DE69415179T2

DE69415179T2 - Verfahren und vorrichtung zur regelung des datenstroms in einem zellbasierten kommunikationsnetz

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Publication number: DE69415179T2
Application number: DE69415179T
Authority: DE
Inventors: Ilias Ch-8803 Rueschlikon Iliadis
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-09-17
Filing date: 1994-09-17
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2014-09-18
Also published as: JP2982828B2; JPH09511883A; US5995486A; EP0784895A1; DE69415179D1; WO1996008899A1; EP0784895B1

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR REGELUNG DES DATENSTROMS IN EINEM ZELLBASIERTEN KOMMUNIKATIONSNETZ

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Steuern des Informationspaket- oder Zellenflusses in einem Kommunikationsnetz. Sie betrifft besonders ein Verfahren und ein Gerät zum Vermeiden von Staus zwischen zwei Netzübergangsrechnern oder Knoten eines Netzwerks. Noch genauer gesagt, die Erfindung betrifft ein Flußsteuerverfahren und ein Gerät, in dem ein Netzübergangsrechner oder Knoten Start- und Stoppsignale an einen vorgeschalteten Netzübergangsrechner oder Knoten sendet, um einen Überlauf seines Puffers zu vermeiden.

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

In einer immer größer werdenden Anzahl von Kommunikationsnetzen wird die Anwenderinformation in Zellen oder Pakete unterteilt, unabhängig davon, ob diese Information Ton-, Video- oder Datensignale enthält, d.i. Multimediaverkehr. Ein von CCITT bereits weitgehend standardisiertes und allgemein akzeptiertes Beispiel für eine zellenbasierte Kommunikation ist der asynchrone Übertragungsmodus (ATM - Asynchronous Transfer Mode), der in der Lage ist, Multimediaverkehr mit seinen unterschiedlich qualifizierten Dienstleistungsanforderungen zu unterstützen. Zwei grundlegende Dienstleistungsklassen werden für ATM-Netze in Betracht gezogen:
Reservierter Verkehr mit garantierter Dienstleistungsqualität und Verkehr nach bestem Bemühen ohne ausdrücklich garantierte Dienstleistung. Im Fall der Klasse des Verkerhrs nach bestem Bemühen wird erwartet, daß die Quellen, d.i. Anwender, beim Verbindungssetup nur ihre Spitzenraten spezifizieren. Die wahre Übertragung wird dann je nach Rückmeldung justiert, die das Netz vorsieht. Der Verkehr nach bestem Bemühen wird auch "available bit-rate" Verkehr (ABR - verfügbare Bit-Rate) genannt, der die nach dem Bedienen des garantierten Verkehrs noch übrigbleibende Bandbreite benutzen kann.
Die offensichtlichen Vorteile der zellenbasierten Kommunikation führt zu ihrer Einführung nicht nur in Weitbereichsnetzen (WAN), sondern man kann vernünftigerweise von ihr erwarten, daß sie auch die Basis künftiger regionaler Stadtbereichsnetze (MAN - Metropolitan Area Network) und firmeninterner Netze oder lokaler Netze wird. Der LAN-Verkehr hat keine Verbindungen und ist unempfindlich gegen Verzögerungen. Daten werden ohne vorherigen Aufbau einer Verbindung übermittelt und die Anwenderverkehrs-Charakteristiken werden nicht spezifiziert. Die verfügbare Bandbreite wird von allen aktiven Anwendern gemeinschaftlich benutzt. Diese Art Verkehr fällt daher unter die Kategorie Verkehr nach bestem Bemühen. Vorhandene LANs können durch zellenbasierte Netze verschaltet werden, z. B. durch ATM-Netze, die einen virtuellen Kanal (VC - virtual channel) oder eine virtuelle Pfadverbindung (VPC - Virtual Path Connection) aufweisen.
Das Hauptmerkmal des Verkehrs 'Nach Bestem Bemühen' ist, daß er diskontinuierlich ist und er ein unvorhersagbares Verhalten aufweist. Um eine wirksame statistische Verteilung der Bandbreite unter die konkurrierenden Anwender zu erreichen, ist ein Stausteuerungsmechanismus erforderlich. Verschiedene Stausteuerungsmechanismen sind bekannt, wie das Gleitfenster, das im TCP INTERNET-Protokoll benutzt wird. In einem Gleit fenstermechanismus darf ein Sender Daten in einem Fenster senden, dessen Größe entweder fest ist oder an das beobachtete Netz oder an die Anschlußbedingungen angepaßt wird. Da die wahre Fenstergröße vom Empfänger zurück zum Sender übertragen werden muß, gehört das Gleitfensterschema zu den am meisten üblichen Varianten der sogenannten Verbindungsflußsteuerungsmechanismen. Diese Typen der Flußsteuerung hängen ab vom Austausch von Steuersignalen oder Paketen vom Ziel zurück zum Quellknoten. Mit den aufgrund der Entwicklung der globalen Vernetzung zu erwartenden Signalverzögerungen und den vergrößerten Datenübertragungsraten läßt sich vorhersehen, daß sich die Ende-zu-Ende-Anordnungen in der Leistung verschlechtern und durch Sprung-zu-Sprung Blockiersteuerungen ersetzt werden.
Wie die Bezeichnung "Sprung-zu-Sprung" erwarten läßt, kann in dieser Lösung die Steuerung an jedem Knoten, Verbindungsglied, Schalter oder Netzübergangsrechner entlang des Pfades des Verkehrsstroms ausgeübt werden. Der neue Flußsteuermechanismus ist vom Sprung-zu-Sprung-Typ. Er gehört zu einer Klasse Rückmeldungssteuerungsanordnungen, die auf der Grundlage einfacher "Stop"- und "Start"-Signale arbeiten, die vom empfangenden Knoten zum übertragenden oder d.i. stromaufwärts liegenden Knoten gesendet werden. Wenn der Übertragungsknoten ein "Stop"-Signal empfängt, stoppt er die Übertragung; mit Eingang eines "Start"-Signals nimmt er die Übertragung wieder auf. Früher dargelegte Flußsteuerungsanordnungen dieses Typs werden vom Status der/des Puffer(s) ausgelöst, in dem die ankommenden Zellen zur weiteren Übertragung über einen ausgehenden Port des Knotens zwischengespeichert werden. Steuersignale werden generiert, wenn die Anzahl der gespeicherten Zellen über vorgegebene Schwellenwerte ansteigt bzw. darunter abfällt. Verschiedene Anwendungen dieser Mechanismen werden zum Beispiel beschrieben in:
[1] Y. T. Wang und B. Sengupta: "Performance Analysis of a feedback congestion control policy under non-negligible propagation delay," Proc. of ACM SIGCOMM '91, S. 149-157, Sept. 1991.
[2] M. D. Schroeder, A. D. Birrell, M. Burrows, H. Murray, R. M. Needham, T. L. Rodeheffer, E. H. Satterthwaite, und C. P. Thacker: "Autonet: A high-speed, self-healing local area network using point-to-point links," IEEE J. Select. Areas Commun. Bd. SAC-9 Nr. 8, S. 1318-1335, Okt. 1991.
[3] J. Cherbonnier, D. Orsatti und J. Calvignac: "Network backpressure flow control to support the best-effort service an ATM," Contribution to the ATM Forum, 93-1005, Stockholm, Nov. 1993.
[4] J. Calvignac, J. Cherbonnier, I. Iliadis, J.-Y. Le Boudec und D. Orsatti: "ATM best-effort service and its management in the LAN," Proc. EFOC&N '94, Heidelberg, Deutschland, Juni 1994.
Gemäß dieser Anordnungen und für einen gegebenen Anschluß sendet der Empfängerknoten ein "Stop"-Signal an den stromaufwärts liegenden Knoten, wenn der Pufferinhalt aufgrund des Eintreffens einer Zelle eine obere Schwelle H erreicht, und sendet ein "Start"-Signal, wenn der Pufferinhalt aufgrund einer Zellenabsendung unter einen unteren Schwellenwert L absinkt. Um Verluste zu vermeiden, sollte der Puffer in der Lage sein, alle diejenigen eingehenden Zellen unterzubringen, die vor der Ankunft des "Stop"-Signals im Sendeknoten gesendet werden. Daher brauchen diese Anordnungen eine Puffergröße B gleich H + r · D, wobei r die Spitzenübertragungsrate und D der Umlaufzeit bezeichnet. Um das "Verhungern" zu vermeiden, d.i. einen Zustand, in dem der stromaufwärts liegende Knoten noch immer am Zellensenden auch ohne einen Stau ver hindert wird, wird der untere Schwellenwert so ausgewählt, daß der Puffer eine Rate r für eine Umlaufperiode unterhalten kann. Somit ist L mindestens rbD. Beide Bedingungen zusammen ergeben eine erforderliche Mindestpuffergröße von 2brbD für diese bekannte Flußsteueranordnung, zu der noch weiterer Pufferraum hinzugefügt werden muß, um die Trägheit des Steuermechanismus gegen kleine Schwankungen in der Höhe der Pufferbesetzung zu erhöhen.
Der veröffentlichte Artikel "A Reactive Congestion Control Method for ATM Networks" von S. Chan und B. Warfield, 7th Australian Teletraffic Research Seminar, November 1992, AU, S. 307-313, betrifft eine reaktive Stausteuermethode für ATM Netze, die voraussetzt, daß jeder Knoten seine Zellverlustrate voraussieht. Dazu überwacht der Empfängerknoten periodisch die zusammengefaßte Zelleneingangsrate und sendet Drosselmeldungen an die Quellen, in denen er sie über die augenblickliche Spitzenrate-Begrenzung informiert, wenn er eine ansteigende Netzbelastung feststellt, die die Zellverlustrate über einen annehmbaren Grenzwert erhöht.
Der Artikel "Distributed Congestion Control for ATM Networks" von S. Chan in Australian Telecommunications Research, Bd. 28 Nr. 1, 20. Mai 1994, AU, S. 45-62, beschreibt eine Knoten-zu- Knoten vorhersagende Stausteuermethode, die verlangt, daß jeder Knoten den eingehenden verspätungsempfindlichen Verkehr zwei Umlaufzeiten voraus ansagt und dann jeweils auf jeden vorhergesagten Stau durch eine Forderung an seinen stromaufwärts gelegenen benachbarten Knoten auf Angleichen ihrer Raten reagiert.
In "Memory, Bandwidth, Processing and Bandwidth Considerations in Real-Time Congestion Controls for Broadband Netorks" von Doshi, Dravida, Johru und Ramamurthy auf dem 13. International Teletraffic Congress, Juni 1991, NL, S 143-149, wird eine Stausteuerarchitektur beschrieben, die aus Anrufntegennahmeregeln und Leitwegentscheidungen, physikalischer oder logischer Zuteilung von Ressourcen wie Puffer und Bandbreiten auf angenommene Anrufe und Überwachungsmechanismen, Signalisieren zwischen Netzwerkelementen und Endsystemen für Parameterverhandlungen aus eingehenden Anrufen und Übermitteln von Echtzeit-Staustatus-Informationen, Steuerungen in Netzwerkelementen wie Pufferverwaltung und Servicedisziplin zum Bedienen der ATM-Zellen verschiedener virtueller Schaltkreise unvoreingenommen und in Übereinstimmung mit den Dienstleistungserfordernissen besteht, und das Endsystem so steuert, das es den nützlichen Durchsatz auch unter Staubedingungen hoch hält. Für diskontinuierlichen Verkehr werden dynamische Steuerungen angewandt, die eingehende Anruf- Parameterverhandlungen, Dienstklassen und Serivcestrategien, Austausch von Stauanzeigen und Abschätzungen und Angleichen von Eingangsparametern durch das Endsystem benutzen.
EP-A-0 430 570 betrifft ein Verfahren zum Steuern von Staus in einem virtuellen Schaltungspaketnetz. Den einzelnen virtuellen Schaltkreisen in jedem Knoten wird ein anfänglicher Paketpuffer zugewiesen, in den eingehende Pakete gespeichert werden und später zur Weiterbeförderung wieder abgerufen werden. Wenn für einen virtuellen Stromkreis ein größerer Puffer gewünscht wird, um größere Datenmengen zu behandeln, dann wird zusätzlicher Pufferraum selektiv für den virtuellen Schaltkreis auf Anforderung dynamisch zugeteilt, wenn jeder Knoten genügend nichtzugeteilten Pufferraum hat, um die Anforderung zu erfüllen. In einer Ausführungsform gründet sich das Kriterium für dynamische Zuteilung auf die Datenmenge, die an der Datenquelle puffergespeichert ist. In alternativen Ausführungsformen können die Kriterien für die dynamische Zuteilung ferner auf die an jedem Knoten für einen virtuellen Schaltkreis gepufferten Datenmengen und die Gesamtmenge des freien Pufferraums an jedem Knoten eines virtuellen Schaltkreises gestützt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Sprung-um- Sprung-Flußsteuermechanismus vorzusehen, der mit geringem Pufferraum auskommt und ferner die "Verhungern"-Situation in den stromaufwärts gelegenen. d.i. sendenden Knoten vermeidet, ohne eine unerträgliche Steuersignalverkehrsbelastung für das Netz zu bewirken.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß beinhaltet eine Datenflußsteuerung für den zellbasierten Verkehr in einem Knoten oder Netzübergangsrechner, der mit einem Kanal mit einer Umlaufzeit D verbunden ist und mindestens einen Anschluß bedient, wobei das Datenflußsteuergerät Puffermittel zum Abspeichern eingehender Zellen sowie Rückstaumittel enthaltend Signalgenerierungsmittel zum Senden von "Start"- und "Stop"-Signalen für den Anschluß an einen in Flußrichtung vorgeschalteten Netzübergangsrechner oder Knoten aufweist, wobei das Signalgenerierungsmittel zu einem Zeitpunkt t ausgelöst wird, der von einer Obergrenze V(t) der Anzahl der Zellen anhängt, die potentiell das Puffermittel zu einem Zeitpunkt t + D besetzen, beinhaltet kennzeichnende Merkmale, wie in den nachstehenden Ansprüchen dargestellt wird. Unter Bezugnahme auf ein erstes bedeutsames Merkmal der Erfindung beinhaltet das Rückstaumittel örtliche Emulatormittel, zum Registrieren einer "verfügbaren Zeit" innerhalb des Zeitintervalls [t - D, t], in der die Verbindung Zellen übertragen kann. Das Generieren der Start- und Stop-Signale zeigt den Anfang und das Ende der verfügbaren Zeitperiode. Die verfügbare Zeit, d.i. die Summe aller verfügbaren Zeitperioden innerhalb des Zeitintervalls der Länge D kann offensichtlich von Null bis D variieren. Auf der Grundlage der Kenntnis der verfügbaren Zeit und einer vorgegebenen (Spitzen-)Übertragungsrate r des Anschlusses wird eine Obergrenze der Anzahl potentiell eingehender Zellen, die innerhalb des Zeitintervalls [t, t + D] beim Knoten eingehen werden, abgeleitet. Unter Verwendung weiterer Mittel zum Erfassen der Pufferbesetzung N(t) zum Zeitpunkt t und Mittel zum Aufsummieren N(t) und der Obergrenze der eingehenden Zellen läßt sich leicht ein augenblicklicher Wert V(t) bestimmen. Die zeitabhängige Funktion V(t), auf die nachstehend als Potentialfunktion Bezug genommen wird, wird gegen Grenzwerte geprüft, die entweder vorgegeben oder veränderlich sind, wie nachstehend beschrieben wird.
Bekannte Rückstaumechanismen leiten eine Obergrenze der Anzahl Zellen innerhalb der nächsten Umlaufzeit D ab, durch Bilden des Produkts der Spitzenübertragungsrate r und der Umlaufzeit D, beide vorgegebene Konstanten. Also wird die erwartete Anzahl ankommender Zellen in diesen bekannten Anordnungen einfach als Konstante behandelt, die zu einem augenblicklichen Pufferinhalt, der als obere Schwelle H erscheint, hinzuaddiert werden kann. Diese Grenze wird innerhalb des Umfangs der Erfindung nicht mehr als Konstante behandelt. Die Erfindung sieht eine genauere, zeitabhängige Obergrenze V(t) der Anzahl der Zellen vor, die potentiell den Puffer nach der Zeitperiode D besetzt. Eine genaue Obergrenze ankommender Zellen aktiviert ihrerseits eine dichtere Flußsteuerung und Pufferverwaltung, unter Vermeidung des Generierens unnötiger Start- und Stop-Signale, wenigstens in einem größeren Ausmaß.
Das Konzept der Überwachung der verfügbaren Zeit eines einzigen Anschlusses wird durch die Erfindung erweitert auf einen Kanal, der eine Vielzahl von Anschlüssen oder virtuelle Kanäle bedient, wobei die Puffermittel reservierte Puffermittel, die nur für eine dieser Verbindungen zugänglich sein können, gemeinsame Puffermittel, die für mehrerer Anschlüsse zugänglich sind, oder eine Kombination aus einem reservierten Puffer und einem gemeinsamen Puffer enthalten können. Während der erste Fall als eine Erweiterung des ober beschriebenen Falls mit einem einzigen Anschluß behandelt wird, beinhalten der zweite und der dritte Fall globale Emulatormittel zum Steuern der Randbedingungen, die sich aus dem Multiplexen und der Verwendung eines gemeinsamen Puffers ergeben.
Für den Fall, daß die Spitzenübertragungsraten jedes Anschlusses uneingeschränkt sind, registriert das globale Emulatormittel eine global verfügbare Zeit im Intervall t - D, t, in dem wenigstens einer der Anschlüsse senden darf, d. h. in einer verfügbaren Periode liegt. In dieser Ausführungsform bestimmt der globale Emulator ferner eine Obergrenze für die Anzahl Zellen, die potentiell das gemeinsame Puffermittel besetzen.
Bei Raten-gesteuerten oder Raten-beschränkten Verbindungen wird eine spezifische Warteschlangennutzungspolitik (QSP - queuing service policy) an den stromaufwärts liegenden Knoten angelegt, um die "verhandelten" Spitzenübertragungsraten dieser Raten-gesteuerten Verbindungen zu steuern. Erfindungsgemäß wird der QSP-Mechanismus, der eingesetzt wird, um die vorgegebene Spitzenrate am stromauf liegenden Knoten zu erzwingen, in modifizierter Version im augenblicklichen Knoten benutzt: Während die QSP in den stromaufwärts gelegenen Knoten die Anschlüsse gemäß einem definierten Schema abfragt, ruft der modifizierte QSP in augenblicklichen Knoten, d.i. im globalen Emulator, gemäß diesem definierten Schemastatusregister ab, das jeder Verbindung zugeordnet ist, innerhalb des Rückstaumechanismus in augenblicklichen Knoten. Also kann jeder gegebene QSP angepaßt wurden zum Gebrauch beim Festlegen der oberen Grenze für ankommende Zellen. Der neue globale Emulator ist unabhängig von jedem spezifischen Typ des QSP-Mechanismus.
Der Pufferplatz reduziert sich weiter durch Verwenden einer Kombination bestehend aus einem kleinen reservierten Puffer und einer großen Menge gemeinsam benutzten Pufferplatz. Vorzugsweise liegt das Verhältnis reservierter Pufferplatz zu gemeinsam benutztem Pufferplatz zwischen 1 : 10 und 1 : 100.
Für eine effiziente Anwendung der Kombination aus gemeinsamen und reserviertem Puffer benutzt eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform variable Schwellenwerte, bei denen Start- und Stoppsignale zur Steuerung einzelner Anschlüsse generiert werden. In dieser Ausführungsform wird der Schwellenwert in Abhängigkeit von der potentiellen Besetzung des gemeinsamen Puffers geändert.
Diese und noch weitere als neuartig angesehene kennzeichnende Merkmale der Erfindung werden in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst jedoch, sowie bevorzugte Anwendungsmodi und noch weitere Aufgaben und Vorteile derselben werden am besten verstanden unter Bezugnahme auf die nachstehende detaillierte Beschreibung der illustrativen Ausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachstehend wird die Erfindung detailliert beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt einen Kanal, der m Anschlüsse bedient durch Anwenden einer bekannten Warteschlangennutzungspolitik (QSP - Queueing Service Policy).
Fig. 2 zeigt eine herkömmliche Flußsteuerung mit Rückstaumechanismus.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Flußsteuerung mit Rückstaumechanismus für einen einzigen Anschluß.
Fig. 4 zeigt eine Einzelheit (globaler Emulator) eines Rückstaumechanismus für eine Vielzahl von Abschlüssen ohne Ratensteuerung.
Fig. 5 zeigt eine Einzelheit (globaler Emulator) eines Rückstaumechanismus für eine Vielzahl von ratengesteuerten Anschlüssen.

MODUS (MODI) ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Zwecks Einführung der grundlegenden Definitionen und zur Erleichterung des Verständnisses der neuartigen Flußsteuerung wird zunächst eine Ausführungsform mit einem einzigen Anschluß beschrieben.
Nehmen wir Bezug auf Fig. 1; der Verkehr (nach bestem Bemühen) besteht darin, daß Zellen oder Pakete zu einem Netzübergangsrechner oder Knoten 1 (bezeichnet als augenblicklicher Knoten oder einfach (als "Knoten") aus einem stromaufwärts liegenden Netzübergangsrechner oder Knoten 2 geschickt werden, der eine Vielzahl von Anschlüssen VC1, ... VCm bedient. Die Pakete dieser Anschlüsse werden gemultiplext durch Anwenden eines ersten Warteschlangennutzungsmechanismus QSP1. Die übertragenen Zellen werden anschließend vom augenblicklichen Knoten 1 über ein bzw. mehrere Ausgangsverbindungsglieder zu mindestens einem stromabwärts gelegenen Knoten (nicht dargestellt) übertragen. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung wird die Übertragungszeit einer Zelle am Ausgangsverbindungsglied als Zeiteinheit (tu - time unit) genommen, so daß das ausgehende Verbindungsglied eine Kapazität von 1 cell/tu hat. Der stromaufwärtsliegende Knoten befindet sich in einer Entfernung von d tu vom Knoten, und er kann den Verkehr "nach bestem Bemühen" mit einer Spitzenrate rtot cells/tu an den Knoten übertragen. Die Umlaufzeit zwischen den beiden Knoten wird mit D = 2 · d angegeben. Der Verkehrsfluß 'nach bestem Bemühen' wird gesteuert durch Start- und Stop-Signale, die vom Knoten zu dem stromaufwärts liegenden Knoten geschickt werden, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Der stromaufwärts liegende Knoten stoppt die Übertragung des Verkehrs bei Eingang eines Stoppsignals und nimmt die Übertragung des Verkehrs wieder auf, sobald ein Startsignal eingeht. Bekannte Mechanismen, wie sie oben bereits beschrieben sind, beinhalten feste Schwellenwerte H und L, deren Größe in der Größenordnung der Gesamtpuffergröße B minus r · D bzw. r · D liegen. Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die Anzahl N(t) der in einem Puffer bei einer Zeit t gespeicherten Zellen mit diesen Schwellenwerten H und L verglichen. Bei zusätzlicher Berücksichtigung des (augenblicklichen) Status des Anschlusses zum Zeitpunkt t, wie z. B. in einem Flag-Register P gespeichert, werden Start- bzw. Stop- Signale generiert, wenn diese Schwellenwerte überschritten werden.
Es wird angenommen, daß die Signale von speziellen Steuerzellen getragen werden, die zur Verkehrsbelastung beitragen. Für Erfindungszwecke wird die Belastung am Knoten gemessen wie folgt:
und ein gewünschter Zellenwert kann auf ov gesetzt werden. Die Platzbedarfssignale werden in umgekehrter Richtung geschickt, nämlich vom "Knoten" zum stromaufwärts liegenden Knoten. Die Platzbedarfszellen erreichen den stromaufwärtsliegenden Knoten nach einer Laufzeitverzögerung von d tu (unter der Annahme, daß der dem Generieren und dem Senden der Steuersignale zugeordnete Verarbeitungsplatzbedarf vernachlässigbar ist). Wenn jedoch eine Signalverarbeitungszeit x tu besteht, wird der angepaßte Wert der Umlaufzeit mit D = 2d + x gegeben.
Beziehen wir uns jetzt auf die Erfindung; die ein Verhungern vermeidende Mindestpuffergröße im Falle eines einzigen Anschlusses leitet sich ab von der nach dem Generieren eines Stoppsignals zu erwartenden Höchstzahl Eingänge. Diese ist gleich r · D, wobei r die Spitzenübertragungsrate des Anschlusses und D die Umlaufzeit ist. Somit ist die Mindestpufferanforderung gegeben mit
Bmin = rD. (2)
Damit aber verhindert wird, daß kleine Schwankungen Steuersignale generieren, wird die Mindestpuffergröße um k Zellen erhöht. B ist dann gegeben durch
B = k + Bmin = k + rD, (3)
dabei ist k eine kleine Zahl im Vergleich zu Bmin. Diese Wahl beinhaltet, daß B noch immer in der Größenordnung von r · D liegt, d. h. die Puffergröße wird im Vergleich zu den bekannten Flußsteuersystemen halbiert.
Um eine verlustfreie Operation zu gewährleisten, muß die Zahl N(t) der Zellen, die zur Zeit t im Knoten in Warteschlange stehen, die folgende Bedingung erfüllen:
N(t) ≤ B t > 0. (4)
Bezeichnen wir jetzt mit {sn}, n = 1, 2, ..., diejenigen Zeitpunkte, zu denen Stoppsignale am Knoten generiert werden, und mit {τn}, n = 1, 2, ..., diejenigen Zeitpunkte, zu denen Startsignale am Knoten generiert werden. Diese Signale bewirken, daß das System zwischen Perioden, die auf das Generieren eines Startsignals folgen, und Perioden, die auf das Generieren eines Stoppsignals folgen, hin- und herschaltet. Die Perioden (τn-1, sn), n = 1, 2, ..., werden definiert als "aktivierte" oder "verfügbare" Perioden (mit τ&sub0; = 0), und die Intervalle (so, τn) n = 1, 2, ..., werden definiert als "deaktivierte" oder "nicht verfügbare" Perioden eines Anschlusses.
Hier nachstehend werden die Regeln zum Generieren der Stop- und Startsignale abgeleitet, die zu einem Flußsteuerschema führen, das die obigen Aufgaben erfüllt. Zunächst werden die Bedingungen beschrieben, die erfüllt werden müssen, wenn ein Stoppsignal ausgelöst wird, d. h. im einzelnen, der Zeitpunkt sn bei dem ein Stoppsignal generiert wird, unter der Vorgabe, daß bereits frühere Stoppgenerierungen in den Zeitpunkten {sj}, j = 1, 2, ..., n-1, und Startgenerierungen in den Zeitpunkten {τj}, j = 1, 2, ..., n-1 Vorgekommen sind. Es wird angenommen, daß ein Stoppsignal zum Zeitpunkt t generiert wird. Mit V(t) wird die maximal Mögliche Warteschlangenlänge nach Zeit t bezeichnet; unter der Annahme daß, es keine nachfolgende Generierung eines Startsignals gibt, muß
V(t) sup N(τ) stop zum Zeitpunkt t ohne nachfolgendes Startsignal} (5) τ ≥ t
die folgende Bedingung befriedigen, um Verluste zu vermeiden:
V(t) ≤ B. (6)
Da keine Notwendigkeit zum Generieren eines Stoppsignals zu einer Zeit t besteht, wenn V(t) < B, wird zum Zeitpunkt sn ein Stoppsignal generiert, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
V (t) < B t, τn-1 ≤ t < sn und V(sn) = B (7)
Die Funktion V(t) ergibt die Warteschlangenlänge im Puffer, d.i. die Pufferbesetzung, die zu jeder beliebigen Zeit in der Zukunft erwartet werden kann. Die maximal mögliche Warteschlangenlänge wird realisiert unter den folgenden zwei Bedingungen:
c1) das Ausgangsverbindungsglied ist nach Zeit t nicht verfügbar, und
c2) der stromaufwärts liegende Knoten hat während des Zeitintervalls (t - d, t + d) immer Daten zu senden.
Unter diesen Bedingungen gilt, daß V(t) = N(t + D), die Warteschlangenlänge bei Zeit t + D.
Wenn Q(t) als Anzahl der Eingänge nach Zeit t definiert wird und die Bedingung c2) erfüllt ist, stellt Q(t) eine obere Grenze für die wahre Anzahl der anschließend eingehenden Eingänge dar. Bedingung c1) impliziert, daß N(t + D) = N(t) + Q(t), was seinerseits ergibt,
V(t) = N(t) + Q(t). (8)
Die Menge Q(t) kann am Knoten örtlich bewertet werden auf der Grundlage der Vorgeschichte der Stopp/Startsignale. Mit Ton(t) als Bezeichnung der verfügbaren Zeit, d. h. der Gesamtdauer der während des Intervalls (t - D, t) verfügbaren Perioden, ist die Menge Q(t) = r · Ton(t). Die Bewertung der verfügbaren Zeit Ton(t) setzt die Kenntnis der Zeitpunkte voraus, an welchen die Stopp- und Startsignale während des Intervalls (t - D, t) generiert wurden. In einem ersten Erfindungsmodus wird ein Speicher benutzt, um die Intervalle (τn-1, sn), n = 1, 2, ..., abzuspeichern, die als die verfügbaren Perioden innerhalb der letzten D Zeiteinheiten definiert sind. Die Zeitspanne D ist gleich der Umlaufzeit einer Zelle. Durch Addieren der Längen aller Intervalle (in 1, sn), n = 1, 2, ..., wird die Gesamtlänge T&sub0; gewonnen. Anstatt eine einfache Additionsschaltung zu benutzen, benutzt ein zweiter Modus die Tatsache, daß Ton sich in einer definierten Weise verändert, wenn die Zeit um eine Einheit fortschreitet. Daher umfaßt der örtliche Emulator ferner ein Register, das Ton und Vergleichermittel enthält, die Ton vergrößern oder verkleinern, gemäß den Bedingungen
Beide Bedingungen werden unabhängig voneinander geprüft. In allen anderen Fällen bleibt die verfügbare Zeit unverändert. Ein Intervall (in, sn), n = 1, 2, ..., wird aus dem Speicher gelöscht wenn seine entsprechende "Stop"-Zeit die Zeitgrenze, gegeben durch t - D, überschreitet. In diesem erfindungsgemäßen Beispiel werden die verfügbaren Perioden durch Verfolgen von zwei Aufzeichnungen im Speicher gespeichert; eine Aufzeichnung, die die Zeitpunkte enthält, an denen Startsignale generiert wurden, und eine Aufzeichnung, die die Zeitpunkte enthält, an denen während des Intervalls (t - D, t) Stoppsignale generiert wurden. Als Alternative kann die zweite Aufzeichnung die Länge der verfügbaren Perioden enthalten, die durch die der ersten Aufzeichnung zugeordneten Startsignale eingeleitet wurden.
Der Mechanismus zum Berechnen der Menge Q(t), genannt der örtliche Emulator, benutzt die Spitzenrate r des Anschlusses und die Umlaufzeit D als Parameter und wird vom Start/Stopprozeß getrieben. Der örtliche Emulator gibt eine genauere Abschätzung der möglichen Eingänge nach der Ausgabe eines Stoppsignals, als sie durch bekannte Schemata unter Verwendung von
Q(t) = rD (10)
vorgesehen sind, was eine Obergrenze ist, wenn das Verhältnis Ton ≤ D erfüllt ist.
Zweitens werden die Bedingungen beschrieben, die erfüllt werden müssen, wenn ein Startsignal ausgelöst wird, d. h., genauer gesagt, der Zeitpunkt in, an dem ein Stoppsignal generiert wird, falls frühere Stoppgenerierungen an den Zeitpunkten {sj}, j = 1, 2, ..., n-1, und Startgenerierungen an den Zeitpunkten {τj}, j = 1, 2, ..., n-1 vorgekommen sind.
Im vorstehenden Abschnitt definiert Gleichung (5) die Funktion V(t) zu Zeitpunkten, die zu verfügbaren Perioden gehören. Nachstehend wird diese Definition auch auf nichtverfügbare Perioden erweitert. In diesem Fall ist die Annahme der Generierung eines Stoppsignals zur Zeit t redundant, weil das letzte generierte Signal schon ein Stop war. Mit andern Worten, die maximal mögliche Warteschlangenlänge nach Zeit t ist die gleiche, unabhängig davon, ob zur Zeit t ein Stop- Signal generiert wird oder nicht. Die Bewertung von V(t) unter Verwendung von Gleichung (8) gilt immer, da die Definition von Q(t) auch auf die nichtverfügbaren Perioden erweitert werden kann. Zusammenfassend gesagt, die Funktion V(t) wird (örtliche) Potentialfunktion genannt, die die maximal mögliche Pufferbesetzung nach dem Zeitpunkt t darstellt, vorausgesetzt, daß der Fluß vom stromaufwärts liegenden Knoten durch das Generieren eines Stoppsignals zu diesem bestimmten Zeitpunkt unscharf gestoppt wird.
Die Bedingungen zum Generieren des nächsten Startsignals gründen sich auf die Eigenschaft der Potentialfunktion V(t), daß sie sich gegenüber der Zeitvariablen t nicht erhöht während der Perioden, in denen sie nicht verfügbar ist. Wie oben bereits gesagt, könnte das Startsignal generiert werden, wenn der Wert der Potentialfunktion vom Wert B auf den Wert B-1 abnimmt. Im Hinblick auf die Abnahmeeigenschaft der Potentialfunktion V(t) kann das Startsignal auch jederzeit nach diesem Zeitpunkt generiert werden. Vorteilhafterweise wird das Startsignal generiert, wenn der Puffer weniger als B-1, aber mehr als r · D Zellen enthält. Das setzt das Ausgangsverbindungsglied in die Lage, eine Übertragungsrate von r Zellen/tu zu unterhalten und vermeidet auf dieses Weise ein Verhungern des Anschlusses.
Ein zusätzliches Merkmal dieses Beispiels läßt eine viel genauere Kontrolle des Platzbedarfs zu. Der angestrebte (erwünschte) langfristige Platzbedarf sei mit ov gekennzeichnet; die Generierung des Startsignals ist zulässig, wenn zusätzlich zu den vorstehend definierten Bedingungen der in Gleichung (1) gemessene Platzbedarf geringer ist als der angestrebte Platzbedarf. Während einer nicht verfügbaren oder einer verfügbaren Periode bleibt der Zähler des Bruchs in Gleichung (1) konstant, während der Nenner aufgrund der abgeschickten Zellen zunimmt. Daher ist während jeder nichtverfügbaren oder verfügbaren Periode der Platzbedarf eine abnehmende Funktion. Es kann jedoch leicht sein, daß der Platzbedarf während irgendeiner nicht verfügbaren Periode größer bleibt als der angestrebte Platzbedarf. In diesem Fall müßte das Startsignal spätestens dann generiert werden, wenn keine Möglichkeit einer weiteren Platzbedarfsreduktion besteht. Das ist der Augenblick, wenn es keine weitere Möglichkeit gibt, weitere Zellen abzuschicken, das drückt sich dadurch aus, daß die Potentialfunktion V(t) Null wird. Diese Bedingung wird zu den obigen Bedingungen hinzugefügt, die für die Spezifikation für das Generieren des Startsignals benutzt werden.
Auf der Grundlage der vorstehenden zwei Abschnitte bedarf die Spezifikation des Flußsteuermechanismus für einen einzigen Anschluß der folgenden Parameter:
r: Die Spitzenrate des Anschlusses,
D: Die Umlaufzeit,
v: Eine Variable, im Falle eines einzigen Anschlusses gleich der Puffergröße B, und
ov: Der angestrebte Platzbedarf.
Das Stoppsignal wird generiert, wenn die folgende Bedingung erfüllt wird:
V(t) ≥ v, (11)
dabei wird V(t) nach Gleichung (8) berechnet. Aus gewissen Gründen, die bei der Beschreibung des Falles mit mehreren Anschlüssen offensichtlich werden, wird in der obigen Gleichung das Ungleichheitszeichen benutzt anstatt des Gleichheitszeichens.
Das Startsignal wird generiert, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
V(t) ≤ v-1 & N(t) < rD & (ov(t) ≤ ov oder V(t) = 0), (12)
wobei ov(t) nach der Gleichung (1) berechnet wird. Eine Implementierung der beschriebenen Ausführungsform ist in Fig. 3 gezeigt.
Beschreiben wir jetzt den für alle praktischen Zwecke bedeutsamen Fall der Mehrfachanschlüsse, wobei ein Anschlußglied den Informationsfluß aus mehreren Quellen aufnimmt, d.i. aus mehreren stromauf liegenden Knoten mit unterschiedlichen Spitzenübertragungsraten. Betrachtet wird der allgemeine Fall der mehrfachen Verkehrsanschlüsse "nach bestem Bemühen", die über ein reserviertes Anschlußelement oder über eine reservierte virtuelle Pfadverbindung (VPC - virtual path connection) übertragen werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird die nachfolgende Notation für die bekannten Parameter benutzt:
m: die Gesamtanzahl der Verkehrsverbindungen "nach bestem Bemühen",
rtot: die Gesamtkapazität des reservierten Pfads, ausgedrückt in Zellen/tu, und
rj: die Spitzenrate der Anschlüsse j, (j = 1, 2, ..., m) mit
Ein individueller Anschluß j kann die ganze reservierte Bandbreite benutzen wenn rj = rtot. Das gilt z. B. im Fall eines Anschlusses, dessen Rate nicht gesteuert wird.
Der oben für einen Einzelanschluß beschriebene Flußsteuermechanismus läßt sich leicht unabhängig für jeden der Anschlüsse anwenden, wobei ein reservierter Puffer Bj jeweils einem Anschluß zugeordnet wird. Bei unabhängiger Anwendung wäre die Gesamtpuffergröße Btot
was wesentlich größer ist als die erforderliche Puffergröße der nachstehenden beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Fall läßt sich eine bessere Pufferausnutzung erzielen durch gemeinsames Benutzen eines Teils des verfügbaren Puffers für alle existierenden Anschlüsse. Nachstehend wird der von allen Anschlüssen gemeinsam benutzt Puffer mit B5 bezeichnet. Um Probleme des gegenseitigen Blockierens zu vermeiden und damit den Durchsatz des Anschlußglieds zu erhöhen, wird für jeden Anschluß ein reservierter Puffer der Größe bj (> 1) vorgesehen. Dieser Wert wird so gewählt, daß er kleiner als Bj ist, vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung. Der gesamte Pufferspeicherplatz ist gegeben durch
Zellen jedes gegebenen Anschlusses werden im gemeinsam benutzten Puffer erst dann gespeichert, wenn der entsprechende zugeordnete Puffer voll ist. Es wird als Vorteil dieser Ausführungsform angesehen, daß, wenn einige blockierte Anschlüsse den gemeinsam benutzten Puffer besetzen, die anderen Anschlüsse weiterhin in der Lage sind, über ihre zugeordneten Pufferteile Zellen übertragen zu können.
Zum Beschreiben eines Beispiels, das das gemeinsam benutzte Puffermittel betrifft, werden die folgenden, oben eingeführten Parameterdefinitionen angepaßt:
Nj(t): Warteschlangenlänge für Anschluß j zur Zeit t,
Qj(t): Anzahl der auf Anschluß j ankommenden Zellen nach der Zeit t, unter der Annahme, daß zur Zeit t ein Stop- Signal generiert wurde ohne nachfolgende Generierung eines Startsignals, und unter der Annahme, daß der stromaufwärts gelegene Knoten während des Zeitinter valls (t - d, t + d) immer Daten zum Senden auf den Anschluß j bereit hat.
Vj(t): Potentialfunktion für den Anschluß j definiert als
Vj(t) Nj(t) + Qj(t).
und die folgenden Definitionen werden neu eingeführt:
Hs(t): Anzahl der im gemeinsamen Puffer nach der Zeit t abgespeicherten ankommenden Zellen, unter der Annahme, daß für alle Anschlüsse zur Zeit t ein Stoppsignal generiert wurde ohne nachfolgende Generierung eines Startsignals, und unter der Annahme, daß alle Anschlüsse am stromaufwärts gelegenen Knoten während des Zeitintervalls (t - d, t + d) immer Daten zum Senden bereit haben.
Fs(t): Die maximal mögliche Gesamtwarteschlangenlänge im gemeinsam benutzten Puffer nach der Zeit t, unter der Annahme, daß ein Stoppsignal zur Zeit t generiert wird ohne nachfolgende Generierung eines Startsignals. Diese Funktion wird als globale Potentialfunktion (für einen gemeinsam genutzten Pufferspeicher) bezeichnet.
Die globale Potentialfunktion für einen gemeinsam genutzten Puffer ist gegeben durch
Die Bewertung von HS(t) beinhaltet das gesonderte Überwachen jedes reservierten Puffers bj und jedes Anschlusses. Eine Implementierung verlangt somit zusätzlichen Schaltungsaufwand, was unerwünscht ist. Somit wird in einem bevorzugten Modus eine obere Grenze Fsu(t) eingeführt als:
Diese Obergrenze wird abgeleitet unter der Annahme, daß alle nach der Zeit t eingehenden Zellen, bezeichnet als H(t), im gemeinsam genutzten Puffer in Warteschlange gesetzt werden. In der Praxis werden aber einige dieser Zellen in die reservierten Speicher fließen, vorausgesetzt, dort ist noch Platz frei. Diese Ausführungsform wird betrachtet als Kompromiß zwischen den Kosten zusätzlicher Logik und einer wirksamen Flußsteuerung.
Dann wird eine Flußsteuermethode abgeleitet, die der neuen Pufferstruktur entspricht während sie die oben erzielten Eigenschaften (verlustfrei, kein Verhungern, usw.) im Falle eines einzigen Anschlusses wahrt. Ein neues Merkmal der Lösung der gemeinsamen Nutzung ist, daß die Werte {vj} nicht mehr konstant sind, sondern sich über die Zeit verändern. Anfänglich wird der Wert vj entsprechend dem Anschluß j als gleich Bj angenommen, d. h. die Puffergröße eines einzigen unabhängigen Anschlusses. Der Prozeß, mit dem diese Werte aktualisiert werden, wird nachstehend erklärt.
Die Lösung des gemeinsamen Nutzens verwendet den Parameter H(t) in obiger Definition. Dieser Parameter läßt sich erhalten durch Berücksichtigen eines globalen Emulators, der eine Erweiterung des Konzepts des oben beschriebenen örtlichen Emulators ist. In diesem Beispiel nimmt der globale Emulator an, daß alle Anschlüsse immer Daten zu senden haben, und wird getrieben von dem Start/Stoppsignalprozeß aller Anschlüsse im Verbund. Der globale Emulator wird benutzt zusammen mit den örtlichen Emulatoren, die für jeden Anschluß vorgesehen sind.
Eine Implementierung des globalen Emulators, der benutzt wird, um die mögliche Anzahl H(t) eingehender Zellen nach einer Zeit t zu bestimmen, benutzt Flag-Register P(1), ..., P(m) zum Anzeigen des augenblicklichen Status eines jeden der m Anschlüsse. In diesem Beispiel wird ein Flag- Register P(j) auf Null gesetzt im Falle, daß der entsprechende Anschluß j in einer "off"- oder "Nicht verfügbar"- Periode steht, wie oben definiert, und wird auf Eins gesetzt in einer "on"- oder "Verfügbar"-Periode. Der globale Emulator enthält ferner ein Schieberegister mit D Bits (D ist die Umlaufzeit, gemessen in Zeiteinheiten tu nach obiger Definition). Das Schieberegister verschiebt sich je Zeiteinheit um ein Bit, d. h. mit einer Taktfrequenz 1 unter Verwendung der oben definierten Zeitskala. Das ganze Register ist daher nach einer Periode D erneuert. Das Schieberegister wird gespeist vom Ausgang eines m Bit breiten ODER-Gatters. Die Eingänge des ODER-Gatters sind an das Flag-Register P(1), ..., P(m) angeschlossen. Im Fall, daß die m Anschlüsse sich nicht auf eine spezifische Übertragungsrate rj beschränken (unbeschränkter 'Größte-Bemühen'-Verkehr), ist es ausreichend, das ODER-Gatter mit dem Reziprokwert der maximalen Übertragungsrate rtot zu takten, um zu erreichen, daß die Anzahl der Einsen im Schieberegister gleich H(t) ist. In diesem Fall des uneingeschränkten 'Größte-Bemühen'-Verkehrs kann das Schieberegister in einem anderen Modus der Erfindung durch einen Vergleicher und einen Speicher zum Abspeichern von Zeitintervallen ersetzt werden, wie er zum Registrieren der nichtverfügbaren und verfügbaren Perioden eines einzigen Anschlusses in einem örtlichen Emulator benutzt wird. Der Vergleicher vergleicht den Ausgang des ODER-Gatters zu einer augenblicklichen Zeit t mit dem Ausgang am vorhergehenden Zeitpunkt t-1. Falls der Ausgang von Null auf Eins übergeht, wird Zeit t als eine (globale) "Start"-Zeit registriert, und falls der Ausgang von Eins auf Null übergeht, wird Zeit t als eine (globale) "Stop"-Zeit registriert.
Beziehen wir uns jetzt auf den Fall, in dem sich mindestens einer der m Anschlüsse auf eine Übertragungsrate von weniger als rtot, (ratengesteuerter Verkehr) beschränkt. Ein Mechanismus QSP1 ist am stromaufwärtsliegenden Knoten 2 installiert (siehe Fig. 1) und stellt sicher, daß der entsprechende Anschluß nicht eine vorherbestimmte Übertragungsrate überschreitet. Mechanismen zum Erzwingen einer Ratensteuerung sind dem Fachmann bekannt als Warteschlangen-Service-Politik (QSPs). Eine QSP kontrolliert grundlegend, ob ein Rückstausignal anzeigt, daß der Anschluß für die Zellenübertragung blockiert ist, und ob es Zellen gibt, die auf die Übertragung durch diesen Anschluß warten. Das Überwachen dieser Parameter und die nachfolgende Zellenübertragung wird mit einer Wiederholungsrate gemacht, die sicherstellt, daß der entsprechende Anschluß auf seine vorherbestimmte Übertragungsrate beschränkt bleibt. Unterschiedliche Implementierungen eines QSP-Mechanismus werden zum Beispiel beschrieben in: M. G. H. Katevenis, "Fast Switching and Fair Control of Congestion Flow in Broadband Networks", IEEE J. Select, Areas Commun. Bd. SAC-5 Nr. 8, S. 1315-1326, Okt. 1987.
Unabhängig vom besonderen Typ der QSP, der zur Ratensteuerung eines Anschlusses eingesetzt wird, kann der globale Emulator dieses Beispiels an den ratengesteuerten Verkehr durch Einbau des gleichen QSP-Typs in den (augenblicklichen) Knoten angepaßt werden. Jedoch wird die QSP (QSP2, vgl. Fig. 5), die im Knoten angewandt wird, gegenüber der QSP (QSP1, cf. Fig. 1), die im/in den stromaufwärts liegenden Knoten eingesetzt ist, in zwei Aspekten modifiziert: Die Prüfung auf Zellen, die auf die Übertragung warten, wird übersprungen, und die Überwachung der Rückstausignale wird ersetzt durch Überwachung der Inhalte des Flag-Registers P(1), ..., P(m). Diese Modifikationen lassen sich für jeden QSP-Typ leicht implementieren. Die so modifizierte QSP ersetzt das ODER-Gatter der oben beschriebenen Ausführungsform durch Aktivieren des Schreibens in das Schieberegister, wie man auch durch Vergleichen der Fig. 4 und 5 ersehen kann. Daraus ergibt sich, daß die Anzahl der Einsen im Schieberegister wieder eine Obergrenze der während der Periode der Umlaufzeit der maximal ankommenden Zellen repräsentiert, wie im Falle des uneingeschränkten Verkehrs, wie oben beschrieben. Durch Anwenden des Werts H(t) kann die Obergrenze Fsu(t) der globalen Potentialfunktion bewertet werden durch Zufügen von H(t) zur Anzahl N(t) der Zellen, die augenblicklich den gemeinsam genutzten Puffer besetzen. Mit dem augenblicklichen Wert der globalen Potentialfunktion lassen sich die durch die nachfolgenden Gleichungen (17, 18) gegebenen Bedingungen leicht überprüfen unter Verwenden geeigneter Additions- und Vergleichermittel. Datenverluste werden vermieden, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
Fs(t) ≤ Bs. (17)
Eindeutig ist eine ausreichende, aber nicht notwendige Bedingung für Gleichung (17) die folgende:
Fsu(t) ≤ Bs. (18)
Wenn Fsu(t) den Wert Bs erreicht, werden die Werte {vi} aktualisiert, d. h. an die Tatsache angepaßt, daß der gemeinsam genutzte Puffer das Potential hat, innerhalb der nächsten Periode D voll besetzt zu werden. Diese Aktion beendet die "normale Phase" und läßt die "Reduktionsphase" anlaufen, wo sich für jeden Anschluß j der Wert vj vom alten Wert Bj zum viel kleineren neuen Wert bj verändert.
Während der Reduktionsphase fahren alle Anschlüsse, für die Vj(t) < bj, mit dem Übertragen von Daten fort. Aufgrund dieser Anschlüsse, die weiter Daten übertragen können, kann der Wert Fsu(t) über den Wert Bs hinaus weiter ansteigen. Eine Obergrenze für Fsu(t) ist gegeben durch die notwendige Bedingung für eine verlustfreie Operation, d. i. Fsu (t) ≤ Btot. Die Reduktionsphase kann jeden Augenblick beendet werden, nachdem Fsu(t) wieder unter Bs abgefallen ist. Zum Beispiel endet die Reduktionsphase und die normale Phase beginnt wieder, wenn Fsu(t) bei Wert Bs-thr abfällt, wobei thr ein Schwellenwert ist. Die Variablen {vj} werden wieder mit den Anfangswerten Bj aktualisiert.
Die obige Verfahren stellt sicher, daß der Wert vj für einen Anschluß j immer mindestens bj ist. Der Anschluß j hat daher einen garantierten Mindestdurchsatz gleich bj/D, unabhängig von der Besetzung des gemeinsam genutzten Puffers. Der erwünschte garantierte Mindestdurchsatz kann erreicht werden durch die Wahl der geeigneten Größe des reservierten Puffers. Für eine effiziente Blockierungskontrolle werden die folgenden Parameter benutzt:
m: Gesamtzahl der Anschlüsse für einen "Besten-Bemühen"- Verkehr
rtot: Gesamtkapazität des reservierten Pfades, ausgedrückt in Zellen/tu.
D: Umlaufzeit des Verbindungsgliedes
rj: Spitzenrate für Anschluß j, (j = 1, 2, ..., m)
Bs: Größe des gemeinsam genutzten Puffers (Bs > rtotD),
bj: Reservierte Puffergröße für Anschluß j, (bj ≥ 1).
ovj: Angestrebter Platzbedarf für Anschluß j, der wesentlich verringert werden kann durch Einbetten verschie dener Steuersignale, die verschiedenen Anschlüssen zugeordnet sind, in eine einzige Steuerzelle, anstatt jeweils eine Zelle zum Steuern nur eines einzigen Anschlusses zu benutzten.
Bj: Maximale Warteschlangenlänge für Anschluß j,
(Bj = kj + rjD).
Vj: Variable, deren Anfangswert Bj ist.
thr: Schwellenwert.
Der Übergang von der Normalphase zur Reduktionsphase läuft an, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
Fsu(t) = Bs, (19)
wobei Fsu(t) von Gleichung (16) gegeben ist. Die Parameter {vi} werden auf vj = bj, j = 1, 2, ..., m, aktualisiert. Der Übergang von der Reduktionsphase zur Normalphase läuft an, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist:
Fsu(t) = Bs - thr. (20)
Und die Parameter {vj} werden geändert zu vj = Bj, j = 1, 2, ..., m.
Während der beiden Phasen wird das Generieren von Stopp- und Startsignalen für jeden Anschluß durch den Flußsteuermechanismus für den einzigen Anschluß in obiger Beschreibung geregelt.

Claims

1. Datenflußsteuergerät für den zellbasierten Verkehr in einem Netzübergangsrechner oder Knoten (1), der mit einem Kanal mit einer Umlaufzeit D verbunden ist und mindestens einen Anschluß (VCl, VCm) bedient, wobei das Datenflußsteuergerät Puffermittel mit einer Puffergröße B zum Abspeichern eingehender Zellen sowie Rückstaumittel enthaltend Signalgenerierungsmittel zum Senden von Start- und Stopsignalen für den Anschluß (VCl, VCm) an einen in Flußrichtung vorgeschalteten Netzübergangsrechner oder Knoten (2) aufweist, wobei das Signalgenerierungsmittel zu einem Zeitpunkt t ausgelöst wird, der von einer Obergrenze V(t) der Anzahl der Zellen anhängt, die potentiell das Puffermittel zu einem Zeitpunkt t + D besetzen, gekennzeichnet durch örtliche Emulatormittel, die mit dem signalgenerierenden Mittel verbunden sind, um innerhalb des Zeitintervalls [t - D, t] eine verfügbare Zeit zu registrieren, in der die Verbindung Zellen übertragen kann, wobei der Anfang und das Ende der verfügbaren Zeit durch das Start- bzw. das Stopsignal bestimmt wird, Mittel zum Erfassen einer Anzahl N(t) von Zellen, die zu dieser Zeit t das Puffermittel besetzen, Multiplikationsmittel, die diese verfügbare Zeit benutzen, und eine vorbestimmte Übertragungsrate r dieser Verbindung zum Bestimmen einer Obergrenze Q(t) der Anzahl eingehender Zellen, die innerhalb des Zeitintervalls [t, t + D] er wartet werden, sowie Additionsmittel zum Bestimmen der Anzahl V(t), die die Obergrenze Q(t) und die Anzahl N(t) der das Puffermittel zur Zeit t besetzenden Zellen vorgesehen sind, wobei der Wert V(t) gegen Schwellenwerte geprüft wird, die das Generieren bzw. Nichtgenerieren der Start- und Stopsignale bestimmen, wobei das Startsignal generiert wird, wenn der Wert V(t) von B auf B-1 sinkt oder zu beliebiger Zeit nach diesem Augenblick und bevor bzw. wenn V(t) Null wird, das Stopsignal generiert wird wenn V(t) > B oder V(t) = B ist.

2. Datenflußsteuergerät gemäß Anspruch 1, das eine Vielzahl Verbindungen bedient, wobei das Puffermittel reservierte Puffermittel, die für nur eine dieser Verbindungen (VCl, VCm) zugänglich sind, und gemeinsame Puffermittel, die für die Vielzahl von Verbindungen (VCl, VCm) zugänglich sind, beinhaltet und das Rückstaumittel ferner globale Emulatormittel zum Registrieren einer global verfügbaren Zeit innerhalb des Zeitintervalls [t - D, t], in der wenigstens eine dieser Verbindungen (VCl, VCm) zum Senden aktiviert ist, und zum Bestimmen einer Obergrenze Fs(t) der Anzahl Zellen, die potentiell das gemeinsame Puffermittel zur Zeit t + D besetzen, aufweist.

3. Datenflußsteuergerät gemäß Anspruch 2 wobei mindestens eine der Verbindungen (VCl, VCm) am stromaufwärts gelegenen Netzübergangsrechner oder Knoten (2) über einen ersten Warteschlangendienstverfahrensmechanismus mit einem vorgegebenen Bedienplan für die Verbindungen (VCl, VCm) ratensteuerbar ist, das Rückstaumittel ferner Registermittel P(j) zum Registrieren, ob jede der Verbindungen (VCl, VCm) senden kann, und das globale Emulatormittel ferner einen zweiten Warteschlangendienstverfahrensmechanismus zum zyklischen Abfragen des Registermittels P(j) gemäß dem Dienstleistungsplan aufweist.

4. Datenflußsteuergerät gemäß Anspruch 2, wobei das Verhältnis einer Größe bj eines reservierten Puffers zur Größe des gemeinsam benutzten Puffers im Bereich 1 : 10 bis 1 : 1000 liegt.

5. Datenflußsteuergerät gemäß Anspruch 2, in dem das globale Emulatormittel Mittel zum Verändern eines Schwellenwerts vj umfaßt, bei dem das Stopsignal für jede der Verbindungen (VCl, VCm) generiert wird, wobei dieses Mittel durch Verwenden von Fs(t) gesteuert wird.

6. Datenflußsteuerverfahren für den zellbasierten Verkehr in einem Knoten oder Netzübergangsrechner (1), der mit einem Kanal mit einer Umlaufzeit D verbunden ist und mindestens einen Anschluß (VCl, VCm) bedient, wobei das Datenflußsteuerverfahren Schritte zum Abspeichern eingehender Zellen in Puffermitteln mit einer Puffergröße B und Generieren von Start- und Stopsignalen für die Verbindung (VCl, VCm) in Signalgenerierungsmitteln zum Senden an einen in Flußrichtung vorgeschalteten Netzübergangsrechner oder Knoten (2) zu einem Zeitpunkt t umfaßt, wenn eine Obergrenze V(t) der Anzahl der Zellen, die potentiell das Puffermittel zu einem Zeitpunkt t + D besetzen, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, gekennzeichnet durch Schritte der Registrierung einer verfügbaren Zeit, in der die Verbindung (VCl, VCm) Zellen übertragen kann, mit örtlichen Emulatormitteln innerhalb des Zeitintervalls [t - D, t], wobei der Anfang und das Ende der verfügbaren Zeit durch das Start- bzw. das Stopsignal bestimmt wird, Erfassen einer Anzahl N(t) Zellen, die zu dieser Zeit t das Puffermittel besetzen, Bestimmen, mit einem Multiplikationsmittel durch Benutzten dieser verfügbaren Zeit und einer vorbestimmten Übertragungsrate r der Verbindung (VCl, VCm), einer Obergrenze Q(t) der Anzahl eingehender Zelle, die innerhalb des Zeitintervalls [t, t + D] erwartet werden, sowie Bestimmen, mit einem Additionsmittel, der Anzahl V(t), die die Obergrenze Q(t) und die Anzahl N(t) der das Puffermittel zur Zeit t besetzende Zellen, und Prüfen des Wertes V(t) gegen Schwellenwerte, die bestimmen, ob das Start- bzw. Stopsignal generiert wird oder nicht, wobei das Startsignal generiert wird, wenn der Wert V(t) von B auf B-1 sinkt oder zu beliebiger Zeit nach diesem Augenblick und bevor bzw. wenn V(t) Null wird, das Stopsignal generiert wird wenn V(t) > B oder V(t) = B ist.

7. Datenflußsteuerverfahren gemäß Anspruch 6, das eine Vielzahl Verbindungen (VCl, VCm) bedient, wobei die eingehenden Zellen in reservierten Puffermitteln gespeichert werden, die für nur eine dieser Verbindungen (VCl, VCm) zugänglich sind, oder im Falle, daß das reservierte Puffermittel besetzt ist, in gemeinsamen Puffermitteln, die für die Vielzahl von Verbindungen (VCl, VCm) zugänglich sind, und ferner enthaltend die Schritte zum Registrieren, innerhalb des Zeitintervalls [t - D, t], einer global verfügbaren Zeit, in der wenigstens eine dieser Verbindungen (VCl, VCm) zum Senden aktiviert ist, und zum Bestimmen einer Obergrenze Fs(t) der Anzahl Zellen, die potentiell das gemeinsame Puffermittel zur Zeit t + D besetzen.

8. Datenflußsteuerverfahren gemäß Anspruch 7, wobei mindestens eine der Verbindungen (VCl, VCm) am in Flußrichtung vorgeschalteten Netzübergangsrechner oder Knoten (2) über einen ersten Warteschlangendienstmechanismus mit einem vorgegebenen Bedienplan für die Verbindungen (VCl, VCm) ratensteuerbar ist, einschließlich des Schritts des Registrierens im Register P(j), ob jede der Verbindungen (VCl, VCm) zum Übertragen in der Lage ist, und ferner zyklisches Abfragen des Registers P(j) durch Einsatz eines zweiten Warteschlangendienstmechanismus zum zyklischen Abfragen des Registermittels P(j) gemäß dem Dienstleistungsplan.

9. Datenflußsteuerverfahren gemäß Anspruch 7, enthaltend den Schritt der Veränderung eines Schwellenwerts vj, an dem das Stopsignal für jede der Verbindungen (VCl, VCm) generiert wird, unter Verwendung des Wertes Fs(t).

10. Datenflußsteuerverfahren gemäß Anspruch 7, enthaltend den Schritt der Verzögerung des Generierens des Startsignals, bis ein Verhältnis ov(t) der generierten Start- und Stopsignale zur Gesamtzahl der übertragenen Zellen unter einen vorgegebenen Schwellenwert ov absinkt.