DE60121183T2

DE60121183T2 - Verteilung der protokollverarbeitung

Info

Publication number: DE60121183T2
Application number: DE60121183T
Authority: DE
Inventors: Tommi Koistinen; Johan HAEGGSTRÖM
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-08-13
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-08-14
Also published as: US7636355B2; CA2420310C; WO2002023862A1; FI20002025A; EP1317836B1; AU2001279871A1; CA2420310A1; US20040028033A1; EP1317836A1; ATE332052T1; FI112308B; DE60121183D1; FI20002025A0; ES2264701T3

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Protokollverarbeitung in einem Netzelement. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Protokollverarbeitung in einem Netzelement, genannt Media-Gateway (MGW), welches Kommunikationskanäle unter verschiedenen Arten von Kommunikationsnetzen umsetzt.
Hintergrund der Erfindung
Es ist zweckmäßig, die Aufgaben eines Kommunikationsnetzes in mehrere Teile aufzuteilen. Gewisse Regeln müssen befolgt werden, um diese Aufgaben zu erfüllen. Ein Format und ein Satz von Regeln werden ein Protokoll genannt. Es gibt mehrere unterschiedliche Protokolle in Kommunikationsnetzen. Dementsprechend werden die Aufgaben eines Netzelements in verschiedene Teile aufgeteilt.
1 zeigt, wie TCP/IP-Protokolle unter Verwendung eines Schichtmodells zusammenarbeiten. Zunächst werden die Aufgaben in vier Schichten aufgeteilt, die Anwendungsschicht, Transportschicht, IP-Netz-Schicht und Netzschnittstellenschicht genannt werden. Die Anwendungsschicht enthält Anwendungsprogramme, die Benutzer aufrufen. Die Programme greifen auf Dienste zu, die im Internet verfügbar sind, und interagieren mit einem der Protokolle in der Transportschicht, um Daten zu senden oder zu empfangen. Üblicherweise verwenden die Anwendungsprogramme bestimmte Protokolle, wie SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Monitoring Protocol), und RTP (Real Time Transport Protocol), um mit den Protokollen in den Transportschichten zu interagieren.
Die Transportschicht bietet Kommunikation zwischen einem Paar von Anwendungsprogrammen, eines in einem lokalen Netzelement und das andere in einem entfernten Netzelement. Eine derartige Kommunikation wird oft durchgehende (end-to-end) Kommunikation genannt. Transportprotokoll-Software kann zuverlässigen Transport bieten, wobei sichergestellt ist, dass Daten ohne Fehler und geordnet bzw. nacheinander ankommen. Die Transportprotokollsoftware teilt den Datenstrom, der übertragen wird, in Pakete ein und gibt jedes Paket zusammen mit einer Zieladresse an die IP-Netzschicht weiter. Die üblichsten Transportprotokolle sind UDP (User Datagram Protocol) und TCP (Transmission Control Protocol).
Die IP-Netz-Schicht erledigt die Kommunikation von einem Netzelement zu einem anderen Element. Sie nimmt eine Anforderung zum Senden eines Pakets aus der Transportschicht mit einer Kennzeichnung des Netzelements an, an welches das Paket gesendet werden soll. Die IP-Netzschicht verkapselt das Paket in einem IP-Datagramm, entscheidet wohin das Datagramm gesendet werden soll und leitet das Datagramm an die passende Netzschnittstelle zur Übertragung. Die IP-Netzschicht bearbeitet auch eingehende Datagramme, überprüft ihre Gültigkeit und entscheidet, ob das Datagramm lokal bearbeitet werden soll oder zu einem anderen Netzelement weitergeleitet werden soll. Das in dieser Schicht verwendete Protokoll ist IP (Internet Protocol).
Die Netzschnittstellenschicht umfasst Schnittstellensoftware, die das Annehmen von IP-Datagrammen und das Senden dieser über ein spezifisches Netz erledigt. Ein Kommunikationsnetz verwendet netzspezifische Rahmen, um IP-Datagramme zu übertragen, und somit erledigt die Netzschnittstellenschicht das Verpacken und Entpacken von IP-Datagrammen in und aus Netz-Rahmen.
2 veranschaulicht ein Beispiel für ein Netzelement (21), ein sogenanntes Gateway. Ein Gateway überführt bzw. übergibt Kommunikationskanäle unter verschiedenen Arten von Kommunikationsnetzen, in 2 IP-Verkehr vom Internet zu PSTN-Verkehr in TDM (time division multiplexing, Zeitmultiplex)-Netzen und umgekehrt. Die CPU (central processing unit, zentrale Verarbeitungseinheit) (22) enthält eine MAC(Media Access Control)-Schnittstelle für eine physische Internetschnittstelle (23) (MAC bezieht sich auf die Hardwareprotokolle niedrigerer Schichten, die verwendet werden, um auf ein bestimmtes Netz zuzugreifen. Die CPU enthält auch einen Internetprotokollstapel (24) (siehe 1). Dies ist eine typische Situation für VoIP (Voice over IP)-Implementierungen.
Das Gateway enthält auch mehrere DSPs (digitale Signalprozessoren) (25), die das IP-Verkehrsformat in ein Verkehrsformat umwandeln, das in einem TDM-Netz verwendet wird, wie PCM (Pulskodemodulation), und umgekehrt. Ein DSP ist ein modifizierter schneller Echtzeitprozessor für einen bestimmten Signalisierungs-Verarbeitungsvorgang.
Normalerweise erledigt der IP-Stapel (24) die Aufgaben der Netzschnittstellenschicht, IP-Netzschicht und Transportschicht. Da ein Gateway üblicherweise nur eine CPU enthält und Kanäle verschiedener DSPs es beladen bzw. belasten, bildet die CPU einen Kapazitäts-Engpass. Das Ziel dieser Erfindung ist, diesen Nachteil zu verringern. Dies wird auf eine in den Ansprüchen beschriebene Weise erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Idee der Erfindung ist, einen IP-Protokollstapel zwischen einer CPU und mehreren DSPs in einem Netzelement aufzuteilen. Da die CPU eine MAC-Schnittstelle für eine Internetschnittstelle enthält und IP-Verkehr zum richtigen DSP routet bzw. weiterleitet, muss ein gewisser Teil des IP-Protokollstapels in der CPU bearbeitet werden. Der Rest des IP-Protokolls wird von jedem DSP bearbeitet. Auf diese Weise ist es möglich, die Verarbeitung des IP-Stapels unter mehreren Prozessoren zu verteilen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung ausführlicher mittels der 1 bis 3 in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
1 ein Beispiel einer Netzschicht im Internet darstellt,
2 ein Beispiel eines Gateways zwischen dem Internet und TDM-Netzen darstellt,
3 ein Beispiel einer erfinderischen Anordnung darstellt,
4 ein Beispiel dafür darstellt, wie der IP-Stapel aufgeteilt wird und Kanäle geroutet werden, basierend auf IP-Adressen,
5 ein Beispiel dafür darstellt, wie der IP-Stapel aufgeteilt wird und Kanäle geroutet werden, basierend auf UDP- oder TCP-Portnummern,
6 ein Beispiel dafür darstellt, wie Kanäle unter DSPs aufgeteilt werden, basierend auf Echtzeit-Verkehrsanforderungen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
3 zeigt ein Beispiel der Anordnung gemäß der Erfindung. Der gesamte IP-Stapel wird normalerweise in der CPU (22) bearbeitet. Eine CPU verbraucht mehr Energie und Kapazität als ein DSP. Eine CPU enthält jedoch auch mehr Speicher und Kapazität als ein DSP. Die normale Situation ist, dass eine CPU eine Schnittstelle für das Internet bildet und den IP-Protokollstapel verarbeitet. Die CPU leitet auch Verkehr von dem Internet an verschiedene DSPs weiter und umgekehrt. Diese Art von Architektur belastet die CPU, während die DSPs freie Kapazitäten haben könnten. In der Erfindung wird der IP-Protokollstapel auf zwei Stapel aufgeteilt: Stapel A (31) in der CPU und Stapel B (32) in jedem DSP (25) in 3 zum Verteilen der Last der IP-Stapel-Verarbeitung.
Das Aufteilen des IP-Stapels macht es möglich, die Situation zu vermeiden, in der die CPU eine Kapazitätsengstelle ist. Es kann zum Beispiel sein, dass die CPU die maximale Anzahl von Kanälen bearbeitet, während in den DSPs nur ein Drittel der Kanalkapazität verwendet wird, so dass ein Kapazitätsengpass verursacht wird. Ein einfacher Weg zum Lösen dieses Problems ist es, die Anzahl von CPUs zu erhöhen oder die Anzahl von DSPs zu verringern, doch beide würden zu einer nicht-optimalen Lösung führen.
Da die CPU eine MAC-Schnittstelle für die physische Internetschnittstelle (23) aufweist, müssen IP-Protokolle, die in Hardware verwendet werden, (siehe die Netzschnittstellenschicht in 1) sich in Stapel A befinden. Der Rest des IP-Stapels kann sich in Stapel B befinden, d.h. die Protokolle (wie IP, UDP, TCP) der IP-Netzschicht und der Transportschicht. Üblichweise befinden sich Anwendungsprotokolle in einem Endpunkt-Element, doch es kann auch möglich sein, einige Anwendungsprotokolle in Stapel B unterzubringen.
Normalerweise ist es das IP-Protokoll in der CPU, welches den eingehenden IP-Verkehr von dem Internet an das richtige Ziel über den richtigen DSP leitet, doch in der erfinderischen Anordnung muss es eine andere Lösung geben, da die DSPs das IP-Protokoll beinhalten. In der Erfindung weist jeder DSP vorzugsweise seinen eigenen Identifikationscode innerhalb des IP-Adressfelds des IP-Datagramms auf. Mit anderen Worten, jedes DSP bildet ein Teilnetz bzw. Unternetz, welches eine eigene Netzadresse aufweist. 4 veranschaulicht ein Beispiel dieser Situation. Eine einfache Routingtabelle (43) muss in der CPU vorliegen, um zu überprüfen, an welchen DSP eingehender Verkehr weitergeleitet bzw. geroutet wird. Nach dem Empfangen (42) und Weiterleiten des eingehenden Verkehrs sendet die CPU ihn an den richtigen DSP, der den Verkehr im Stapel B (42) auseinander nimmt, bevor der Benutzerdatenverkehr an das TDM-Netz übertragen wird.
Andere Lösungen zum Adressieren des Verkehrs an den richtigen DSP sind, UDP (User Datagram Protocol) oder TCP-Portnummern zu verwenden. Die Anwendung dieser Möglichkeiten hängt jedoch stark von der Größe der TDM-Netze hinter den DSPs ab. Eine UDP- oder TCP-Portnummer kennzeichnet normalerweise einen Protokollport (einen Zielpunkt) für eine bestimmte Anwendung, wie FTP oder SMTP. Wenn die UDP- oder TCP-Portnummer zum Routen von Verkehr in einem Gateway verwendet werden, kann die CPU auch nur eine IP-Adresse aufweisen (dies kann eine erwünschte Eigenschaft sein), welche für alle DSPs die gleiche ist. Die Trennung der Transportkanäle beruht auf den UDP/TCP-Portnummern. 5 zeigt ein Beispiel dieser Lösung, wobei Stapel A (51) das verwendete Netzschnittstellenprotokoll enthält, und Stapel B (52) RTP- (oder ein anderes Anwendungsprotokoll), UDP- (oder TCP) und IP-Protokolle enthält. Bei Verwendung von UDP/TCP-Portnummern benötigt die CPU eine Routingtabelle (53), in der jede Portnummer in einen Datenbus zwischen der CPU und den DSPs abgebildet bzw. zugeordnet wird. Jeder DSP kann den richtigen Schlitz wählen, der den richtigen Verkehr enthält, von dem Datenbus in dem Gateway.
Es ist ebenso möglich, die Trennung von Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Verkehr zum Routen zu benutzen. Siehe 6. In dieser Lösung wird der Echtzeitverkehr in einem eigenen DSP (61) (oder in DSPs) verarbeitet, und der Nicht-Echtzeitverkehr in dem anderen DSP (62). Die CPU muss eine einfache Routingtabelle aufweisen, die den Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Verkehr zu dem richtigen DSP (63) zuweist. Auf diese Weise können die Echtzeit- Anforderungen durch Verwendung des zugeordneten DSP garantiert werden. Fest zugeordnete DSPs machen es möglich, Speicher effizient zu verwenden, da die Verarbeitung für alle Kanäle die gleiche ist. In der IP-Protokoll-Version IPv4 enthält der Header des IP-Datagramms ein Feld für Type of Service (ToS). Es ist möglich, den Echtzeitverkehr (geringe Verzögerung) und den Nicht-Echtzeit-Verkehr durch Verwendung dieses Felds zu identifizieren. In dem IP-Protokoll IPv6 und dem DiffServ-System sind entsprechende Felder vorhanden, um den Echtzeit-Verkehr und den Nicht-Echtzeit-Verkehr zu identifizieren, d.h. die Dienstqualität (QoS). QoS schließt auch andere Kriterien für die Dienstqualität ein, wie ein hoher Durchsatz oder hohe Zuverlässigkeit, die auch für Routingzwecke genutzt werden können, falls gewünscht. Es ist erwähnenswert, dass in diesem Fall QoS-Kennungen identifizieren, durch welchen DSP ein einzelner Kanal geht. Für den Fall von 6 enthält Stapel A (64) das verwendete Netzschnittstellenprotokoll, und Stapel B (65) RTP- (oder ein anderes Anwendungsprotokoll), UDP- (oder TCP) und IP-Protokolle.
Es ist ebenso möglich, das RTP (Realtime Transport Protocol) zum Routen in der CPU zu verwenden. Das RTP-Protokoll enthält ein Nutzlast-Feld, welches eine Kriterium zum Routen von Verkehr zu dem richtigen DSP sein kann, der eine bestimmte Art von Verkehr verarbeitet.
Zusammengefasst kann der Routingbetrieb in einer CPU unter Verwendung einer IP-Adresse, des ToS-Felds in einem IP-Datagramm, der TCP-Portnummer in dem TCP-Protokoll, der UDP-Portnummer in dem UDP-Protokoll oder dem Nutzlast-Typ-Feld in dem RTP-Protokoll abgewickelt werden. In jedem Fall existiert eine Routingtabelle in der CPU.
Entsprechend wird der ausgehende Verkehr von den TDM-Netzen in den Stapeln B zusammengesetzt, um IP-Datagramme zu bilden, um sie über die CPU in das Internet zu senden. Die CPU muss keine IP-Adressen überprüfen, bevor sie sie an das Internet sendet.
Wenn die Benutzerdatenströme aus UDP-Verkehr bestehen, verarbeitet die CPU Schnittstellenprotokolle und die DSPs verarbeiten die übrigen Protokolle in der Transportschicht und IP-Netzschicht. Wenn die Benutzerdatenströme aus TCP-Verkehr bestehen, müssen möglicherweise die Arbeitsabläufe des gesamten IP-Stapels in der CPU durchgeführt werden. Der Grund dafür ist, dass die Verarbeitung des TCP-Protokolls viel Speicher benötigt und DSPs normalerweise speicherbegrenzt sind. Wenn jedoch genug Speicher in den DSPs vorhanden ist, gibt es keine Hinderungsgründe, die erfindungsgemäße Aufteilung eines IP-Stapels unter vielen Prozessoren zu verwenden.
Ein IP-Stapel kann auf viele Arten in zwei Teile aufgeteilt werden. Eine Art wurde vorstehend beschrieben. Eine andere Art ist, dass IP-Schnittstellen-Protokolle und ein IP-Protokoll zusammen den Stapel in einer CPU bilden, und ein Protokoll in der Transportschicht und eventuell einige Anwendungsprotokolle bilden den Stapel in einem DSP. In jedem Fall muss beim Aufteilen der Verarbeitung des gesamten IP-Stapels auf mehrere Prozessoren das Zusammenspiel berücksichtigt werden, was nicht immer einfach zu erreichen ist. Es kann verwirrend sein, wenn die Arbeitsvorgänge eines Teils des IP-Stapels in einem Prozessor durchgeführt werden und der andere Teil in einem anderen Prozessor.
Die Erfindung bietet eine Anordnung zum Vermeiden der Situation, in der sich ein Kapazitätsengpass in der CPU entwickelt. Die Kapazität von DSPs kann optimaler als in derzeitigen Lösungen verwendet werden. Die Erfindung kann im Rahmen der erfinderischen Idee auf viele Arten implementiert werden.

Claims

Anordnung für ein Netzelement, welches angepasst ist, Kommunikationsverkehr zwischen verschiedenen Arten von Kommunikationsnetzen zu routen, umfassend eine CPU (22) zum Ausführen von Routing-Vorgängen auf der Grundlage eines Kommunikationsprotokollstapels und mehrere Vorrichtungen (25, 32), die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten, wobei sie mit der CPU kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsprotokollstapel in einen ersten Stapel, der sich in der CPU befindet, die angepasst ist, um die Routing-Vorgänge von Protokollen in dem ersten Stapel auszuführen, und in einen zweiten Stapel aufgeteilt ist, wobei jede Vorrichtung, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeitet, angepasst ist, die Vorgänge von Protokollen in dem zweiten Stapel auszuführen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kommunikationsprotokollstapel ein IP-Protokollstapel ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stapel Schnittstellenprotokolle zum Abbilden zwischen kommunikationsprotokollspezifischen Datagrammen und netzspezifischen Rahmen enthält, und der zweite Stapel andere Protokolle enthält, die zu dem Kommunikationsprotokollstapel gehören.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stapel Schnittstellenprotokolle zum Abbilden zwischen IP-Datagrammen und netzspezifischen Rahmen enthält, und der zweite Stapel IP-, UDP- und RTP-Protokolle enthält.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stapel Schnittstellenprotokolle zum Abbilden zwischen IP-Datagrammen und netzspezifischen Rahmen enthält, und der zweite Stapel IP-, TCP- und Anwendungs-Protokolle enthält.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stapel (1) Schnittstellenprotokolle zum Abbilden zwischen IP-Datagrammen und netzspezifischen Rahmen, und (2) ein IP-Protokoll enthält, und der zweite Stapel UDP- und RTP-Protokolle enthält.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stapel (1) Schnittstellenprotokolle zum Abbilden zwischen IP-Datagrammen und netzspezifischen Rahmen und (2) ein IP-Protokoll enthält, und der zweite Stapel TCP- und Anwendungsprotokolle enthält.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, die Routinginformationen zum Routen des Kommunikationsverkehrs zwischen der CPU und den Vorrichtungen enthält, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Ansprüchen 2, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, die Routinginformationen zum Routen des Kommunikationsverkehrs zwischen der CPU und den Vorrichtungen enthält, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, welche IP-Adressinformationen zum Routen der Kommunikationskanäle zwischen der CPU und den Vorrichtungen umfasst, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, welche UDP-Port-Nummer-Informationen zum Routen der Kommunikationskanäle zwischen der CPU und den Vorrichtungen umfasst, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, welche TCP-Port-Nummer-Informationen zum Routen der Kommunikationskanäle zwischen der CPU und den Vorrichtungen umfasst, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, welche RTP-Nutzlast-Informationen zum Routen der Kommunikationskanäle zwischen der CPU und den Vorrichtungen umfasst, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CPU eine Routingtabelle enthält, welche Echtzeit-Erfordernis-Informationen zum Routen der Kommunikationskanäle zwischen der CPU und den Vorrichtungen umfasst, die signalverarbeitungsbezogene Aufgaben bearbeiten.