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Diese Erfindung bezieht sich auf Netzwerke für die Übertragung
von Daten zwischen einer Anzahl von Netzwerkknoten oder
Datenendge räten.
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Netzwerksysteme für die Übertragung von Daten zwischen einer
Vielzahl von Netzwerkknoten oder Datenendgeräten sind von
zunehmendem Interesse auf dem Gebiet der Datenverarbeitung.
Beispielsweise werden derzeit optische Systeme unter Verwendung
einer Lichtleitfaser-Übertragung mit verschiedenen
Netzwerkkonfigurationen entwickelt, die entweder aktive oder passive
Koppler und Teiler sowohl mit Wellenlängen- als auch Zeit-
Multiplex verwenden. Anwendungen schließen
Breitband-Überlagerungsnetze der Teilnehmerzugangsnetzwerke und eine extrem hohe
Kapazität aufweisende Paketvermittlung für
Telekommunikationszwecke oder für Parallelverarbeitungs-Rechneranwendungen ein.
Siehe A. Oliphant 'Progress in the development of a digital
optical routing system for television studio centres',
International Broadcasting Convention IBC 88, Brighton, September 1988,
IEE Conference Publication Nr. 293 pp 90-94, D B Payne & J R
Stern 'Single mode optical local networks', Conf. Proc. Globecom
'85, Houston, Veröffentlichung 39.5 and E Authurs et al 'A fast
optical cross connect for parallel processing computers' Proc.
13. European Conference on Optical Communication, Helsinki,
Finland, September 1987. Eine optoelektronische hybride
Paketvermittlung ist von E. Arthurs et al in IEEE Journal on Selected
Areas in Communications, Band 6, Nr. 9 (Dezember 1988), Seiten
1500-1510, 'HYPASS: An optoelectronic Hybrid Packet Switching
System' beschrieben. Ein lokales Netz unter Verwendung einer
optischen Vermittlung ist von T. Hermes et al im Journal of
Lightwave Technology, LT-3 (1985) Juni, Nr.3, Seiten 467-471
beschrieben.
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Derartige Systeme bieten Kapazitäten, die um Größenordnungen
höher als elektronische (zeitmultiplex-) Netzwerke sind, sie
ergeben eine vollständige Flexibilität der
Verbindungskonfiguration, eine Diensttransparenz und beträchtliche Möglichkeiten
für zukünftige Aufrüstungen und Erweiterungen.
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Um eine bestimmte Verbindung zwischen den Netzwerkknoten eines
derartigen Netzwerkes herzustellen, muß der optische Empfänger
in dem empfangenden Netzwerkknoten auf die gleiche Wellenlänge
ab gestimmt werden, wie der erforderliche Sender. Das Schalten
und die Neukonfiguration von Verbindungen in dem Netzwerk kann
entweder durch Schalten der Wellenlänge der Übertragung mit eine
feste, getrennte Wellenlänge aufweisenden Empfängern an jedem
Netzwerkknoten oder durch die Verwendung von eine feste,
getrennte Wellenlänge aufweisenden Sendern in jedem
Netzwerkknoten und von eine geschaltete Wellenlänge aufweisenden
Empfängern erzielt werden.
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Um eine Hochgeschwindigkeits-Neukonfiguration des
Verbindungsmusters zu erzielen, wie sie beispielsweise bei
Fernmeldegesellschaften oder bei Rechner-Paketvermittlungs-Anwendungen
erforderlich ist, ist es notwendig, ein sehr schnelles
Kommunikationsprotokoll zwischen den Netzwerkknoten zur Herstellung des
erforderlichen Verbindungsmusters zu entwickeln. Dies ist
wesentlich leichter zu erzielen, wenn hinsichtlich ihrer Wellenlänge
geschaltete Sender und eine feste Wellenlänge aufweisende
Empfänger verwendet werden, weil in diesem Fall das Netzwerk
'selbstlenkend' wird, wobei Nachrichten von dem Sender
automatisch an den richtigen Empfänger gerichtet werden. Ein gutes
Beispiel für ein derartiges Netzwerk ist das oben erwähnte
'HYPASS'-System. Ein Nachteil bei dieser Art von Netzwerk
besteht darin, daß es hinsichtlich ihrer Wellenlänge geschaltete
Senderbauteile erfordert, die nur schwierig mit geeigneten
Betriebseigenschaften herzustellen sind. Ein weiterer Nachteil
der üblichen Netzwerke besteht in der Schwierigkeit, einen
Punkt-zu-Mehrpunkt-Betrieb zu ermöglichen, bei dem ein
Netzwerkknoten eine Nachricht an alle anderen Netzwerkknoten aussenden
kann. Dies kann schwerwiegende Probleme bei der
Aufrechterhaltung
der richtigen Zeitfolge von Signalen einführen.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der
größtmöglichsten Verringerung oder Beseitigung dieser Nachteile.
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Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird ein
Datenkommunikationsnetzwerk geschaffen, das eine Vielzahl von
Endgerätestationen oder Netzwerkknoten aufweist, die durch ein optisches
Kommunikationsmedium über einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander
verbunden sind, wobei jedes Endgerät eine Punkt-zu-Mehrpunkt-
Machrichtenübertragung über den gemeinsamen Sternpunkt an alle
Endgeräte unter Einschluß von sich selbst durchführt, wobei die
Nachrichten in einer Folge von Rahmen ausgesandt werden, wobei
das Netzwerk dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder Rahmen eine
Vielzahl von Nachrichten, jeweils eine für jedes der genannten
Endgeräte umfaßt, wobei die Nachrichten in einem Rahmen
gleichzeitig und parallel empfangen werden, daß irgendeines der
Endgeräte einen Rahmen-Zeitsteuerbezugswert für die anderen
Endgeräte des Systems liefern kann, daß jedes Endgerät Einrichtungen
zur Ermittlung seiner Entfernung von dem Sternpunkt in
Ausdrücken von Rahmenzeiten aus der Verzögerung zwischen der
Aussendung und dem Empfang einer eigenen Nachricht aufweist, daß
jedes Endgerät Einrichtungen zur Übertragung seiner ermittelten
Entfernung an alle Endgeräte aufweist, und daß jedes Endgerät
Einrichtungen aufweist, die aus der eigenen Entfernung und den
Entfernungen der anderen Endgeräte von dem Sternpunkt eine
Verzögerung bestimmen, die auf eine Bestätigung für jede
übertragene Nachricht anzuwenden ist, stimmen, derart, daß alle
Bestätigungen für eine derartige Nachricht an dem sendenden
Endgerät in dem gleichen Rahmen ankommen, und daß jedes der
Endgeräte Einrichtungen zum Einordnen empfangener Nachrichten
in der Reihenfolge des Empfangs der Rahmen und in einer
vorgegebenen Reihenfolge in jedem Rahmen aufweist.
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Es wird auf unsere anhängige Anmeldung 8826156.5 (die am 16. Mai
1990 als EP-A-0368566 veröffentlicht wurde) Bezug genommen, die
sich auf ein optisches Vielfachwellenlängen-Netzwerk bezieht,
das eine Vielzahl von Netzwerkknoten aufweist, die über einen
einzigen gemeinsamen passiven optischen Koppler miteinander
verbunden sind, wobei alle über das Netzwerk übertragenen Signale
an dem Koppler synchron sind und jeder Netzwerkknoten Signale
von allen den Netzwerkknoten empfängt und jeder Netzwerkknoten
Wellenlängen-Demultiplexer-Einrichtungen einschließt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine allgemeine schematische Darstellung eines
synchronen optischen Vielfachfrequenz-Netzwerkes ist,
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Fig. 2 die Aussendung von Punkt-zu-Mehrpunkt-Informationsrahmen
in dem gesamten Netzwerk nach Fig. 1 zeigt,
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Fig. 3 ein typisches Rahmenformat zeigt, und
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Fig. 4 ein Schaltbild eines System-Netzwerkknotens ist.
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Bei dem Netzwerk nach Fig. 1 sind eine Anzahl von identischen
Netzwerkknotengeräten 20 durch Lichtleitfaser-Übertragungspfade
21 über einen gemeinsamen passiven optischen Sternkoppler
miteinander verbunden. Der Stern bildet einen Bezugspunkt, durch
den alle Übertragungen geführt werden. Die Konstruktion des
Sternkopplers ist derart, daß sich lediglich ein einziger Pfad
von jedem Eingang zu jedem Ausgang ergibt. In dem dargestellten
Beispiel sind sechzehn Knoten vorgesehen, wobei der
ausführlicher dargestellte Netzwerkknoten die Nummer 16 ist. Es ist
jedoch zu erkennen, daß die Technik nicht auf diese bestimmte
Anzahl von Netzwerkknoten beschränkt ist. Jeder Netzwerkknoten
weist einen eine einzige Wellenlänge aufweisenden optischen
Sender 23 auf, wobei diese Wellenlänge für jeden Netzwerkknoten
20 des Systems unterschiedlich ist. Signale von irgendeinem
Knoten werden über das Lichtleitfaser- und
Sternkoppler-Netzwerk an alle System-Netzwerkknoten übertragen, einschließlich
des Netzwerkknotens, von dem die Signale ausgehen.
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Jeder Knoten schließt weiterhin einen Wellenlängen-Demultiplexer
24 ein, in dem die Signale von allen Netzwerkknoten in sechzehn
Kanäle demultiplexiert und über eine
Mehrkanal-Empfängeranordnung 25 einer Ausgangsschaltung 26 zugeführt werden.
Typischerweise verwendet der Wellenlängen-Demultiplexer ein
Beugungsgitter und eine Linse, um jedes getrennte Kanal-Wellenlängensignal
an einen getrennten Detektor zu lenken.
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Ein System-Netzwerkknoten, beispielsweise der Knoten 1, wirkt
als Bezugs-Netzwerkknoten, und alle anderen Netzwerkknoten
werden mit diesem Bezugs-Netzwerkknoten am Sternkoppler
synchronisiert. Um diese Synchronisation zu bewirken, stellt jeder
Netzwerkknoten (mit der Ausnahme des Netzwerkknotens 1) seine
Rahmenübertragungs-Zeitsteuerung derart ein, daß sein
zurückkehrendes Signal mit dem vom Netzwerkknoten ankommenden Signal
synchronisiert ist. Dies ergibt eine automatische Kompensation
der unterschiedlichen Ausbreitungsverzögerungen zwischen jedem
Knoten und dem gemeinsamen Sternkoppler.
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Wenn das System eingeschaltet wird, synchronisieren alle
Netzwerkknoten ihre Rahmen mit Rahmen von dem Bezugs-Netzwerkknoten
ohne Berücksichtigung der Phase. Der Bezugs-Netzwerkknoten kann
beispielsweise durch Auswahl der niedrigsten Wellenlänge, die
zum Zeitpunkt der anfänglichen Systemkonfiguration vorhanden
ist, oder durch irgendein anderes gegenseitig vereinbartes
Verfahren bestimmt werden, das es jedem Netzwerkknoten ermöglicht,
den Bezugs-Netzwerkknoten unabhängig zu bestimmen. Jedes
Endgerät oder jeder Netzwerkknoten bestimmt aus der Verzögerung
zwischen der Aussendung und dem Empfang der eigenen Nachricht
die eigene Entfernung in Rahmenzeiten von dem Stern- oder
Bezugspunkt des Netzwerkes. Diese Information wird von jedem
Netzwerkknoten an alle anderen Netzwerkknoten ausgesandt, die mit
dem System verbunden sind. Aus dieser empfangenen Information
und aus der Bestimmung seiner Entfernung von dem Stern bestimmt
jeder Netzwerkknoten die richtige Verzögerung, die auf jede
derartige Bestätigung anzuwenden ist, so daß alle Netzwerkknoten-
Bestätigungen für eine bestimmte Nachricht an dem Sender im
gleichen Zeitrahme ankommen, d.h., daß alle Bestätigungen
gemeinsam an dem sendenden Netzwerkknoten ankommen. Bei einer
abgeänderten Ausführungsform kann jeder Netzwerkknoten eine
Verzögerung anwenden, die ausreicht, um ein Netzwerk zu
berücksichtigen, das einen Netzwerkknoten an einem maximalen Radiusarm
aufweist. Diese Lösung verringert die Kompliziertheit des
Einschaltverfahrens, verlangt jedoch die Anwendung der maximalen
Bestätigungs-Verzögerung, die in irgendeinem Netzwerk auftreten
könnte, auf alle Netzwerke.
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Jeder Knoten, der eine öffentliche Nachricht auszusenden hat,
überträgt diese mit seiner eigenen optischen Frequenz in dem
Datenpaket des Arbeitsrahmens. Es ist keine Entscheidung oder
Schlichtung zwischen gleichzeitigen Nachrichten oder eine
Prioritätsauflösung erforderlich. Die Rahmen weisen eine feste
Länge auf und sie können kurz verglichen mit der Zeit sein, die
ein Rahmen benötigt, um das Netzwerk zu durchlaufen.
Typischerweise umfassen die Rahmen jeweils 64 Byte und nehmen jeweils
eine Zeitperiode von 0,5 bis 1 Mikrosekunde ein. Das
Übertragungsformat ist in Fig. 2 gezeigt, die aus Gründen der Klarheit
ein Netzwerk mit vier Endgeräten zeigt. In Fig. 2 sind die
Rahmen mit Nummern bezeichnet, um ihre relativen Zeitstempel-
Positionen anzuzeigen. Alle Netzwerkknoten empfangen alle
Datenpakete von allen Netzwerkknoten, unter Einschluß ihrer
eigenen Datenpakete.
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Das Rahmenformat ist in Fig. 3 der beigefügten Zeichnungen
gezeigt. Wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist, schreibt jeder
Knoten Daten mit seiner eigenen Knotenfrequenz fn ein. Jeder
Rahmen kann parallel Daten von allen den System-Netzwerkknoten
führen, so daß sich eine wirkungsvolle Ausnutzung der
Systembandbreite ergibt. Die erste Spalte des Rahmens kann ein
Zeitsteuer-/Überwachungs-Bit enthalten.
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Die empfangenen Datenpakete in einem Rahmen werden so behandelt,
als ob sie in der gleichen Reihenfolge empfangen würden, wie die
Wellenlängen beziffert sind. Dies ist äquivalent zur Auflösung
einer Zeitstufenreihenfolge unter Verwendung einer Ziffer, die
von einem 'Token' abgegeben wird, das in dem zentralen Stern in
der Reihenfolge der Wellenlängen-Numerierung umläuft und eine
kurze Pause an jedem Netzwerkknoten einlegt, um diesem eine Zahl
zu liefern, bevor es sich selbst um eins vergrößert und zum
nächsten Knoten weiterläuft. Entsprechend bleibt jeder
Netzwerkknoten in einer festen zeitlichen Reihenfolge gegenüber den
anderen Knoten des Netzerkes. Weil die Rahmen verglichen mit der
Laufzeit kurz sind, wird ein hohes Ausmaß an Zeitstufenauflösung
erzielt. Bei einer abgeänderten Ausführungsform kann jedes
Endgerät seiner Nachricht einen eindeutigen Code voranstellen, der
dieses Endgerät für eine Bestimmung der zeitlichen Reihenfolge
identifiziert.
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Wie dies in Fig. 4 zu erkennen ist, schließt jeder
System-Netzwerkknoten einen Wellenlängen-Demultiplexer 41, beispielsweise
ein Beugungsgitter, ein, der eine Vielzahl von Ausgängen,
jeweils einen für jede Systemwellenlänge aufweist. Die
Demultiplexer-Ausgänge sind jeweils mit einem entsprechenden Empfänger
42 gekoppelt, dessen Ausgang einem Seriell-/Parallel-Wandler 43
zugeführt wird.
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Die Ausgänge der Seriell-/Parallel-Wandler 43 sind jeweils mit
einem FIFO-Speicher 44 gekoppelt. Das Auslesen des FIFO-
Speichers in der korrekten Folge in jedem Rahmen wird über
Speicherzugriffschaltungen 45 von einer allgemeinen
Steuerschaltung 46 gesteuert. Die Steuerschaltung 46 steuert weiterhin die
Aussendung von Signalen von dem Endgerät über einen weiteren
FIFO-Speicher 44a und eine weitere Speicherzugriffschaltung 45a.
Die Sendersignale werden dann über einen
Parallel-/Seriell-Wandler 47 einem Sender 48 zugeführt, von dem das Signal in das
Netzwerk abgestrahlt wird. Eine Netzwerk-Steuerschaltung 49
bestimmt die Synchronisation des Endgerätes mit dem Netzwerk.
Der System-Netzwerkknoten nach Fig. 4 ordnet
Empfängernachrichten in der Reihenfolge des Empfangs der Rahmen ein und ordnet in
jedem Rahmen Nachrichten entsprechend ihrer entsprechenden
Wellenlänge ein.
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Die Latenzzeit, die in einem Netzwerkknoten auftritt, der darauf
wartet, daß er seine eigene Nachricht von dem zentralen Stern
zurückempfängt und damit seine eigene Zeitstempel-Reihenfolge
auflöst, ist gleich der doppelten Verzögerung, die von seinem
eigenen Arm des Netzwerkes hervorgerufen wird. Die Wirkung
hiervon besteht darin, daß Netzwerkknoten mit kurzen
Verbindungsstrecken zum Mittelpunkt des Sterns eine geringere Latenzzeit
erfahren, als eine größere Entfernung aufweisende
Netzwerkknoten. Dieser Fall ist in Fig. 2 gezeigt, in der bei dem
Netzwerkknoten 4 die kürzeste Latenzzeit auftritt, während die längste
Latenzzeit bei dem Netzwerkknoten 1 auftritt.
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Das Netzwerk ergibt eine Nachrichtenbestätigung auf der
physikalischen Ebene. Die Bestätigung des Empfangs von Nachrichten in
jedem Netzwerkknoten wird durch eine Anzahl von Rahmenzeiten
verzögert, um sicherzustellen, daß die Bestätigung am an der
Mitte angeordneten Stern zur gleichen Zeit ankommt, wie die
unverzögerte Bestätigung für den gleichen Rahmen von dem am
weitesten entfernten Netzwerkknoten. Dies ermöglicht es, daß alle
Bestätigungen für einen vorgegebenen Rahmen an dem sendenden
Netzwerkknoten gleichzeitig n Rahmen später zurückempfangen
werden.
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Jeder Netzwerkknoten überträgt weiterhin Statusinformationen, um
eine schnelle Fehlererkennung und Ablaufsteuerung zu
unterstützen. Die exakte Art der erforderlichen Statusinformation wurde
nicht bestimmt, kann jedoch folgendes einschließen: Nicht
bereit, Betriebsbereit und keine Fehler festgestellt.
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Das vorstehend beschriebene Netzwerk ist besonders bei der
Verbindung einer Vielzahl von Rechnern oder
Datenverarbeitungseinrichtungen anwendbar, die gemeinsam benutzte Daten aufweisen. Es
ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt und kann ebenso
beispielsweise für die Verbindung einer Anzahl von
Telefonvermittlungen für den Austausch von Informationsdaten verwendet
werden.
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Es ist verständlich, daß, obwohl die Technik von besonderem
Vorteil für optische Netzwerke ist, sie auch in nichtoptischen
Systemen verwendet werden kann.