-
1. Beschreibung
der Erfindung
-
IA. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Pufferverwaltung für ATM-Switches.
Speziell stellt die vorliegende Erfindung eine optimale Pufferverwaltung
für ATM-Switches,
die dynamische Warteschlangenlängen
benutzen, bereit. Die vorliegende Erfindung wird mit einem ATM-Switch,
der einen dynamischen Warteschlangen-Schwellenwert verwendet, und
mit einem Verfahren zum dynamischen Einstellen eines gemeinsamen Schwellenwertes
für Warteschlangen
in einem ATM-Switch ausgeführt.
-
IB. Hintergrund
-
Konventionell
verwenden die ATM-Switch-Architekturen Pufferung, um Zellen, deren
Dienst wegen einer Konkurrenz um die Bandbreite oder wegen zeitweiliger Überlastung
innerhalb des Switches, verzögert wurde,
aufzunehmen. Siehe E. W. Zegura Architectures for ATM Switching
Systems, IEEE Communications Magazine, S. 28-37, Februar 1993. Bei
diesen Architekturen werden die gemeinsam genutzten Pufferspeicher-Switches, da sie
die Speicher effizienter nutzen, bevorzugt. Durch das gemeinsame
Nutzen der Speicher, beispielsweise durch alle Ausgangsports, und
durch das Ausnutzen des statistischen Multiplexens beim Eingangsverkehr
sind gemeinsam genutzte Puffer-ATM-Switches
in der Lage, mit einer kleineren Puffergröße je Port dasselbe Zellenverzögerungs-
und Zellenverlustverhalten zu erreichen. Ein derartiger Effekt der
Puffergrößenverringerung
wird insbesondere dann noch signifikanter, wenn der Verkehr stoßartig erfolgt
und das Verkehrsvolumen uneinheitlich ist.
-
Üblicherweise
findet das Sharing des Pufferspeichers in mehreren verschiedenen
Ebenem statt. Beispielsweise kann der Puffer logisch unterteilt
sein und von verschiedenen Dienstklassen, beispielsweise CBR, VBR,
ABR, UBR, gemeinsam genutzt werden. Wie zuvor erwähnt, kann
der Puffer von Warteschlangen, die verschiedenen Ausgangsports entsprechen,
gemeinsam genutzt werden. Wenn das Warteschlangenbilden durch VC
verwendet wird, können
die Puffer von Warteschlangen, die verschiedenen VCs entsprechen,
gemeinsam genutzt werden.
-
Jedoch
ist die Leistung der gemeinsam genutzten Puffer-Switches ohne Pufferverwaltungsvorgang
im Überlastungszustand
nicht gut. Siehe M. I. Irland Buffer Management in a Packet Switch,
IEEE Trans. Commun., Band 26 S. 328-337, März 1978. Ein Schlüsselproblem
ist die Fairness zwischen den verschiedenen Ausgangsports. Das statistische
Sharing des Pufferspeichers eröffnet
die Möglichkeit,
dass eine kleine Gruppe von Ausgangsports den Großteil des
Speichers verbraucht. Eine derartig exzessive Nutzung des Speichers durch
einige Ports verhindert, dass Zellen, die für weniger genutzte Ports bestimmt
sind, ihren angemessenen Teil des Speichers erhalten. Im schlimmsten
Fall wird sogar der Zugriff verhindert.
-
Eine
konventionelle Lösung
eines solchen Problems ist das Einrichten von Beschränkungen
der Größe an Pufferung,
die ein Port nutzen kann. Das bedeutet, dass jeder Port sowohl einen
Schwellenwert der Höchstgröße von Speicher
auf die er zugreifen kann, wie auch eine für ihn garantierte Mindestgröße hat.
-
Verschiedene
Verfahren zum Einstellen des Schwellenwertes wurden vorgeschlagen
und in der Literatur analysiert. Siehe F. Kamoun und L. Kleinrock
Analysis of Shared Finite Storage in a Computer Network Node Environment
Under General Traffic Conditions, IEEE Trans. Commun., Band 28,
Nr. 7, Seite 992-1003, Juli 1980. Generell sind zwei Techniken zum
Einstellen der Warteschlangen-Schwellenwerte vorhanden.
-
Eine
Technik wird als statischer Schwellenwert (ST) bezeichnet. Bei diesem
Verfahren werden die Puffer-Schwellenwerte für jede Warteschlange durch
ein Netzwerkverwaltungssystem (NMS) im Voraus voreingestellt. Eine
ankommende Zelle wird nur dann angenommen, wenn die entsprechende
Warteschlangenlänge geringer
als der gegebene Schwellenwert ist. Das ST-Verfahren ist einfach
zu implementieren und erfordert nur die entsprechenden Warteschlangenzähler und
einen Komparator. Beim Auswählen
der verschiedenen Warteschlangen ist es für das NMS notwendig, die Eigenschaften
und die Statistiken des Verkehrs zu kennen. Für den an den Warteschlangen
ankommenden Verkehr ist es notwendig, inline mit deren Beschreibungen
zu sein. Deshalb ist das ST- Verfahren
für den
Verkehr auf Klassenebene, beispielsweise CBR, VBR und UBR, bei dem
der Verkehr für
die gesamte Klasse voraussagbarer ist, obwohl sie sich in Bezug
auf verschiedene Port-Warteschlangen und einzelne Verbindungen innerhalb
der Klasse wesentlich verändern
können,
adäquater.
-
Eine
andere Technik wird als dynamischer Schwellenwert (DT) bezeichnet.
Bei diesem Verfahren werden die Puffer-Schwellenwerte gemäß dem sich
verändernden
Verkehrsvolumen dynamisch angepasst. Die DT-Technik ermöglicht dem überlastenden
Verkehr, so lange auf den Speicher zuzugreifen, wie seine Warteschlange
ihren fairen Anteil an dem Speicher, d. h. den dynamischen Schwellenwert,
nicht überschritten
hat. Deshalb sollte ein guter dynamischer Schwellenwert die Gesamt-Switch-Bandbreitennutzung
verbessern, während
er die faire gemeinsame Nutzung von Pufferspeichern durch verschiedene
Warteschlangen sicherstellt. Generell erfordern DT-Systeme mehr
Rechenleistung und eine adäquatere
Pufferverwaltung auf der Port- oder VC-Ebene. Auf diesen Ebenen
kann die Änderung
des Verkehrsvolumens zwischen den verschiedenen Warteschlangen erheblich
fluktuieren (obwohl sie meistens nur für eine kürzere Zeitspanne andauert). Die
relativ kurze Zeitspanne in Bezug auf die Änderung des Verkehrsvolumens
an der Port- und VC-Ebene macht ein Programm, das in der Praxis
einfach zu implementieren ist, erforderlich.
-
Für die oben
dargestellten Systeme wurden die Leistungen bei verschiedenen Verkehrsbedingungen durch
eine umfassende Simulationsstudie verglichen. Siehe Choudhury und
Hahne in A. K. Choudhury und E. L. Hahne Dynamic Queue Length Thresholds
in Shared-Memory Packet Switch, IEEE/ACM Trans. Networking, Band
6, S. 130-140, April 1998. Speziell haben sie ein einfaches und
elegantes DT-Schema, das die faire gemeinsame Nutzung von Pufferspeicher
mit einer bestimmten nicht zugewiesenen Größe an Puffer sicherstellt,
vorgeschlagen. Jedoch ist die Pufferspeichernutzung, wenn nur eine
geringe Anzahl von Warteschlangen überlastet ist, bei diesem System
gering.
-
CHOUDHURY
A. K. u. a. Dynamic Queue Length Thresholds for Multipriority Traffic", 22. Juni 1997 (1997-06-22),
XP000883388 legen einen ATM-Switch, der eine Einzelpriorität, als dynamischen
Schwellenwert anzeigt, offen, wobei die maximal zulässige Warteschlangenlänge proportional
zu der ungenutzten Pufferung in dem Switch ist (Seite 561, erster
Absatz). Der ATM-Switch umfasst Ausgangsport-Warteschlangen und ein
Puffer von B Zellen nutzt gemeinsam die Ausgangsport-Warteschlangen
(Seite 561, zweiter Absatz). In diesem Dokument wird die Idee des
dynamischen Schwellenwertes erweitert, um das Puffer-Sharing zwischen Verkehrsklassen
mit verschiedenen Verlustprioritäten
zu regulieren.
-
II. Zusammenfassung der
vorliegenden Erfindung
-
Um
die Probleme der konventionellen Verfahren zu überwinden, ist es ein Ziel
der vorliegenden Erfindung, einen ATM-Switch, der einen dynamischen
Warteschlangen-Schwellenwert
nutzt und der die effiziente Nutzung von verfügbarem Speicher unabhängig von
der Anzahl der überlasteten
Warteschlangen ermöglicht, bereitzustellen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine hierarchische
Pufferverwaltung, die ST- und DT-Algorithmen verwendet, bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel ist, einen neuen dynamischen Warteschlangen-Schwellenwertalgorithmus,
der die Puffernutzung verbessert, bereitzustellen. Um die Ziele
der vorliegenden Erfindung zu erreichen, wird ein ATM-Switch, der
ein Protokoll mit dynamischem Warteschlangen-Schwellenwert verwendet,
bereitgestellt, wobei der ATM-Switch umfasst: K Ausgangsport-Warteschlangen, einen
Puffer von B Zellen, die die K Ausgangsport-Warteschlangen gemeinsam
nutzen, dadurch gekennzeichnet, dass sich der ATM-Switch dazu eignet,
einen gemeinsamen Schwellenwert für die K Ausgangsport-Warteschlangen dynamisch
einzustellen, wobei gleichzeitig der gemeinsame Schwellenwert von
einem alten Wert auf einen neuen Wert geändert wird, wenn eine neue
Zelle an einer der K Ausgangs-Warteschlangen
ankommt und der neue Wert das Maximum von der Länge einer jeden der K Ausgangs-Warteschlangen
plus 1 und dem alten Wert ist, wenn die Gesamt-Warteschlangenlänge geringer ist als ein voreingestellter
Wert mal B, und der neue Wert das Maximum von dem alten Wert minus
1 und einem statisch eingestellten minimalen Puffer-Schwellenwert
ist, wenn die Gesamt-Warteschlangenlänge größer ist als ein voreingestellter
Wert mal B oder genauso groß,
und der voreingestellte Wert größer ist
als 0.
-
Vorzugsweise
fluktuiert die Länge
jeder der K Ausgangs-Warteschlangen auf Basis von Änderungen eines
eingehenden Verkehrsvolumens und einer Dienstbandbreite, die jeder
der K Ausgangs-Warteschlangen zugewiesen ist.
-
Vorzugsweise
kann eine neue Zelle zu einer bestimmten Warteschlange zugelassen
werden, wenn eine Länge
der bestimmten Warteschlange geringer als der neue Wert ist und
die Gesamt-Warteschlangenlänge
geringer als B ist.
-
Vorzugsweise
beträgt
der statisch eingestellte minimale Puffer-Schwellenwert als Standardwert
Null.
-
Vorzugsweise
wird eine vorgegebene Größe von Puffer
B für einige
vorgegebene Operationen zugewiesen.
-
Vorzugsweise
wird Pufferspeicher mehreren VCs in jeder der K Ausgangs-Warteschlangen unter
weiterer Verwendung des Protokolls mit dynamischen Warteschlangen-Schwellenwerten
zugewiesen.
-
Vorzugsweise
kann das Protokoll mit dynamischen Warteschlangen-Schwellenwerten
auf mehreren Ebenen dynamischer Puffer eingesetzt werden.
-
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
dynamischen Einstellen eines gemeinsamen Schwellenwertes T(t) für K Warteschlangen
in einem ATM-Switch,
der die K Warteschlangen umfasst, wobei ein Puffer von B Zellen
von den K Warteschlangen gemeinsam genutzt wird und jede der K-Warteschlangen
eine Warteschlangenlänge
von Qk(t) zur Zeit t und k = 1, 2, ..., K hat und Qk(t) mit eingehendem
Verkehrsvolumen und Dienstbandbreite, die Ausgangsport k zugewiesen
ist, schwankt und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- a) Einstellen eines dynamischen Schwellenwertes
T(t), wobei Tnew(t) =
max (Qk(t) + 1, Told),
wenn Q(t) < α·B; Tnew(t) = max (Told – 1,
Tm), wenn Q(t) ≥ α·B,
wobei Q(t)
eine Gesamt-Warteschlangenlänge
zur Zeit t ist und 0 < α ≤ 1 gilt und
Tm ein minimaler Puffer-Schwellenwert ist, der statisch eingestellt
wird, - b) Aktualisieren von T(t) und Zulassen
einer neu ankommenden Zelle an Ausgangs-Port k zur Zeit t, wenn Qk(t) < aktualisiertes
T(t) und Q(t) < B,
und ansonsten Sperren der neu ankommenden Zelle.
-
Vorzugsweise
umfasst jede Warteschlange Lk VCs und jede VC-Warteschlange von
Port K hat eine Warteschlange der Länge Qkl(t), und 1 = 1, 2, ...,
Lk, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren umfasst:
nach
dem Schritt a) den Schritt des
- – Einstellens
eines dynamischen Schwellenwertes TVk(t) für alle VCs, die der Warteschlange
Q zugewiesen sind, wobei TVknew(t)
= max(Qkl(t) + 1, TVkold), wenn Qk(t) < β·T(t); TVknew(t) = max (TVkold – 1,
Tm), wenn Qk(t) ≥ β·T(t),wobei
Qk(t) eine Gesamt-Warteschlangenlänge für die k-te Warteschlange zur
Zeit t ist und 0 < β ≤ 1 gilt, und
in
dem Schritt b) den Schritt des - – Aktualisierens
von TVk(t) und Zulassens einer neu ankommenden Zelle an Ausgangs-Port
k zur Zeit t, wenn Qk(t) < aktualisiertes
T(t) und Qkl(t) < aktualisiertes TVk(t) und Q(t) < B, und ansonsten
Sperren der neu ankommenden Zelle.
-
III. Liste der Figuren
-
Die
oben dargestellten Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch das Beschreiben einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele
dieser unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen ersichtlicher
werden, wobei in den Zeichnungen
-
1 einen
ATM-Switch mit Modulen, die die Warteschlangen an den Ein- und Ausgängen einrichten, zeigt,
-
2 eine
hierarchische Pufferspeicher-Zuweisung auf verschiedenen Ebenen
zeigt: Gruppe, Klasse, Unterklasse, Port/Leitung, VC,
-
3 eine
dynamische Pufferspeicher-Zuweisung auf Portebene zeigt, wobei jede
VC für
einen verschiedenen Port bestimmt ist,
-
4 die
dynamische Pufferzuweisung auf Port- und VC-Ebenen zeigt.
-
IV. Ausführliche
Beschreibung der vorliegenden Erfindung
-
IVA. Pufferverwaltung
in ATM-Switches
-
In
ATM-Switches wird der Pufferspeicher auf verschiedene Arten unterteilt
und gemeinsam genutzt: zwischen Warteschlangen, die zu verschiedenen
Verkehrsklassen gehören,
zwischen Warteschlangen, die für bestimmte
Ausgangsports bestimmt sind, zwischen Warteschlangen verschiedener
VCs, wenn das Warteschlangenbilden durch VC eingesetzt wird, usw.
In der 1 wird eine Architektur eines ATM-Switches mit
Eingangs- und Ausgangswarteschlangenbildung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel
hat der Switch K Eingangsmodule und K Ausgangsmodule mit gleichartiger
Struktur und Funktion. An jedem Eingangsmodul wird der Pufferspeicher
gemeinsam genutzt und auf eine hierarchische Art und Weise logisch
aufgeteilt, wie in der 2 gezeigt.
-
Der
Gesamt-Pufferspeicher an einem Eingangsmodul ist B Zellen und es
sind N Verkehrsklassen vorhanden. Die Verkehrsklassen bestehen aus
CBR, VBR (Echtzeit und Nichtechtzeit), ABR und UBR etc. Jede Verkehrsklasse
gehört
zu einer von M Gruppen, M < N.
Jede Gruppe enthält
Verkehrsklassen gleichartiger statistischer Eigenschaften, beispielsweise
können
alle Nichtechtzeit-VBR-Klassen zu einer Gruppe gehören. Der gesamte
Puffer ist aufgeteilt und jeder Gruppe fest zugeordnet. Gruppe m,
m = 1,2, ..., M, wird ein fest zugeordneter BG
m-Speicher
zugewiesen und
-
Zwischen
den Gruppen gibt es kein Speicher-Sharing und BG
m sind
statische Gruppenpuffer-Schwellenwerte, die durch das Netzwerkverwaltungssystem
ausgewählt
und abgestimmt werden. Die Gruppe m zugewiesenen Verkehrsklassen
können
den Gruppenspeicher BG
m auf eine solche
Art und Weise gemeinsam nutzen, dass die Höchstanzahl, die Pufferklasse
i (wobei Klasse i Gruppe m zugewiesen ist) nutzen kann, ebenso durch
BC
i, i = 1, 2, ..., und
BC
i ≤ BG
m und BC
i ≤ BG
m, beschränkt
ist.
-
Dies
stellt sicher, dass während
des Maximierens der Puffernutzung durch vollständiges Sharing innerhalb einer
Gruppe durch eine Klasse in einer Gruppe kein exzessiver Verbrauch
von Pufferspeicher stattfindet. Für jede Verkehrsklasse i der
Pufferzuweisung BCi können J Unterklassen für Zellen
mit verschiedenen Verlust- oder Verzögerungsprioritäten vorhanden
sein. Der Puffer-Schwellenwert für
die Unterklasse j wird eingerichtet, um TCif sein,
J = 1,2, ..., J. Die Wahl von TCif wird
durch das Anwenden bestimmter Warteschlangenbildungsmodelle vorgenommen.
Siehe F. Kamoun und L. Kleinrock Analysis of Shared Finite Storage
in a Computer Network Node Environment Under General Traffic Conditions,
IEEE Trans. Bericht, Band 28, Nr. 7, S. 992-1003, Juli 1980.
-
Gleichartig
zu der Gruppenebene-Zuweisung BGm werden
die Puffer-Schwellenwerte auf den Klassen- und Unterklassenebenen
(BCi und TCij) statisch
gewählt
und durch das Netzwerkverwaltungssystem abgestimmt. Innerhalb jeder
Klasse ist die Pufferverwaltung unterstützend in zwei Ebenen klassifiziert:
es sind Warteschlangen für
Zellen an K verschiedenen Ausgangsports mit TPi,
die den gemeinsamen Schwellenwert für alle K-Warteschlangen anzeigen,
vorhanden und es sind Warteschlangen für verschiedene VCs, wenn Warteschlangenbildung
durch VC angewendet wird, mit TVik, die
den gemeinsamen Schwellenwert für
alle VCs, die für
den Ausgangsport k, k = 1,2, ..., K, bestimmt sind, vorhanden.
-
Im
Gegensatz zu der Pufferzuweisung auf Gruppen- und Klassenebenen
werden die Schwellenwerte auf Port- und VC-Ebenen (TP
i und
TV
ik) den sich ändernden Verkehrsbedingungen
entsprechend dynamisch aktualisiert. Die Gründe für das Verwenden der dynamischen
Schwellenwerte für
die Pufferverwaltung auf Port- und VC-Ebene ist, dass die Änderung
des Verkehrsvolumens dazu neigt, auf diesen Ebenen substanziell zu
sein und dass sich ein dynamischer Schwellenwert dem schwankenden
Verhalten des Ver kehrsvolumens viel besser als ein statischer anpassen
kann. In einem konventionellen statischen Schwellenwertschema wird der
Port-Warteschlangen-Schwellenwert als
eingerichtet.
-
Siehe
F. Kamoun und L. Kleinrock Analysis of Shared Finite Storage in
a Computer Network Node Environment Under General Traffic Conditions,
IEEE Trans. Bericht, Band 28, Nr. 7, S. 992-1003, Juli 1980.
-
In
dem nächsten
Abschnitt wird ein Ausführungsbeispiel
des neuen dynamischen Schwellenwertes gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben. Dieses Verfahren stellt ein faires und optimales Sharing
von Pufferspeicher bereit. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel im Zusammenhang
mit Warteschlangen-Schwellenwerten von Port- und/oder VC-Ebenen dargestellt wird,
sollte es für
den durchschnittlichen Fachmann in dieser Technik einfach zu ersehen
sein, dass dieses Schema direkt auf jedes Problem, das dynamisches,
faires Sharing von Pufferspeicher erfordert, angewendet werden kann.
-
IVB. Dynamischer Schwellenwert
-
Das
hierin beschriebene Ausführungsbeispiel
ist ein ATM-Switch. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist vorausgesetzt,
dass der ATM-Switch K Ausgangsports und einen Puffer von B Zellen,
der von den entsprechenden K Ausgangs-Warteschlangen gemeinsam genutzt
wird, hat. Qk(t) ist die Warteschlangenlänge für die Ausgangs-Warteschlange k zu
der Zeit t, k = 1, 2, ..., K. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann
sich Qk(t), während
das eingehende Verkehrsvolumen für
den Ausgangsport k und die dem Ausgangsport k zugewiesene Dienstbandbreite
variieren, verändern.
Wenn alle der K Ausgangs-Warteschlangen, um das faire Sharing des
Pufferraums B sicherzustellen, gleich behandelt werden, sollte jede
Warteschlange in der der Lage sein, wenigstens auf B/K Pufferspeicher
(den fairen Anteil) zuzugreifen, wenn sie überlastet ist. Anderseits kann
eine einzelne überlastete
Warteschlange, um den Puffer effizient zu nutzen, d. h., um das
maximale Puffer-Sharing zu erreichen, jeglichen verfügbaren Pufferspeicher,
der nicht von andere Warteschlangen genutzt oder abgefordert wird,
nutzen.
-
Die
oben dargestellten dualen Ziele werden durch das dynamische Einstellen
eines gemeinsamen Schwellenwertes T(t) für alle K-Warteschlangen erreicht.
Bei diesem Schema setzt der folgende Algorithmus den T(t) dynamisch
ein:
Wenn eine Zelle an Ausgangsport k zu einer Zeit t ankommt
wobei
Q(t) = Σ K / k=1Qt(t)
die Gesamt-Warteschlangenlänge
zur Zeit t und 0 < α ≤ 1 darstellt
und T
m den Mindest-Puffer-Schwellenwert,
der statisch für
jede Warteschlange eingerichtet ist, darstellt. Bei Standard ist
T
m = 0. Deshalb wird an dem Ausgangsport
k das Ankommen der Zelle zu der Zeit t in der k-ten Warteschlange
akzeptiert, wenn Qk(t) < T
new(t) und Q(t) < B, andernfalls wird die Zelle gesperrt.
In beiden Fällen
wird der Wert des gemeinsamen Schwellenwertes T
old anschließend durch
den Wert von T
new(t) aktualisiert.
-
Es
ist zu beachten, dass in der Gleichung (1) der Parameter a die Größe des gemeinsam
zu nutzenden Speichers regelt. Für
ein vollständiges
Puffer-Sharing ist a einzurichten, um eins zu sein und auf diese
Weise können
100% Puffernutzung erreicht werden, während der Speicher fair von
den verschiedenen Warteschlangen genutzt wird. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
kann durch das Anpassen der Parameter a und Tm in
Gleichung (1) daneben eine kleine Puffergröße für einige spezielle Operationen
(d. h. Zelleneinfügen
und Einfügen
von Nachrichtenendezellen) eingerichtet werden.
-
IVC. Dynamische Schwellenwerte
auf mehreren Ebenen
-
In
dem vorhergehenden Abschnitt wurde ein Ausführungsbeispiel, das den dynamischen
Schwellenwert der vorliegenden Erfindung nutzte, um den Pufferspeicher
für verschiedene
Warteschlangen der Ausgangsportebene effizient und fair zu verwalten,
beschrieben. Die Pufferspeicher-Zuweisung zu jeder der K Ausgangsport-Warteschlangen
wird durch die Gleichung (1) dynamisch eingerichtet, um Tnew(t) zu sein. In einem ATM- Switch kann es jedoch
erforderlich sein, dass der Pufferspeicher unter der Portebene noch
weiter aufzuteilen ist. Beispielsweise kann eine Ausgangs-Warteschlange,
wie bereits erwähnt,
aus vielen VCs bestehen. Wenn Warteschlangenbildung durch VC angewendet
wird, muss der Pufferspeicher außerdem jeder einzelnen VC-Warteschlange
logisch zugewiesen werden.
-
Hierin
wird ein weiteres Ausführungsbeispiel
beschrieben, in dem jede Ausgangs-Warteschlange LK VCs,
k = 1, 2, ..., K, hat. Die Warteschlangenlänge für jeden VC der Ausgangs-Warteschlange
k zu einer Zeit t wird durch Qkl, 1 = 1,2,
..., LK angezeigt. Eine häufig eingesetzte
Methode bei der Pufferverwaltung erfordert, dass der Pufferspeicher
zuerst fair von den verschiedenen Ausgangs-Warteschlangen gemeinsam
genutzt wird (wie in dem vorhergehenden Abschnitt). Anschließend wird
innerhalb jeder Ausgangs-Warteschlange
der zugewiesene Speicher des Weiteren von allen VCs an dieser Warteschlange
fair gemeinsam genutzt. Dieses stellt das Verwaltungsproblem eines
Puffers auf mehreren Ebenen dar. Um die oben erwähnten Kriterien zu erfüllen, während gleichzeitig
die Puffernutzung maximiert wird, werden in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Techniken der vorliegenden Erfindung verwendet, um einen dynamischen
Schwellenwert auf mehreren Ebenen zu entwickeln.
-
TP(t)
ist der dynamische Warteschlangen-Schwellenwert für jede Ausgangs-Warteschlange und TVk(t)
ist der dynamische Warteschlangen-Schwellenwert für jede VC-Warteschlange,
die für
den Ausgangsport k, k = 1,2, ..., K, bestimmt ist. Wenn eine Zelle
von VCl an dem Ausgangsport k ankommt, werden die dynamischen Warteschlangen-Schwellanwerte
TP(t) und TVk(t) in einem Zwei-Schritt-Algorithmus errechnet:
- 1. Für
die Port-Warteschlange k
- 2. Für
die VC-Warteschlange l von Port k
-
Die
ankommende Zelle wird akzeptiert, wenn Qk(t) < TP(t) und Qkl(t) < TVk(t) und Q(t) < B. Andernfalls wird
die Zelle gesperrt. TP(t) und TVk(t) aktualisieren dann, wenn die
Zelle akzeptiert oder verworfen wird, jeweils die Schwellenwerte
TPold und TVk old / k.
-
Der
oben dargestellte Algorithmus stellt eine dynamische Pufferzuweisung
für die
Pufferverwaltung auf zwei verschiedenen Ebenen, Portebene und VC-Ebene,
bereit. Er stellt ein faires und maximales Sharing des Pufferspeichers
auf zwei verschiedenen Ebenen sicher, erstens auf der Portebene
und anschließend
auf der VC-Ebene innerhalb eines Ports. Für die nähere Ausführung wird vorausgesetzt, dass
m aus K Ausgangs-Warteschlangen überlastet
sind (d. h., sie fordern so viel Puffer wie möglich) und dass der Rest der
Warteschlangen unterbelastet ist (d. h., sie brauchen für den Moment
keinen Puffer). Für
die überlastete
Ausgangs-Warteschlange k sind n
k überlastete
VCs vorhanden, nk ≤ L
k α = β = 1 werden
eingerichtet, um ein vollständiges Sharing
des Pufferspeichers B bereitzustellen. Anschließend ist gemäß dem Algorithmus
der Gleichungen (2) und (3) die Pufferzuweisung für jede der
m überlasteten
Ausgangs-Warteschlangen
B/m und die Pufferzuweisung für
jeden der n
k überlasteten VCs von Port k
ist
-
Obwohl
nur ein Schema für
eine Pufferverwaltung auf zwei Ebenen, die in der Praxis üblicher
ist, dargestellt wird, wird ein Fachmann in dieser Technik leicht
erkennen, dass der Algorithmus oben einfach erweitert werden kann,
um die Probleme der dynamischen Pufferzuweisung auf mehreren Ebenen
zu bewältigen.
Wenn hingegen alle VCs dieselbe faire Pufferzuweisung, ohne dass
die Berücksichtigung
der Fairness zwischen den Ausgangs-Warteschlangen von Belang ist,
erfordern, wird das Schema durch das direkte Anwenden des zuvor beschriebenen
Algorithmus auf alle der VCs vereinfacht.
-
IVD. Leistungsvergleiche
und Simulationsergebnisse
-
In
diesem Abschnitt werden die Leistung des dynamischen Schwellenwertes
und anderer Pufferverwaltungen durch mehrere veranschaulichende
Beispiele verglichen.
-
In
dem dynamischen Schwellenwertschema von Choudhury und Hahne in A.
K. Choudhury und E. L. Hahne Dynamic Queue Length Thresholds in
Shared-Memory Packet Switch, IEEE/ACM Trans. Networking, Band 6,
S. 130-140, April 1998 wird eine bestimmte Größe von Pufferspeicher θ unzugewiesen
in einem Dauerzustand, der ihrem System inhärent ist, belassen.
wobei S' die Anzahl der überlasteten Warteschlangen
ist und Bein Vervielfachungsparameter ist. Während der Speicher, der unzugewiesen
bleibt, zu vernachlässigen
wäre, wenn
viele überlastete
Warteschlangen vorhanden wären
oder wenn der Parameter θ einen
sehr großen
Wert hat, haben die Autoren in A. K. Choudhury und E. L. Hahne Dynamic
Queue Length Thresholds in Shared-Memory Packet Switch, IEEE/ACM
Trans. Networking, Band 6, S. 130-140, April 1998 gezeigt, dass
ein sehr großer
Wert von θ die
dynamische Kontrolle ineffektiv macht. Anderseits ist es bei adäquater Verkehrskontrolle,
Bandbreitenzuweisung und anderen Kontrollmechanismen weniger wahrscheinlich,
dass viele Warteschlangen, von denen jede an einen verschiedenen Ausgangsport
oder eine Leitung geht, gleichzeitig überlastend werden. Deshalb
kann die ungenutzte Speichergröße in θ in bestimmten
Fällen
wesentlich sein. Wenn beispielsweise α = 1 für das vollständige Sharing
und θ =
1, üblicherweise
eine gute Wahl, würde
die Hälfte
des Speichers, wenn nur eine überlastete
Warteschlange vorhanden ist, nicht zugewiesen werden.
-
In
dem ersten Beispiel wird ein Pufferspeicher von 120 Zellen von Warteschlangen,
die den vier verschiedenen Ausgangsports entsprechen, gemeinsam
genutzt. Ein Server mit einer Kapazität von 600 MB/s betreut die
vier Port-Warteschlangen in einer Round-Robin-Art. Jede der Warteschlangen wird
von einer verschiedenen Quelle (oder einem verschiedenen VC) gespeist.
Der erste VC ist eine CBR-Quelle mit einer Eingangsrate von 310
MB/s und verschiedenen „Ein-Aus-Perioden", so dass das Gesamtsystem
stabil ist, jedoch tritt die Überlastung
ein, sooft zwei oder mehrere Quellen, die aktiv Zellen senden, vorhanden
sind. Jedoch ermöglicht
der in Choudhury u. a. beschriebene Algorithmus, dass sich der VC
den gesamten verfügbaren
Pufferspeicher, welches 120 Zellen sind, nimmt. Aus der 3 ist
ersichtlich, dass bei Verwenden des DT-Schemas der vorliegenden
Erfindung die Dauerzustände
für die
Warteschlangenbelegungen, wenn jeweils zwei, drei und vier VCs aktiv
sind, für
jede Warteschlange 60 Zellen, 40 Zellen und 30 Zellen sind. Dies
entspricht genau ihren fairen Anteilen von Pufferspeicher, berechnet
durch den Algorithmus in Choudhury u. a., während der gesamte Pufferspeicher
von 120 Zellen genutzt wird. Bei Verwendung des DT-Algorithmus in
Choudhury u. a. würden
die fairen Anteile von Pufferspeicher jeweils 60 Zellen, 40 Zellen,
30 Zellen und 24 Zellen sein. Dies resultiert in nicht genutztem
Puffer von jeweils 50%, 33%, 25% und 20%.
-
Bei
dem statischen Schwellenwert, bei dem der Schwellenwert 60 Zellen
für jede
Port-Warteschlange ist,
ist der Puffer, wenn nur eine überlastende
Quelle vorhanden ist, 50% untergenutzt und die dritte und vierte Quelle
können,
wenn sie aktiv werden, nicht ihre fairen Anteile an dem Speicher
erhalten.
-
In
dem zweiten Beispiel wird derselbe Pufferspeicher von 120 Zellen
durch vier VC-Warteschlangen, die
für zwei
verschiedene Ausgangsports bestimmt sind, gemeinsam genutzt. Jede
VC-Warteschlange wird durch eine verschiedene Quelle gespeist. Die
erste VC ist für
den Ausgangsport #1 bestimmt und ist eine „Ein/Aus"-Quelle mit einer Spitzenrate von 310
MB/s. Die anderen drei statisch identischen VCs sind alle für Ausgangsport
#2 bestimmt und sind CBR-Quellen mit einer Spitzenrate von 310 MB/s.
Deshalb erzeugen die VCs an dem Ausgangsport #2 immer eine Überlastungssituation
und brauchen so viel verfügbaren
Pufferspeicher wie möglich.
Die dynamische Puffer-Sharing-Kontrolle
hat zwei Ebenen: die zwei verschiedenen Ports haben auf Portebene
faire Pufferanteile, innerhalb jeden Port-Pufferanteils haben die
verschiedenen VCs ihre fairen Anteile. Der durch die die Gleichungen
(2) und (3) behandelte dynamische Warteschlangen-Schwellenwert der
vorliegenden Erfindung wird eingesetzt. Aus der 4 ist
klar ersichtlich, dass, wenn die drei VCs an Port #2 mit t = 500
(Zellenzeit) aktiv werden, das System überlastet ist, der VC an Port
#1 seinen fairen Anteil von 60 Zellen für die Speicherzuweisung auf
Portebene erhält
und die VCs an Port #2 alle zusammen 60 Zellen erhalten, wobei jeder
der drei VCs seinen fairen Anteil von 20 Zellen für die Speicherzuweisung
auf VC-Ebene hat. Wenn der VC an Port #1 bei ungefähr t = 3500
(Zellenzeit) inaktiv wird, ist seine Speicherzuweisung von 60 Zellen
verfügbar.
Jetzt können
die drei aktiven VCs an Port #2 auf der Portebene alle 120 Zellen
nehmen, wobei jeder seinen fairen Anteil von 40 Zellen für die VC-Ebene
hat. Dann, wenn der VC an Port #1 wieder aktiv wird, erhält er für den fairen
Anteil auf der Portebene 60 Zellen wieder zurück.
