-
Die Erfindung bezieht sich auf schnelle
Paketvermittlungs-Fernmeldesysteme und betrifft speziell ein Leitweglenkungsverfahren für
ein Koppelnetz in einem solchen System und das das Verfahren
anwendende System.
-
Die schnelle Paketvermittlung (auch als Kennsatz-Paketvermittlung
oder asynchrone Zeitmultiplexvermittlung bekannt) ist eine Technik,
die in letzter Zeit zum Vermitteln von Sprach-, Daten- und Video-
Signalen vorgeschlagen wurde. Gemäß dieser Technik werden
Informationsblöcke, denen ein die Information charakterisierender Kennsatz
zugeordnet ist und die asynchron an den Vermittlungsvorrichtungen
eintreffen, ausschließlich auf der Basis des Inhalts dieses
Kennsatzes durchgeschaltet. Aufgrund der Einfachheit des Protokolls
bietet diese Technik erhebliche Verbesserungen des
Betriebsverhaltens hinsichtlich Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit und
Flexibilität im Vergleich zur konventionellen Paketvermittlung.
-
Eine Vermittlungsanlage für ein System, das diese Technik anwendet,
umfaßt allgemein ein Koppelnetz, das aus einer Vielzahl identischer
Elemente zusammengesetzt ist, die zu einer bestimmten Anzahl
aufeinanderfolgender Stufen kombiniert sind, sowie eine Steuerung,
bezeichnet als Steuerungsstruktur. In Abhängigkeit von der
Netzgröße, den Bedürfnissen der Teilnehmer und/oder des
Systemverwalters, der Verkehrscharakteristiken usw. sind unterschiedliche
Verkehrsverteilungsmodalitäten sowie unterschiedliche Ausführungen
des Koppelnetzes und der Steuerstruktur möglich.
-
Im einzelnen:
-
- der Verkehr kann verteilt sein auf Paketebene (d. h. jedes
Paket folgt seinem individuellen Weg unabhängig von den
anderen sich auf die selbe Verbindung beziehenden Paketen)
oder auf der Ebene des virtuellen Anrufs: in diesem Fall wird
jedem virtuellen Anruf ein Weg durch das Netz zugeteilt und
somit folgen alle Pakete, die sich auf diesen Anruf beziehen,
dem selben Weg;
-
- das Koppelnetz kann einen einzelnen Weg oder eine Mehrzahl
alternativer Wege zwischen einem Eingang und einem Ausgang
bereitstellen;
-
- die Steuerung kann entweder eine zentralisierte Steuerung
sein, bei der eine einzige Einheit alle Eingangs/Ausgangs-
Leitungen des Knotens steuert und die Gesamtheit der
Informationen zur Verfügung hat, die zum Hindurchleiten der
Pakete notwendig sind; oder kann eine verteilte Steuerung
sein: in diesem Fall ist eine Vielzahl von Steuergeräten
vorhanden, die jeweils den Verkehr verwalten, der bei einer
bestimmten Gruppe von Eingangs/Ausgangs-Leitungen beteiligt
ist.
-
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar bei Netzen mit verteilter
Steuerung, bei denen eine Vielfalt von Wegen zwischen einem Eingang
und einem Ausgang verfügbar ist und der Verkehr in der Ebene des
virtuellen Anrufs verteilt ist. Bei einem Netz dieser Art tritt für
jeden durchzuschaltenden Anruf das Problem auf, den besten
Verbindungsweg zwischen dem Eingang und dem Ausgang zu wählen, also
den Weg, der bestimmte gegebene Parameter optimiert.
-
Speziell wird häufig auf die Optimierung einer "Kostenfunktion" der
Verbindung Bezug genommen: Der Ausdruck "Kostenfunktion" bedeutet
einen Parameter, der sich auf die Bandbreitenbelegung auf der
Verbindung bezieht. Dieser Parameter kann in verschiedener Weise
definiert werden, unter anderem in Abhängigkeit von den
Charakteristiken der das Netz bildenden Koppelelemente.
-
Eine Lösung dieses Problems ist beschrieben bei M. De Prycker und
M. De Somer in dem Aufsatz "Performance of a Service Independent
Switching Network with Distributed Control", IEEE Journal on
Selected Areas in Communications, Band SAC-5, Nr. 8, Oktober 1987.
Bei diesem Verfahren, das für ein Netz anwendbar ist, bei dem ein
Ausgang von einem Eingang über eine beliebige zentrale Stufe
erreichbar ist, wird ein Steuerpaket in das Netz gesendet, um einen
Verbindungsweg zwischen dem gewünschten Eingang und Ausgang zu
finden, wobei dieser Weg eine akzeptable Betriebsqualität
garantieren kann. Dieser Weg wird Schritt um Schritt gesucht, indem in
jeder Stufe eine örtliche Steuerfunktion der Belastung des
beteiligten Stufenausgangs verwendet wird: nämlich wird die
Belastung (als Prozentsatz der belegten Bandbreite im Vergleich zur
verfügbaren Bandbreite) aufgrund der zu diesem Zeitpunkt diesen
Ausgang verwendenden Verbindung in jedem Koppelelement gespeichert
und es wird geprüft, ob die zusätzliche Belastung aufgrund der
neuen Kommunikation akzeptabel ist, indem sie nicht zu einer allzu
hohen Wahrscheinlichkeit des Überlaufs der Warteschlange führt.
Wenn das Steuerpaket den Netzausgang erreicht, wird der so
gefundene Weg dann zum Durchleiten aller Pakete der selben
virtuellen Verbindung verwendet.
-
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß aufgrund der hohen
Zahl von zwischen einem Eingang und einem Ausgang verfügbaren
alternativen Wegen zum Finden eines Leitwegs innerhalb einer
angemessenen Zeit ohne Rückgriff auf extrem komplexe
Auswertungsalgorithmen zwar der Weg zwischen benachbarten Stufen optimiert
wird, es jedoch keine globale Netzvision gibt, so daß der
schließlich aufgefundene Weg nicht notwendigerweise derjenige ist, der die
globale "Kostenfunktion" der neuen Verbindung optimiert.
-
Demgegenüber schafft die Erfindung ein Verfahren, bei dem eine
globale Kostenfunktion ausgewertet wird, ohne daß den
Steuervorrichtungen
eine übermäßige Verarbeitungsbelastung aufgebürdet wird:
Auf diese Weise ist der aufgefundene Weg tatsächlich der optimale
Weg zwischen dem Netzeingang und dem Netzausgang.
-
Das durch die Erfindung gegebene Verfahren der Leitweglenkung durch
ein Koppelnetz eines schnellen Paketvermittlungssystems, bei dem
dem Koppelnetz eine dezentralisierte Steuerungsstruktur zugeordnet
ist, die aus einer Vielzahl von Verarbeitungseinheiten
zusammengesetzt ist, die die Wegesuche in der Ebene des virtuellen Anrufs
handhaben, ist dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige dieser
Verarbeitungseinheiten, die jeweils einer Gruppe von
Eingängen/Ausgängen des Koppelnetzes zugeordnet sind, Bandbreitenbelegungsdaten
von Zwischenstufenverbindungen, die von den Eingängen der Gruppe
her erreichbar sind und zwischen den Eingängen und einer Stufe, an
der es eine Maximalzahl von alternativen Wegen gibt, eingeschlossen
sind, bzw. die Bandbreitenbelegungsdaten der
Zwischenstufenverbindungen, die zu den Ausgängen der Gruppe führen und zwischen
jener Stufe und den Ausgängen der Gruppe eingeschlossen sind,
speichern, wobei man diese Daten jedesmal dann fortschreibt, wenn
ein neuer Anruf hindurchgelegt wird; und daß, wenn ein virtueller
Anruf hindurchzulegen ist, die dem Eingang bzw. dem Ausgang, der
an der Verbindung beiteiligt ist, zugeordneten
Verarbeitungseinheiten jeweils auf der Basis des fortgeschriebenen Zustands der
Bandbreitenbelegung und der Bandbreitenerfordernisse des neuen
Anrufs eine Kostenfunktion der Verbindung für den Teil jedes
möglichen Verbindungswegs, der zwischen dem Eingang und der Stufe
enthalten ist, in der es die maximale Zahl alternativer Wege gibt,
bzw. für den Teil jedes Leitwegs, der zwischen dieser Stufe und dem
Ausgang eingeschaltet ist, auswerten, wobei die Ergebnisse der von
diesen Einheiten durchgeführten Auswertungen miteinander in einer
dieser Einheiten kombiniert werden, die eine globale Kostenfunktion
der einzelnen Verbindungswege bestimmt und die Anrufe auf
denjenigen Weg leitet, der die Minimum-Kostenfunktion aufweist.
-
Die Erfindung schafft außerdem ein System zur schnellen
Paketvermittlungskommunikation, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
wenigstens einige Verarbeitungseinheiten, die jeweils einer Gruppe
von Eingängen/Ausgängen des Koppelnetzes zugeordnet sind, bei jedem
neuen hindurchgeleiteten Anruf Bandbreitenbelegungsdaten, die
Zwischenstufenverbindungen betreffen, die von den Eingängen dieser
Gruppe aus erreichbar sind und zwischen diesen Eingängen und einer
Stufe, in der es das Maximum alternativer Wege gibt, eingeschlossen
sind, bzw. Bandbreitenbelegungsdaten, die die Verbindungen
betreffen, die zu den Ausgängen dieser Gruppe führen und zwischen
dieser Stufe und den Ausgängen eingeschlossen sind, speichern und
fortschreiben können; und daß, wenn ein virtueller Anruf
hindurchzulegen ist, die dem in die Verbindung einbezogenen Eingang bzw.
Ausgang zugeordneten Verarbeitungseinheiten
Auswertungseinrichtungen enthalten, die auf der Basis des fortgeschriebenen
Bandbreitenbelegungszustands und der Bandbreitenerfordernisse des neuen Anrufs
eine Kostenfunktion der Verbindung für den Teil jedes möglichen
Leitwegs auswerten, der zwischen dem Eingang und einer Stufe
eingeschaltet ist, in der es das Maximum alternativer Wege gibt,
bzw. für den Teil jedes Leitwegs, der zwischen dieser Stufe und dem
Ausgang eingeschaltet ist; wobei eine dieser Einheiten von der
anderen Einheit die Ergebnisse der durchgeführten Auswertungen
empfängt, sie mit ihren eigenen Ergebnissen kombiniert, um eine
globale Kostenfunktion der Verbindung auszuwerten, und den Anruf
auf den Weg legt, der die minimale Kostenfunktion aufweist.
-
Das erfindungsgemäße Leitweglenkungsverfahren und das
Kommunikationssystem, an dem es angewandt wird, bieten zusätzlich zum Vorteil,
der sich aus der Wahl des optimalen Leitwegs auf der Grundlage
einer globalen Netzvision ergibt, noch weitere Vorteile. Speziell
werden Verarbeitungszeiten dadurch reduziert, daß die
Verarbeitungseinheiten, die die Kostenfunktion auswerten, nur einen Teil
der Verbindungen steuern müssen. Außerdem ermöglicht das Verteilen
des Speichers der Verbindungs-Bandbreitenbelegung auf eine Mehrzahl
von Verarbeitungseinheiten, daß Leitweglenkungsoperationen zwischen
Eingängen/Ausgängen, die verschiedenen Gruppen angehören,
gleichzeitig durchgeführt werden können, was weiterhin das
Netzbetriebsverhalten hinsichtlich der Verkehrshandhabung verbessert.
-
Zum besseren Verständnis wird auf die anliegende Zeichnung Bezug
genommen, die ein die Erfindung anwendendes schnelles
Paketvermittlungs-Koppelnetz zeigt.
-
Die Figur zeigt beispielhaft ein Koppelnetz mit 64 Eingängen und
64 Ausgängen, das aus 2x2-Koppelelementen SE zusammengesetzt ist,
die in acht Stufen angeordnet sind. Der Aufbau der Koppelelemente
kann einer sein, wie er von C. Demichelis, G. Giandonato, S.
Giorcelli und R. Melen in dem Aufsatz "Fast packet switchng
technique in first generation ISDN", CSELT Technical Reports, Band
XV, Nr. 4, Juni 1987, beschrieben ist. Das hier beschriebene Netz
weist zwei zusätzliche Stufen auf (nämlich zwei Stufen mehr als die
Mindestzahl, die notwendig ist, um eine Verbindung zwischen einem
beliebigen Eingang und einem beliebigen Ausgang zu ermöglichen) und
bietet die Verfügbarkeit von vier alternativen Wegen zwischen einem
gegebenen Eingang und einem gegebenen Ausgang. Außerdem sind die
Netzwerkseingänge/-ausgänge in vier Eingangsabteilungen PE1... PE4
und vier Ausgangsabteilungen PU1... PU4 gruppiert, die jeweils 16
Eingänge bzw. Ausgänge umfassen und die Elemente SE enthalten, die
die ersten vier bzw. die letzten vier Stufen des Netzes bilden.
Die Elemente SE sind schematisch nur für eine der
Eingangsabteilungen, z. B. PE1, und nur für eine der Ausgangsabteilungen, z. B.
PU3, dargestellt. Die Verbindungen zwischen den verschiedenen
Elementen sind nur in PE1 und teilweise in PU3 dargestellt.
-
An der Netzperipherie befindet sich eine verteilte
Steuerungstruktur CD mit den üblichen Aufgaben, die am Knoten empfangenen Pakete
dazu zu verarbeiten, daß sie durch das Koppelnetz geleitet werden
und an den nachfolgenden Knoten übergeben werden. Die Schaltung CD
besteht beispielsweise aus Einheiten, deren Struktur und Funktion
den im obengenannten Aufsatz beschriebenen Strukturen und
Funktionen entspricht. Einige Einheiten der Steuerschaltung, die mit
Eingängen von Abteilungen PE1 oder mit Ausgängen von Abteilungen
PU3 verbunden sind, sind einzeln dargestellt. Diese Einheiten sind
bezeichnet mit UC1-1... UC1-7... UC1-16, und mit UC3-1... UC3-7...
UC3-16. Es sei zur Erinnerung darauf hingewiesen, daß, obwohl die
Steuerschaltung als in zwei Teile geteilt dargestellt ist, die mit
den Eingängen bzw. mit den Ausgängen des Koppelnetzes verbunden
sind, eine einzige Einheit wie UC einen Eingang und einen Ausgang
des Netzes steuert, wie es klar in Fig. 2 des obengenannten
Aufsatzes dargestellt ist.
-
Eine Gruppe der Einheiten UC soll außerdem die optimalen Wege
entsprechend den von der Erfindung verlangten Modalitäten suchen.
Zu diesem Zweck müssen sie den Bandbreitenbelegungsgrad der
Verbindungen zwischen den Stufen speichern, die von Anrufen belegt
werden könne, welche den von diesen Einheiten gesteuerten Eingang/
Ausgang einbeziehen, und sollen auf der Grundlage des
gegenwärtigen Belegungsgrads und des Bandbreitenbedarfs des neuen Anrufs eine
globale "Kostenfunktion" der Verbindung zwischen dem Eingang und
dem Ausgang gemäß jedem der im Netz verfügbaren möglichen
alternativen Wege auswerten. Die Kommunikation wird auf den Weg geleitet,
der die gewählte Kostenfunktion minimiert.
-
Die Kostenfunktion kann mit Hilfe der Verbindungsstück-Belegung
oder mit Hilfe von Paketverzögerungen usw. ausgewertet werden. Die
Wahl der Kostenfunktion hängt allgemein von der Netzstruktur und
den Koppelelementen, aus denen das Netz zusammengesetzt ist, ab.
Unterschiedliche Kostenfunktionen können zu verschiedener
Leitwegwahl führen. Die für ein spezifisches Netz auszuwertende Funktion
ist vorgegeben.
-
Die Einheiten für diese Gruppe führen die genannten Aufgaben für
denjenigen Teilweg aus, der innerhalb der Abteilung liegt, der sie
zugeordnet sind, oder allgemein für den Teilweg, der zwischen dem
Eingang und derjenigen Stufe liegt, bei der es die Maximalzahl
alternativer Wege gibt, bzw. zwischen dieser Stufe und dem
Netzausgang. Da die Maximalzahl alternativer Wege in
Übereinstimmung mit der oder einer zentralen Netzstufe gefunden wird, ergibt
sich eine gute Verteilung der Belastung zwischen den beiden
beteiligten Steuereinheiten (natürlich unter der Voraussetzung, daß
der Eingang und der Ausgang nicht von der selben Einheit gesteuert
werden).
-
Die Anzahl der Einheiten UC, die zur Durchführung dieser Funktionen
befähigt sind, hängt natürlich von der Größe des Koppelnetzes ab.
Beim in der Figur dargestellten Beispiel werden die aufgrund der
Erfindung geforderten Funktionen durch eine der Einheiten je
Abteilung durchgeführt, wobei diese Einheit mit allen
Eingängen/Ausgängen
der Abteilung selbst verbunden ist. Beispielsweise
sind in der Zeichnung die mit den von der Erfindung verlangten
Funktionen betrauten Einheiten die Einheiten UC1-16, UC3-16 und die
(nicht dargestellten) entsprechenden Einheiten der anderen
Abteilungen. Zur Durchführung dieser Funktionen benötigen die
Einheiten nur eine Tabelle der Bandbreitenbelegungsdaten und eine
Recheneinheit, die die üblichen mathematischen Operationen
ausführen und das Minimum in einer bestimmten Gruppe von Werten
erkennen kann. Für diesen Zweck können die Speicher und die
Recheneinheit der üblichen Mikroprozessoren, durch die übliche
verteilte Steuereinheiten implementiert sind, verwendet werden.
-
Zur besseren Veranschaulichung der Erfindung sei der Fall
untersucht, bei dem eine Verbindung zwischen dem mit der Steuereinheit
UC1-7 verbundenen Eingang und dem mit der Steuereinheit UC3-7
verbundenen Ausgang herzustellen ist. Dicke Linien A, B, C, D in
der Figur zeigen die vier möglichen alternativen Wege zwischen dem
Eingang und dem Ausgang; längsseits jedes belegbaren
Verbindungsstücks zwischen den Stufen ist eine hypothetische
Bandbreitenbelegungs-Situation zum Zeitpunkt der Leitweglenkungs-Anforderung für
die neue Verbindung angezeigt. Die Bandbreitenbelegungswerte
beziehen sich auf die maximale verfügbare Bandbreite, die als 1
angenommen wird. Von der neuen Verbindung sei angenommen, daß sie
die Bandbreitenbelegung um 0,1 erhöht.
-
Es werden zwei mögliche Kostenfunktionen einer Verbindung
untersucht. Die erste Funktion führt zur Wahl desjenigen Wegs, der in
der Schlange der durch das Netz zu übertragenden Pakete die
geringste Verzögerung einführt, während die zweite Funktion zur
Wahl des Wegs führt, der eine maximale Ausnützung der verfügbaren
Bandbreite ermöglicht. Die erste Funktion wird gegeben durchΣ1/(1
- Boc), wobei Boc die belegte-Bandbreite eines Verbindungsstücks
zwischen den Stufen angibt. Es ist zu beachten, daß in einem System
mit Schlangen und einer bestimmtem maximalen
Bandbreitenverfügbarkeit B = 1 die Verzögerung durch eine Kurve wiedergegeben werden
kann, die bei einer Erhöhung der Bandbreitenbelegung das gleiche
Verhalten hat wie die Funktion 1/(1 - Boc). Die zweite
Kostenfunktion wird gegeben durch Σ(1-Boc), deren Minimum ersichtlich der
maximalen Belegung entspricht. Beide Summierungen enthalten die
gesamte Gruppe der Zwischenstufenverbindungen, die in einen Leitweg
einbezogen sind.
-
Die Einheit UC1-16 der Abteilung PE1, die den vom Anruf betroffenen
Eingang umfaßt, wertet eine Kostenfunktion der Verbindung bis zum
Eingang der Ausgangsabteilung PU3 aus, also bis zum
Verbindungsstück zwischen der vierten und der fünften Stufe; das Element UC3-
16 der Abteilung PU3 wertet die Kostenfunktion vom Ausgang der
fünften Stufe bis zum Netzausgang aus.
-
Bei der Untersuchung der ersten Kostenfunktion zeigt sich, daß die
von UC1-16 für den Teil des Wegs A, den sie steuert, durchgeführte
Berechnung Teilkosten ergibt:
-
CP1A = [1/1 - 0,3] + [1/1 - 0,6] + [1/1 - 0,9] + [1/1 - 0,5] = 15,93
-
Die von UC3-16 durchgeführte Berechnung hinsichtlich des
verbleibenden Teils des Wegs A gibt als Teilkosten:
-
CP3A = [1/1 - 0,2] + [1/1 - 0,4] + [1/1 - 0,8] = 7,91
-
in gleicher Weise ergeben die Wege B, C, D die folgenden
Teilkosten:
-
CP1B = 7,09 CP3B = 5,93
-
CP1C = 6,75 CP3C = 13,33
-
CP1D = 17,83 CP3D = 6,43
-
Durch eine Nachricht, die in üblicher Weise durch das Koppelnetz
geleitet wird, teilt die Einheit UC3-16 die Ergebnisse ihrer
Berechnungen der Einheit UC1-16 mit, die die beiden Teilkosten, die
sich auf die einzelnen Leitwege beziehen, addiert und dadurch die
globalen Kosten berechnet, und die dann das Minimum unter den
gefundenen Werten bestimmt. Im Beispiel betragen die globalen
Kosten CTA1 = 23,84; CTB1 = 13,02; CTC1 = 20,08; und CTD1 = 24,26.
Folglich beliefert UC1-16 die Einheit UC1-7 mit der notwendigen
Information, um den Anruf über den Weg B zu leiten.
-
Wird die zweite Kostenfunktion gewählt, so sind die globalen Kosten
der verschiedenen Verbindungen:
-
CTA2 = 3,3; CTB2 = 3,9; CTC2 = 3,1; CTD2 = 2,8
-
und der Anruf wird von UC1 auf den Weg D geleitet, der die
Minimumkosten aufweist.
-
Es ist klar, daß diese Beschreibung als nicht begrenzendes Beispiel
gegeben wurde und daß Änderungen und Modifikationen möglich sind,
ohne den Bereich der Erfindung, wie sie in den anhängenden
Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Speziell beziehen sich die
obigen Betrachtungen auf Netze beliebiger Größe, mit
Koppelelementen, die eine beliebige Anzahl von Eingängen/Ausgängen aufweisen,
soweit nur die Anzahl der alternativen Wege zwischen einem Eingang
und einem Ausgang des Netzes begrenzt bleibt.