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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der paketweisen Datenübertragung
in einem Netz, insbesondere die Optimierung solcher Übertragungen
unter dem Gesichtspunkt der Wegewahl (Routing) in einem auf dem
Internet-Protokoll basierenden Netz, und ihr Gegenstand ist ein
Verfahren zur Auswahl mindestens eines Übertragungsweges und ein Kommunikationsnetz
dafür.
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Derzeit
wird in dem vorgenannten Bereich die Auswahl des Übertragungswegs
oder -pfads (auch als "Route" oder Übertragungskanal
bezeichnet) im Allgemeinen unter Berücksichtigung eines einzigen
Bewertungskriteriums durchgeführt,
das nicht zwingend das beste sein muss, denn oft sind im Rahmen
dieser Auswahl mehrere Kriterien betroffen, die mit unterschiedlichen
angestrebten Merkmalen oder Eigenschaften verbunden sind oder sein
könnten.
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Eine
solche Auswahl ist insbesondere dann nicht optimal, wenn mindestens
zwei zueinander gegensätzliche
Kriterien in die Wahl des zu definierenden Übertragungswegs einbezogen
werden können und
wenn nur ein einziger für
die Durchführung
der Auswahl berücksichtigt
wird.
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Das
am häufigsten
verwendete Protokoll für das
Routing oder die Übertragungswegeauswahl
ist dasjenige unter dem Namen OSPF ("Open Shortest Path First" – Vorrang für den kürzesten freien Weg) das einen
so genannten Dijkstra-Algorithmus
verwendet, der besonders gut für
Netze mit Internet-Protokoll geeignet ist, oder eine eventuelle
Ableitung dieses Algorithmus.
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Diese
bekannten Algorithmen können
bei jedem Auswahlverfahren nur ein einziges Kriterium berücksichtigen,
wobei dieses Kriterium von summierbarer Art ist, das heißt, dass
das Gewicht, welches die Bewertung jedes analysierten Wegs repräsentiert,
der Summe der Elementargewichte in den Abschnitten des betroffenen
Weges entspricht.
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Nun
besteht gegenwärtig
aber ein Bedarf nach einem Routing in Netzen mit Internet-Protokoll auf
der Basis mehrerer gleichzeitiger und in einigen Fällen gegensätzlicher
Auswahl- oder Routing-Kriterien wie beispielsweise Übertragungs dauer,
Entfernung, Kosten, Stabilität
und gleichmäßige Auslastung
im verwendeten Netz.
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Es
gibt selbstverständlich
Auswahl- oder Entscheidungsmethoden mit Mehrfachkriterien, die Auswahloperationen
mit Mehrfachkriterien ausführen könnten, um
einen optimalen Übertragungsweg
zu wählen,
eventuell in Form eines bestmöglichen
Kompromisses im Hinblick auf mehrere unterschiedliche Kriterien.
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Allerdings
würde die
Verarbeitung aller möglichen
Wege durch diese Mehrfachkriterien-Methoden komplexe Verarbeitungsoperationen
in bedeutenden Mengen erfordern, die infolgedessen dafür angepasste
Rechenleistungen verlangen und zu unverhältnismäßigen und ein Hindernis darstellenden Verzögerungen
und Kosten in dem betroffenen Bereich führen.
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Das
Dokument XP-000993864 (Borella u. a.) beschreibt einen Mehrpunkt-Routingalgorithmus
CDSAMA, der eine Mehrfachsende-Baumstruktur liefert, die alle Ziele
mit einer gegebenen Quelle verbindet. CDSAMA wählt eine Baumstruktur für die günstigsten
Kosten mit Hilfe des Dijkstra-Algorithmus unter Berücksichtigung
der Verbindungskosten aus. In einer Variante CDSAMA2 berücksichtigt
der Dijkstra-Algorithmus
die Latenzzeit der Verbindungen an Stelle ihrer Kosten, um der Anforderung
der Latenzzeit Vorrang zu geben.
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Das
Dokument XP-000878159 (Casetti u. a.) schlägt eine Überprüfung der Routing-Algorithmen vor,
insbesondere jener, die gleichzeitig Topologie- und Verkehrsmerkmale
verwenden. Der Algorithmus AW-S wählt den Weg aus, der unter
mehreren Wegen mit derselben Anzahl von Teilstrecken ("Hops") die größte verfügbare Bandbreite
aufweist. Der Algorithmus S-AW wählt
unter mehreren Wegen mit derselben verfügbaren Bandbreite den Weg aus,
der die kleinste Anzahl an Teilstrecken ("Hops")
aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung hat insbesondere das Ziel, die oben genannten
Nachteile und Einschränkungen
zu überwinden.
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Zu
diesem Zweck hat sie ein Verfahren zur Bestimmung oder zur Auswahl
von mindestens einem Weg oder Pfad für die paketweise Datenübertragung
in einem Kommunikationsnetz zum Gegenstand, welches ein Übertragungsprotokoll
vom Typ des Internet-Protokolls einsetzt, wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass es im Wesentlichen darin besteht, eine
begrenzte Anzahl von Wegen vorab zu bestimmen, indem wiederholte
Male eine Auswahlmethode mit Einfachkriterium auf sämtliche
möglichen
Wege in dem betrachteten Netz angewendet wird, wobei unterschiedliche
erste Kriterien verwendet werden, anschließend einen oder mehrere gegebene(n)
Weg(e) unter der begrenzten Anzahl vorab bestimmter Wege zu bestimmen,
indem diese letztgenannten untereinander auf der Basis von mindestens
zwei Bedingungskriterien verglichen werden und indem sie anschließend klassifiziert
werden.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee beruht auf der
Durchführung
von zwei aufeinander folgenden Phasen von Auswahloperationen, nämlich einer
ersten Reihe von Auswahloperationen auf der Grundlage mehrerer Kriterien,
die getrennt jeweils einzeln angewendet werden, und einer zweiten
Auswahloperation, bei der eine Etappe mehrere Bedingungskriterien
gleichzeitig anwendet und die Ergebnisse der ersten Reihe von Auswahloperationen
nutzt.
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Um
die Gesamtdauer der durchzuführenden Verarbeitungsschritte
möglichst
zu verringern, besteht die Etappe oder die Phase der Vorauswahl
oder Vorabbestimmung vorteilhafterweise darin, dass die Auswahlmethode
mit Einfachkriterium in Verarbeitungsverfahren angewendet wird,
die parallel, gleichzeitig für
die möglichen
Wege, mit unterschiedlichen ersten Kriterien ablaufen, wobei jedes
Verarbeitungsverfahren einen oder mehrere optimale(n) Weg(e) im Hinblick
auf das jeweils betroffene erste Kriterium vorschlägt.
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Allerdings
können
insbesondere dann, wenn die Gesamtverarbeitungsdauer kein entscheidender Faktor
ist und/oder wenn eine angemessene Rechenleistung verfügbar ist,
die Verarbeitungen in der Etappe der Vorabbestimmung auch hintereinander oder
seriell erfolgen, indem wiederholt die Auswahlmethode mit Einfachkriterium
auf die verschiedenen vorhandenen möglichen Wege (unter Berücksichtigung
des Ausgangspunktes und des Zielpunktes) angewendet werden, und
zwar jedes Mal mit einem anderen Bewertungskriterium.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung besteht die Auswahlmethode mit Einfachkriterium
aus einer auf dem Dijkstra-Algorithmus oder auf einer Variante von
letzterem basierenden Software.
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Vorteilhafterweise
können
die ersten Kriterien zum Beispiel aus einer Gruppe gewählt werden, die
aus der kürzesten Übertragungsentfernung,
der zweitkürzesten Übertragungsentfernung,
der kürzesten Übertragungsdauer,
der zweitkürzesten Übertragungsdauer,
den geringsten Übertragungskosten, den
zweigeringsten Übertragungskosten,
der größten verfügbaren Bandbreite
und der zweitgrößten verfügbaren Bandbreite
besteht.
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Selbstverständlich können auch
noch weitere Bewertungskriterien angewendet werden, wie zum Beispiel
Verfügbarkeit,
Art des oder der Übertragungsträger(s) oder
Zuverlässigkeit
und Sicherheit der Übertragung
im Zusammenhang mit den Wegeoder Pfadmöglichkeiten, die vom Netz für die in
Betracht gezogene Verbindung angeboten werden.
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Die
weiter oben genannten Bedingungskriterien bestehen vorzugsweise
in einer Bedingungsvariablen bei einem Test des Typs (erstes Kriterium
k auf Weg X > erstes
Kriterium k auf Weg Y) und nehmen zum Beispiel den Wert 1 an, wenn
der Test verifiziert wird und – 1,
wenn nicht.
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Gemäß einem
vorteilhaften Merkmal der Erfindung besteht die Etappe der endgültigen Bestimmung
von mindestens einem gegebenen Weg darin, die vorab bestimmten Wege
untereinander jeweils paarweise auf der Basis von mehreren gewichteten Bedingungskriterien
zu vergleichen, die untereinander kombiniert werden und so ein Klassifizierungskriterium
bilden, und anschließend
eine Klassifizierung dieser vorab bestimmten Wege in Abhängigkeit
von den Ergebnissen der gegenseitigen Vergleichsoperationen zu erstellen
und schließlich
einen oder mehrere Weg(e) in Abhängigkeit
von ihrem Rang in dieser Klassifizierung auszuwählen.
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Diese
Klassifizierungskriterien können
insbesondere Merkmale, Parameter und/oder technische Besonderheiten
der Übertragung
betreffen und vom Netzbetreiber in Abhängigkeit von dem oder den Diensttyp(en)
bestimmt werden, die für
die in Betracht gezogene Übertragung
oder die betroffene Kommunikation erforderlich sind, sowie eventuell
der Dienstgüte,
die in Abhängigkeit
von den Anforderungen des Benutzers oder der Art der betroffenen
Kommunikation zu liefern ist.
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Diese
Klassifizierungskriterien können
zum Beispiel von bestimmten der ersten Kriterien und/oder von einfachen
Bedingungskriterien gebildet werden, die in Form einer Kombination
zugeordnet werden und denen jeweils ein bestimmtes Gewicht in Abhängigkeit
von ihrer Bedeutung in dem in Betracht gezogenen Übertragungsmodus
zugewiesen wird.
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Nach
einer ersten Ausführungsvariante
der Erfindung wird (werden) der gegenseitige Vergleich der vorab
bestimmten Wege untereinander und eventuell ihre nachfolgende Klassifizierung
mittels eines Algorithmus mit Mehrfachkriterien durchgeführt.
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Vorteilhafterweise
basiert dieser Auswahlalgorithmus mit Mehrfachkriterien auf der
so genannten ELECTRE-Methode, vorzugsweise derjenigen, die als "ELECTRE II" bezeichnet wird
(Bernard Roy, LAMSADE, Paris IX Dauphine).
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Nach
einer zweiten Ausführungsvariante
der Erfindung erfolgt die endgültige
Bestimmung mittels eines Auswahlalgorithmus mit Mehrfachkriterien,
der auf elementaren linearen Vergleichsoperationen zwischen den
verschiedenen vorab bestimmten Wegen basiert, die zu paarweisen
Klassifizierungen führen, wobei
jeder Elementarvergleich ein Klassifizierungskriterium Wxy erzeugt,
das gleich der algebraischen Summe der gewichteten Bedingungskriterien
ist, die jeweils einer Bedingungsvariable bei einem ersten Kriterium
entsprechen.
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Um über mehrere
Möglichkeiten
von Übertragungswegen
verfügen
zu können,
zum Beispiel einen oder mehrere Weg(e) für jeden Typ einer betroffenen
Kommunikation oder Übertragung,
kann das erfindungsgemäße Verfahren
gegebenenfalls auch darin bestehen, mehrere aufeinander folgende
Operationen zur endgültigen
Bestimmung auf der Basis unterschiedlicher Gruppen oder unterschiedlicher Kombinationsanordnungen
von unterschiedlichen gewichteten Bedingungskriterien durchzuführen und mehrere
bevorzugte Wege oder Gruppen von Wegen zu definieren, wobei jeder
bevorzugte Weg oder jede bevorzugte Gruppe von Wegen einem gegebenen Diensttyp
und/oder einer gegebenen Dienstgüte
zugeordnet sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur paketweisen
Datenübertragung
in einem Kommunikationsnetz, das zur Anwendung eines Übertragungsprotokolls
vom Typ des Internet-Protokolls geeignet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass es darin besteht, vor jeder. Herstellung einer Verbindung oder
vor jeder Übertragungssequenz während einer
bestehenden Verbindung einen Übertragungsweg
oder -pfad mittels des Verfahrens zu bestimmen, wie es weiter oben
beschrieben ist.
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Schließlich betrifft
die Erfindung auch ein Kommunikationsnetz gemäß Anspruch 13.
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Vorzugsweise
weist die Verarbeitungseinheit eine Architektur auf, die gleichzeitige
parallele Verarbeitungen in Übereinstimmung
mit Anspruch 14 gestattet.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung genauer, jedoch ohne einschränkende Wirkung,
in Form eines praktischen Ausführungsbeispiels
beschrieben.
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Wie
zuvor gesagt, erfolgt die Auswahl von mindestens einem (einer) optimalen Übertragungsweg
oder Route, vorzugsweise einer Anzahl p von optimalen Wegen, dadurch,
dass in einer ersten Phase mehrere gleichzeitige Primärauswahlvorgänge durchgeführt werden,
indem parallel zueinander mehrere Routing- oder Wegeauswahl-Algorithmen mit
Einfachkriterium ausgeführt
werden, wobei diese Algorithmen dieselbe Struktur aufweisen und
ein identisches Problem bearbeiten (Auswahl der besten Wege zwischen
einem ersten Punkt oder Router A und einem zweiten Punkt oder Router
Z, die zu dem betroffenen Kommunikationsnetz gehören und mit letzterem verbunden
sind), wobei unterschiedliche Bewertungs- oder Auswahlkriterien
angewendet werden.
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Nach
dieser Phase der Primärauswahl,
die n optimale Wege auf der Basis der verwendeten Kriterien liefert,
werden die besten Wege unter diesen n verbleibenden Wegen nach mit
der Dienstgüte
verbundenen Routing-Kriterien ausgewählt, wobei eine Auswahlmethode
mit Mehrfachkriterien angewendet wird (Auswahl von p Wegen unter
den genannten n).
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Das
Auswahlverfahren gemäß der Erfindung kann
sich zum Beispiel in Form eines zusammengesetzten Algorithmus mit
zwei klar getrennten Verarbeitungsphasen darstellen, wie sie weiter
unten beschrieben sind.
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Dieser
Algorithmus umfasst zwei Hauptetappen, wobei die zweite Etappe ihrerseits
drei Unteretappen umfasst.
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Seine
Struktur stellt sich wie folgt dar:
- 1. Vorabbestimmung
einer begrenzten Anzahl von n Wegen
- 2. Endgültige
Auswahl einer Untermenge von p ≤ n
optimalen Wegen
2.1. Paarweiser Vergleich der Wege
2.2.
Klassifizierung der Wege in Abhängigkeit
von dem gegenseitigen Vergleich
2.3. Auswahl der p ersten [Wege]
in der Klassifizierung
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In
der ersten Phase werden die gleichzeitigen Verarbeitungen auf der
Basis des Dijkstra-Algorithmus (oder einer Variante von letzterem)
durchgeführt,
um eine begrenzte Menge von n (zum Beispiel n = 5) von vornherein
interessanten Wegen zu erhalten (der kürzeste Weg, der zweikürzeste Weg,
der Weg mit der kürzesten
Dauer, der Weg mit der zweitkürzesten
Dauer, der kostengünstigste
Weg).
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Diese
Phase der vorläufigen
Verarbeitungsschritte vermeidet, dass in der darauf folgenden Verarbeitungsphase
mit Mehrfachkriterien eine zu große Zahl möglicher Wege zu verarbeiten
ist.
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Die
zweite Verarbeitungsphase besteht dann darin, aus den n vorab ausgewählten Wegen
die p besten Wege in Verbindung mit einer Kombination mehrerer Bedingungskriterien
auszuwählen,
welche Klassifizierungskriterien bilden.
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Die
für diese
zweite Phase gewählten
Kriterien können
zum Beispiel drei an der Zahl sein, und sie können aus der Übertragungsdauer,
der auf den Übertragungskanälen vorhandenen
freien Mindestbandbreite und der auf den Übertragungskanälen vorhandenen
durchschnittlichen Bandbreite bestehen. Hierzu ist darauf hinzuweisen,
dass die mit der Bandbreite verbundenen Kriterien nicht summierbar sind,
dass ihre Werte jedoch zu Beginn des Algorithmus eingefroren werden
können.
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Der
Netzbetreiber definiert ein Gewicht wi,ToS für jedes
Kriterium i in Abhängigkeit
vom Diensttyp (ToS für "Type of Service"), zum Beispiel E-Mail,
Videokonferenz oder Analogverbindung.
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Die
n Wege werden anschließend
untereinander auf der Basis dieser Kriterienkombination verglichen,
um festzustellen, welche höher
zu klassifizieren sind als die anderen.
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Zum
Beispiel ist der Weg X höher
zu klassifizieren als der Weg Y, wenn WXY > 0 (oder wenn Wxy > ein beliebiger positiver
Schwellenwert S) mit:
WXY = w1 × (1 wenn
(Dauer auf Weg X < Dauer
auf Weg Y), andernfalls – 1)
+ w2 × (1
wenn (freie Mindestbandbreite für
Weg X > freie Mindestbandbreite für Weg Y),
andernfalls – 1)
+
w3 × (1
wenn (freie durchschnittliche Bandbreite für Weg X > freie durchschnittliche Bandbreite für Weg Y),
andernfalls – 1).
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In
diesem Beispiel gewichten w2 und w3 das Kriterium der gleichmäßigen Auslastung
des Netzes.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass eine weitere Möglichkeit einer Vergleichformel
für die
höhere
Einordnung durch ELECTRE gegeben ist.
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Anschließend werden
die n Wege in Abhängigkeit
von dem in der vorhergehenden Etappe durchgeführten Vergleich klassifiziert.
Diese Klassifizierung kann zum Beispiel mit der Methode ELECTRE
durchgeführt
werden.
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So
sind als Beispiel der Weg X und der Weg W besser als der Weg Y,
der besser ist als der Weg V und als der Weg U.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Reihenfolge, die sich aus der vorgenannten
Klassifizierung ergibt, keine vollständige Reihenfolge sein kann,
da bestimmte Wege identische Klassifizierungen aufweisen können.
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Um
nötigenfalls
zu einer vollständigen
Reihenfolge zu kommen, ist es möglich,
eines oder mehrere Ergänzungskriterien
zusätzlich
zu den bereits verwendeten anzuwenden oder aus der Kombination von
verwendeten Kriterien ein Vorzugskriterium zu wählen, wobei dieses Vorzugskriterium
dann das endgültige
Unterscheidungskriterium darstellt (zum Beispiel kürzester
Weg, niedrigere IP-Adresse,
...).
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Die
letzte Etappe des Auswahlverfahrens besteht schließlich darin,
die für
jeden Diensttyp erhaltenen p besten Wege zu wählen und sie in die Übertragungstabelle
zu programmieren.
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Es
ist außerdem
darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Verfahren dem Netzbetreiber die
Möglichkeit
bietet, das vorgenannte Auswahlverfahren anzupassen oder zu modifizieren,
indem der entsprechende Algorithmus mit Hilfe geeigneter Werkzeuge
bzw. Tools abgeändert
und/oder parametriert wird.
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So
kann er insbesondere frei die Anzahl n der aus der Vorauswahl resultierenden
Wege definieren, die vom Dijkstra-Algorithmus in jedem parallelen Verarbeitungszweig
verwendeten ersten Kriterien, die in der Auswahlphase mit Mehrfachkriterien
für jeden
Diensttyp verwendeten Bedingungs- und Klassifizierungskriterien,
die Anzahl und das Gewicht dieser Bedingungs- und Klassifizierungskriterien,
den Schwellenwert s in der im Klassifizierungsverfahren angewendeten
Formel, die Anzahl p der für
jeden Diensttyp als beste Wege gewählten Wege und den zu berücksichtigenden
Diensttyp.
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Im Übrigen wird
der Fachmann auch feststellen, dass das oben beschriebene Bestimmungs-
oder Auswahlverfahren vollkommen schnittstellenfähig mit den derzeit genutzten
Routing-Methoden und -Protokollen ist, wie insbesondere OSPF.
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Es
ist außerdem
darauf hinzuweisen, dass man, um die Ausführungszeit des Algorithmus
zu kompensieren, ihn in "maskierter
Zeit", das heißt als Hintergrund-Task, auf einem dafür reservierten
Prozessor ausführen
lassen kann und von ihm eine Schnittstelle zu einem Algorithmus
für die
Echtzeit-Auslastungsaufteilung von der Art herstellen kann, wie
er unter der Bezeichnung OMP ("Optimised
Multi Path"; optimierter
Mehrfachweg) bekannt ist. Die Ausführungszeit wäre insofern
weniger problematisch, als der OMP (oder ein anderer [Algorithmus])
den Verkehr auf die p Wege innerhalb einer kürzeren Rechenzeit verteilen
würde.
Wenn zum Beispiel die Rechenzeit des erfindungsgemäßen Algorithmus
eine Minute beträgt
und die Rechenzeit des OMP fünf
Sekunden beträgt,
wird der OMP zwölf
Mal ausgeführt,
wobei die p(t) guten Wege zum Zeitpunkt t berücksichtigt werden, und anschließend erneut zwölf Mal auf
den p(t + 1) guten Wegen zum Zeitpunkt t + 1 Minute usw.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Abänderungen
bleiben möglich,
insbesondere unter dem Gesichtspunkt des Aufbaus der verschiedenen Elemente
oder durch Ersetzung von gleichwertigen Techniken, ohne dadurch
den Geltungsbereich des Schutzes für die Erfindung zu verlassen.