DE69326903T2 - Verfahren zur überlastabwehr in frame-relay-netzen und ein knoten in einem solchen netz - Google Patents
Verfahren zur überlastabwehr in frame-relay-netzen und ein knoten in einem solchen netzInfo
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überlastabwehr oder Stauverwaltung in einem Frame-Relay-Netz, wobei ein mit einem zu übertragenden Rahmen verbundener virtueller Kanal bestimmt wird. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf einen Knoten in einem Frame-Relay-Netz, mit zumindest einer zur Stauung neigenden Ressource, wie beispielsweise ein Puffer.
- Ein Stau bedeutet ein Zustand, in dem die Zahl der Übertragungsanforderungen die Übertragungskapazität in einem bestimmten Netzpunkt (genannt Flaschenhalsressource) zu einem bestimmten Zeitpunkt überschreitet. Der Stau führt üblicher Weise zu Überlastungszuständen, deren Resultat beispielsweise ein überlaufender Puffer ist, und somit werden Pakete entweder durch das Netz oder den Teilnehmer wiederholt übertragen. Die Funktion der Stauverwaltung (cm) liegt im Beibehalten einer Balance zwischen den Übertragungsanforderungen und der Übertragungskapazität, so daß die Flaschenhalsressource auf einem optimalen Niveau betrieben und den Teilnehmern der Dienst in einer Gerechtigkeit sicherstellenden Weise angeboten wird.
- Die Stauverwaltung kann in eine Stauvermeidung (CA) und eine Stauerholung (CR) aufgeteilt werden. Stauvermeidungsverfahren dienen dem Verhindern des Auftretens einer Stauung in dem Netz durch dynamisches Einstellen der Bandbreite der Teilnehmer gemäß den Netzstauzuständen und/oder durch Ändern der Netzweiterleitung (network routing), so daß ein Teil der Verkehrslast der Flaschenhalsressource zu einer freien Ressource verlagert wird. Die Erholungsverfahren dienen dagegen dem Wiederherstellen eines Betriebs der Flaschenhalsressource auf optimalem Niveau, falls das Vermei den des Auftretens einer Stauung durch die Vermeidungsverfahren nicht erfolgreich gewesen ist.
- Bei der Frame-Relay-(FR)-Technik handelt es sich um eine paketvermittelte Netztechnik, die zur Übertragung von Übertragungsrahmen unterschiedlicher Länge anstelle der derzeit verwendeten paketvermittelten Netzverbindungen eingesetzt wird. Das im allgemeinen bei den derzeitigen paketvermittelten Netzen eingesetzte Protokoll (X.25) erfordert einen hohen Verarbeitungsaufwand und die Übertragungsausrüstung ist kostspielig, so daß im Ergebnis auch die Geschwindigkeiten gering bleiben. Dies liegt daran, daß der X.25- Standard entwickelt wurde, als die verwendeten Übertragungsverbindungen noch ziemlich anfällig für Übertragungsfehler waren. Ausgangspunkt der Frame-Relay-Technik war eine deutlich geringere Übertragungsleitungsfehlerwahrscheinlichkeit. Es war daher möglich, in der Frame-Relay-Technik auf eine Zahl unnötiger Funktionen zu verzichten, wodurch die Übermittlung der Rahmen schnell und effizient wurde. Der Fame Mode Bearer Service ist in der CCITT-Spezifikation I.233 (Bezugsdokument 1) allgemein und das zugehörige Protokoll in der Spezifikation Q.922 (Bezugsdokument 2) beschrieben. Die Stauung in einem FR-Netz und Stauverwaltungmechanismen sind in der CCITT-Spezifikation I.370 (Bezugsdokument 3) beschrieben. Hinsichtlich einer näheren Beschreibung der FR-Technik wird auf "An Overview of Frame Relay Technology", Datapro Management of Data Communications, McGraw-Hill Incorporated, April 1991 (Bezugsdokument 4) und auch auf die vorgenannten Spezifikationen verwiesen.
- Die in den CCITT-Spezifiaktionen festgelegten Empfehlungen bieten einige Mechanismen zur Staumitteilung. Beispielsweise wird die Netzstauverwaltung bei der Empfehlung I.370 zwischen den Knoten und den Teilnehmern des Netzes aufgeteilt. Demgemäß sollte der Teilnehmer die Verkehrsmenge auf Grundlage der von dem Netz empfangenen Staumitteilungen einstellen, und das Netz wiederum sollte dasselbe auf Grundlage der von dem Teilnehmer empfangenen Staumitteilungen durchführen. Mit anderen Worten sollte der Teilnehmer seinen Verkehr zu dem Netz verringern, falls das Netz dem Teilnehmer einen Stau mitteilt, und umgekehrt. Durch diese Zusammenarbeit würde das Netz somit hinsichtlich der Stauverwaltung zu einem geschlossenen System ausgestaltet. In der Praxis ist jedoch diese Art der Stauverwaltung nicht praktikabel, im wesentlichen aus zwei Gründen:
- - die durch die Spezifikation bereitgestellten Mitteilungsmechanismen sind zu langsam, um auf momentane Stausituationen anzusprechen; und
- - man kann sich nicht auf das freiwillige Verringern des Verkehrs durch die Teilnehmer verlassen, selbst wenn diese Staumitteilungen von dem Netz empfangen. In einem solchen Fall ist das Stauverwaltungsystem praktisch nicht geschlossen, und der Stau wird nicht aufgelöst.
- Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren liegt darin, daß alle Teilnehmer unter Staubedingungen gleich behandelt werden, und es daher nicht möglich ist, den Nachrichten derjenigen Teilnehmer, die einen besseren Service wünschen (d. h. Anwendungen, die einen besseren Service erfordern), hinsichtlich der Durchsatzwahrscheinlichkeit einen Vorrang einzuräumen.
- Die US-A-5014265 offenbart ein Stausteuerverfahren und eine Vorrichtung, gemäß denen ein Pufferraum für jede virtuelle Schaltung zugewiesen wird. Für jeden in den Puffer einzuschreibenden Datenrahmen wird ein den der virtuellen Schaltung zugewiesenen, gerade belegten Pufferraum darstellender Wert mit einem der Maximalpufferraumzuweisung der virtuellen Schaltung darstellenden Wert verglichen. Stimmen die Werte überein, so gehen die auf das Einschreiben in den Puffer wartenden Rahmen verloren.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu vermeiden und ein neues Stauver waltungverfahren, das zuverlässig ist und ein schnelles Ansprechen ermöglicht, zur Verwendung in dem FR-Netz bereitzustellen. Das neue Verfahren ermöglicht auch eine Prioritätszuweisung für virtuelle Verbindungen hinsichtlich der Durchsatzwahrscheinlichkeit. Dies wird gelöst durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es die Schritte umfaßt: Bestimmen einer Vielzahl von virtuellen Kanälen, die mit jeweiligen über das Frame- Relay-Netz über die virtuellen Kanäle zu übertragenden Rahmen verbunden sind; Bestimmen eines Serviceniveaus für jeden virtuellen Kanal gemäß den Bedürfnissen des Teilnehmers; Zuweisen jeweiliger Serviceniveaus mit Werten für zumindest einige der virtuellen Kanäle; Bestimmen eines Stauniveaus mit einem veränderbaren Wert in einem vorbestimmten Verhältnis zu den Werten der Serviceniveaus für eine zur Stauung neigende Ressource; Vergleichen des das jeweilige Serviceniveau des jeweiligen virtuellen Kanals des jeweiligen Rahmens repräsentierenden Werts mit dem das entsprechende vorhandene Stauniveau der Ressource darstellenden Wert, für jeden zu übertragenden Rahmen; und Entfernen eines jeden jeweiligen Rahmens, wenn sich das Vergleichsergebnis außerhalb eines bestimmten Wertebereichs befindet. Der erfindungsgemäße FR-Netzknoten ist wiederum dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt eine Einrichtung zum Speichern von virtuellen Kanälen entsprechenden Serviceniveauwerten; eine Einrichtung zum Bestimmen eines veränderlichen Stauniveaus eines für virtuellen Kanäle spezifischen Puffers des Frame-Relay-Netzes, der zur Stauung neigt; eine Einrichtung zum Vergleichen von das vorliegende Stauniveau des Puffers darstellenden Werten mit den entsprechenden das Serviceniveau darstellenden Wert, um jeweilige Ergebnisse zu erhalten; und eine Einrichtung zum Entfernen eines jeweiligen zum Übertragen über das Frame-Relay-Netz vorgesehenen Rahmens, im Ansprechen auf das jeweilige Vergleichsergebnis.
- Die Erfindung basiert auf der Idee, daß virtuelle Kanäle entsprechend dem vom jeweiligen Teilnehmer gewünschten Ser viceniveau klassifiziert werden und daß Rahmen mit niedrigerem Serviceniveau unter Staubedingungen entfernt werden, so daß der in einer Stausituation gebotene Service hinsichtlich der Rahmendurchsatzwahrscheinlichkeit auf die Wünsche des Teilnehmers optimiert ist.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Beispiele näher beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1 eine typische Betriebsumgebung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 2 eine vereinfachte Ansicht eines FR-Netzknotens, in dem das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt ist;
- Fig. 3 eine mit jedem Ausgangs- oder Eingangspuffer in dem in Fig. 2 gezeigten Knoten verbundene Stauverwaltungeinrichtung;
- Fig. 4 das Format eines in einem FR-Netz übermittelten Rahmens;
- Fig. 5 eine für einen Puffer vorgesehene Stauniveautabelle; und
- Fig. 6 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens, das in jedem Ausgangs- und Eingangspuffer des Knotens eingesetzt wird.
- Fig. 1 zeigt ein FR-Netz zum Anbieten öffentlicher Netzdienste, d. h. ein Frame-Relay-Netz 12 zum Verbinden lokaler Netze 11 verschiedener Büros A...E eines einzelnen Unternehmens oder einer Vielzahl von Unternehmen. Das lokale Netz 11 eines jeden Büros hat Zugriff auf den FR-Dienst über eine lokale Netz-Bridge 13 und eine durch die jeweili gen Bezugszeichen 14a...14e angegebene Datenverbindungsstrecke. Die Verbindung zwischen einem FR-Teilnehmer A.... E und einem FR-Netzknoten N ist als solche bekannt, so daß sie hier nicht näher beschrieben wird. Nähere Informationen über lokale Netze und in deren Verbindung verwendete Bridges sind beispielsweise einem Artikel "LAN Interconnection Technology" von Michael Grimshaw, Telecommunications, Februar 1991, und aus "Lähiverkko-opas" von Leena Jaakonmäki, Suomen ATK-kustannus Oy, 1991 entnehmbar.
- Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ansicht des Knotens N in dem FR-Netz 12. Ein FR-Rahmen eines Teilnehmers wird in einem Eingangspuffer 15a empfangen, von wo aus er mit einem zentralisierten Router 16 verbunden ist, der ihn zu einem geeigneten Ausgangspuffer 15b oder 15c weiterleitet, bei dem es sich entweder um einen mit einer anderen Teilnehmerverbindung verbundenen Ausgangspuffer 15b oder um einen mit einer FR-Bündelverbindung (die eine Interknoten-Datenverbindungsstrecke in dem FR-Netz darstellt) verbundene Ausgangspuffer 15c handelt.
- Die Füllrate eines jeden Ausgangs- und Eingangspuffers in den FR-Netzknoten (in Fig. 3 ist lediglich ein durch das Bezugszeichen 15 gekennzeichneter Eingangspuffer gezeigt) wird durch eine Überwachungseinheit 18 überwacht, die in Fig. 2 aus Klarheitsgründen nicht gezeigt ist. Erfindungsgemäß wird jedem virtuellen Kanal ein durch den Teilnehmer auswählbares festes Serviceniveau zugewiesen. (Der virtuelle Kanal hat die Bedeutung eines virtuellen Verbindungsabschnitts mit der Länge einer Übertragungsverbindung, während es sich bei der virtuellen Verbindung um die aktuelle paketvermittelte End-zu-End-FR-Verbindung handelt.) Das Serviceniveau ist eine Zahl (oder eine weitere Identifizierung) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, wie beispielsweise 0...LEVELX, die die Qualität des dem mit der virtuellen Verbindung verbundenen Teilnehmer unter Staubedingungen angebotenen Dienstes darstellt. Auf diese Weise kann jeder Benutzeranwendung das durch den Teilnehmer gewünschte Serviceniveau angeboten werden, so daß verschiedenen virtuellen Verbindungen ein Vorrang hinsichtlich der Durchsatzwahrscheinlichkeit in dem FR-Netz eingeräumt wird. Bei dem Serviceniveau kann es sich um eine vom Betreiber an den Teilnehmer verkaufte Option handeln, und/oder der Betreiber kann das Serviceniveau zur vorrangigen Behandlung seiner eigenen Verwaltungsverbindungen einsetzen.
- Erfindungsgemäß wird beim Betrieb des FR-Netzes fortlaufend eine netzspezifische Konstante LEVELX+1 eingesetzt. Die Konstante zeigt die Zahl verschiedener in dem Netz spezifizierter Serviceniveaus an.
- Der Rahmen des Teilnehmer-LANs 11 wird in der Bridge 13 in das Informationsfeld des FR-Rahmens eingefügt (mit Ausnahme von Zeitsteuerungsbits und anderen ähnlichen Bits). Fig. 4 zeigt das Einfügen eines LAN-Rahmens 38 in das Informationsfeld eines FR-Rahmens 39. Sie zeigt auch ein typisches FR-Netzrahmenformat, bei dem das dem Informationsfeld vorausgehende Adressenfeld zwei Oktetts (Bit 1 bis 8) umfaßt. Die Bits 3 bis 8 des ersten Oktetts und die Bits 5 bis 8 des zweiten Oktetts bilden eine Datenverbindungsstreckenidentifizierung (data link connection identifier) DLCI, die dem Knoten beispielsweise virtuelle Verbindung und denjenigen virtuellen Kanal anzeigt, zu dem ein bestimmter Rahmen gehört. Die virtuellen Kanäle werden mittels der Datenverbindungsstreckenidentifizierung voneinander unterschieden. Die Datenverbindungsstreckenidentifizierung ist jedoch lediglich über einen einzelne virtuellen Kanal eindeutig und kann sich in dem Knoten beim Übergang zum nächsten virtuellen Kanal ändern. In der Erfindung ist auch das Bit 2 des zweiten Adressenfeldoctets, das als DE-Bit (Discard Eligibility Indicator) bezeichnet wird, von Bedeutung. Gemäß der CCITT-Empfehlung ist ein Entfernen eines Rahmens beispielsweise unter Staubedingungen zulässig, wenn das DE-Bit des Rahmens auf Eins gesetzt wurde. Da die anderen Bits des FR- Rahmens für die vorliegende Erfindung nicht relevant sind, werden sie hier nicht näher beschrieben. Hinsichtlich einer näheren Beschreibung wird auf die vorgenannten Bezugsdokumente 2 und 4 verwiesen.
- Ein Rahmen 39 mit dem vorstehend beschriebenen Format wird an dem Eingangspuffer 15 des Knotens N von dem Schaltfeld 17 des Knotens (Fig. 3, in Fig. 2 nicht gezeigt) empfangen. Die Überwachungseinheit 18 bestimmt den Serviceniveauwert, der dem durch die Datenverbindungsstreckenidentifizierung DLCI angegebenen virtuellen Kanal entspricht. Die virtuellen Kanäle und die Werte der diesen entsprechenden Serviceniveaus können beispielsweise in einer Tabelle T gespeichert sein.
- Zusätzlich zur Zuweisung eines für jeden virtuellen Kanal spezifischen Serviceniveaus wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch das Stauniveau einer zur Stauung neigenden Ressource, der Puffer 15 in dem Beispiel gemäß Fig. 3, bestimmt. Zu diesem Zweck wird für eine solche Ressource eine Stauniveautabelle C bereitgestellt zum Auffinden des Stauniveaus der Ressource. Fig. 5 zeigt Einzelheiten der für den Puffer 15 bereitgestellten Stauniveautabelle. In diesem spezifischen Fall umfaßt die Tabelle eine Stauniveauspalte, in der das Stauniveau des Pufferspeichers vier verschiedene Werte zwischen 0 und 3 aufweist; eine zweite Spalte mit den Schwellwerten der Pufferspeicherfüllrate bei steigendem Stauniveau; und eine dritten Spalte mit den Schwellwerten der Pufferspeicherfüllrate bei fallendem Stauniveau. Die Überwachungseinheit 18 überwacht fortlaufend die Füllrate des Pufferspeichers 15 und bestimmte das Stauniveau des Pufferspeichers anhand der Stauniveautabelle C. Steigt das Stauniveau, so verwendet die Überwachungseinheit die erste und die zweite Spalte der Stauniveautabelle, und bei fallendem Stauniveau verwendet sie die erste und die dritte Spalte. Steigt das Stauniveau und die Füllrate überschreitet den in der Tabelle angegebenen Schwellwert, so wird das Stauniveau zum nächsthöheren Niveau verschoben. Überschreitet die Füllrate beispielsweise 30%, so erfolgt eine Verschiebung des Stauniveaus 0 auf das Stauniveau 1 (der Wert des Stauniveaus ändert sich von 0 auf 1); in entsprechender Weise findet eine Verschiebung auf das Stauniveau 2 statt, wenn die Füllrate 50% überschreitet. In gleicher Weise erfolgt eine Verschiebung zu dem nächstniedrigeren Stauniveau, wenn die Stauung abnimmt und den in der Spalte angegebenen Schwellwert unterschreitet. Sinkt die Füllrate beispielsweise unter 20%, so erfolgt eine Verschiebung des Stauniveaus 1 auf das Stauniveau 0. Die einem bestimmten Stauniveau entsprechenden Schwellwerte sind bewußt ungleich. Die Bedeutung dieser Tatsache wird später beschrieben.
- Die Hauptschritte des erfindungsgemäßen Stauverwaltungsverfahrens sind in Fig. 6 gezeigt. Wird ein Rahmen 39 mit dem in Fig. 4 gezeigten Format in den Puffer 15 aufgenommen, so liest die Überwachungseinheit 18 die Datenverbindungsstreckenidentifizierung DLCI und das DE-Bit aus dem Adressenfeld des Rahmens (Schritt 60). Wurde das DE-Bit auf 1 gesetzt, so wird dem Rahmen unabhängig vom Serviceniveau der virtuellen Verbindung, zu der der Rahmen gehört, automatisch das niedrigste Serviceniveau zugewiesen (in diesem Beispiel das Niveau 0) (Schritt 61a). Wurde das DE-Bit nicht auf Eins gesetzt, so sucht die Überwachungseinheit in der Tabelle T nach demjenigen Serviceniveauwert, der dem durch die Datenverbindungsstreckenidentifizierung angegebenen virtuellen Kanal entspricht (Schritt 62). Dieser Serviceniveauwert, oder als Alternative der im Schritt 61a zugewiesene niedrigste Serviceniveauwert, wird dann mit dem aus der Stauniveautabelle C erhaltenen aktuellen Stauniveauwert verglichen (Schritt 63). Überschreitet der Stauniveauwert den Serviceniveauwert (Schritt 64), so entfernt die Überwachungseinheit 18 den Rahmen (Schritt 65). Ist dies nicht der Fall, so wird der Rahmen in normaler Weise weitergeleitet. Der Durchsatz von Rahmen mit höherem Prioritätsniveau (höherem Serviceniveau) kann somit durch Entfernen von Rahmen mit niedrigerem Stauniveau unter Staubedingungen sichergestellt werden. Wurde ein bestimmter Rahmen entfernt, so übernimmt die Anwendung (Protokoll) dessen wiederholte Übertragung.
- Zusätzlich zu den in Fig. 6 gezeigten Schritten überwacht die Überwachungseinheit 18 fortlaufend die Füllrate des Pufferspeichers 15 und aktualisiert den Wert des Stauniveaus anhand der Stauniveautabelle C.
- Die in Fig. 6 gezeigten erfindungsgemäßen Verfahrensschritte werden lediglich für solche Rahmen verwendet, deren Vollständigkeit überprüft wurde und in denen keine Fehler erfaßt wurden und die DLCI für die betreffende Verbindung definiert wurde. Werden Fehler erfaßt oder wird festgestellt, daß die DLCI für die betreffende Verbindung nicht definiert wurde, so wird der Rahmen entfernt. Da diese Schritte jedoch nicht von der Idee der Erfindung umfaßt sind, sind sie in Fig. 6 nicht gezeigt.
- Die einem bestimmten Stauniveau entsprechenden Schwellwerte unterscheiden sich in ansteigender und abfallender Richtung des Stauniveaus, damit sich das Stauniveau nicht ständig in störender Weise zwischen zwei benachbarten Niveaus ändert.
- Obwohl die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf die Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen beschrieben wurde, ist es ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern innerhalb der vorstehend und in den beiliegenden Patentansprüchen offenbarten erfinderischen Idee abgewandelt werden kann. Dementsprechend kann das Verfahren bei jeder stauanfälligen Ressource eingesetzt werden, selbst wenn die Erfindung unter Bezugnahme auf einen Pufferspeicher beschrieben wurde. Die Schwellwerte der Stauniveaus müssen nicht notwendigerweise mit den Serviceniveauwerten (0...3) übereinstimmen, vorausgesetzt die Wer te der beiden Pegel weisen eine solche vorbestimmte Beziehung zueinander auf, daß sie verglichen werden können und ein Schwellwert eingestellt werden kann, bei dessen Unterschreitung die Rahmen entfernt werden. Der vorstehend beschriebene Fall ist jedoch der einfachste, wobei der Wert des Stauniveaus direkt mit dem Wert des Serviceniveaus verglichen werden kann. Den Rahmen mit gesetztem DE-Bit kann auch ein vom niedrigsten Wert abweichender anderer Serviceniveauwert zugewiesen werden. Der Serviceniveauwert solcher Rahmen muß nicht notwendigerweise geringer sein als das Serviceniveau der virtuellen Verbindung, zu der der Rahmen gehört.
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