nach angeforderter Informationsrate entspricht, d. h. alle virtuellen Verbindungen in der Reihenfolge ihres Auftretens mit Vorrang bedient werden, während Dialogdienste die verbleibenden Lücken ausnützen bzw. später zum Zuge kommen, und dass die Koppelstellen mit der Hauptstelle über ein spezielles Frei/Besetztzeichen am Kopf der Sätze kommunizieren, über das sie freie und für die anstehende Betriebsart geeignete Sätze innerhalb des aktuellen Rahmens auffinden und gleichzeitig der Hauptstelle ihren weiteren Bedarf signalisieren, wobei für frei und besetzt mehrere mögliche Zustände gekennzeichnet werden können.

2. Universales Netzwerk nach Anspruch 1 dadurch gekenn zeichnet, dass das Besetztzeichen am Anfang des Satzes so ausgebildet wird, dass die von der Koppelstelle vorzunehmenden Umwandlungen von frei nach besetzt bzw. die Erzeugung des Freischaltungs zeichens ausschließlich durch Hinzufügen von bits erfolgt.

3. Universales Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest die Sätze, die durch das Frei/Be setztzeichen nach Anspruch 1 als Dialog-Dienste ausge wiesen werden, so lang sind, daß sie die vollen Adressen von Empfänger und Sender aufnehmen können und darüber hinaus noch genügend Platz für die Information selbst besitzen, wobei hierfür auch Doppelsätze vorgesehen werden können.

4. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekenn zeichnet, daß für alle durch den Satzanfang gekennzeichne ten Echtzeitdienste maximale Übertragungsbitraten festge setzt werden, wodurch gleichzeitig die Anzahl der Folge sätze in einem Rahmen festgelegt wird, wobei alle im Bele gungsfall maximal benötigten Folgesätze mit dem Besetzt zeichen zu versehen sind.

5. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekenn zeichnet, daß das Besetztzeichen eingefügt wird, sobald bei der Übertragung das Einfügen eines Leersatzes erfor derlich wird, um zu Verhindern, daß dieser Satz von einem Dialogdienst belegt wird.

6. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekenn zeichnet, daß die Differenz zwischen den maximal im Rahmen möglichen und den maximal benötigten Folgesätzen durch das Nichtbesetzen für den Zugriff durch Dialogdienste freige geben wird.

7. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekenn zeichnet, daß Plätze für Dialogdienste nur jeweils für eine Übertragung besetzt werden, es sei denn, daß ein Dialogdienst über einen auszuwählenden Echtzeitdienst- Kanal abgewickelt werden soll.

8. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekenn zeichnet, daß die Hauptstelle bei Rahmenende unmittelbar, bitsynchron den neuen Rahmen anfügt wobei alle Satzinhalte gelöscht, die Besetztzeichen von Echtzeitdiensten jedoch vom vorhergehenden Rahmen übernommen werden.

9. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekenn zeichnet, daß bei Übertragung des letzten Satzes das Besetztzeichen zum Freischaltzeichen ergänzt wird, wodurch bewirkt wird, daß die Hauptstelle beim nächsten Rahmen den ersten Satz und alle dazugehörenden Folgesätze mit dem Freizeichen versieht, was erst durch Besetzen wieder geändert wird.

10. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekenn zeichnet, daß zu Beginn des Rahmens die aktuelle Einteilung des Rahmens den Koppelstellen in geeigneter Weise mitgeteilt wird.

11. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Rahmenaufteilung von einer Form auf eine andere von der Hauptstelle in kleinen Schritten vorgenommen wird, was z. B. im direkten Zusammen hang mit der Zunahme von Echtzeitdiensten oder deren Abnahme geschehen kann, indem die Sätze von Echtzeit diensten incl. der zugehörigen Folgesätze für Dialog dienste zur Verfügung gestellt werden und umgekehrt, wodurch die beabsichtigte Wandlung ohne Unterbrechung einer virtuellen Verbindung vonstatten gehen kann.

12. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß Übergänge zu parallelen Netzen gleicher Ebene, zu Netzen höherer oder niederer Ebenen über Brücken an beliebigen Koppelstellen erfolgen können, wobei erforderliche Taktausgleiche, die bei Netzübergängen notwendig sein können, durch Speichern z. B. eines Satzes oder durch Aussenden eines entsprechend gekennzeichneten Leersatzes von den Brücken vorgenommen werden.

13. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß das letzte Wort eines Satzes durch ein Kontrollwort gebildet wird, das im Falle eines nach Empfang und Senden geteilten Busses von einem zusätzlichen Sender auf der Empfangsleitung nach ordnungsgemäßem Lesevorgang hinzugefügt wird.

14. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Haupstelle den ordnungsgemäßen Ablauf aller Schreib- und Lesevorgänge überwacht, nicht voll funktionstüchtige Anlagenteile außer Betrieb setzt, gegebenenfalls auf eine Ersatzanlage umschaltet sowie Wartung bzw. Reparatur anfordert.

15. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß für Verteildienste die benötigten Sätze fest zugeordnet werden oder daß für diese Dienste zusätzliche Empfangsleitungen verwendet werden.

16. Universales Netzwerk nach einem der Ansprüche 1-15 dadurch gekenn zeichnet daß jeweils mehrere Netze zu Taktinseln zusammen gefaßt werden und die in den Netzübergängen angeordneten Durchlaufspeicher mit einer Länge von (1 + a).Pakete in Bytes so dimensioniert werden, daß das zusätzliche Aussenden eines Datenpaketes oder eines Leerpaketes erst nach längerer Betriebszeit erforderlich und der Verlust eines Dateipaketes ausgeschaltet wird, wobei mit dem Weiterleiten des ersten Paketes dann begonnen wird, wenn der Durchlaufspeicher mit etwa (1 + a/2).Paketen gefüllt ist.