DE69121273T2

DE69121273T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragungsüberlastregelung

Info

Publication number: DE69121273T2
Application number: DE69121273T
Authority: DE
Inventors: Kai Y Eng; Richard D Gitlin; Mark J Karol
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1991-04-05
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2011-04-06
Also published as: EP0450974A2; DE69121273D1; EP0450974B1; CA2039746A1; JPH04227357A; CA2039746C; JPH0828741B2; EP0450974A3; US5048013A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Kommunikationssysteme und im einzelnen die Überlastungssteuerung in solchen Systemen.

Beschreibung des Standes der Technik

Übertragungsverbindungen hoher Geschwindigkeit werden typischerweise zur Übertragung von Daten von einer Vielzahl von Kanälen niedrigerer Geschwindigkeit benutzt. Üblicherweise werden Daten aus jedem der Vielzahl solcher Kanäle zeitweilig in einer zugeordneten Warteschlange gespeichert, und die Warteschlangen werden sequentiell bedient, beispielsweise durch einen Zeitmuliplexer oder einen Koppler. Es sei der Fall betrachtet, bei dem eine der Warteschlange plötzlich eine große Menge von Daten empfängt. Möglicherweise ist der Multiplexer dann nicht in der Lage, diese Warteschlange schnell genug zu bedienen. Da die Warteschlange nur begrenzte Kapazität besitzt, kann dann ein Datenüberlauf eintreten. Dieser Zustand ist als Überlastung bekannt.
Es sind verschiedene Anordnungen bei Versuchen benutzt worden, das Problem der Überlastung zu überwinden. Eine solche Anordnung ist in einem Aufsatz "Congestion Control Through Input Rate Regulation" von M. Sidi et al. in IEEE Globecom 1989, offenbart. Entsprechend diesem Aufsatz ist eine Vielzahl von Anschlüssen mit einem Netzwerk verbunden und jedem Anschluß ist eine vorbestimmte maximale Eingangsdatenrate zugeordnet. Die Überlastung wird durch Fallenlassen von Daten gesteuert, wenn die Dateneingangsrate des Anschlusses die vorbestimmte maximale Eingangsrate übersteigt. Alternativ kann der Eingang von Daten zeitweilig bis zu einem späteren Zeitpunkt angehalten werden. Das Problem bei dieser Anordnung besteht darin, daß die Anforderung von Resourcen für jeden Anschluß vor dem Betrieb bestimmt werden muß. Da diese Bestimmung nicht genau erfolgen kann, muß man mit dem schlechtest möglichen Fall rechnen. Dies führt zur Reservierung von Netzwerk-Resourcen in größerem Umfang für einen bestimmten Anschluß, als normalerweise erforderlich wäre, wodurch sich schlecht ausgenutzte Resourcen ergeben.
Bei anderen bekannten Anordnungen wird jedem Anschluß gestattet, so viele Daten in so kurzer Zeit zu übertragen, wie dies für den Anschluß erforderlich ist. Eine Überlastung wird bei solchen bekannten Anordnungen dadurch gesteuert, daß eine Steuernachricht zu dem Anschluß übertragen wird, wenn eine Überlastung auftritt. Diese Steuernachricht sperrt eine Übertragung durch den Anschluß und vermeidet dadurch eine Überlastung. Eine solche Anordnung arbeitet in Netzwerken hoher Geschwindigkeit nicht gut, da es sehr wahrscheinlich ist, daß zu dem Zeitpunkt, zu dem die Steuernachricht erzeugt und zu dem Anschluß übertragen wird, eine Überlastung bereits aufgetreten ist und Daten verlorengehen.
Die US-A-4,914,650 offenbart eine Anordnung, bei der der Multiplexer die Möglichkeit gibt, daß eine Reservebandbreite, die im Augenblick in einem bestimmten Kanal zur Verfügung steht, eine erste Warteschlange bedient, die für Verkehr benutzt werden soll, der von einer zweiten Warteschlange ausgeht.
Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4 bereitgestellt. Probleme bei bekannten Überlaststeueranordnungen können dadurch überwunden werden, daß eine Vielzahl von höchstens N-1 Warzeschlangen, eine Kommunikationsverbindung mit M-Kanälen und ein Multiplexer verwendet werden, der die Kanäle auf die Übertragungsverbindung multiplexiert. Die maximal N-1 Warteschlangen werden sequentiell abgefragt. Während der Zeit, zu der eine Warteschlange abgefragt wird, werden Daten aus dieser Warteschlange als Ausgangsdaten auf einen zugeordneten Kanal der N-Kanäle der Übertragungsverbindung geliefert, wodurch wenigstens ein Kanal nach Abfrage aller Warteschlangen verbleibt. Gleichzeitig mit der Abfrage werden die Warteschlangen überwacht, um festzustellen, ob sich eine oder mehrere der Warteschlangen in der Nähe eines Datenüberlaufzustandes befindet, d.h., die meisten Daten mit Bezug auf die anderen Warteschlangen gespeichert hat. Nachdem die meisten der N-1 Warteschlangen abgefragt und überwacht worden sind, werden Daten von der oder den Warteschlangen, die einem Datenüberlaufzustand am nächsten sind, auf den wenigstens einen verbleibenden Kanal übertragen. Auf diese Weise und entsprechend der Erfindung wird der zusätzliche Kanal automatisch für den am stärksten belasteten Kanal zur Verfügung gestellt und die Kosten werden auf alle Kanäle aufgeteilt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Teils eines Kommunikationssystems mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 ein Flußdiagramm mit Betriebsschritten für eine beispielhafte Verwirklichung des Monitors, der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 benutzt wird.

Ins einzelne gehende Beschreibung

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Koppler 100, einer Vielzahl von Warteschlangen 101-104, einem beispielhaften Zeitmultiplexer (TDM) 105, einer Übertragungsverbindung 111 und einem Monitor 112. Zur Vereinfachung und im Interesse einer klaren Beschreibung wird angenommen, daß die Übertragungsverbindung 111 beispielsweise in fünf Kanäle unterteilt ist, und daß jedem der Multiplexereingänge 106-110 ein getrennter Kanal der fünf Kanäle zugeordnet ist. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß jede gewünschte Zahl von Übertragungskanälen auf der Übertragungsverbindung 111 benutzt werden kann. Während eines Abfragezyklus wird jede der vier Warteschlangen 101- 104 für eine vorbestimmte Zeit abgefragt, die als Abfragezeit bezeichnet wird. Zusätzlich wird der Multiplexereingang 110 während einer Abfragezeit in jedem Abfragezyklus abgefragt. Demgemäß umfaßt jeder Abfragezyklus fünf Abfragezeiten, eine für jede der vier Warteschlangen 101-104 und eine letzte Abfragezeit für den Multiplexereingang 110.
Im Betrieb fragt der Zeitmultiplexer 105 sequentiell die Warteschlangen 101-104 nach bekannter Weise in einem vorbestimmten Reihenfolge ab. Während der Abfragezeit für jede Warteschlange 101-104 werden Daten in der jeweiligen Warteschlange an den entsprechenden Multiplexereingang 106- 109 geliefert und auf dem zugeordneten Kanal der Kommunikationsverbindung 111 übertragen. Zusätzlich speichert während der Abfragezeit für jede Warteschlange 101-104 der Monitor 112 eine Aufzeichnung bezüglich des Füllungsgrades jeder Warteschlange der Füllungsgrad stellt dar, wie nahe sich die Warteschlange an einem Datenüberlaufzustand befindet und kann beispielsweise der Prozentsatz der Warteschlange sein, der durch Daten belegt ist. Der Monitor 112 speichert außerdem die Adresse der jeweils abgefragten Warteschlange.
Da der Monitor 112 so eingerichtet ist, daß er die jeweils abgefragte Warteschlange überwacht, ist es erforderlich, den Monitor 112 in Synchronismus mit dem Multiplexer 105 zu halten. Dies wird leicht beispielsweise dadurch erreicht, daß der Takt für den Monitor 112 aus dem Takt abgeleitet wird, der für den Multiplexer 105 benutzt wird.
Nachdem die Warteschlangen 101-104 abgefragt worden sind, enthält der Monitor 112 die Adresse einer der Warteschlangen 101-104, welche sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet. Der Monitor 112 liefert dann ein Steuersignal an den Koppler 100. Dieses Steuersignal veranlaßt den Koppier 100, diejenige Warteschlange 101-104, die sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet, mit dem Multiplexereingang 110 zu verbinden. Demgemäß wird die fünfte Abfragezeit in jedem Abfragezyklus für diejenige Warteschlange benutzt, die sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet.
Aus der obigen Erläuterung läßt sich erkennen, daß der Eingang 110 des Multiplexers 105 benutzt werden kann, um in jedem Abtastzyklus Daten von einer anderen der vier Warteschlangen 101-104 zu übertragen. Im einzelnen wird diejenige Warteschlange 101-104, die sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet, in einem Abtastzyklus während der fünften Abfragezeit des Zyklus auf den Multiplexereingang 110 geschaltet.
Auf die obige Weise wird eine Überlastung im Netzwerk verlangsamt. Im einzelnen sei angenommen, daß beispielsweise die Warteschlange 103 einen plötzlichen Datenstoß empfängt und der dadurch nahe an einen Datenüberlauf zustand gelangt. Entsprechend der obigen Erläuterung wird dann die Warteschlange 103 zwei Mal in einem Abfragezyklus bedient, da sie sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet, und daher über den Koppler 100 mit dem Multiplexereingang 110 verbunden wird. Diese doppelte Bedienung der Warteschlange 103 in einem Abfragezyklus läuft weiter, bis die Warteschlange 103 sich nicht mehr näher an einem Datenüberlaufzustand befindet als die Warteschlangen 101, 102 und 104.
Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm mit den Betriebsschritten eines beispielhaften Algorithmus, der im Monitor 112 verwirklicht werden kann. In Fig. 2 bezeichnet "i" die jeweilige Warteschlange 101-104, die im Augenblick abgetastet wird, und der Füllungsgrad bezeichnet den Prozentsatz der Warteschlange, der durch Daten, beispielsweise Pakete, belegt ist. Zur Erläuterung wird angenommen, daß sich die Warteschlangen 101-104 an den Adressen 1-4 befindet.
In den Algorithmus wird über den Schritt 200 eingetreten. Am Beginn eines Abtastzyklus setzt der Schritt 201 i=1 entsprechend der Warteschlange 101 und den Füllungsgrad = 0 entsprechend einer leeren Warteschlange. Wenn die erste Warteschlange 101 durch den Zeitmultiplexer 105 abgefragt wird, wird der Füllungsgrad der Warteschlange 101 gemäß Schritt 202 in den Monitor 112 geschrieben. Der Schritt 203 vergleicht dann den eingeschriebenen Füllungsgrad mit dem gespeicherten Füllungsgrad, der zu Anfang 0 ist. Wenn der eingeschriebene Füllungsgrad größer ist, ersetzt der Schritt 204 den gespeicherten Füllungsgrad mit dem eingeschriebenen Füllungsgrad. Außerdem ersetzt der Schritt 204 die gespeicherte Adresse durch die Adresse i-ten Wartenschlange. Wenn jedoch der eingeschriebene Füllungsgrad kleiner oder gleich dem gespeicherten Füllungsgrad ist, dann werden der gespeicherte Füllungsgrad und die Adresse nicht aktualisiert.
Als nächstes bestimmt der Schritt 205, ob alle Warteschlangen im augenblicklichen Abfragezyklus abgefragt worden sind. Wenn dies nicht der Fall ist, erhöht der Schritt 206 die Warteschlangenadresse i, d.h., i=i+1. Es werden dann die Schritte 202-205 entsprechend der Darstellung in Fig. 2 wiederholt. Man erkennt dann, daß nach Abfrage aller Warteschlangen die Adresse der am meisten gefüllten Warteschlange und ihr Füllungsgrad im Monitor 112 gespeichert sind. Nachdem die letzte Warteschlange abgefragt ist, sendet der Schritt 207 ein Steuersignal zum Koppier 100. Dieses Steuersignal veranlaßt den Koppier 100, die Warteschlange, die sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand befindet, d.h., die am meisten gefüllte Warteschlange, mit dem Multiplexereingang 110 verbunden wird, wodurch diese Warteschlange zwei Mal im Abfragezyklus bedient wird. Der Algorithmus kehrt dann zum Schritt 201 für den Start des nächsten Abfragezyklus zurück.
Es gibt mehrere weitere Punkte für den Betrieb des Ausführungsbeispiels der Erfindung, die erwähnenswert sind. Als erstes gilt, daß das Verfahren das Überlastungsproblem nicht vollständig beseitigen wird. Wenn eine bestimmte Warteschlange kontinuierlich Daten mit einer höheren Rate empfängt, als diese auf dem zugeordneten Kanal der Übertragungsverbindung 111 übertragen werden können, dann zeigt diese Warteschlange gegebenenfalls einen Datenüberlauf. Das Verfahren verzögert jedoch das Auftreten eines Überlaufs, so daß genügend Zeit vorhanden ist, um der Datenquelle ein Signal zu geben, und dadurch die Übertragung zu verlangsamen oder anzuhalten. Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß zwar ein zusätzlicher Kanal zur Steuerung der Überlastung benutzt wird, daß dieser zusätzliche Kanal aber nicht freigehalten wird, wenn keine Überlastung vorhanden ist. Stattdessen zeigt die obige Erläuterung, daß der zusätzliche Kanal in jedem Abtastzyklus benutzt und dynamisch derjenigen Warteschlange zugeordnet wird, die sich am nächsten an einem Datenüberlaufzustand in dem jeweiligen Abtastzyklus befindet.
Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß der empfangende Anschluß Daten von dem dem Eingang 110 des Multiplexers 105 zugeordneten Kanal an eine zugeordnete Bestimmungsstelle weiterschalten muß. In einem Paketsystem kann eine Adresse im Paketkopf benutzt werden, um diese Funktion im Empfänger entsprechend bekannten Verfahren auszuführen. In anderen Systemen kann eine Signalisierung außerhalb des Bandes benutzt werden.
Es sei darauf hingewiesen, daß das oben erläuterte Beispiel nur zur Erläuterung dargestellt worden ist und den Schutzumfang der Erfindung entsprechend den Ansprüchen nicht einschränken soll. Weitere Abänderungen können vom Fachmann getroffen werden. Beispielsweise kann mehr als ein zusätzlicher Kanal benutzt werden. Die Kommunikationsverbindung kann in der Praxis aus mehreren physikalischen Verbindungen bestehen, von denen eine oder mehrere für die jeweilige Warteschlange benutzt wird, die sie benötigt. Die Kommunikationsverbindung kann eine optische Faserverbindung sein, um eine Übertragung hoher Geschwindigkeit zu erleichtern.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Übertragungsüberlastung in einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl von N Übertragungskanälen (106, 110),

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung eine Vielzahl von höchstens N-1 Warteschlangen (101, 104) umfaßt und daß das Verfahren die Schritte aufweist:

a) Abfragen einer Warteschlange und Übertragen von Daten aus der Warteschlange auf einem zugeordneten, getrennten Kanal während der Zeit, zu der die Warteschlange abgefragt wird,

b) Wiederholen des Schrittes a) für jede der höchstens N-1 Warteschlangen, wodurch wenigstens ein restlicher Kanal (110) übrig bleibt,

c) Bestimmen wenigstens einer Warteschlange, die die meisten Daten mit bezug auf den Zustand der anderen Warteschlangen gespeichert hat und Ausgabe von Daten aus dieser Warteschlange auf dem restlichen Kanal und

d) Wiederholen der Schritte a)-c).

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Übertragungsverbindung eine optische Faserübertragungsverbindung (111) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt c) die Überwachung der Füllung jeder Warteschlange umfaßt, ferner die Aufzeichnung einer Adresse, die der am meisten gefüllten Warteschlange zugeordnet ist, Erzeugen eines Steuersignals unter Ansprechen auf die aufgezeichnete Adresse, Übertragen des Steuersignals zu einem Koppler (100) und Vermitteln von Daten aus der der aufgezeichneten Adresse zugeordneten Warteschlange an die Übertragungsverbindung über den Koppler.

4. Vorrichtung zur Erzeugung einer Vielzahl N von Übertragungskanälen (106, 110), die zur Anschaltung an eine Übertragungsverbindung (111) geeignet sind,

gekennzeichnet durch

eine Vielzahl von höchstens N-1 Warteschlangen (101, 104),

eine Einrichtung (105) zur sequentiellen Abfrage der Warteschlangen und zur Ausgabe von Daten aus jeder Warteschlange auf einem zugeordneten, getrennten Kommunikationskanal während der Zeit, zu der die Warteschlange abgefragt wird, wodurch wenigstens ein restlicher Kommunikationskanal (110) übrig bleibt, eine Einrichtung (112) zur Überwachung jeder Warteschlange, um wenigstens eine Warteschlange festzustellen, die mit bezug auf die anderen Warteschlangen die meisten Daten gespeichert hat, und eine Einrichtung (100) zur Vermittlung von Daten aus der wenigstens einen Warteschlange, die die meisten Daten gespeichert hat, an die Einrichtung zur sequentiellen Abfrage und Datenausgabe, wodurch Daten aus der wenigstens einen Warteschlange, die die meisten Daten gespeichert hat, auf dem restlichen Kanal ausgegeben werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kommunikationsverbindung eine optische Faserkommunikationsverbindung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Überwachungseinrichtung eine Einrichtung zur Überwachung der jeder Warteschlange zugeordneten Füllung und zur Aufzeichnung einer Adresse aufweist, die der am meisten gefüllten Warteschlange zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, bei der die Einrichtung zur sequentiellen Abfrage einen Zeitmultiplex-Multiplexer mit einer Vielzahl von Eingängen aufweist, die je Daten von einer getrennten Warteschlange der N-1 Warteschlangen aufnehmen.