DE60003518T2

DE60003518T2 - Garantierter Servicetyp in einem paketbasierten System

Info

Publication number: DE60003518T2
Application number: DE60003518T
Authority: DE
Inventors: Santosh P. Keasbey Abraham; Mooi Choo Marlboro Chuah; Jean Tu Basking Ridge Ho; Girish Bartlett Rai
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-02-08
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-08-30
Also published as: JP4700201B2; JP2001244990A; CA2330085A1; EP1124356A3; CA2330085C; EP1124356A2; EP1124356B1; DE60003518D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Kommunikationen und insbesondere Paketkommunikationssysteme.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Zugang zum Internet erfolgt nun über die drahtlose Domäne. Zum Beispiel ist es nun möglich, kleine Handgeräte, wie den Palm VII^TM, zu kaufen, die Zugang zum Internet über eine drahtlose Verbindung zu einem Dienstanbieter bieten. Ferner wirbt wenigstens ein Gerätehersteller für ein drahtloses Internet-Zugangssystem (d. h., das Wireless Internet Access System von Lucent Technologies Inc.). In einer solchen Umgebung beschäftigen sich Gerätehersteller und Dienstanbieter zunehmend mit Fragen des "Quality-of-Service" (QoS-Dienstgüte) bei der Bereitstellung eines solchen Dienstes für ihre Kunden. Einige Beispiele für (QoS-Fragen sind Garantien bezüglich z. B. der Bitrate, Verzögerung und des Paketverlustes.
WO-A-99 21313 beschreibt Verfahren und Systeme für ein drahtloses ATM-Netz, das hohe Qualität und Dienstablaufsteuerung bietet. In einer Ausführungsform werden ein drahtloses ATM-Netz mit Ablaufsteuerung über VC, ein virtueller Framer für eine periodische, anfragenlose Ablaufsteuerung und ein virtueller Shaper für eine Ablaufsteuerung auf Anforderungsbasis bereitgestellt.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Verkehrsmanagementsystem und ein Verfahren gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Wir haben ein Verkehrsmanagementsystem zur Behandlung von Dienstgütefragen in einem Paketsystem entwickelt. Insbesondere ist gemäß der Erfindung ein Peak-Rate-Shaper mit einer Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung kombiniert, um einer Reihe von Benutzerverbindungen Dienstgütegarantien zu bieten.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein vorgelagerter Peak-Rate-Shaper mit einer Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung kombiniert, um einer Reihe von Benutzerverbindungen sowohl Peak-Rate-Shaping als auch eine Durchschnittsbandbreitengarantie zu bieten. Zusätzlich ist ein nachgelagerter Peak-Rate-Shaper mit der Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung kombiniert um zu garantieren, dass Pakete nicht bei einer höheren Datenrate übertragen werden als der verfügbaren Abwärts-/Aufwärtstreckenbandbreite.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm eines Verkehrsmanagementsystems gemäß den Prinzipien der Erfindung;
2 zeigt ein veranschaulichendes Verfahren zur Verwendung in einem nachgelagerten Peak-Rate-Shaper gemäß den Prinzipien der Erfindung;
3 zeigt einen Abschnitt des drahtlosen Internet-Zugangsnetzes, der die Prinzipien der Erfindung verkörpert;
4 und 5 zeigen veranschaulichende Aufwärtsstrecken-Ausführungsformen eines Verkehrsmanagementsystems gemäß den Prinzipien der Erfindung;
6 und 7 zeigen andere veranschaulichende Ausführungsformen eines Verkehrsmanagementsystems; und
8 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm auf hoher Ebene eines Paketservers zur Verwendung gemäß den Prinzipien der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Abschnitt eines Kommunikationssystems, das ein veranschaulichendes Verkehrsmanagementsystem 100 gemäß den Prinzipien der Erfindung umfasst, ist in 1 dargestellt. Mit Ausnahme des Erfindungsgedankens sind die in 1 dargestellten Elemente allgemein bekannt und werden nicht näher beschrieben. Zum Beispiel sind Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerungen an sich in der Technik bekannt (siehe z. B. "A Self-Clocked Fair Queueing Scheme for Broadband Applications", J. Golestani, Proceeding of IEEE Infocom 1994, S. 5c1.1-5c1.11). Ebenso sind Peak-Rate-Shaper (auch als "Traffic-Shaper" bekannt) an sich in der Technik bekannt (siehe z. B. "ISDN and Broadband ISDN with Frame Relay and ATM", von. W Stallings, Prentice Hall, 1995, S. 382–406, 492–516). Obwohl die Elemente des Verkehrsmanagementsystems 100 als einzelne Blockelemente dargestellt sind, enthalten sie speicherprogrammierte Steuerungsprozessoren, Speicher und geeignete Schnittstellenkarten (nicht dargestellt). Der Begriff "Paketserver", wie hier verwendet, betrifft einen beliebigen Paketprozessor, für den die zuvor genannten Elemente des Verkehrsmanagementsystems 100 Veranschaulichungen sind. Zusätzlich wird der Erfindungsgedanke durch Verwendung herkömmlicher Programmierungstechniken umgesetzt, die als solche hier nicht beschrieben werden. Da Verbindungsberechtigungstechniken für den Erfindungsgedanken nicht notwendig sind, wird angenommen, dass jeder Benutzer mit einem Verbindungsberechtigungsprozess (nicht dargestellt) verhandelt, um eine Committed Information Rate (CIR – garantierte Bandbreite) in Bits pro Sekunde (bps) einzurichten. Die CIR für einen bestimmten Benutzer wird hier als CIR_i bezeichnet, wobei die Anzahl von Benutzern gleich N ist und 1 ≤ i ≤ N ist.
Das Verkehrsmanagementsystem 100 umfasst eine Anzahl oder einen Satz vorgelagerter Peak-Rate-Shaper 105-1 bis 105-N zur Bedienung von N Benutzern, von welchen jeder einen zugehörigen Benutzerpaketstrom U_l bis U_N hat; eine Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung (WFQ-Ablaufsteuerung) 120; und einen nachgelagerten Peak-Rate-Shaper 130.
Die vorgelagerten Peak-Rate-Shaper 105 werden zur Garantie verwendet, dass die Peak-Rate jeder Verbindung der Vereinbarung mit dem Netz entspricht. Zum Beispiel implementiert jeder Peak-Rate-Shaper einen Token-Generator (nicht dargestellt), eine Benutzerwarteschlange (nicht dargestellt) und eine Übertragungswarteschlange (nicht dargestellt). Der Token-Generator erzeugt wiederholt Token (in Bytes) bei der Peak-Rate Pi für eine maximale Burst-Größe (in Bytes) und ist für eine Periode T_i unbelegt, so dass die gesamte durchschnittliche Token-Rate gleich der CIR für diesen Benutzer ist d. h., CIR_i. Jedes Mal, wenn ein Paket des Benutzers i bei einem entsprechenden Paket-Shaper eintrifft, wird dieses Paket durch das System zu der Übertragungswarteschlange geleitet, wenn der Paket-Shaper ein Token hat, das groß genug ist, um die Größe des neu eingetroffenen Paketes aufzunehmen. Wenn im Gegensatz dazu kein ausreichend groβes Token vorliegt, wird das neu eingetroffene Paket in der Benutzerwarteschlange eingereiht, bis ein Token verfügbar ist, das zumindest größer oder gleich seiner Größe ist. Es wird angenommen, dass der vorgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaper eine Dienstkennung für jeden Benutzerpaketstrom U_i erzeugt. Diese Dienstkennung beruht auf der durchschnittlichen Bandbreite, CIR_i, die von jedem Benutzer vereinbart wurde, und der Länge des bestimmten Pakets. Pakete, die von einem entsprechenden Paket-Shaper zu der Übertragungswarteschlange geleitet werden, werden mit ihrer entsprechenden Dienstkennung gekennzeichnet (eine solche Kennzeichnung ist in dem oben genannten Artikel von Golestani beschrieben).
Zum Beispiel wird jedes eintreffende Paket P_k einer Sitzung k mit einer Dienstkennung F_k gekennzeichnet, bevor es in die Übertragungswarteschlange gestellt wird (wobei i = 1, 2, ..., und k ∊ B und B der Satz zugelassener Verbindungen ist). Für jede Sitzung k werden die Dienstkennungen der eintreffenden Pakete iterativ berechnet:
wobei F 0 / k = 0, L_k die Länge des Pakets P_k in Bytes ist; r_k die vereinbarte Rate für die k. Sitzung ist; α_k die Ankunftszeit des Pakets P_k ist; und ν(α_k) die virtuelle Systemzeit zum Zeitpunkt des Eintreffens α_k ist ("virtuelle Systemzeit" ist in der Technik bekannt, z. B. wird für gewöhnlich ein Zähler (nicht dargestellt) aktualisiert).
Die Pakete in der Übertragungswarteschlange werden für die Bedienung von der Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung (WFQ-Ablaufsteuerung) 120 in steigender Reihenfolge der zugehörigen Dienstkennungen aufgenommen. Dadurch garantiert die WFQ-Ablaufsteuerung 120, dass jede Verbindung ein Minimum ihrer vereinbarten durchschnittlichen Bandbreite erhält. (Wie festgestellt wurde, wird angenommen, dass das oben genannte Self-Clocked-Fair-Queuing-Schema (SCFQ-Schema) verwendet wird. Das SCFQ-Schema ist jedoch nur eine Veranschaulichung und für den Erfindungsgedanken nicht notwendig, und es kann ein beliebiger Algorithmus verwendet werden). Es sollte festgehalten werden, dass, wenn die eintreffenden Paketströme weiter nach Dienstklasse aufgeteilt werden (wie in der Folge näher beschrieben wird), die WFQ-Ablaufsteuerung 120 auch Pakete als Funktion ihrer Dienklassifizierung überträgt.
Der nachgelagerte Peak-Rate-Shaper wird verwendet um zu garantieren, dass die gesamte Peak-Rate die verfügbare Bandbreite über die Kommunikationskanäle nicht überschreitet (hier in 1 mit 131 dargestellt). Der nachgelagerte Peak-Rate-Traffic-Shaper 130 arbeitet wie folgt. Es wird angenommen, dass x% der Gesamtbandbreite (B_totalT) für die Übertragung von Paketen (wie durch den Paketstrom P_shaper dargestellt) vom nachgelagerten Peak-Rate-Traffic-Shaper 130 über die abgehenden Kommunikationskanäle (wie durch den Pfeil 131 dargestellt) zur Verfügung stehen. (B_total stellt die Gesamtbandbreite dar, z. B. in Bytes pro Intervall, und T stellt ein Zeitintervall dar). Eine Variable, Bytes_remaining, wird auf:
Bytes_remaining = (x%/100) (B_total) – system overhead (2) initialisiert, wobei system overhead die Anzahl von Bytes darstellt, die von Steuerungsnachrichten beansprucht wird. Für jedes Paket, das von dem nachgelagerten Peak-Rate-Shaper 130 ausgesendet wird, wird der Wert von Bytes_remaining verringert um:
Bytes_remaining = Bytes_remaining – (Ceiling/pktsize/macfragment)*(mac_fragment + mac overhead)); (3)
wobei
pktsize = Paketgröße
macfragment = Größe eines Medienzugangssteuerungs- ("media access control" – MAC)-Verbindungsschichtfragments
macoverhead = die Anzahl von Bytes die durch die Medienzugangssteuerungsverbindungsschicht hinzugefügt wird; und
Ceiling () – den kleinsten Wert einer ganzen Zahl annimmt, der den Wert übersteigt (d. h., auf den nächsthöchsten ganzen Wert aufrundet).
Alle T Sekunden wird der Wert von Bytes_remaining zurückgestellt auf
(x%/100)(B_total) (4)
Ein beispielhaftes Verfahren zur Verwendung in dem nachgelagerten Peak-Rate-Paket-Shaper 130 ist in 2 dargestellt. Es wird angenommen, dass 1 einen Abschnitt eines Abwärtsstrecken-Kommunikationspfades zu einem mobilen Endpunkt darstellt, z. B. vom Internet zu drahtlosen Mobilstationen (nicht dargestellt). In Schritt 205 von 2 wird der Wert von Bytes_remaining initialisiert. Insbesondere ist eine beispielhafte insgesamt verfügbare Airlink-Bandbreite 4000 Bytes pro 20 Millisekunden (ms), d. h., B_totalT = 4000 Bytes. Davon wird angenommen, dass x = 60% eine verfügbare Abwärtsstrecken-Bandbreite ist und es keinen system overhead in die Abwärtsstreckenrichtung gibt, d. h., Bytes_remaining = (60%/100)(4000) – 0 = 2400 Bytes. In Schritt 210 wartet der nachgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaper 130 auf ein Paket, das für eine Abwärtsstreckenübertragung verfügbar ist. Sobald ein Paket verfügbar ist, wird der Wert von Bytes_remaining in Schritt 220 geprüft. Wenn der Wert von Bytes_remaining ausreichend ist, um wenigstens ein MAC-Fragment zu senden, wird das Paket versendet, d. h., übertragen, und der Wert von Bytes_remaining wird in Schritt 225 verringert, wie in Gleichung (3) dargestellt ist, und der nachgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaper 130 wartet auf ein weiteres Paket. Wenn der Wert von Bytes_remaining jedoch nicht ausreichend ist, um wenigstens ein MAC-Fragment zu senden, wird das Paket erst 20 ms später versendet, wie durch Schritt 230 dargestellt ist. Unabhängig davon wird der Wert von Bytes_remaining alle 20 ms auf 2400 Bytes gestellt. In diesem Beispiel sollte festgehalten werden, dass, um die zusätzliche Bandbreite zu berücksichtigen, die zur Ausführung der MAC-Schicht-Übertragungswiederholung erforderlich ist, der Wert von Bytes_remaining auf z. B. 95% von 2400 Bytes initialisiert werden kann (wodurch indirekt 5% für die MAC-Schicht-Übertragungswiederholung reserviert werden). (Im Sinne der Gleichung (2) ist dies (x%/100) (B_totalT) (0,95) – system overhead, wobei jedoch der Wert von system overhead in diesem Beispiel, wie festgehalten wurde, Null ist).
Als Alternative wird angenommen, dass 1 einen Aufwärtsstrecken-Kommunikationspfad von einem mobilen Endpunkt, z. B. von drahtlosen Mobilstationen, zu dem Internet (nicht dargestellt) darstellt und das in 2 gezeigte Verfahren verwendet wird. Die beispielhafte insgesamt verfügbare Airlink-Bandbreite ist wie zuvor 4000 Bytes. Davon wird angenommen, dass x = 40% eine verfügbare Aufwärtsstrecken-Bandbreite ist (zur Erinnerung, 60% waren in dem früheren Beispiel für die Abwärtsstreckenübertragung bestimmt). In diesem Beispiel ist der system overhead nicht gleich Null und der Wert von Bytes_remaining wird wie in Gleichung (2) initialisiert. Hier ist der Wert der Variable system overhead gleich einer Schätzung der Zusatzbelastung, die durch ein periodisches Funksignal, MAC-Schichtbestätigungen ("acknowledgements" – Acks) und Reserveschlitznachrichten in der Aufwärtsstreckenrichtung verursacht werden. Insbesondere wird Bytes_remaining auf 1600 – system overhead initialisiert (2, Schritt 205). Jedes Mal, wenn ein Paket für eine Aufwärtsstreckenübertragung verfügbar ist, wird der Wert von Bytes_remaining geprüft (2, Schritt 210 und 220). Wenn der Wert von Bytes_remaining ausreichend ist, um wenigstens ein MAC-Fragment zu senden, wird das Paket versendet, d. h., übertragen, und der Wert von Bytes_remaining wird verringert, wie in Gleichung (3) dargestellt ist (2, Schritt 225). Wenn der Wert von Bytes_remaining jedoch nicht ausreichend ist, um wenigstens ein MAC-Fragment zu senden, wird das Paket. erst 20 ms später versendet (auch als "Verweildauer" bezeichnet) (2, Schritt 230). Unabhängig davon wird der Wert von Bytes_remaining nach jeder Verweildauer zurückgestellt, wie in Gleichung (2) gezeigt, d. h., (1600 – system overhead) (2, Schritt 230). In diesem Beispiel sollte festgehalten werden, dass, um die zusätzliche Bandbreite zu berücksichtigen, die zur Ausführung der MAC-Schicht-Übertragungswiederholung erforderlich ist, der Wert von Bytes_remaining auf z. B. ((1600)(0,95) – system overhead) initialisiert werden kann.
Es sollte festgehalten werden, dass für jene Fälle, in welchen die Airlink-Bandbreite aufgrund der Schwundphänomene deutlich schwanken kann, der folgende alternative Rückkopplungsmechanismus mit geschlossener Regelschleife zur Schätzung der verfügbaren Airlink-Bandbreite verwendet werden kann. Solche Schätzungen können dann als Eratz für die unveränderlichen Zahlen, wie die oben verwendeten 4000 Bytes oder 1600 Bytes, verwendet werden.
Es werden zum Beispiel die folgenden Definitionen angenommen
B_fix – stellt die unveränderliche Airlink-Bandbreite (die a prior bekannt ist) dar; und
T – ist eine Beachtungszeitraum, der als Vielfaches der Verweildauer ausgedrückt wird.
Für die Abwärtsstreckenrichtung schätzt der Zugangspunkt (oder in der Aufwärtsstreckenrichtung das drahtlose Modem) die verfügbare Abwärtsstrecken-(Aufwärtsstrecken-)Airlink-Bandbreite wie folgt:

(a) Messung der Anzahl von Bytes, die über die Abwärtsstrecke (Aufwärtsstrecke) in der Periode T übertragen wird, das heißt, B_tx;
(b) Messung der Anzahl von Bytes, die auf der Aufwärtsstrecke (Abwärtsstrecke) in der Periode T empfangen wird, das heißt, B_rx; und
(c) Berechnen von B_total, der geschätzten Airlink-Bandbreite, als Funktion von (B_tx/B_rx) (in der Folge beschrieben).

Die geschätzte Airlink-Bandbreite B_total kann auf zahlreiche Weisen berechnet werden. Zwei beispielhafte Berechnungen sind in der Folge angeführt. In dem ersten Beispiel ist
B_total = Bfix(B_tx/B_rx) (5)
Dies wird auch als die "unabhängige Fensterversion" bezeichnet.
In dem zweiten Beispiel wird ein "gleitendes Fenster" verwendet. In diesem Beispiel wird ein Teil der vorangehenden Berechnung zur Berechnung des aktuellen Wertes verwendet. Insbesondere gilt
success = (1 – α) success + α(B_tx/B_rx); und (6)
B_total = (Bfix)(success) (7)
wobei die Variable success auf die erste Berechnung von (B_tx/B_rx) initialisiert wird; und α (das sich darauf bezieht, wie sehr die vorangehende Berechnung in Erinnerung bleibt (d. h., ihre Zeitfunktion)) beispielsweise gleich 0,6 ist.
Als Alternative können die Werte von B_fix verwendet werden und die Abwärtsstrecken-(Aufwärtsstrecken-)- Pufferbelegung im Zugangspunkt (drahtlosen Modem) überwacht werden. Sobald die Abwärtsstrecken- (Aufwärtsstrecken-) Pufferbelegung einen bestimmten vordefinierten Schwellwert überschreitet, wird eine Stromsteuerungsnachricht zu dem drahtlosen Knoten (oder Endsystem, d. h., das Benutzerendgerät im Falle des drahtlosen Modems) gesendet, um den Paketstrom zu stoppen. Wenn die Pufferbelegung unter einen bestimmten Schwellwert fällt, wird eine andere Stromsteuerungs nachricht zur Reaktivierung des Paketstroms versendet.
Eine beispielhafte Anwendung des Verkehrsmanagementsystems ist in 3 dargestellt, das einen Abschnitt 300 eines drahtlosen Internetzugangssystems zeigt, das den. Erfindungsgedanken verkörpert. (Ein Beispiel für ein drahtloses Internetzugangssystem, ist, wie in 3 dargestellt, das Wireless Internet Access System von Lucent Technologies Inc. das nicht der Erfindungsgedanke ist). Der Abschnitt 300 umfasst eine Reihe von Basisstationen, wie eine Basisstation 315, die ein Beispiel eines drahtlosen Übergabepunkt-Servers ("point-of-presence" – POP-Server) ist, der für eine L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol) Zugangssteuerung (LAC) sorgt. Jede Basisstation umfasst einen drahtlosen Knoten ("wireless hub" – WH), der ein Gebiet durch eine Mehrzahl von Zugangspunkten bedient (z. B. AP₁, AP₂, AP₃ und AP₄ der Basisstation 315). Jeder Zugangspunkt enthält eine Funkzugangssteuerung, die in der Technik bekannt ist, zur Kommunikation mit mehreren drahtlosen Modems, die durch drahtlose Modems 310-1 bis 310-N dargestellt sind (jedem drahtlosen Modem ist ein drahtloser Teilnehmer zugeordnet, wie durch einen Benutzer-Personal-Computer (PC) 305-01 bis Benutzer-PC 305-N dargestellt ist). (Es sollte beachtet werden, dass jeder PC ein Datenendgerät ("data terminal equipment" – DTE) darstellt, wie in der Technik bekannt ist. Jedes drahtlose Modem kommuniziert mit einer entsprechenden Basisstation über einen Aufwärtsstreckenkanal (wie durch die Verbindungsstrecke 311 darstellt ist) und einen Abwärtsstreckenkanal (wie durch die Verbindungsstrecke 312 darstellt ist). Die Kombination aus einem drahtlosen Modem und einem Benutzer-PC stellt einen drahtlosen Endpunkt dar, der mobil sein kann oder nicht. Jede Basisstation ist an ein privates IP-Netz durch Frame-Relay über T1/E1-Einrichtungen gekoppelt. Das drahtlose Internet-Zugangsnetz ist an das öffentliche IP-Netz über eine Datenvermittlungsstelle ("data switching center" – DSC) 330 zu einer Router-Firewall 335 gekoppelt, wie in der Technik bekannt, ist um mit Internet-Dienstanbietern ("Internet Service Providers" – ISPs) oder Firmen-Intranets unter Verwendung von L2TP, UDP/IP (User Datagram Protocol/Internet Protocol) usw. zu kommunizieren.
Es wird angenommen, dass das drahtlose Internetzugangssystem, das in 3 dargestellt ist, eine Halbduplex-MAC ("Media Access Control Layer) zwischen den Basisstationen und den drahtlosen Endpunkten verwendet, wo das Abwärtsstrecken/Aufwärtsstreckenverhältnis konfigurierbar oder dynamisch eingestellt ist (z. B. wie oben dargestellt, hatte der Abwärtsstreckenkanal 60% und der Aufwärtskanal 40% der gesamten Kanalbandbreite). In diesem System fragt jeder AP die zugehörigen drahtlosen Modems für Aufwärtsstreckenübertragungen ab. Zum Beispiel fragt im Zusammenhang mit 3 AP₁ den Satz von Modems 310-1 bis 310-N für Aufwärtsstreckenübertragungen ab (Abfragetechniken sind in der Technik bekannt und hier nicht beschrieben).
In die Abwärtsstreckenrichtung liegt das Verkehrsmanagementsystem 100 in dem drahtlosen Knoten (z. B. dem WH der Basisstation 315 von 3). In diesem Beispiel umfasst ein WH vier Verkehrsmanagementsysteme, eines für jeden AP der Basisstation 315. Wenn der WH ein Paket zur Übertragung zu einem bestimmten Benutzer hat, z. B. den Benutzer des Benutzer-PC 305-1, führt der WH das in 2 dargestellte Verfahren durch, bevor ein Paket an den AP₁ ausgesendet wird. Letztgenannter überträgt Pakete nach dem FIFO-Prinzip ("First-in-Firstout-Prinzip") zu dem drahtlosen Endpunkt.
In die Aufwärtsstreckenrichtung ist das Verkehrsmanagementsystem 100 für eine Reihe alternativer Implementierungen geeignet. Ein Beispiel ist in 4 dargestellt, das einen Abschnitt des drahtlosen Internetzugangsnetzes von 3 zeigt. Jeder vorgelagerte Peak-Rate-Traffic-Shaper ist einem benutzerspezifischen Gerät zugeordnet, z. B. drahtlosen Modems 310-1 bis 310-N. (Als Alternative könnte der Paket-Shaper Teil eines Benutzer-PC sein (nicht dargestellt), wie eines PC 305-01 von 3. Sowohl der PC als auch das drahtlose Modem stellt einen drahtlosen Endpunkt dar). Wie für 1 beschrieben, empfängt jedes drahtlose Modem einen Benutzerpaketstrom U₁.
Wie zuvor beschrieben, formt der vorgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaper (jedes drahtlosen Modems) den Verkehr und überträgt einen entsprechenden Paketstrom, P₁, über einen Aufwärtsstreckenkanal, z. B. den Aufwärtsstreckenkanal 311, zu dem entsprechenden Zugangspunkten, z. B. AP₁, bei Empfang einer Übertragungsabfrage von dem entsprechenden Annahmepunkt, z. B. AP₁. Die WFQ-Ablaufsteuerung 120 wird zentralisiert an einem AP betrieben (hier durch AP₁ von 4 dargestellt). In diesem Fall müssen die zugehörigen drahtlosen Modems eine Warteschlangengrößeninformation (in Bezug auf die Anzahl von Bytes, die auf eine Aufwärtsstreckenübertragung warten) zu dem entsprechenden AP senden (Statusübertragungen von einem mobilen Endpunkt, wie empfangenes Signal-Rausch-Verhältnis, sind in der Technik bekannt und werden hier nicht beschrieben). Jeder AP, z. B. AP₁ von 4, implementiert auch den nachgelagerten Peak-Rate-Shaper (zuvor beschrieben) um zu garantieren, dass eine ausreichende Aufwärtsstreckenbandbreite verfügbar ist, bevor Abfragen für seine zugehörigen drahtlosen Modems (über den Abwärtsstreckenkanal 312) unter Anwendung des zuvor beschriebenen, in 2 dargestellten Verfahrens ausgegeben werden. Wenn zum Beispiel der Wert von Bytes_remaining nicht ausreichend ist, um wenigstens ein MAC-Fragment zu senden, sendet der AP, z. B. AP₁ keine Übertragungsanfrage an dieses drahtlose Modem, z. B. das drahtlose Modem 310-1, bis zur nächsten Verweilzeit. Die Variable Bytes_remaining wird nach jeder Verweildauer gemäß Gleichung (2) zurückgestellt.
Eine weitere alternative Implementierung eines Verkehrsmanagementsystems ist in 5 dargestellt. Das in 5 dargestellte System ist ähnlich dem in 4 dargestellten, mit der Ausnahme, dass die WFQ-Ablaufsteuerung bei jedem drahtlosen Modem in verteilter Weise betrieben wird. Dies setzt voraus, dass Netzelemente, wie ein AP (dargestellt durch AP₁ von 5), die virtuelle Systemzeit aussenden und dass jeder AP (z. B. AP₁) (z. B. über einen Abwärtsstreckenkanal, wie 312) seine entsprechenden drahtlosen Modems nach Aufwärtsstreckenübertragungen (wie durch den Aufwärtsstreckenkanal 311 dargestellt) abfragt.
Es sollte festgehalten werden, dass es schwierig ist, die verfügbare Abwärtsstrecken/Aufwärtsstrecken-Bandbreite für eine Paketnutzlast zu schätzen, da sowohl die Paketnutzlast wie auch die gesamte MAC-Zusatzlast, die selbst eine Funktion der Größe der Paketnutzlast ist, variabel ist. Der nachgelagerte Peak-Rate-Traffic-Shaper ist jedoch eine flexible Möglichkeit um zu garantieren, dass Pakete nicht bei einer höheren Rate als der verfügbaren Abwärtsstrecken/Aufwärtsstrecken-Bandbreite übertragen werden, was zu Verzögerungen in der Warteschlange in anderen Netzelementen führen könnte (wie einem Zugangspunkt eines drahtlosen Internetzugriffssystems).
Eine weitere alternative Implementierung ist in 6 dargestellt. In 6 umfasst ein Verkehrsmanagementsystem 600 Paketklassifizierer 605; eine Reihe von Benutzerwarteschlangen, wie durch die Benutzer 1 Warteschlange 610-1 bis Benutzer N Warteschlange 610-N dargestellt ist, eine Reihe von WFQ-Kennzeichnungselementen 615-1 bis 615-N; drei Warteschlangenklassen, wie durch die CIR-Klasse- ("committed Information rate"-Klasse) Warteschlange 630, die Steuerungsklasse-Warteschlange 625 und die Best-Effort-Klasse-Warteschlange 620 dargestellt ist, eine WFQ-Ablaufsteuerung 635 und einen Paket-Shaper 640. Im Wesentlichen funk tioniert das Verkehrsmanagementsystem 600 auf ähnlich Weise wie das Verkehrsmanagementsystem 100 von 1, mit Ausnahme des in der Folge Beschriebenen.
In dem Verkehrsmanagementsystem 600 gibt es drei Dienstklassen für einen Paketverkehr. Diese Dienstklassen ("classes of service" – CoS) sind: Committed Information Rate (CIR), Steuerung und Best Effort. Die Steuerung stellt die Steuerungsinformation, z. B. Signalgebung und Status, dar. Die CIR-Klasse und Best-Effort-Klasse stellen den Transport von Benutzerdaten, d. h., Trägerdaten, dar. Für Benutzer, die den CIR-Dienst erhalten, spezifiziert der Dienstanbieter (nicht dargestellt) die Committed Information Rate (CIR), die Burst-Rate (Br) und die Burst-Größe (Bs) ähnlich den Parametern, die für einen herkömmlichen Frame-Relay-Dienst spezifiziert sind. Für den Best-Effort-Dienst (BE-Dienst) spezifiziert der Dienstanbieter die maximale Informationsrate für einen einzelnen Benutzer. Die Zuordnung eines Benutzers zu entweder der CIR- oder Best-Effort-Klasse wird durch Verbindungsberechtigungsprozeduren (hier nicht beschrieben) durchgeführt.
Eintreffende Pakete (dargestellt durch P_input) werden zu dem Paket-Klassifizierer 605 geleitet, der eintreffende Pakete nach dem Benutzer klassifiziert oder identifiziert und sie der richtigen Benutzerwarteschlange zuordnet (d. h., Pakete vom Benutzer 1 werden der Warteschlange für Benutzer 1 zugeordnet, hier dargestellt durch 610-1). Jede Benutzerwarteschlange speichert Pakete nach der Benutzerklassifizierung. Jeder Benutzer kann drei Verkehrsklassen haben, wie durch die Benutzer 1 Warteschlange 610-1 dargestellt ist. Insbesondere Steuerung (CTL), CIR und BE. Wenn eine Benutzerwarteschlange voll ist, werden überschüssige Pakete verworfen. Jedes entsprechende Kennzeichnungselement, z. B. das WFQ-Kennzeichnungselement 615-1, ordnet Dienstkennungen seiner entsprechenden Benutzerwarteschlange zu, z. B. der Benutzer 1 Warteschlange 610-1. Wie zuvor festgehalten wurde, wird der SCFQ-Algorithmus als Beispiel zur Zuordnung von Dienstkennungen verwendet. Ein Beispiel von SCFQ wird für jede Klasse initiiert. Diese Dienstkennungen werden auf der Basis der Bitrate, die dem Benutzer zugeordnet ist, und der Länge des Pakets zugeordnet. Die Dienstkennungen werden zur Schaffung einer geordneten Warteschlange abgehender Pakete verwendet. Pakete (die durch Klasse und Dienstkennung richtig identifiziert sind) werden zu ihrer besonderen Klassenwarteschlange geleitet. Jene Pakete, die als Steuerung identifiziert sind, werden in die Steuerungswarteschlange 625 gereiht; jene Pakete, die als CIR-Klasse identifiziert sind, werden in die CIR-Klasse-Warteschlange 630 gereiht; und jene Pakete, die als Best-Effort-Klasse identifiziert sind, werden in die Best-Effort-Klasse-Warteschlange 620 gereiht.
Die Steuerungsklasse-Warteschlange 625 wird für Steuerungspakete verwendet, die in der Trägerebene gesendet werden. Ein Beispiel für solche Pakete sind die PPP-Steuerungspakete (Punkt-zu-Punkt-Protokoll-Steuerungspakete). Alle Benutzer, wenn sie angeschlossen sind, können eine geringe Anzahl von Paketen über diese Warteschlange senden und empfangen um zu garantieren, dass PPP-Verhandlungen erfolgreich abgeschlossen sind, selbst unter starken Belastungen. Während der PPP-Verhandlungsphasen wird allen Benutzern der CIR-Klasse dieselbe Wichtung zugeordnet. Allen Benutzer der Best-Effort-Klasse wird auch dieselbe Rate zugeordnet. Die Wichtung der CIR-Klasse ist höher als die Wichtung der Best-Effort-Klasse, so dass CIR-Benutzer während PPP-Verhandlungen eine höhere Priorität erhalten als Best-Effort-Benutzer. Pakete in der CIR-Klasse-Warteschlange 630 werden in der Reihenfolge der Dienstkennungswerte gereiht. Ebenso werden Pakete in der Best-Effort-Klasse-Warteschlange 620 in der Reihenfolge der Dienstkennungswerte gereiht. Die WFQ-Ablaufsteuerung 635 überträgt Pakete von den drei Klasse-Warteschlangen auf der Basis des Bruchteils der Verbindungsstreckenband breite, die jeder Klasse zugeordnet ist, oder auf der Basis einer absoluten Priorität unter den Klassen (z. B. haben Steuerungspakete eine höhere Priorität als CIR-Pakete, die höher als BE-Pakete sind). Wie zuvor festgehalten wurde, wird für diese Funktion das Weighted-Fair-Queuing verwendet. Dies garantiert, dass jede Klasse einen fairen Anteil der verfügbaren Bandbreite der Verbindungsstrecke erhält.
Der Paket-Shaper 640 führt die zuvor beschriebene nachgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaping-Funktion aus, um die maximale Datenübertragungsrate über die physische Verbindungsstrecke zu begrenzen. Dies ermöglicht, dass verschiedene Arten von Verkehr (dargestellt durch P_output) eine physische Verbindungsstrecke teilen, z. B. eine Frame-Relay-PVC zwischen Netzmanagement und Trägerverkehr teilen.
Das Verkehrsmanagementsystem von 6 kann bei dem drahtlosen Internetzugangsnetz, das in 3 dargestellt ist, angewendet werden. Zum Beispiel liegt in die Abwärtsstreckenrichtung das Verkehrsmanagementsystem 600 im drahtlosen Knoten (z. B. dem WH der Basisstation 315 von 3). In diesem Beispiel umfasst ein WH vier Verkehrsmanagementsysteme, eines für jeden AP der Basisstation 315. Wenn der WH ein Paket zur Übertragung an einen bestimmten Benutzer hat, z. B. den Benutzer, der dem Benutzer-PC 305-1 zugeordnet ist, führt der WH das Verfahren aus, das in 2 dargestellt ist, bevor ein Paket zu dem AP1 ausgesendet wird. Letztgenannter überträgt Pakete zu dem drahtlosen Endpunkt nach dem FIFO-Prinzip ("First-in-First-out"-Prinzip).
Ebenso ist eine beispielhafte Ausführungsform des Verkehrsmanagementsystems 600 in die Aufwärtsstreckenrichtung in 7 dargestellt. Jeder vorgelagerte Peak-Rate-Traffic-Shaper ist einem benutzerspezifischen Gerät zugeordnet, z. B. drahtlosen Modems 610-1 bis 610- N. (Als Alternative könnte der Paket-Shaper Teil eines Benutzer-PC sein (nicht dargestellt)). Wie für 1 beschrieben wurde, empfängt jedes drahtlose Modem einen Benutzerpaketstrom (nicht dargestellt). In diesem Beispiel ist eine Paket-Shaping-Funktion für jede der Trägerverkehrsklassen vorhanden (z. B. CIR und Best Effort). (Es sollte beachtet werden, dass angenommen wird, dass Steuerungsklassedaten intern von jedem drahtlosen Modem erzeugt werden). Zur Unterstützung mehrerer Klassen muss die MAC modifiziert werden (eine solche Modifizierung ist direkt und wird hier nicht beschrieben). Wie zuvor beschrieben wurde, formt jeder vorgelagerte Peak-Rate-Paket-Shaper (jedes drahtlosen Modems) den Verkehr und überträgt einen entsprechenden Paketstrom P₁ über einen Aufwärtsstreckenkanal, z. B. den Aufwärtsstreckenkanal 611, zu dem entsprechenden Zugangspunkt, z. B. AP₁ bei Empfang einer Übertragungsabfrage von dem entsprechenden Annahmepunkt, z. B. AP₁.
In diesem Beispiel wartet jede Klasse eines Aufwärtsstreckenverkehrs auf die Übertragung in einer entsprechenden Warteschlange. Wie zuvor erwähnt, wird die Dienstklasse höchster Priorität für Steuerungsnachrichten verwendet (solche Pakete, die auf die Übertragung warten, sind in der Steuerungswarteschlange jedes drahtlosen Modems gespeichert). Die Dienstklasse der nächstniedrigen Priorität wird zur Unterstützung des Committed-Information-Rate-Dienstes verwendet (solche Pakete, die auf die Übertragung warten, sind in der Trägerdatenwarteschlange hoher Priorität jedes Modems gespeichert). Die Dienstklasse niedrigster Priorität wird zur Unterstützung von Best-Effort-Benutzern verwendet (solche Pakete, die auf die Übertragung warten, sind in der Trägerdatenwarteschlange niederer Priorität jedes Modems gespeichert). Während jedes drahtlose Modem eine Genehmigung zur Übertragung von Daten in die Aufwärtsrichtung anfordert, zeigt es seinem entsprechenden AP die Anzahl von Bytes (oder Paketen) in seiner Warteschlange an, die zu jedem Dienst niveau gehört. Der entsprechende AP implementiert eine gewichtete Ablaufsteuerung, die den drahtlosen Modems Übertragungsgenehmigungen auf der Basis der Aufwärtsstreckendaten zuteilt, die jedes WM übertragen muss, und der Wichtungen, die jeder Verkehrsklasse zugeordnet sind. In diesem Beispiel sind die Steuerungsdaten höher als die CIR-Daten, die höher sind als die Best-Effort-Daten. Jeder AP überträgt alle Pakete zu dem Verkehrsmanagementsystem 600 (zuvor beschrieben) eines drahtlosen Knotens (WH) in der FIFO-Reihenfolge. (Es sollte festgehalten werden, dass der AP wiederholt übertragenen Paketen höhere Priorität verleihen kann).
Unter kurzer Bezugnahme auf 8 ist ein Blockdiagramm auf hoher Ebene eines repräsentativen Paketservers zur Verwendung gemäß den Prinzipien der Erfindung dargestellt. Ein Paketserver 805 ist eine Prozessorarchitektur auf der Basis einer Speicherprogrammsteuerung und enthält einen Prozessor 850, einen Speicher 860 (zum Speichern von Programmanweisungen und Daten, z. B. zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens, das in 2 usw. dargestellt ist) und eine/mehrere Kommunikationsschnittstelle(n) 865 zum Koppeln an einen oder mehrere Kommunikationspfade, wie durch einen Pfad 866 dargestellt ist.
Das zuvor beschriebene Verkehrsmanagementsystem ist auch zweckdienlich, um Benutzern (die auch als Endbenutzer bezeichnet werden) eine virtuelle Mietleitung bereitzustellen. Insbesondere kann jeder Benutzer einen Dienst kaufen, der gewisse durchschnittliche und Spitzen-Bandbreiten garantiert, da das zuvor beschriebene Verkehrsmanagementsystem sowohl ein Peak-Rate-Shaping als auch eine durchschnittliche Bandbreitengarantie bietet.
Das Vorhergesagte veranschaulicht nur die Prinzipien der Erfindung und es ist daher für den Fachmann offensichtlich, dass zahlreiche alternative Anordnungen entwickelt werden können, die wenn auch nicht ausdrücklich hier beschrieben, die Prinzipien der Erfindung verkörpern können und in deren Schutzumfang liegen. Zum Beispiel ist der Erfindungsgedanke, obwohl er nur im Zusammenhang mit einem drahtlosen System beschrieben wurde, bei einem beliebigen System anwendbar (z. B. einem drahtgebundenen usw.), das QoS betrifft. Ebenso ist es, obwohl es im Zusammenhang mit einer Halb-Duplex-MAC-Schicht beschrieben wurde, gleichermaßen bei einer Voll-Duplex-MAC-Schicht anwendbar.

Claims

Verkehrsmanagementsystem zur Verwendung in einem Paketsystem, enthaltend eine Anzahl drahtloser Endpunkte, wobei jeder drahtlose Endpunkt einen vorgelagerten Peak-Rate-Shaper (105) zum Formen eines entsprechenden Paketstroms umfasst, um so einer vereinbarten Netzverbindung zu entsprechen, gekennzeichnet durch: eine Basisstation, umfassend einen nachgelagerten Paket-Shaper (130) und eine Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung (120), wobei der nachgelagerte Paket-Shaper zum Formen eines abgehenden Paketstroms ausgelegt ist, der von der Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung (120) bereitgestellt wird, und garantiert, dass eine gesamte Peak-Rate die verfügbare Bandbreite über einen Kommunikationskanal nicht überschreitet.
Verkehrsmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der drahtlosen Endpunkte ein Datenendgerät und ein drahtloses Modem umfasst, das des Weiteren einen der vorgelagerten Peak-Rate-Shaper umfasst.
Verkehrsmanagementsystem nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der drahtlosen Endpunkte ein drahtloses Modem und ein Datenendgerät umfasst, das des Weiteren einen der vorgelagerten Peak-Rate-Shaper umfasst.
Verkehrsmanagementsystem nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: einen Paket-Klassifizierer (605); mehrere Benutzerwarteschlangen (610), wobei jede Benutzerwarteschlange Pakete speichert, die von dem Paket-Klassifizierer als zu einem entsprechenden Benutzer gehörig identifiziert wurden; mehrere Paketkennungselemente (615), wobei jedes Kennungselement einer der Benutzerwarteschlangen zugeordnet ist, und wobei jedes Kennungselement Dienstkennungen an Pakete heftet, die in ihren zugehörigen Benutzerwarteschlangen gespeichert sind; eine Anzahl von Klassenwarteschlangen (620, 625, 630) zur weiteren Trennung der Pakete mit Dienstkennung entsprechend der Paketklasse, wobei die Bedienung in der Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung eine Funktion der Paketklasse und der Dienstkennung ist, und wobei ein vorgelagerter Rate-Shaper jeder der Benutzerwarteschlangen zugeordnet ist.
Verfahren zur Verwendung in einem Paketsystem, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: vorgelagertes Shaping von Paketströmen (105) von jedem einer Reihe drahtloser Endpunkte zur Übertragung an eine Basisstation, wobei das Shaping so durchgeführt wird, dass es einer vereinbarten Netzverbindung entspricht; dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstation: die geformten Paketströme von jeder der Reihe drahtloser Endpunkte mit einer Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung (120) bedient; und des Weiteren ein nachgelagertes Shaping an den bedienten Paketströmen (130) durchführt, um einen abgehenden Paketstrom bereitzustellen, wobei das nachgelagerte Paket-Shaping garantiert, dass eine gesamte Peak-Rate die verfügbare Bandbreite über einen Kommunikationskanal nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens ein drahtloser Endpunkt ein drahtloses Modem umfasst und der Shaping-Schritt den Schritt des Formens wenigstens eines Paketstroms innerhalb des drahtlosen Modems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei wenigstens ein drahtloser. Endpunkt ein Datenendgerät umfasst und der Shaping-Schritt den Schritt des Formens wenigstens eines Paketstroms innerhalb des Datenendgeräts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend die Schritte: des Identifizierens von Paketen von verschiedenen Benutzern zum Speichern in einer entsprechenden Benutzerwarteschlange; des Kennzeichnens der Pakete, die in jeder Benutzerwarteschlange gespeichert sind, mit einer Dienstkennung; des Einreihens der Pakete mit Dienstkennung entsprechend einer von einer Reihe von Paketklassen in eine Warteschlange, wobei die Bedienung in der Weighted-Fair-Queuing-Ablaufsteuerung eine Funktion der Paketklasse und der Dienstkennung ist und wobei ein vorgelagerter Rate-Shaper jeder der Benutzerwarteschlangen zugeordnet ist.