DE60225991T2

DE60225991T2 - Verfahren zur Verifizierung des deterministischen Verhaltens eines paketvermittelten Netzwerks

Info

Publication number: DE60225991T2
Application number: DE60225991T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Saint Etienne; Juan Lopez; Dominique Portes; Eddie Gambardella; Bruno Pasquier; Philippe Almeida
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: US20030149788A1; EP1309140B1; EP1309140A1; DE60225991D1; US7379995B2; FR2832010A1; US7395330B2; US20080219163A1; FR2832010B1; CA2410182C; CA2410182A1; US7430180B1; US20040153542A1

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung des deterministischen Verhaltens eines Netzwerks mit Datenpaketvermittlung bzw. -umschaltung, insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrt.
Stand der Technik
Die in den Dokumenten aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren, die mit [1], [2] und [3] am Ende der Beschreibung zitiert werden, basieren auf statistischen Überlegungen, die an terrestrische Telekommunikationsnetze angepasst sind, die aber in einem Flugzeug kaum akzeptabel sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prüfung, dass ein Netzwerk mit Paketvermittlung eine deterministische Funktionsweise aufweist, insbesondere auf dem Gebiet der Luftfahrt, zu ermöglichen.
Abriss der Erfindung
Die Erfindung schlägt ein Prüfverfahren des deterministischen Verhaltens eines Netzes mit Paketvermittlung bzw. mit Datenpaketumschaltung vor, welches Teilnehmerstationen umfasst, die untereinander über mindestens einen Umschalter verbunden sind, wobei ein solches Verhalten als deterministisch in dem Sinne bezeichnet wird, dass jedes auf dem Netz von einer Quell-Teilnehmerstation gesendete Paket an der/den Ziel-Teilnehmerstationen(en) mit einer Zeitdauer ankommt, die zeitlich begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Ungleichung für jeden Ausgangsport jedes Netzumschalters überprüft wird:
wobei:

– der Wert Latenz max die maximale Verweildauer in dem Ausgangspuffer eines Umschalters ist, wobei dieser Wert für jeden Netzumschalter unterschiedlich sein kann, BAGi die Minimalzeit darstellt, welche zwei aufeinanderfolgende Datenblöcke trennt, die zu einer virtuellen Verbindung i gehören, und zwar vor ihrem Senden auf dem physikalischen Träger, (JitterIn)_i der Jitter bzw. die Signalschwankung in Zusammenhang mit einer virtuellen Verbindung i ist, welche das Zeitintervall zwischen dem theoretischen Augenblick des Sendens eines Datenblocks und seinem tatsächlichen Sendevorgang ist, der vor oder nach dem theoretischen Augenblick liegen kann,
– (Datenblockdauer max)_i die Dauer des längsten Datenblocks in der virtuellen Verbindung i ist.

Auf dem Gebiet der Luftfahrt gestattet die Erfindung, auf eine grundlegende Sicherheitsanforderung beim Informationstransport in einem Flugzeug zu antworten, die als "deterministisch" bezeichnet wird. Es ist nämlich unerlässlich, wenn eine Datengröße zu einem Empfänger geschickt wird, dass diese tatsächlich innerhalb einer maximalen Zeitspanne empfangen wird, die bekannt ist.
Das Verfahren der Erfindung weist den Vorteil auf, dass es sehr einfach anzuwenden ist (eine einzige Gleichung pro Ausgangsport). Es ist analytisch und erfordert nur sehr wenig Informationen über die Eigenschaften des Netzwerks (maximale Latenz pro Umschalter, BAG, und Teilnehmerverzeichnis).
Die Erfindung ist für alle Netze mit Paketumschaltung von Nutzen, von denen ein bestimmtes Maß an Servicequalität hinsichtlich der Garantie der Informationsübertragung gefordert wird, beispielsweise "Fast Ethernet", ATM ("Asynchronous Transfer Mode")...
Die Luftfahrt (Zivil- und Militär), die Raumfahrt, die Marine und die Nuklearenergie erscheinen hierbei als privilegierte Anwendungsdomänen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Modell eines Endknotens,
2 die Spannweite bzw. Signalschwankung (Jitter) für einen regelmäßigen Datenfluss,
3A–3C die Position der Datenblöcke im Inneren ihres Signalschwankungsfensters),
4 ein Umschaltermodell,
5A–5G die Positionierung des Gleitfenster für ein Beispiel (BAG, Jitter In),
6 ein Beispiel der Topologie,
7 die Anzahl von virtuellen Verbindungen für die in 6 dargestellte Topologie,
8A und 8B ein Aggregationsbeispiel von virtuellen Verbindungen, und
9 ein Ausführungsbeispiel auf dem Gebiet der Luftfahrt.
Detaillierte Darstellung von Ausführungsformen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung des deterministischen Verhaltens eines Netzes mit Paketumschaltung. Dieses Verfahren gibt die Garantie, dass ein solches Netz ein deterministisches Verhalten besitzt, und zwar in dem Sinn, dass jedes in dem Netz von einem Quellknoten gesendete Paket die Zielknoten mit einer Zeitdauer erreicht, die zeitlich begrenzt ist. Ein solches Verfahren ist auf alle Netze anwendbar, die auf der Umschaltung von Paketen oder von Datenblöcken oder Zellen basiert. Sie gestattet es festzustellen, dass die Konfiguration eines Netzes über Routing-Tabellen der Umschalter und Datenblockflüsse, die sie durchlaufen, mit einer deterministischen Funktionsweise konform ist.
In der folgenden Beschreibung wird als Endknoten oder "End System" ein Knoten eines Netzes bezeichnet, der in der Lage ist, Datenblöcke zu erzeugen und zu empfangen, der aber kein Zwischenknoten (Umschalter, Router, Brücke, ...) ist, welcher für die Übermittlung der Datenblöcke im Netz sorgt. Wenn ein Zwischenknoten die Quelle eines Datenflusses ist, der für einen oder mehrere Endknoten bestimmt ist, verhält er sich wie ein Endknoten.
Eine virtuelle Verbindung (VL) ist eine logische Verbindung zwischen einem Quell-Endknoten und einem oder mehreren Ziel-Endknoten.
Jede virtuelle Verbindung besitzt einen eigenen Wert, der als Zuweisungsintervall des Passbandes bezeichnet wird ("Bandwidth Allocation Gap" oder BAG), und dessen Einheit die Sekunde ist, welche die Minimalzeit darstellt, die aufeinanderfolgende Datenblöcke trennt, die zu der betreffenden virtuellen Verbindung gehören, und vor ihrem Senden auf dem physikalischen Träger.
Ein Modell eines Endknotens ist in 1 dargestellt. Am Eingang sind unregelmäßige Flüsse von Datenpakten 10 zu verzeichnen, die von Anwendungen herrühren (asynchrone Flüsse zwischen den virtuellen Verbindungen VL1, VL2, VL3). Die Datenpaket-Flüsse werden anschließend anhand von Reglern 11 geregelt, die jeweils einer virtuellen Verbindung entsprechen, um die Pakete um ein BAG-Intervall zu beabstanden. Ein Multiplexer 12 gestattet anschließend die Übertragung eines Datenblock-Flusses 13 auf dem physikalischen Träger 14.
Die Spannweite bzw. Signalschwankung (oder "Jitter") in Zusammenhang mit einer virtuellen Verbindung stellt das Zeitintervall zwischen dem theoretischen Augenblick des Sendens eines Datenblocks (Verhältnis zu BAG) und dessen effektivem Senden dar, das vor oder nach dem theoretischen Augenblick liegen kann.
Der Datenfluss einer virtuellen Verbindung ist gänzlich von dem Paar (BAG, Jitter max) gekennzeichnet, bei dem Jitter max der Maximalwert des augenblicklichen Jitters, der für diese virtuelle Verbindung erhältlich ist.
Im folgenden bezieht sich der Begriff Jitter auf Jitter max.
Für eine virtuelle Verbindung, deren Datenfluss maximal (immer ein zu sendender Datenblock) und regelmäßig ist, hat man einen Datenblock 20 exakt bei jedem BAG-Intervall, wie in 2 dargestellt ist. Die dieser virtuellen Verbindung zugeordnete Spannweite (gigue) ist Null.
Im allgemeinen Fall kann sich der Sendeanfang eines Datenblocks an irgendeiner Stelle im Inneren des Jitter-Intervalls befinden. Wenn nämlich der Datenblock 1 beim Durchgang im Umschalter verzögert wird und einige Augenblicke danach der Datenblock 2 der gleichen virtuellen Verbindung sehr wenig verzögert wird, wird der BAG-Wert nicht mehr eingehalten. Der Datenfluss ein- und derselben virtuellen Verbindung besitzt somit eine bestimmte Spannweite in Bezug auf den BAG-Wert. Die drei in den 3A, 3B und 3C dargestellten Fälle zeigen die Position der Datenblöcke im Inneren ihres Spannweitenfensters.
3A veranschaulicht den Fall Jitter < BAG.
3B veranschaulicht den Fall Jitter = BAG. Wenn Jitter = BAG ist, besteht eine rein theoretische Möglichkeit der Überdeckung eines Datenblocks durch einen stark voreilenden Datenblock. Wenn nun die Sendefolge garantiert ist, ist diese Möglichkeit ausgeschlossen, da ein nach einem anderen Datenblock gesendeter Datenblock diesen nicht auf vorübergehende Weise überlagern oder überholen kann. Es gibt also keine Erscheinung von zwei Datenblöcken Seite an Seite (als Datenblock-"Burst" bezeichnet).
3C veranschaulicht den Fall Jitter > BAG. Die Spannweiten überlagern sich gegenseitig und der Datenblock 2 wir unmittelbar nach dem Datenblock 1 übertragen. Es kommt zu einem "Burst".
Die jeder virtuellen Verbindung zugeordnete Spannweite am Ausgang eines Endknotens, die gleich Jitter BS ist, ist auf die Zurückhaltung zurückzuführen, die am Ausgang des Endknotens stattfindet, an dem mehrere geregelte Flüsse auf das selbe Register FIFO ("First In-First Out") am Ausgang zugreifen wollen. Sein Wert hängt unter anderem von der Anzahl virtueller Verbindungen ab, die mit dem Endknoten verbunden sind.
So haben alle von einem Endknoten ausgehenden virtuellen Verbindungen als Eigenschaften (BAG, Jitter ES).
Ein Umschalter-Modell ist in 4 dargestellt mit "Puffern" oder Eingängsdämpfern 30, einem Demultiplexer 31, einem Multiplexer 32 sowie Ausgangs-"Puffern" 33.
Nach diesem Modell erkennt man, dass in Abhängigkeit von der Konfiguration des Umschalters ("Forwarding"-Tabelle) und den Eigenschaften der Flüsse der virtuellen Verbindungen, die an den Eingangsports ankommen, "mehr oder minder" Zurückhaltung für den Zugang zu den Ausgangsports besteht. Diese Zurückhaltung hat die Auswirkung, Verzögerungen zu erzeugen, und damit eine Verunreinigung (pollution) hinsichtlich der Charakteristik des Datenflusses jeder virtuellen Verbindung an den Ausgangsports.
In Abhängigkeit von der augenblicklichen Belastung eines Umschalters kann ein Datenblock entweder dort eine Minimalzeit (Minimallatenz) oder eine Maximalzeit (Maximallatenz) des Umschalters lang verweilen, oder aber eine Zwischenzeitdauer lang.
Wenn die Eigenschaft des Flusses einer virtuellen Verbindung, die in den Umschalter eintritt (BAG, Jitter In) ist, ergibt die erzeugte steigende Störung durch den Umschalter eine neue Eigenschaft für den Fluss der gleichen virtuellen Verbindung am Ausgang des Umschalters:
(BAG, Jitter Out (wobei Jitter Out = Jitter In + Latenz max )).
Um den Determinismus aufzuzeigen, ist es notwendig, die Größe der Ausgangs-"Puffer" zu dimensionieren, um keinen Datenblock bei einem gegebenen Ausgangspunkt einer Konfiguration des gegebenen Umschalters und der Eigenschaften der durch den Umschalter hindurchgehenden virtuellen Verbindungen zu verlieren.
Für eine gegebene virtuelle Verbindung, welche die Eigenschaft (BAG, Jitter In) besitzt, ist die Formel, welche die maximale Anzahl von Datenblöcken, die dieser virtuellen Verbindung zugeordnet sind, und die während eines Gleitfensters FG einer Zeitdauer von T Sekunden auftreten kann:
wobei die Funktion int(x) die Funktion des ganzzahligen Abschnitts von x ist (um zu der niedrigeren ganzen Zahl abzurunden)

– für x [0, 1[, int (x) = 0
– für x [1, 2[, int (x) = 1
– ...

Wenn beispielsweise ein Bezugsintervall T = 1 ms vorgegeben ist, impliziert diese Formel:

– BAG = 2 ms/Jitter In = 0,5 ms ⇒ 1 + int((0,5 + 1)/2) = 1 Datenblock max/ms (siehe Fig. 5A), = 2 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5B)

In diesem Fall können zwei Datenblock-Sendeereignisse während 1 ms präsent sein, und somit können sich zwei komplette Datenblöcke in dem Puffer befinden (man hätte vermuten können, dass nur ein einziger Datenblock während 1 ms dort vorhanden gewesen wäre).

– BAG = 2 ms/Jitter In = 1,5 ms ⇒ 1 + int((1,5 + 1)/2) = 2 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5C)
– BAG = 2 ms/Jitter In = 2 ms ⇒ 1 + int((2 + 1)/2) = 2 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5D)
– BAG = 2 ms/Jitter In = 2,5 ms ⇒ 1 + int((2,5 + 1)/2) = 2 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5E)
– BAG = 2 ms/Jitter In = 3 ms ⇒ 1 + int((3 + 1)/2) = 3 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5F)
– BAG = 2 ms/Jitter In = 4 ms ⇒ 1 + int((4 + 1)/2) = 3 Datenblöcke max/ms (siehe Fig. 5G)

Um eine Verstopfung bzw. einen Überlauf des Ausgangs-"Puffers" eines Umschalters zu vermeiden und somit niemals Datenblöcke zu verlieren, muss für jeden Ausgangsport eines Umschalters und für alle Umschalter eines Netzes die folgende Ungleichung überprüft werden:
Der Wert Latenz max ist die maximale Verweildauer in dem Ausgangs-"Puffer" eines Umschalters und kann für jeden Umschalter des Netzes unterschiedlich sein. Der linke Abschnitt stellt die Zeitdauer aller Datenblöcke aller virtuellen Verbindungen dar, die in dem Ausgangspuffer eines Umschalters vorhanden sein können, wobei als Gleitfenster die Zeitdauer Latenz max genommen wird. Wenn diese Ungleichung überprüft wird, gibt es keinen Überlauf, und die Eigenschaft des Datenflusses einer virtuellen Verbindung wird umgewandelt von (BRG, Jitter In) zu (BAG, Jitter Out = Jitter In + Latenz max). Mit anderen Worten stimmt die Konfiguration des Umschalters überein mit den Leistungswerten des Umschalters (Latenz max).
Anwendung auf ein einfaches Netzwerk
Eine Topologie ist in 6 dargestellt. Es wird angenommen, dass jeder Endknoten ES1, ES2, ES3 oder ES4 virtuelle Verbindungen besitzt, die zu allen anderen Endknoten verlaufen (Fall von "Broadcast"). Jeder Endknoten besitzt eine identische Anzahl Ni virtueller Verbindungen, wobei die Eigenschaften BAG = 2 ms und Jitter ES = 0,5 ms sind.
Das die Anzahl NI virtueller Verbindungen auf jeder einfachen Verbindung darstellende Schema ist in 7 dargestellt.
Die Berechnungen sind die folgenden:
An den zwei zentralen Verbindungen: N1[1 + int ((0,5 + 1)/2)]·15,52 + N2[1 + int((0,5 + 1)/2)]·15,52 < 1000 μs N1 + N2·15,52 < 1000 μs
Ebenso verhält es sich bei der anderen Verbindung: (N3 + N4·15,52 < 1000 μs)
Bei der zu ES1 aufsteigenden Verbindung gilt: N2[1 + int((0,5 + 1)/2)]·15,52 + N3[1 + int((1,5 + 1)/2)]·15,52 < 1000 μs + N4 [1 + int ((1,5 + 1)/2)]·15,52 < 1000 μs N2·15,52 + 2·(N3 + N4)·15,52 < 1000 μs.
Ebenso verhält es sich bei den anderen aufsteigenden Verbindungen mit den entsprechenden Endknoten.
Andererseits besteht die Gleichung: N1 = N2 = N3 = N4, woraus: 5·N1·15,52 < 1000 μs, N1 = N2 = N3 = N4 = 12 virtuelle Verbindungen.
Die Anzahl virtueller Verbindungen bei einer zu einem Endknoten aufsteigenden Verbindung ist also 3·12 = 36 virtuelle Verbindungen. Eine Datenblock-Größe von 174 Bytes ergibt einen physikalischen Durchsatz für eine virtuelle Verbindung von BAG = 2 ms von:
1000/2·(174 + 20)·8 = 776 000 Bits pro Sekunde. Folglich entsprechen 36 virtuelle Verbindungen einem physikalischen Durchsatz von 36·776 000 = 27936 MBit/s.
Daraus geht hervor, dass die Majorante der von einem gewählten Umschalter erzeugten Störung den theoretischen physikalischen Durchsatz, der auf der Verbindung 100 MBit/s vorzufinden gewesen wäre, um mehr als 3 dividiert hat. Es ist besonders wichtig festzustellen, dass eine virtuelle Verbindung mit einem BAG von 128 ms für das Netz soviel kostet wie eine virtuelle Verbindung mit einem BAG von beispielsweise 4 ms (wenn das "Flattern" bzw. die Signalschwankung (la gigue) unter 2 beträgt). Dies ist auf die 1 in der Formel 1 + int(Jitter + T)/BAG zurückzuführen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung wird eine inkrementale Vorgehensweise angewandt: es werden virtuelle Verbindungen der Reihe nach hinzugefügt, indem nach jeder Hinzufügung einer virtuellen Verbindung überprüft wird, ob die Funktionsweise des gesamten Netzes deterministisch bleibt.
Aggregation virtueller Verbindungen
Um den oben beschriebenen Nachteil zu beseitigen, besteht eine mögliche Optimierung darin, mehrere virtuelle Verbindungen zusammenzufassen, um eine einzige virtuelle Super-Verbindung zu bilden, die als Basis bei der Berechnung der Überlauf-Vermeidung (non-congéstion) dient.
Unter Aggregation bzw. Zusammenfassung versteht man die Tatsache, mehrere virtuelle Verbindungen von großem BAG mit einem geringen BAG-Wert neu zu regeln, um zu bewirken, dass die virtuellen Verbindungen mit geringem Durchsatz sich wie eine einzige virtuelle Verbindung mit größerem Durchsatz verhalten.
Ein Beispiel ist in 8 dargestellt. Es bestehen vier virtuelle Verbindungen VL1, VL2, Vl3 und VL4 bei BAG = 2 ms, und drei virtuelle Verbindungen VL5, VL6 und VL7 bei BAG = 8 ms.
Der erste 40 der sieben Regler 41 spielt die Rolle eines Glätters für die virtuellen Verbindungen mit BAG = 8 ms. Da das Flattern bzw. der Jitter von 0,5 ms für den Datenfluss am Ausgang dieses Reglers garantiert ist, haben dabei die virtuellen Verbindungen mit BAG = 8 ms ebenfalls den gleichen Jitter-Wert. Hingegen ist es klar, dass dieses Modell mehr Latenz für die virtuellen Verbindungen mit BAG = 8 ms erzeugt.
Damit die Glättung möglich wird, muss die Bedingung der Nicht-Sättigung des ersten Reglers überprüft werden:
Anzahl zu glättender virtueller Verbindungen x BAG-Glättung ≤ min (BAG_{virtuelleVerbindung}). Diese Aggregation virtueller Verbindungen führt zu keinen Segregationsverlust. Sie gestattet es, einen Datenpaketfluss zu erhalten, wie er in 8B dargestellt ist, wobei die angegebenen Zahlen die der virtuellen Verbindungen sind.
Indem das Verfahren der Erfindung angewandt wird, ist es somit durchaus möglich, über eine große Anzahl virtueller Verbindungen auf einer einzigen physikalischen Verbindung zu verfügen, und damit die erwähnte Eigenschaft der Überlauf-Vermeidung zu bewahren.
9 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel auf dem Gebiet der Luftfahrt, welches die Anwendung des Verfahrens der Erfindung ermöglicht. Bei diesem Beispiel ist ein erster Umschalter 50 einerseits mit einem ersten graphischen Bildschirm 51 verbunden (Flugparameter), und mit einem zweiten graphischen Bildschirm (Flugparameter und Wartung) und andererseits mit einem zweiten Umschalter 53, der wiederum mit einem Flugparameter-Generator 54 und einem Flugzeug-Wartungsrechner 55 verbunden ist.
Bezugsschriften

[1] "Queueing Delays in Rate Control Networks" von Barneyeya und S. Keschaff (Proceedings der IEEE-Infocom 93, Seiten 547–556, San Franscisco, CA, April 1993).
[2] A Calculus for Network Delay von R. Cruise (Teil 1, Network Elements in Isolation, IEEE Transaction of Information Theory 37(1), Seiten 121–141, 1991)
[3] A Calculus for Network Delay von R. Cruise (Teil 2, Network Analysis in Isolation, IEEE Transaction of Information Theory 37(1), Seiten 121–141, 1991)

Claims

Prüfverfahren des deterministischen Verhaltens eines Netzes mit Datenpaketumschaltung, Teilnehmerstationen umfassend, die untereinander über mindestens einen Umschalter verbunden sind, wobei ein solches Verhalten als deterministisch in dem Sinne bezeichnet wird, dass jedes in dem Netz von einer Quell-Teilnehmerstation gesendete Datenpaket an dem/den Ziel-Teilnehmerstationen(en) mit einer Zeitdauer ankommt, die zeitlich begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die folgende Ungleichung für jeden Ausgangsport jedes Netzumschalters überprüft wird:
wobei: – der Wert Latenz max die maximale Verweildauer in dem Ausgangspuffer eines Umschalters ist, wobei dieser Wert für jeden Netzumschalter unterschiedlich sein kann, BAGi die Minimalzeit darstellt, welche zwei aufeinanderfolgende Datenblöcke trennt, die zu einer virtuellen Verbindung i gehören, und zwar vor ihrem Senden auf dem physikalischen Träger, (JitterIn)_i der Jitter bzw. die Signalschwankung ist in Zusammenhang mit einer virtuellen Verbindung i ist, welche das Zeitintervall zwischen dem theoretischen Augenblick des Sendens eines Datenblocks und seinem tatsächlichen Sendevorgang ist, der vor oder nach dem theoretischen Augenblick liegen kann, – (Datenblockdauer max)_i die Dauer des längsten Datenblocks in der virtuellen Verbindung i ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die virtuellen Verbindungen der Reihe nach hinzugefügt werden, indem nach jeder Hinzufügung einer virtuellen Verbindung überprüft wird, ob die Funktionsweise des gesamten Netzes deterministisch geblieben ist.