DE60119461T2

DE60119461T2 - Verfahren zur Bereitstellung einer bidirektionellen Verbindung in einem Netz für die Mehrfachübertragung von Datenströmen mit Verwendung vom Internetprotokoll und Netz für die Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE60119461T2
Application number: DE60119461T
Authority: DE
Inventors: Stefan Paul Raleigh Kellertuberg
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2021-06-26
Also published as: US20020024956A1; ATE326097T1; EP1189387A2; EP1189387A3; DE60119461D1; EP1189387B1

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft das Verteilen von Internet-Protokoll (IP)-Mehrfachsendeströmen in einem ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten, während die ungenutzte Übertragung und die Knotenkapazität aufgrund der erzwungenen Verdoppelung der IP-Mehrfachsendeströme an dem letzten IP-Router/-Gateway des Netzwerkes minimiert wird.
Stand der Technik
Die US-Patentschrift 6,078,590 beschreibt ein Netzwerk mit Punkt-zu-Mehrpunkt-Fähigkeit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
Es sind keine Verfahren zum Verteilen von IP-Mehrfachsendediensten unter Verwendung von zugrundeliegenden ATM-Mehrfachsendeverfahren bekannt.
Die vorhandene Lösung erfordert, daß die IP-Mehrfachsendung über den ATM-Zugriffsknoten unter Verwendung des herkömmlichen Punkt-zu-Punkt-Verfahrens durchgeführt werden muß. Ein IP-Routingknoten muß die Pakete vor dem Senden an den ASAM duplizieren. Die Duplizierung der Mehrfachsendepakete ist ineffizient und verhindert das Skalieren der Lösung, um die IP-Mehrfachsendung an mehr als eine kleine Anzahl von Endbenutzern zu verteilen.
Wenn die Anzahl der potentiellen Teilnehmer, die den gleichen Mehrfachsendestrom empfangen sollen, groß ist, wie zum Beispiel beim Anschluß an einen typischen ADSL-Knoten mit 100 bis 10.000 oder mehr Teilnehmern, ist die Wahrscheinlichkeit eines ADSL-Knotens (oder seiner Übertragungsstrecke zu der IP-Verarbeitungsfunktion hin), daß seine Kapazität erschöpft wird, extrem hoch. Der Betreiber des Zugriffsknoten kann nicht effektiv die annehmbaren Dienste mit einer hohen Möglichkeit der Knotenüberlastung liefern und wird folglich am Anbieten allgemeiner Mehrfachsendedienste an seine Teilnehmer gehindert.
Beschreibung der Erfindung
Diese Patentbeschreibung offenbart ein Verfahren des Bereitstellens der bidirektionalen Verbindung in einem mehrfachsendefähigen Netzwerk,

– wobei das Verfahren das Implementieren von Paket- oder Zellweiterleitungsregeln auf den Teilnehmerendgeräten und auf einem Mehrfachsenderouter beinhaltet, um die Trennung der unidirektionalen Downstreamflüsse und der bidirektionalen oder unidirektionalen Upstreamflüsse zu ermöglichen.

ATM-basierte Zugriffsknoten, die ATM-Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen unterstützen, können verwendet werden, um effizient IP-Mehrfachsendeverbindungen zu unterstützen, wenn eine Einrichtung implementiert wird, um den Steuerteil der IP-Mehrfachsendeverbindungen in einem Punkt-zu-Punkt-VP/VC und den Informationsteil der IP-Mehrfachsendeverbindung in einem Punkt-zu-Mehrpunkt-VP/VC zu übertragen. Durch dieses Verfahren kann die Lösung skaliert werden, um eine sehr große Anzahl von Endbenutzern zu unterstützen, ohne die Transportressource zu verbrauchen.

– Das Verfahren zeigt, wie die Mehrfachsendefähigkeiten des ATM-Transports verwendet werden können, um effizient die IP-Mehrfachsendeströme zu transportieren, ohne die Replikation des Stromes zu erfordern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine beispielhafte Paketnetzarchitektur in der Umgebung eines distributiven Paket-Audiodienstes.
2 veranschaulicht ein Beispiel einer ineffizienten Paketverteilung.
3 veranschaulicht die Mehrfachweitersendung in einem Teilnehmerzugriffsknoten ohne IP-Fähigkeit.
4 zeigt den Steuerungs- und Informationsfluß während einer typischen IP-Mehrfachsendesitzung.
5 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung zum effizienten Unterstützen der IP-Mehrfachsendung in einer ATM-Infrastruktur.
6 ist eine weitere Ausführungsform mit mehr als einem Teilnehmerzugriffsknoten, der durch einen Mehrfachsende-Paketrouter versorgt wird.
7 ist eine andere Ausführungsform mit mehr als einem IP-Mehrfachsendestrom, der für Endbenutzer zur Verfügung steht.
8 veranschaulicht das IP-Mehrfachsende-Paketrouting, das in einem Teilnehmerzugriffsknoten implementiert ist.
9 zeigt eine Anordnung, in welcher die Teilnehmer auf 2 oder mehr Mehrfachsendeströme zugreifen.
Bestes Verfahren der Durchführung der Erfindung
Distributive Paketnetzdienste sind über mehrere Jahre erörtert und untersucht worden. Beispiele für distributive Paketnetzdienste beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf:

– Video-Rundsendung: ein Bezahlfernsehdienst, der unter Verwendung eines Paketnetzes bereitgestellt wird.
– Audio-Rundsendung: ähnlich wie Rundfunkdienste, aber unter Verwendung eines Paketnetzes bereitgestellt.

Near-Video und Audio-on-Demand: ähnlich wie Bezahlfernsehen oder Rundfunk, aber basiert auf einer begrenzten Anzahl von Programmen, welche sich ständig wiederholen. Mehrfachkopien des gleichen Programmes werden zu verschiedenem Anfangszeiten mit einem festen Startintervall zwischen jedem Exemplar des Programmes gestaffelt. Die Zuschauer können sich der Übertragung jederzeit anschließen und müssen höchstens auf das Startintervall warten, bis ein neues Exemplar des Programmes anfängt.
Informationsrundsendung: textbasierter Rundsendedienst, der unter Verwendung eines Paketnetzes bereitgestellt wird. Hauptbeispiele solcher Dienste sind die verschiedenen Verteilungen für den Streaming-Börsenkurs-Ticker, die im Internet zur Verfügung stehen.
1 zeigt ein Beispiel eines distributiven Audio-Paketdienstes. 1 zeigt eine "Root"-Inhaltsquelle 101, z.B. Radiostationsfunkkanäle, die den Root-Inhalt an eine Paketierungsvorrichtung 102 senden. Die Paketierungsvorrichtung erzeugt den primären paketierten Inhaltsstrom aus dem Root-Inhalt und leitet den primären paketierten Inhaltsstrom an eine primäre Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 103 weiter. Die Routingvorrichtung 103 verteilt den Inhaltsstrom an sekundäre Paketroutingvorrichtungen 104 oder direkt an die Endbenutzer 108. Die sekundären Routingvorrichtungen verteilen den Inhaltsstrom an die Endbenutzer 105 oder an weitere Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtungen, z.B. tertiäre Routingvorrichtungen 106. Weitere Ebenen des untergeordneten Paketroutings können je nach Bedarf hinzugefügt werden, z.B. je nach Endbenutzerdichte, geographischen Anforderungen und so weiter.
Distributive Paketdienste werden oft als Mehrfachsende- oder Rundsende-Paketdienste bezeichnet und sind durch eine einzelne "Root"-Quelle der Informationen oder des "Inhalts" gekennzeichnet. Der Root-Inhalt wird an eine Paketierungsvorrichtung geleitet, welche für das Codieren und Formatieren des Inhalts auf eine Weise verantwortlich ist, die geeignet ist, um den Strom durch ein Paketnetz zu übertragen. In der Regel ist die Ausgabe von der Paketierungsvorrichtung ein "Strom" der zugehörigen Pakete mit jedem einzelnen Paket, das ausreichende Informationen enthält, um den Endbenutzern zu ermöglichen, ein kleines Zeitfragment des ursprünglichen Root-Inhalts zu reproduzieren. Dies wird als der primäre paketierte Inhaltsstrom bezeichnet, da er die ursprüngliche Quelle der Pakete von der Root ist.
Nur eine einzelne Kopie des primären paketierten Root-Inhaltsstromes wird von der Paketierungsvorrichtung ausgesendet. Jedoch kann die Anzahl der Endbenutzer, die eine Kopie des paketierten Stromes empfangen möchten, groß sein und sich geographisch über das Gebiet, die Stadt, das Land oder die Welt verteilen.
Damit jeder der Endbenutzer eine Kopie des primären paketierten Inhaltsstroms empfangen kann, könne ein Mehrfachsende-Paketverteilungsnetz verwendet werden, um jeden Endbenutzer mit der Root-Inhaltsquelle zu verbinden.
Heutzutage ist das MBONE des Internets ein Beispiel eines solchen weltweiten Mehrfachsende-Verteilungsnetzes.
Das Mehrfachsende-Paketverteilungsnetz ist eine hierarchische Anordnung der Paketroutingvorrichtungen. Diese Hierarchie wird für jeden Mehrfachsendestrom optimiert. Jede Paketroutingvorrichtung empfängt systematisch mindestens eine Kopie des paketierten Inhaltsstromes und dupliziert und leitet die Kopien des paketierten Inhaltsstromes an andere Paketroutingvorrichtungen oder an die Endbenutzer weiter.
2 zeigt ein Beispiel der Paketverteilungseffizienz. In 2 sendet eine Paketierungsvorrichtung 202 den paketierten Inhalt in einem Paket, das einen Adreßkopf und Inhaltscontainer aufweist, an eine Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 203. Die Routingvorrichtung 203 verteilt den Strom an eine erste untergeordnete Routingvorrichtung 204 in der Form von Paketen mit dem Kopf B1 und eine zweite untergeordnete Routingvorrichtung 205 in der Form von Paketen mit dem Kopf A1 und A2. Der Router 205 nimmt eine Umverteilung der Ströme mit dem Kopf A1 und A2 entsprechend an weitere untergeordnete Router 206 und 207 vor.
Das Mehrfachsende-Paketverteilungsnetz wird als effizient angesehen, wenn es konfiguriert ist, um die Paketströme möglichst nahe an den Endbenutzern zu duplizieren. Ein einfacher Test der Effizienz einer speziellen Netzverbindung ist, zu bestimmen, ob dort nur eine Kopie des paketierten Inhaltsstromes vorhanden ist, der durch diese Verbindung zu übertragen ist. Wenn mehr als eine Kopie des Stromes vorhanden ist, wird die Verteilung als ineffizient angesehen.
In 2 ist es deutlich, daß eine Strecke vorhanden ist, die sowohl eine Kopie "A1" als auch eine Kopie "A2" des Stromes überträgt, und folglich diese Verbindung ineffizient ist. Diese Situation entsteht zwangsläufig, wenn die folgende Paketroutingvorrichtung an sich eine Paketduplizierungsoperation nicht durchführen kann. In solchen Fällen muß die gesamte Paketduplizierung in der vorhergehenden Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung durchgeführt werden, und dem nichtduplizierenden Paketrouter wird die verringerte Verantwortlichkeit für das einfache Routing jeder Kopie an seine erforderlichen Austrittsschnittstellen überlassen.
Die Folge der Ineffizienz der Paketstromverteilung ist, daß zusätzliche Netzübertragungsressourcen gegenüber dem effizienten Fall erforderlich sind, um den paketierten Inhaltsstrom zu verteilen.
Jede Netzübertragungsstrecke weist eine begrenzte und feste Kapazität auf. Wenn der erste Paketstrom konfiguriert wird, um durch einen speziellen Übertragungsabschnitt transportiert zu werden, wird ein Betrag der Kapazität, der gleich der Kapazität ist, die von dem Paketstrom benötigt wird, durch den Strom "verbraucht", der den Übertragungsabschnitt "teilweise gefüllt" verläßt. Zusätzliche Kopien des Paketstromes können durch die Übertragungsstrecke transportiert werden, und mit jeder zusätzlichen Kopie wird die Übertragungsstrecke mehr und mehr "gefüllt".
Da die Übertragungsstrecke eine begrenzte Kapazität aufweist, kann nur eine begrenzte Anzahl von Kopien des Paketstromes auf der Strecke übertragen werden, bevor die Strecke "vollständig gefüllt" ist. Wenn sich die Strecke dem Punkt der vollständigen Füllung nähert, wird sie als "besetzt" angesehen, und wenn die Strecke vollständig gefüllt ist, wird sie für zusätzliche Verbindungen als "gesperrt" angesehen.
Daraus folgt, daß je geringer die Effizienz der Verteilung ist, eine um so größere Übertragungskapazität erforderlich sein wird. Es folgt auch daraus, daß je geringer die Effizienz der Verteilung ist, um so kleiner die maximale Anzahl der Endbenutzer sein wird, die eine Kopie des Paketstromes empfangen können.
Obwohl viele paketbasierte Kommunikationsprotokolle vorhanden sind, die implementiert und verwendet worden sind, hat sich das Internet-Protokoll (IP) als das dominierende Protokoll für paketbasierte Netze herausgestellt.
Das heutige Internet umfaßt viele distributive Mehrfachsendedienste, aber als ein Anteil des gesamten Internetverkehrs sind die distributiven Dienste ein kleiner Bruchteil. Einer der wichtigsten historischen Gründe, der sichergestellt hat, daß die distributiven Dienste ein kleiner Anteil am Gesamtverkehr geblieben sind, ist, daß die meisten Typen des distributiven Dienstes einen konstanten Strom der Paketübergabe rechtzeitig mit einer hohen Geschwindigkeit gegenüber den Größen der typischen Internet-Zugriffsverbindungen der Endbenutzer erfordern.
Weil der Anteil der Mehrfachsendedienste bis heute relativ klein gewesen ist, hatten die Auswirkungen der ineffizienten Übertragung dieser Dienste wenig Einfluß auf die Gesamtausnutzung und die Nutzung der Internet-Übertragungseinrichtungen. Besonders weil die Internet-Zugriffsgeschwindigkeiten traditionell zu klein gewesen sind, um die Implementierung von praktisch anwendbaren Video- und Audio-Verteilungsdiensten zu erlauben, wurden diese Dienste noch nicht entwickelt und eingesetzt.
Jedoch zeichnet ein klarer Trend ab, daß mit Endbenutzerverbindungen viel größerer Kapazität, die nun für Internet-Zugriffsdienste (einschließlich ADSL, IDSL, SDSL, HDSL, VDSL, Kabelmodems und viele andere) zur Verfügung stehen, die IP-basierten distributiven Dienste für einen größeren Benutzerkreis durchführbarer und verfügbarer werden. Eine zunehmende Anzahl von Rundfunksendestationen in der Welt sendet ihre Programme über das Internet (als ein Beispiel siehe (http://www.broadcast.com/radio) und Unternehmen wie Coolcast senden Bezahl-TV wie Videoströme über das Internet (siehe http://www.coolcast.com).
Folglich hat sich die IP-Mehrfachsendung jetzt selbst einen Schlüsselfaktor für die Lieferung neuer Typen von Endbenutzerdiensten aufgebaut und ist durch die neuen Hochgeschwindigkeits-Internet-Zugriffstechnologien ermöglicht worden.
Es sind viele Hochgeschwindigkeits-Zugriffstechnologien (oben erwähnt) vorhanden und viele Produkte sind auf der ganzen Welt auf der Basis dieser Technologien entwickelt und eingesetzt worden. Der zunehmende Einsatz geht mit einer rasanten Geschwindigkeit weiter und es wird erwartet, daß sich in den nächsten mehreren Jahren die Installationsrate neuer Hochgeschwindigkeits-Internet-Zugriffsleitungen jedes Jahr vielfach erhöht.
Obwohl diese Hochgeschwindigkeits-Zugriffstechnologien vorwiegend für die Lieferung des Hochgeschwindigkeits-Internet-Zugriffs verwendet werden, sind die Zugriffsknoten-Plattformen selbst im allgemeinen ausgelegt, um auf einer Protokollschicht unterhalb der IP-Schicht zu funktionieren. Ein Grund dafür ist, daß die verschiedenen Standards, die speziell die Zugriffstechnologien behandeln, im allgemeinen nur die physikalische und die Zugriffskontrollfunktion abdecken, aber nicht den Transport des IP spezifizieren. Andere Standards wie zum Beispiel die Internet-RFCs stellen Empfehlungen dazu bereit, wie die IP-Pakete über die Zugriffstransporttechnologien zu übertragen sind.
Die Folge des Verwendens von Zugriffsknotenvorrichtungen, die unterhalb der IP-Schicht funktionieren, ist, daß die Aufgabe der IP-Paketduplizierung zum Unterstützen der distributiven Paketdienste in einer anderen Vorrichtung als dem Zugriffsknoten durchgeführt werden muß. Dies bedeutet dann wiederum, daß mehrfache Kopien des gleichen Mehrfachsendepaketstromes auf der Übertragungsstrecke des Zugriffsknotens und folglich in den internen Busverbindungen des Zugriffsknotens erforderlich sein können. Es ist klar, daß eine Mehrfachsende-Netzkonfiguration, wie oben beschrieben, nicht "effizient" Mehrfachsendedienste durch einen Zugriffsknoten liefern kann, der unterhalb der IP-Schicht funktioniert, und entsprechend wird die Anzahl der Endbenutzer, die gleichzeitig eine Mehrfachsendeversorgung empfangen, infolge Überlastung und Blockierung begrenzt sein. Tatsächlich können auch Nicht-Mehrfachsendedienste wie zum Beispiel der traditionelle World Wide Web-Zugriff von Überlastung und Blockierung betroffen sein.
3 zeigt eine typische Netzanordnung zum Liefern von IP-Mehrfachsendeströmen an Endteilnehmer über einen Hochgeschwindigkeits-Zugriffsknoten. Ein IP-Mehrfachsendenetz 301 sendet paketierten Inhalt an ein IP-Mehrfachsende-Gateway 302. Das Gateway 302 versorgt eine Mehrzahl von Teilnehmerzugriffsknoten 303, von denen jeder dann wiederum eine Mehrzahl von Teilnehmereinrichtungen wie zum Beispiel Modems 304 versorgt. Das Teilnehmermodem kann eine Mehrzahl von Teilnehmereinrichtungen 305, 306 usw. mit dem Netz verbinden.
In 3 weist der Zugriffsknoten eine logisch separate Verbindung zu jedem Teilnehmer auf. Wenn die Zugriffstechnologie eine der xDSL-Technologien ist, entspricht die logische Topologie im allgemeinen der physikalischen Topologie. Wenn die Zugriffstechnologie eine der hybriden Faser-/Koax-, Satellitentechnologien und der zugehörigen "Rundsende"-Technologien ist, wird diese logische Topologie über eine Zugriffsanordnung implementiert, welche gewöhnlich Punkt-zu-Mehrpunkt ist.
Unter der Annahme, daß das IP-Mehrfachsendenetz effizient implementiert ist, wird eine einzelne Kopie eines paketierten Inhaltsstromes von dem IP-Mehrfachsendenetz an das "letzte" IP-Mehrfachsende-Gateway geliefert. In dem Schema ist dieser Strom mit einem Ziel von "*" bezeichnet, um zu zeigen, daß das Paket zum letzten Mal noch zu duplizieren ist.
Weil der Teilnehmerzugriffsknoten in diesem Beispiel nicht IP-fähig ist, obliegt es dem letzten Mehrfachsende-Gateway, den Mehrfachsendestrom zu jedem angeschlossenen Endbenutzer hin zu duplizieren. Auf der Strecke zu dem Teilnehmerzugriffsknoten hin wird folglich eine separate Kopie des paketierten Mehrfachsende-Inhaltsstromes an jeden angeschlossenen Teilnehmer adressiert und der Abschnitt wird ineffizient genutzt.
Die Kapazität der Strecken des Teilnehmerzugriffsknotens zu den IP-Mehrfachsende-Gateways ist auf der ganzen Welt unterschiedlich. Sie sind heutzutage in der Regel mit der Kapazität STM-1/OC3c (ca. 150 Mbit/s), DS3 (ca. 45 Mbit/s), E3 (ca. 33 Mbit/s) oder n × DS1/E1 (bis zu ca. 6/8 Mbit/s) ausgerüstet. Die Anzahl der Teilnehmer, die von jedem Zugriffsknoten versorgt werden, ändert sich ebenfalls. In den kleinsten verfügbaren Knoten werden weniger als zehn Teilnehmer unterstützt. In den größten verfügbaren Knoten (und Kombinationen von Knoten, die scheinbar ein einzelner großer Knoten sind) werden bis zu 10.000 oder mehr Teilnehmer unterstützt. In der Regel werden die heutigen Knoten für zwischen 50 und 1.000 Teilnehmer konfiguriert und laufende hohe Dienstausspeicherungsraten werden erwartet, um die typischen Knotengrößen auf zwischen 500 und 10.000 Teilnehmer in den nächsten zwei Jahren zu erhöhen.
Die typische Kapazität eines Rundsende-Qualitäts-Videostromes beträgt zwischen ungefähr 1,5 Mbit/s und 6 Mbit/s. Es ist daher klar, daß die Netzstrecken des Teilnehmerzugriffsknotens die Überlastung erreichen werden und mit nur einem relativ kleinen Anteil der Gesamtanzahl der Endbenutzer blockiert werden, die eine Mehrfachsende-Videoversorgung auswählen. Weil Zugriffsnetzbetreiber (und ihre Endbenutzer) im allgemeinen ein hohes Risiko der Überlastung und Blockierung nicht als akzeptabel ansehen, ist das wahrscheinliche Ergebnis, daß solche Mehrfachsendedienste durch das letzte Gateway des Zugriffsnetzbetreibers nicht angeboten oder unterstützt werden.
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel eines Steuerungs- und Informationsaustausches während einer typischen IP-Mehrfachsende-Sitzung zeigt.
Am Anfang muß der Benutzer herausfinden, welche Mehrfachsendedienste für ihn über die Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung zur Verfügung stehen. Es sind viele verschiedene Möglichkeiten vorhanden, die diese Informationen an die Endbenutzeranwendung transportieren können. Das Verfahren des Herausfindens wirkt sich nicht wesentlich auf den folgenden Informationsfluß aus.
Der Endbenutzer löst eine Mehrfachsendeverbindung durch Auffordern der Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung aus, einen speziellen Mehrfachsendefluß weiterzuleiten. Nachdem es möglicherweise erforderlich ist, eine Kopie des angeforderten Mehrfachsendeflusses von anderswo in dem Netz zu finden, wird der Mehrfachsende-Paketrouter eine Kopie des Mehrfachsendeflusses an den anfordernden Benutzer weiterleiten (wenn der Fluß nicht bereits an den Benutzer gesendet wurde).
Aus der Sicht des Endbenutzers kann dies als "Verbindung im Gange" betrachtet werden: die Root-Inhaltsquelle kann den Mehrfachsendefluß eine beträchtliche Zeitdauer im voraus in das Netz gesendet haben, aber zu allen intensiven Zwecken ist der neu angeschlossene Endbenutzer nicht von den Paketen betroffen, die in der Vergangenheit gesendet worden sind. Der neu angeschlossene Benutzer beginnt die Pakete zu empfangen, die die Root-Inhaltsquelle gerade gesendet hat.
Die Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung fragt den Endbenutzer regelmäßig ab, um zu prüfen, ob der Mehrfachsendestrom noch erforderlich ist. Vom Endbenutzer wird erwartet, daß er diese Anfrage unverzüglich bestätigt. Wenn die Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung nicht eine bestimmte Anzahl von Abfragebestätigungen erhält, wird sie annehmen, daß der Mehrfachsendestrom nicht länger erforderlich ist und das Duplizieren und Weiterleiten dieses Stromes an diesen Endbenutzer einstellen.
Ebenfalls kann der Endbenutzer freiwillig den Mehrfachsende-Paketrouter zu jedem Zeitpunkt informieren, daß der Mehrfachsendestrom nicht länger erforderlich ist. In diesem Fall wird auch der Mehrfachsende-Paketrouter das Duplizieren und Liefern des Paketstromes an den Endbenutzer einstellen.
Es ist aus dieser Beschreibung der typischen Arbeitsweise einer IP-Mehrfachsende-Sitzung klar, daß eine bidirektionale Steueranforderung vorhanden ist, um den unidirektionalen Mehrfachsende-Informationsstrom zu unterstützen. Der gleiche Mehrfachsendefluß kann an viele Endbenutzern geliefert werden, aber jeder Endbenutzer weist einen privaten Steuerfluß zurück zu ihrem Mehrfachsende-Paketrouter auf.
Die bidirektionale Steueranforderung ist insbesondere gegensätzlich zu der normalen Arbeitsweise der Mehrfachsendefähigkeiten der Transporttechnologien wie zum Beispiel ATM, welche umfassend als eine Transporttechnologie in xDSL-Netzen verwendet wird.
In einem typischen ATM-basierten xDSL-Zugriffsnetz wird eine Verbindung zwischen einem Endbenutzer und einem Mehrfachsende-Paketrouter im allgemeinen durch administrative Maßnahmen konfiguriert. Die resultierende Verbindung wird als semipermanent in dem Sinne angesehen, daß die Verbindung weiter aktiv bleibt, bis eine andere administrative Maßnahme ergriffen wird, um sie zu auszulösen. Das ATM-Protokoll unterstützt zwei verschiedene Verbindungstypen:

– eine Punkt-zu-Punkt-Verbindungsklasse, in welcher zwei klar definierte Endpunkte vorhanden sind und der Informationsfluß in der Regel bidirektional ist.
– eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungsklasse, in welcher eine klar definierte "Root" und von einem bis viele klar definierte "Blätter" ("Leaves") vorhanden ist. Der Informationsfluß in einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung ist immer unidirektional von der Root zu den "Blättern" hin.

Die Schwierigkeit bei der Verwendung von ATM, um IP-basierte Mehrfachsendeflüsse zu transportieren, ist nun offensichtlich: die Informationskomponente eines IP-Mehrfachsendeflusses folgt dem ATM-Modell einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung, aber die Steuerkomponente eines IP-Mehrfachsendeflusses folgt dem ATM-Modell einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Im heutigen Netz sind die bekannten Verfahren zum Mapping der IP-Mehrfachsendeverbindungen auf die zugrundeliegende ATM- Infrastruktur entweder (a) nicht skalierbar, um Hunderte, Tausende oder Zehntausende von Endbenutzern in großen öffentlichen Zugriffsnetzen zu unterstützen, (b) nicht kompatibel mit den Merkmalen und Fähigkeiten, die in großen öffentlichen Zugriffsnetzen eingesetzt sind, oder (c) wegen der erhöhten Komplexität der Konfiguration und/oder Verwaltung unerwünscht.
Beschreibung der Erfindung
Im heutigen Stand der Technik, müssen, wenn ein Mehrfachsendestrom an mehr als einen Teilnehmer gesendet werden muß, der mit dem gleichen Teilnehmerzugriffsknoten verbunden ist, die Pakete in dem Strom am letzten IP-Router/-Gateway des Netzes dupliziert und dann als separate Nicht-Mehrfachsendeströme an jeden angeschlossenen Teilnehmer gesendet werden.
Wenn der Zugriffsknoten, mit dem der Teilnehmer verbunden ist, an sich fähig ist, den IP-Mehrfachsendeverkehr an allen seinen internen Schalt- und Multiplexstellen zu unterstützen, kann die Duplizierung der Mehrfachsendeströme an dem Leitungsabschluß des Endbenutzers stattfinden und die Effizienz eines IP-basierten Dienstes wird sichergestellt.
Jedoch ist die große Mehrheit der heutigen Zugriffsknoten, die den Internet-Zugriff unterstützen, selbst keine IP-Vorrichtung. In der Regel arbeiten sie auf einer Schicht unter IP wie zum Beispiel auf der ATM-Schicht oder Frame-Relay-Schicht.
Oft weist die zugrundeliegende Transportschicht ihre eigenen Mechanismen zum Unterstützen von Mehrfachsendediensten auf. In dem Fall von ATM wird dieser Mechanismus als Punkt-zu-Mehrpunkt bezeichnet. Jedoch sind die Annahmen des Dienstemodells, die den Punkt-zu-Mehrpunkt-Fähigkeiten des ATM zugrundeliegen, von der durch IP angenommenen Architektur des Dienstemodells grundsätzlich verschieden. In ATM sind Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen an sich unidirektional, und in IP erfordern Mehrfachsendeverbindungen einen laufenden bidirektionalen Steuerdialog, um den IP-Mehrfachsendedienst zu initiieren und aufrechtzuerhalten.
So können sogar, wenn der zugrundeliegende Transportmechanismus seine eigenen effizienten Punkt-zu-Mehrpunkt-Mechanismen unterstützt, diese Effizienzen nicht direkt realisiert werden, wenn sich der IP-Mehrfachsendedienst nicht auf den Mehrpunktdienst des Transportmechanismus abbilden läßt.
Die hier beschriebene Erfindung ist ein Verfahren zum Konfigurieren einer Zelle oder Pakets des Zugriffsknotens und des IP-Gateways, welche unidirektionale oder bidirektionale Punkt-zu-Punkt- und unidirektionale Punkt-zu-Mehrpunkt-Transportverbindungen unterstützen, so daß diese Transportmerkmale verwendet werden können, um effizient IP-Mehrfachsendedienste für die Endbenutzer bereitzustellen. Die Erfindung wird speziell in Zusammenhang eines zugrundeliegenden ATM-Transportes beschrieben, ist aber im allgemeinen in Zusammenhängen anderer zugrundeliegender Zell- und Paketprotokolle mit ähnlichen verbindungsorientierten Dienstecharakteristika, wie durch ATM unterstützt, anwendbar. Das offenbarte Verfahren stellt einen Effizienz- und Skalierbarkeitsvorteil gegenüber den beschriebenen heutigen Implementierungen dar, wenn der Punkt, an welchem die Paket- oder Zellduplizierung stattfinden würde, an einem Netzort ist, der näher an den Endbenutzern als der Ort des letzten IP-Mehrfachsenderouters ist.
5 zeigt eine IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 501, einen ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten 502 und mehrere Endbenutzermodems 503 und Anwendungen 504, die eine gemeinsame IP-Mehrfachsendeversorgung wünschen.
Auf der IP-Schicht werden die Mehrfachsende-Informationspakete normalerweise in dem gleichen Kanal transportiert, der die Mehrfachsende-Steuerpakete überträgt. Das in dieser Erfindung offenbarte Verfahren verwendet speziell definierte Paketweiterleitungsregeln auf dem Endbenutzermodem und auf dem IP-Mehrfachsenderouter, um zu erlauben, daß der Informationsfluß und Steuerfluß getrennt werden können, die über den entsprechenden Typ der ATM-Verbindung transportiert werden.
In der Richtung von dem IP-Mehrfachsenderouter zu dem Endbenutzer weist der IP-Mehrfachsenderouter zwei Verbindungen zu jedem Teilnehmer auf:

– eine gemeinsame Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung 509, auf welcher der Mehrfachsende-Informationsfluß gesendet wird,
– eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung 507 für jeden Endbenutzer, auf welcher aller andere IP-Verkehr gesendet wird.
– Die ATM-basierte Mehrfachsendung wird über die Strecke 508 gesteuert.
– Wenn ein IP-Mehrfachsende-Informationspaket an dem IP-Mehrfachsenderouter eintrifft, das für die Endbenutzer bestimmt ist, leitet der IP-Mehrfachsenderouter eine einzelne Kopie des Pakets in die gemeinsame Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung weiter. Die Verantwortlichkeit für das Duplizieren des Pakets wird auf der zugrundeliegenden ATM-Infrastruktur angeordnet.

Wenn der IP-Mehrfachsenderouter ein Mehrfachsende-Steuerpaket an den Endbenutzer senden muß oder wenn ein anderes Nicht-Mehrfachsende-IP-Paket an dem Router eintrifft, das für diesen gleichen Endbenutzer bestimmt ist, werden diese Pakete unter Verwendung der dedizierten Punkt-zu-Punkt-Verbindung an den Endbenutzer weitergeleitet.
Zwei verschiedene ATM-Verbindungen kommen an dem Modem des Endbenutzers von dem ATM-Netz an: der Punkt-zu-Mehrpunkt-Abschluß und der Punkt-zu-Punkt-Abschluß. Das Modem des Endbenutzers erfordert eine ausreichende Funktionalität, um Pakete auf jedem dieser Abschlüsse zu empfangen und um die Pakete vor ihrem Weiterleiten an die IP-Anwendungen des Endbenutzers zu multiplexen. In der Regel basieren die Schnittstellen von dem Modem des Endbenutzers zu den IP-Anwendungen auf Standards wie zum Beispiel 10/100 Ethernet, Universal Serial Bus, ATM-25 und einem Bereich von anderen.
In der Gegenrichtung von dem Endbenutzer zu dem IP-Mehrfachsenderouter können der IP-Mehrfachsende-Steuerverkehr und alle anderen Arten von Verkehr unter Verwendung der Gegenrichtung der dedizierten Punkt-zu-Punkt-Verbindung transportiert werden.
In jedem Fall rechtzeitig kann jeder der Endbenutzer, die mit der IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung verbunden sind, den Mehrfachsende-Informationsfluß empfangen oder nicht. Ebenfalls können die Endbenutzer zu jeder Zeit unabhängig den Empfang des Mehrfachsendeflusses anfordern oder die Trennung von dem Mehrfachsendefluß anfordern. Da Endbenutzer den Empfang anfordern und die Trennung anfordern, verwendet der IP-Mehrfachsende-Paketrouter seine "Steuerung der ATM-basierten Mehrfachsende-Verbindung" mit dem Teilnehmerzugriffsknoten, um den Teilnehmerzugriffsknoten anzuweisen, die Punkt-zu-Mehrpunkt-Blattverbindungen der Transportschicht zu den speziellen Endbenutzern zu aktivieren oder zu deaktivieren.
Wenn der letzte Endbenutzer auswählt, die Trennung von dem Mehrfachsende-IP-Fluß vorzuschlagen, kann die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung in ihrem Ermessen das Senden der IP-Mehrfachsende-Informationspakete an den Zugriffsknoten des Endbenutzers stoppen. Wenn ein Endbenutzer wieder den Empfang dieses Mehrfachsende-Informationsflusses anfordert und die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung vorher das Senden von Informationspaketen an den Teilnehmerzugriffsknoten eingestellt hat, wird sie zuerst ihre Übertragung des Mehrfachsende-Informationsflusses wiederaufnehmen und dann den Teilnehmerzugriffsknoten anweisen müssen, den anfordernden Teilnehmer mit dem neuen Mehrfachsende-Baum zu verbinden.
In vielen Fällen unterstützt die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung mehr als eine Schnittstelle zu möglicherweise mehr als einem Teilnehmerzugriffsknoten, wie in 6 gezeigt. Die Anordnung in 6 beinhaltet den IP-Mehrfachsenderouter 601 und den ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten 602. In diesem Fall muß eine separate gemeinsame Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung auf jeder der Teilnehmerzugriffsknoten-Schnittstellen bereitgestellt werden und der Mehrfachsenderouter muß die separaten Instanzen der Mehrfachsende-Informationspakete duplizieren und diese in jede der Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen weiterleiten.
In dem allgemeineren Fall, wo der IP-Mehrfachsenderouter mehr als einen IP-Mehrfachsendestrom für die Endbenutzer zur Verfügung hat, umfaßt eine mögliche Anordnung eine Mischung von;

– Endbenutzern, die einen speziellen Mehrfachsendestrom empfangen möchten,
– Endbenutzern, die einen der anderen verfügbaren Mehrfachsendeströme empfangen möchten,
– Endbenutzern, die keinen Mehrfachsendestrom empfangen möchten.

In diesem allgemeineren Fall hält jeder Endbenutzer eine einzelne dedizierte Punkt-zu-Punkt-Strecke für den gesamten Nicht-Mehrfachsende-Informationsverkehr aufrecht, wie in 7 gezeigt. In diesem Beispiel werden p verschiedene Mehrfachsendeflüsse an die Teilnehmerzugriffsknoten an n + 4 Endbenutzer geliefert.
Jeder mögliche Mehrfachsendestrom wird auf einer dedizierten Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung transportiert. Jedoch muß eine separate und dedizierte Punkt-zu-Mehrpunkt-Informationsverbindung zwischen der IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung und jedem Teilnehmerzugriffsknoten bereitgestellt werden.
Wie in 7 gezeigt, stehen die "p" IP-Mehrfachsendeströme von der IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 701 für jeden Teilnehmer über den ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten 702 zur Verfügung. Jeder dieser "p" Ströme wird über eine ATM-Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung übertragen. Der Endbenutzer kann einen der "p" Mehrfachsendeströme auswählen.
In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung könnte die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung in einem Nicht-IP- basierten Zugriffsknoten implementiert sein, wie in 8 gezeigt. Ein spezielles Beispiel solch einer Ausführungsform könnte ein Teilnehmerzugriffsknoten 801 sein, welcher ATM als den internen Kommunikationsmechanismus verwendet, aber eine Plug-in-IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 802 beinhaltet, die eine ähnliche Funktion wie die einer externen IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung ausführt. Ein Verbindungsmanager 807 des Teilnehmerzugriffsknotens steuert die ATM-basierte Mehrfachsendung in Zusammenarbeit mit der IP-Mehrfachsende-Steuerstrecke des Teilnehmers.
Ältere Lösungen verwenden nicht die Mehrfachsendefähigkeiten der Transportschicht (z.B. ATM) der Teilnehmerzugriffsknoten. Verschiedene Endbenutzer müssen jeder eine verschiedene Kopie des Mehrfachsende-Informationsflusses empfangen.
Typische Streckenkapazitäten zwischen der IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung und dem Teilnehmerzugriffsknoten sind: Kapazität STM-1/OC3c (ca. 150 Mbit/s), DS3 (ca. 45 Mbit/s), E3 (ca. 33 Mbit/s) oder n × DS1/E1 (bis zu ca. 6/8 Mbit/s).
Die typische Kapazität eines Rundsende-Qualitäts-Mehrfachsende-Videostromes beträgt zwischen ungefähr 1,5 Mbit/s und 6 Mbit/s. Es ist dann klar, daß die alte Lösung nicht mehr als ungefähr 100 gleichzeitige Endbenutzer-Mehrfachsendesitzungen selbst mit der Schnittstelle der höchsten Kapazität und dem Videostrom der niedrigsten Kapazität unterstützen kann.
Die neue Lösung ist effizienter, weil nur eine einzelne Kopie jedes Streaming-Kanals an den Teilnehmerzugriffsknoten geliefert wird. Dies erlaubt der neuen Lösung, eine sehr große Anzahl von gleichzeitigen Endbenutzer-Mehrfachsendesitzungen zu unterstützen. Das neue Verfahren erlaubt allen Endbenutzern, gleichzeitig eine Mehrfachsende- Informationsversorgung zu empfangen, auch wenn die Anzahl der Endbenutzer in dem Teilnehmerzugriffsknoten viele Tausende oder mehr beträgt.
Die Erfindung ist ebenfalls auf den Fall anwendbar, wo eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Strecke verwendet wird, um eine beliebig große Anzahl von dedizierten Punkt-zu-Mehrpunkt-Strecken zu steuern, so daß der Endbenutzer mehr als ein Mehrfachsendesystem empfangen kann. In diesem Fall greift der Teilnehmer auf eine einzelne Punkt-zu-Punkt-Strecke und mehrere Punkt-zu-Mehrpunkt-Strecken zu.
In einem weiteren verallgemeinerten Fall wird jeder Endbenutzer eine Fähigkeit aufweisen, mehr als einen Mehrfachsendefluß auszuwählen, wie in 9 gezeigt. Jeder Endbenutzer hält eine einzelne Punkt-zu-Punkt-Steuerverbindung 904 und Signale an die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung 902 aufrecht, um einen der zur Verfügung stehenden "p" Mehrfachsendeströme 907, 908 zu erhalten oder sich davon zu trennen. In 9 haben die Benutzer "n + 1" und "n + 2" ausgewählt, um den ersten und den "p-ten" Mehrfachsendestrom 907, 908 gleichzeitig zu erhalten, und abhängig von den Diensterichtlinien, der verfügbaren Kapazität auf der Teilnehmerverbindung und vielleicht anderen Einschränkungen kann jeder der anderen Mehrfachsendeströme, die an dem ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten zur Verfügung stehen, ausgewählt werden.
Ein Beispiel dafür ist folgendes. Es ist zu berücksichtigen, daß das Beispiel mit dem Endbenutzer in einem Zustand beginnt, in welchem keine Mehrfachsendeverbindungen angefordert worden sind und keine zu empfangen sind. In 9 ist der Endbenutzer "n + 2" in diesem Zustand. Der Endbenutzer kann anschließend eine Priorität übermitteln, um den ersten Mehrfachsendestrom unter Verwendung des dedizierten Punkt-zu- Punkt-Steuerkanals zu empfangen. Wenn die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung die Anforderung freigibt, werden die entsprechenden Verbindungen in dem ATM-basierten Teilnehmerzugriffsknoten hergestellt und der Strom wird geliefert. Der Endbenutzer ist nun in dem Zustand, der durch den Endbenutzer in 9 gezeigt wird.
Der Endbenutzer kann anschließend ein zweites Mal übermitteln, indem eine Priorität angegeben wird, um den "p-ten" Mehrfachsendestrom zu empfangen. Die IP-Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung und der ATM-basierte Teilnehmerzugriffsknoten müssen Kontrollen durchführen, um zu überprüfen, daß der Endbenutzer fähig ist, gleichzeitig den zweiten Mehrfachsendestrom zu empfangen. Wenn die Verbindung aufgebaut ist, so wird der Endbenutzer in dem durch den Endbenutzer "n + 3" in 9 gezeigten Zustand sein.
Der Endbenutzer kann weiter an die Mehrfachsende-Paketroutingvorrichtung übermitteln, um sich entweder mit mehr Mehrfachsendeströmen zu verbinden oder sich von einem der vorher verbundenen Ströme zu trennen.
Folglich, wenn der Endbenutzer in dem Beispiel nun übermitteln müsste, indem eine Priorität angegeben wird, um sich von dem ersten Mehrfachsendestrom zu trennen, falls und wenn der Schritt unternommen wird, den Endbenutzer zu trennen, wären sie in dem durch den Endbenutzer "n" in 9 angegebenen Zustand.

Claims

Verfahren des Bereitstellens der bidirektionalen Verbindung in einem mehrfachsendefähiges Netzwerk (301), gekennzeichnet durch die Schritte des Implementierens von Paket- oder Zellweiterleitungsregeln auf Teilnehmerendgeräten (305, 306) und auf einem Mehrfachsenderouter (205), um die Trennung der Downstreamflüsse und der bidirektionalen oder unidirektionalen Upstreamflüsse zu ermöglichen, in welchem die unidirektionalen Flüsse von dem Router (205) an einen Zugriffsknoten (303) als ein einzelner Strom weitergeleitet werden und in dem Zugriffsknoten (303) zur Übertragung über einzelne Wege an die Teilnehmerendgeräte (305, 306) repliziert werden, und in welchem einzelne bidirektionale Flüsse zwischen dem Router (205) und den Teilnehmerendgeräten (305, 306) als einzelne Flüsse über den Zugriffsknoten (303) weitergesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Regeln die Flüsse trennen in: – eine oder mehr gemeinsame Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen, auf welchen der unidirektionale Mehrfachsende-Informationsfluß gesendet wird; – eine dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindung für jedes Endbenutzergerät, auf welcher anderer Verkehr gesendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem der Informationsfluß auf einer ATM-Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung übertragen wird und in welchem bidirektionale Flüsse und Steuerflüsse auf einer ATM-Punkt-zu-Punkt-Verbindung übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem das Netz ein Punkt-zu-Mehrpunkt-fähiges Netz ist, das umfaßt: – einen Mehrfachsenderouter; – eine Mehrzahl von Endbenutzer-Kommunikationsgeräten; und – einen Zell- oder Paket-basierten Zugriffsknoten und IP-Gateway, die bidirektionale Punkt-zu-Punkt- und unidirektionale Punkt-zu-Mehrpunkt-Transportverbindungen unterstützen, die zwischen dem Router und den Endbenutzer-Kommunikationsgeräten zwischengeschaltet sind. wobei das Verfahren umfaßt: – das Implementieren von Paketweiterleitungsregeln auf den Endbenutzer-Kommunikationsgeräten und auf dem IP-Mehrfachsenderouter, um die Trennung der unidirektionalen und der bidirektionalen Flüsse zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem die unidirektionalen Flüsse zwischen dem Router und den Benutzergeräten Punkt-zu-Mehrpunkt-ATM-Flüsse sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die Steuerflüsse und die bidirektionalen Flüsse zwischen den Benutzergeräten und dem Router als Punkt-zu-Punkt-ATM-Flüsse gesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem der Router ein IP-Mehrfachsenderouter ist.
Punkt-zu-Mehrpunkt-fähiges Netz (301), das umfaßt: – einen Mehrfachsenderouter (205); und – eine Mehrzahl von Endbenutzer-Kommunikationsgeräten (305, 306); – einen Zell- oder Paket-basierten Zugriffsknoten (303), der bidirektionale Punkt-zu-Punkt- und unidirektionale Punkt-zu-Mehrpunkt-Transportverbindungen unterstützt, die zwischen dem Router (205) und den Endbenutzer-Kommunikationsgeräten (305, 306) zwischengeschaltet sind; gekennzeichnet durch – Einrichtungen zum Weiterleiten unidirektionaler Flüsse von dem Router (205) an den Zugriffsknoten (303) als einen einzelnen Strom und zu ihrem Replizieren in dem Zugriffsknoten (303) zur Übertragung über einzelne Wege an die Teilnehmerendgeräte (305, 306); und – Einrichtungen zum Weitersenden einzelner bidirektionaler Flüsse zwischen dem Router (205) und den Teilnehmerendgeräten (305, 306) als einzelne Flüsse über den Zugriffsknoten (303); – ein Paket, in welchem Weiterleitungsregeln die Teilnehmerendgeräte (305, 306) und den Mehrfachsenderouter (205) steuern, um die Trennung der unidirektionalen und der bidirektionalen Flüsse zu ermöglichen.