DE4312797A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Segmentieren von Datenpaketen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Segmentieren von Datenpaketen in einem Netzkopplungs­ gerät bzw. Kopplungssystem.

Die bisherigen Anforderungen an Kommunikationsnetze wurden durch konventionelle Nutzungsformen wie Sprach-, Text- und Datenkommunikation gestellt. Durch eine dramatische Zunah­ me der Prozessorleistung ist die Leistung von etwa 3 MIPS (Millionen Instruktionen pro Sekunde) Mitte der 80er Jahre (SUN 3/50) bereits Anfang der 90er Jahre auf ca. 30 MIPS gestiegen, wobei heutige Arbeitsplatzrechner bereits die 100 MIPS-Grenze übersteigen. Gerade durch diesen Lei­ stungszuwachs ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten. So entwickeln sich zunehmend Multimedia-Anwendungen wie z. B. Telekooperationen, integrierte Entwicklung, Onlinevi­ sualisierung von Vorgängen in Forschung und Produktion sowie Fernüberwachung von technischen Systemen, z. B. in der Stromversorgung. Der Zugriff auf Videodatenbanken und Sprachserver soll zu einer Selbstverständlichkeit werden.

Durch diese Entwicklung werden neue Anforderungen an die Kommunikationsnetze gestellt. Sie betreffen z. B. die Notwendigkeit einer höheren, insbesondere auch effektive­ ren Datenübertragungsrate oder unterschiedliche Verbin­ dungsformen, z . B. Punkt-Zu-Punkt-Verbindungen, Gruppenkom­ munikation, Broad- und Multicast. Die höhere Datenübertra­ gungsrate am Arbeitsplatz wird z. B. durch die FDDI-Techno­ logie mit ihren 100 Mb/s (Megabit pro Sekunde) verwirk­ licht. Weitere wichtige Anforderungen betreffen geringere und berechenbare Verzögerungszeiten (Delay) und eine geringere Varianz dieser Verzögerungszeiten (Delay Jitter), kurz Zeittransparenz genannt. Heute weit verbrei­ tete lokale Netze (LAN), z. B. nach IEEE 802.3 (Ethernet), wurden für den reinen Datenverkehr entwickelt. Die Zeit­ transparenz ist dort, insbesondere in den verwendeten Kopplungsgeräten, wie Brücken und Router, nicht verwirk­ licht.

Es ist daher notwendig, andere Geräte mit der Eigenschaft der Zeittransparenz für die Kopplung von Endgeräten an Netze zur Verfügung zu haben, und es sind Netze notwendig, die ebenfalls die Eigenschaft der Zeittransparenz besit­ zen.

ATM (Asynchronous Transfer Mode) ist ein solches Netz. Diese Technologie wurde zunächst im Postbereich (Wide Area Network, WAN) als Basis für Breitband-ISDN (Integrated Services Digital Network) entwickelt. Ihre hervorstechend­ sten Eigenschaften sind die Zeittransparenz und Skalier­ barkeit in bezug auf Netzgröße und Geschwindigkeit. Endge­ räte können die Vorteile der ATM-Technologie ohne Verän­ derung nutzen, wenn die Anschlußgeräte (Sterne, Brücken und Router) Transparenz gewährleisten und die Endgeräte über Einzelanschluß verfügen.

Da die existierenden Netzanschlußgeräte bzw. Netzkopp­ lungsgeräte (Brücken und Router) die für die Sprach-, Daten- und Videoübertragung notwendigen Verzögerungszeiten (< 100 Mikrosekunden) nicht garantieren können, die Ge­ schwindigkeit der Endgeräte jedoch, wie bereits erwähnt, ausreichend ist, ist es notwendig, entsprechende Netzkopp­ lungsgeräte zu schaffen, um die Endgeräte in ATM-Qualität versorgen zu können. Die Netzkopplungsgeräte haben dann die Aufgabe, die z. B. durch das Aufsammeln der Pakete in den herkömmlichen Kopplungsgeräten erzeugten hohen Durch­ laufraten zu verringern. Bei den herkömmlichen paketorien­ tierten Kopplungssystemen wird die Segmentierung der aufgesammelten Pakete für den Transport über ein zellori­ entiertes Netz erst bei der Ausgabe auf dieses Netz vorge­ nommen. Die Segmentierung des Paketes startet also erst dann, wenn das Paket vollständig im Kopplungssystem einge­ laufen ist. Hierdurch werden dann die bereits angesproche­ nen Durchlaufverzögerungen erzeugt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Segmentieren von Datenpaketen zu schaffen, welche geringere und berechenbarere Verzöge­ rungszeiten und eine hohe Zeittransparenz gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Segmentie­ rung von Datenpaketen in kleine Zellen beim Empfang dieser Pakete nach dem Eingang einer Anzahl von Zeichen erfolgt. Durch diese unmittelbare Segmentierung der von einem paketorientierten Sender, wie einem Rechner, übermittelten Datenpakete und Empfang über eine Schnittstelle des Kopp­ lungssystems wird die gewünschte und notwendige Zeittrans­ parenz und damit die Erhöhung des Geschwindigkeitsdurch­ satzes im Netz erreicht, indem die Aufsammelzeiten ver­ kürzt und damit die Durchlaufzeiten, die sich aus Aufsam­ melzeit und Verarbeitungszeit im System zusammensetzen, reduziert werden. Sobald die für die Bildung einer Zelle notwendige Anzahl von Zeichen eingegangen ist, ist über das Transportkriterium zum Weitertransport, z. B. die Zieladresse, entscheidbar, und schon dann erfolgen die Segmentierung und der Weitertransport. Die Anzahl der Zeichen einer Zelle beträgt dabei bevorzugt nicht mehr als 48 Byte.

In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Zellen nach der Segmentierung auf einer Systemebene des Kopplungssystems verarbeitet werden. Nach dieser Verarbei­ tung werden die Datenzellen an einen Empfänger weiter­ transportiert. Dieser Weitertransport der Zellen an den Empfänger erfolgt bereits während des Empfangs des Daten­ paketes. Die semantische Transparenz, auf die beim reinen Datenverkehr zwischen herkömmlichen Geräten hoher Wert gelegt wurde, wird nun im Hinblick auf die erforderliche Zeittransparenz als nicht mehr so wichtig angesehen. Der Algorithmus, der vorher auf die Datenpakete vor und nach der Übertragung derselben angewendet wurde, um die Rich­ tigkeit der Datenübertragung zu kontrollieren, entfällt. Die dabei möglichen Übertragungsfehler stellen für den reinen Datenverkehr ein Problem dar, bei Systemen insbe­ sondere zur Bildverarbeitung und beim Zugriff auf Sprach­ server können diese Fehler in Kauf genommen werden, da die Zeittransparenz an erster Stelle steht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß das Kopplungssystem ein Paket System, ein Zell System und einen zellorientierten Systembus aufweist. In bevorzugter Ausgestaltung weist das Paket System eine Schnittstelle A zum Empfang von Datenpaketen und eine Schnittstelle B zum Senden von Datenpaketen auf, und das Zell System weist eine Sendeschnittstelle zum Senden der Datenzellen und eine Empfangsschnittstelle zum Empfang derselben auf. Aufgrund dieser Ausgestaltungen können die Schnittstellen A und B mit entsprechenden Schnittstellen herkömmlicher Arbeitsrechner und Personal Computer und die Sendeschnittstelle bzw. die Empfangsschnittstelle des Zell Systems mit entsprechenden Schnittstellen, z. B. denjenigen von Videodatenbanken bzw. Voice Mail Servern, verbunden werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist die Schnitt­ stelle A mit einer Segmentierungseinheit zum Segmentieren der Datenpakete in Zellen und die Schnittstelle B mit einer Einheit zum Zusammensetzen der Zellen in Datenpakete verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, die Zeittrans­ parenz sowohl für herkömmliche als auch für neue Endgeräte zu erreichen.

Die Segmentierungseinheit und die Einheit zum Zusammenset­ zen der Zellen in Datenpakete im Paket System sind bevor­ zugt mit einem Pufferspeicher und einer Zentralen Steuer­ einheit verbindbar und über einen Adreß-Cach´ bzw. eine Systembusschnittstelle mit dem zellorientierten Systembus verbunden. Zellorientierte Systembusse sind in der Lage, die Qualitätsanforderungen zu erfüllen, die z. B. Video­ übertragungen an das Übertragungsnetz stellen. Der Anwen­ der muß also nicht seine gesamte Netzinfrastruktur aus­ wechseln, wenn er ATM-Qualität benötigt. Die Endgeräte, die Anschlüsse der Endgeräte und auch die Netzinfrastruk­ tur bleiben erhalten. Dies führt zu erheblichen Kostenein­ sparungen.

Weiterbildungen sehen vor, daß die Sendeschnittstelle zum Senden der Zellen und die Empfangsschnittstelle zum Emp­ fang der Datenzellen über einen Sendepuffer bzw. einen Empfangspuffer direkt mit dem zellorientierten Systembus verbindbar sind. Des weiteren weist das Zell System zwi­ schen den Schnittstellen und den Puffern eine Zentrale Steuereinheit sowie einen Adreß-Cach´ zur Verarbeitung der Datenzellen auf.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfin­ dungsgemäße Verfahren können Endgeräte, wie PCs, Arbeits­ platzrechner, Großrechner etc. an private ATM-Knoten oder/und an ein öffentliches oder privates ATM-Netzwerk angeschlossen werden. Damit ist die geforderte Eigenschaft der Zeittransparenz sowohl für herkömmliche als auch für neue Endgeräte zu erreichen. Wenn an die Endgeräte keine hohen Anforderungen wie eine hohe Bit-Rate gestellt wer­ den, dann können ihre Schnittstellen inklusive der Soft­ ware erhalten bleiben. Lediglich die Netzanschluß- bzw. Kopplungsgeräte müssen ausgetauscht werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert ist. Dabei zeigt

Fig. 1 ein herkömmliches paketorientiertes System in Diagrammform;

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes zellorientiertes Kopplungssystem in Diagrammform.

In Fig. 1 ist ein herkömmliches paketorientiertes Netz­ kopplungsgerät oder Kopplungssystem 1 dargestellt. Das Kopplungssystem 1 weist ein Paket System 2, ein Zell- System 3 und einen paketorientierten Systembus 4 auf. Das Paket-System 2 weist wiederum eine Schnittstelle A 5 und eine Schnittstelle B 6 auf. Bei diesen Schnittstellen A 5 und B6 handelt es sich um paketorientierte Schnittstellen zum Empfang bzw. Senden von Datenpaketen. Diese Datenpake­ te werden über paketorientierte Schnittstellen von her­ kömmlichen Endgeräten wie PCs, Arbeitsplatzrechner, Groß­ rechner etc. ausgesendet oder empfangen.

Die Schnittstellen A 5 und B 6 sind mit einem Adreß-Spei­ cher 7, einem Pufferspeicher 8 und einer Zentralen Steuer­ einheit 9 verbunden. Diese Bausteine des Paket-Systems 2 sind über eine Systembusschnittstelle 10 mit einem paket­ orientierten Systembus 4 verbunden, der wiederum über eine Systembusschnittstelle 11 mit dem Zell System 3 in Verbin­ dung steht. Das Zell System 3 weist ebenso wie das Paket- System 2 eine Zentrale Steuereinheit 12, einen Pufferspei­ cher 13 sowie einen Adreß-Speicher 14 auf. Über diese Bausteine ist die Systembusschnittstelle 11 einerseits mit einer Segmentierungseinheit 15 zum Segmentieren von Daten­ paketen in kleine Zellen, andererseits ist erstere mit einer Einheit zum Zusammensetzen 17 von kleinen Zellen in Datenpakete verbunden. Die Segmentierungseinheit 15 führt zu einer Sendeschnittstelle 16, die Einheit zum Zusammen­ setzen 17 führt zu einer Empfangsschnittstelle 18. Bei diesen Schnittstellen 16, 18 handelt es sich um zellorien­ tierte Schnittstellen. Zum Senden bzw. Empfangen von kleinen Datenzellen sind diese über entsprechende Schnitt­ stellen z. B. mit Sprachservern bzw. Videodatenbanken verbunden.

Über die Schnittstelle A 5 bzw. B 6 empfangene Datenpakete werden mittels Adreß-Speicher 7, Puffer-Speicher 8 und der Zentralen Steuereinheit 9 gespeichert sowie verarbei­ tet und gelangen dann über die Systembusschnittstelle 10 auf den paketorientierten Systembus 4. Über diesen werden die Datenpakete zur Systembusschnittstelle 11 des Zell- Systems 3 transportiert. Auch dieses System weist eine Zentrale Steuereinheit 12, einen Pufferspeicher 13 sowie einen Adreß-Speicher 14 zum Speichern und Verarbeiten auf. Von hier gelangen die Datenpakete zur Segmentierungs­ einheit 15, in der diese in kleine Zellen aufgeteilt werden, bevor sie über die Sendeschnittstelle 16 zum Transport über ein zellorientiertes Netz ausgesendet werden.

Beim Empfang von Zellen über die Empfangsschnittstelle 18 werden diese in der Einheit 17 zu Datenpaketen zusammenge­ setzt und in umgekehrter Richtung zum Paket System 2 und dann über eine der Schnittstellen A 5 bzw. B 6 über ein paketorientiertes Netz zu den entsprechenden Endgeräten etc. transportiert. Hierbei kommt es durch das Aufsammeln des vollständigen Datenpaketes vor der Segmentierung zu den bekannten Durchlaufverzögerungen.

Das in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Kopplungssy­ stem 101 weist ebenfalls ein Paket System 102 sowie ein Zell System 103 auf. Anstelle eines paketorientierten Systembusses ist jedoch in der erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsform ein zellorientierter Systembus 104 vorhanden.

Das Paket System 102 weist eine Schnittstelle A 105 zum Empfangen von Datenpaketen sowie eine Schnittstelle B 106 zum Aussenden von Datenpaketen auf. Bei diesen Schnitt­ stellen A 105 und B 106 handelt es sich wie beim paket­ orientierten Kopplungssystem 1 um paketorientierte Schnittstellen, die Datenpakete von herkömmlichen Endgerä­ ten empfangen bzw. für den Transport zu letzteren aussen­ den. Die Schnittstelle A 105 ist nun mit einer Segmentie­ rungseinheit 107 verbunden, in der die empfangenen Daten­ pakete direkt in kleine Zellen segmentiert werden. Ent­ sprechend ist die Schnittstelle B 106 mit einer Einheit zum Zusammensetzen 108 der Zellen verbunden, in der die auf Systemebene des Kopplungssystems 101 verarbeiteten Zellen vor dem Transport über ein paketorientiertes Netz wiederum zu Datenpaketen zusammengesetzt werden. Die Segmentierungseinheit 107 sowie die Einheit zum Zusammen­ setzen 108 sind mit einem Pufferspeicher 109 und einer zentralen Steuereinheit 110 verbunden. Über einen Adreß-Cach´ 111 bzw. eine Systembusschnittstelle 112 stehen sie mit dem zellorientierten Systembus 104 in Verbindung. Das Zell System 103 weist einen Sendepuffer 113 sowie einen Empfangspuffer 114 auf, die beide einen Zugang zum zell­ orientierten Systembus 104 besitzen. Der Sendepuffer 113 ist direkt mit einer Sendeschnittstelle 115 verbunden. Der Empfangspuffer 114 steht direkt mit einer Empfangsschnitt­ stelle 116 in Verbindung. Bei der Sendeschnittstelle 115 sowie der Empfangsschnittstelle 116 handelt es sich um zellorientierte Schnittstellen. Parallel zu den Empfangs­ bausteinen 114, 116 sowie den Sendebausteinen 113, 115 sind eine Zentrale Steuereinheit 117 sowie ein Adreß-Ca­ ch´ (Pufferspeicher) 118 geschaltet.

Über die Schnittstelle A 105 empfangene Datenpakete, z. B. von einem PC, Großrechner etc. werden in der Segmentie­ rungseinheit 107 bereits beim Empfang der Datenpakete in kleine Zellen segmentiert, die dann auf Systemebene mit­ tels der Zentralen Steuereinheit 110 etc. verarbeitet werden. Danach gelangen die Zellen entweder über die Systembusschnittstelle 112 oder den Adreß-Cach´ 111 auf den zellorientierten Systembus 104. Durch die Verwendung eines Cache kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht werden. Durch den zellorientierten Systembus 104 werden die Zellen zum Sendepuffer 113 des Zell Systems 103 trans­ portiert. Im Zell System 103 können diese mittels der Zentralen Steuereinheit 117 sowie des Adreß-Cach´s 118 verarbeitet werden, um dann über die Sendeschnittstelle 115 zum Transport auf ein zellorientiertes Netz zu gelan­ gen.

Beim Empfang von Zellen über die Empfangsschnittstelle 116 werden diese dann entsprechend über den Empfangspuffer 114 zum zellorientierten Systembus 104 transportiert und gelangen dann von dort in das Paketsystem 102, wo sie nach entsprechender Verarbeitung in der Einheit zum Zusammen­ setzen 108 zu Datenpaketen zusammengesetzt werden, um dann über die Schnittstelle B 106 auf ein paketorientiertes Netz ausgegeben zu werden.

Da beim zellorientierten Kopplungssystem 101 die Segmen­ tierung bereits beim Empfang der Datenpakete vorgenommen wird, die Zellen bereits auf Systemebene verarbeitet werden und die Segmente bereits während des Paketempfanges an den Empfänger geliefert werden, können die Durchlauf­ verzögerungen auf ein Minimum reduziert werden. Der zell­ orientierte Systembus 104 ist in der Lage, diejenigen Qualitätsanforderungen zu erfüllen, die z. B. Videoübertra­ gungen an das Übertragungsnetz stellen. Der Anwender muß nicht seine gesamte Netzinfrastruktur auswechseln. Die Endgeräte, die Anschlüsse der Endgeräte und auch die Netzinfrastrukturen bleiben erhalten, wodurch erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Segmentieren von Datenpaketen in einem Netzkopplungsgerät bzw. Kopplungssystem (101), da­ durch gekennzeichnet, daß die Segmentierung von Datenpaketen in kleine Zellen beim Empfang nach dem Eingang einer Anzahl von Zeichen dieser Pakete er­ folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zeichen einer Zelle höchstens 48 Byte beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Segmentierung diese Zellen auf einer Systemebene des Kopplungssystems (101) verarbeitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen nach der Verarbeitung auf der System­ ebene an einen Empfänger weitertransportiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen bereits während des Empfangs des Datenpaketes an den Empfänger weiterge­ leitet werden.

6. Vorrichtung zum Segmentieren von Datenpaketen in einem Netzkopplungsgerät bzw. Kopplungssystem, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kopplungssystem (101) ein Paket System (102), ein Zell System (103) und einen zellorientierten Systembus (104) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Paket-System (102) eine Schnittstelle A (105) zum Empfang von Datenpaketen und eine Schnittstelle B (106) zum Senden von Datenpaketen aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle A (105) mit einer Segmentie­ rungseinheit (107) zum Segmentieren der Datenpakete in Zellen verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle B (106) mit einer Einheit zum Zusammensetzen (108) der Zellen in Datenpakete ver­ bunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Segmentierungseinheit (107) und die Einheit zum Zusammensetzen (108) der Zellen in Daten­ pakete mit einem Pufferspeicher (109), einer Zentra­ len Steuereinheit (110) verbindbar und über einen Adreß-Cach´ (111) bzw. eine Systembusschnittstelle (112) mit dem zellorientierten Systembus (104) ver­ bunden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zell System (103) eine Sendeschnittstelle (115) zum Senden der Zellen und eine Empfangsschnitt­ stelle (116) zum Empfang der Datenzellen aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeschnittstelle (115) und die Empfangs­ schnittstelle (116) über einen Sendepuffer (113) bzw. einen Empfangspuffer (114) direkt mit dem zellorien­ tierten Systembus (104) verbindbar sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zell System (103) zwischen Emp­ fangs- und Sendeschnittstelle (116, 115) sowie Emp­ fangs- und Sendepuffer (114, 113) eine Zentrale Steuereinheit (117) sowie einen Adreß-Cach´ (118) aufweist.