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Die vorliegende Erfindung betrifft
paket-basierte Netzwerke, wie beispielsweise im asynchronen Übertragungsmodus
(Asynchronous Transfer Mode) arbeitende ATM-Netzwerke, die eine Ringarchitektur aufweisen.
Die Erfindung ist sowohl auf lokale Netze als auch auf Fernnetze
anwendbar.
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Innerhalb von Netzwerken besteht
die Notwendigkeit sicherzustellen, dass im Falle von Fehlern in
der Infrastruktur, zum Beispiel ein gekapptes Kabel und/oder der
Ausfall eines Geräts,
der Netzwerkbetrieb nicht unterbrochen wird. Nach dem heutigen Stand
der Technik wird dieser Schutz mit SONET-Ringarchitekturen bereitgestellt.
In dem Bellcore-Standard GR-1230-CORE wird ein zweiseitig gerichteter
leitungsvermittelter Ring, ein so genannter Line-Switched-Line-Switched
Ring, und in GR-1400-CORE ein einseitig gerichteter pfadverinittelter
(Path-Switched) Ring beschrieben.
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Im Falle von ATM-Netzwerken besteht
der heutige Stand der Technik darin, ATM-Nutzinformationen über SONET-Ringstrukturen zu
senden. Da dies eine kostenaufwendige Lösung ist, besteht Bedarf an
einem einfacheren Mechanismus zum Schutz von ATM-Netzwerken. Wenngleich es möglich ist, SONET-Ringstrukturen
direkt auf einer ATM-Implementierung
abzubilden, wobei der ATM-Schalter zur Vornahme der notwendigen Überbrückung und
Neukonfiguration verwendet wird, hat dies einen ineffizienten Einsatz
des ATM-Schalters und eine langsame Ansprechzeit zum Ergebnis.
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In dem Artikel mit dem Titel "Broadband
Virtual Path/SONET/ATM Self-Healing Ring Architecture and its Economic
Feasibility Study" von Tsong-Ho Wu et al., Bd. 1–2–03, Seiten 834–840, Dezember 1992,
IEEE, ist eine Methode zum Herstellen einer Kommunikation über ein
Netzwerk beschrieben, in dem eine Mehrzahl von Knoten in einer Ringarchitektur
miteinander verbunden sind und ein Ringpaar die virtuellen Verbindungen
zwischen den Knoten bereitstellt.
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Ähnliche
Architekturen sind auch in dem Artikel mit dem Titel "ATM SeIf-Healing
Ring' von Yoshio Kajiyama et al., Bd. 1–2–03, Seiten 639–643, Dezember
1992, IEEE, und in dem Artikel mit dem Titel "AN ATM VP-based Self-Healing
Ring" von Yoshio Kajiyama et al., Bd. 12, Nr. 1, Seiten 171–177, Januar 1994,
IEEE, beschrieben.
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Bei der in den obigen Artikeln beschriebenen Architektur
wird für
jeden virtuellen aktiven Pfad („Working Path") von vorneherein
ein virtueller Schutzpfad („Protection
Path") eingerichtet. Im Falle eines Fehlers muss der Verkehr von
dem aktiven Pfad auf dem einem Ring auf den Schutzpfad auf dem anderen
Ring zum anderen parallel geschaltet werden, um die fehlerhaften
Verbindungsabschnitte zu umgehen. Die Notwendigkeit einer Parallelschaltung
des Verkehrs an bestimmten Knoten erfordert komplizierte Schaltalgorithmen.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer
Fernnetz-Architektur, mit der die vorstehend geschilderten Probleme
der herkömmlichen
Technik überwunden
werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Kommunikationsnetzwerk bereitgestellt, das aus einer Mehrzahl
in einer Ringarchitektur miteinander verbundenen Knoten, einem Paar
in entgegengesetzte Richtungen drehender paket-basierter Ringe mit
Spannen, welche diese Knoten miteinander verbinden, um virtuelle
Verbindungen zwischen ihnen herzustellen, besteht und wobei jeder
Knoten ein Interface und einen damit verbundenen Paketschalter umfasst,
wobei das Interface Mittel, um Pakete aus einem der beiden dazu
bestimmten Ringe zu extrahieren und sie zum Paketschalter weiterzuleiten,
Mittel, um ausgehende Pakete aus dem Paketschalter einem der beiden
Ringe hinzuzufügen,
und Mittel, um Pakete unmittelbar auf jedem nicht diesem Knoten bestimmten
Ring durchzuleiten, umfasst, wobei zwischen den Knoten eine virtuelle
Maschenstruktur hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass entweder:
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- a) jeder Knoten Pakete auf beiden Ringen überträgt und Pakete
von beiden Ringen empfangen kann, und
- i) bei Anwesenheit eines Fehlers jeder der Knoten einen der
Ringe auswählt,
um von ihm Pakete zu empfangen, und
- ii) wenn nur einer der Ringe einen Fehler aufweist, jeder Knoten
den fehlerfreien Ring auswählt,
um von ihm Pakete zu empfangen und
- iii) wenn beide Ringe Fehler aufweisen, jeder Knoten beide Ringe
auswählt,
um von ihnen Pakete zu empfangen, oder
- b) jeder Knoten Pakete von beiden Ringen empfängt und
Pakete selektiv auf einem der beiden Ringe übertragen kann, und
- (i) bei Abwesenheit von einem Fehler jeder der Knoten einen
der Ringe auswählt,
um auf diesem Pakete je nach Ziel der übertragenen Pakete zu übertragen, und
- (ii) bei Anwesenheit eines Fehlers jeder Knoten sein Übertragungsverhalten
verändert,
um auf beiden Ringen Pakete zu senden.
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Die Ringe können entweder einseitig oder zweiseitig
gerichtet sein. Wie für
den Fachmann erkennbar ist, können
natürlich
auch zusätzliche
Ringe vorgesehen werden, ohne die von der Erfindung gebotenen Vorteile
zu schmälern.
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Die beschriebene Ringstruktur ermöglicht eine
effiziente gemeinsame Nutzung der Bandbreite zwischen den Knoten
auf dem Ring ohne die einer festverdrahteten Masche innewohnende
Vergeudung und ohne ein Aufbrauchen wertvoller ATM-Schalter-Ressourcen,
da weiterzuleitende Zellen direkt durch das Interface hindurchgeleitet
werden, ohne zum ATM-Schalter geleitet zu werden.
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Im Folgenden wird die vorliegende
Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein
Maschennetz mit vier Knoten;
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2 ein
Ringnetz mit vier Knoten;
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3 eine
Ringschnittstelle, für
die Interface-Karten OC-12c für
einen 36170 ATM-Schalter von Newbridge Networks verwendet werden;
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4 einen
einfachen, einseitig gerichteten ATM Switched Ring (UASR);
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5 ein
Beispiel für
einen Fehler in einem doppelten Ring;
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6 ein
weiteres Beispiel für
einen Fehler in einem doppelten Ring;
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7a einen
zweiseitig gerichteten ATM Switched Ring (BASR);
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7b einen
Abschnitt des in 7a gezeigten
Rings;
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8 eine
Uberlagerung eines SONET- und eines ATM-Rings;
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9 ein
Blockdiagramm einer OC-12c Karte, und
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1 zeigt
ein Maschennetz mit vier Knoten, das einen SONET-Ring bildet. Es
gibt sechs mögliche
zweiseitig gerichtete Verbindungen zwischen den Knoten, nämlich A-B, A-C, A-D, B-C, B-D und C-D.
In einem Maschennetz dieser Art sind sechs Punkt-zu-Punkt-Verbindungen erforderlich,
um die Maschenstruktur zu vervollständigen. Wenn diese Verbindungen
OC-3c Interfaces mit einer Kapazität von etwa 150 Mbps sind, kann
aus der von den Knoten geforderten variablen Bandbreite kein Vorteil
erzielt werden, da die Bandbreite dieser einzelnen Verbindungen
eine feste ist. Wenn der Knoten A zum Knoten B durchschnittlich
50 Mbps, zum Knoten C durchschnittlich 100 Mbps und zum
Knoten D nur 20 Mbps fordert, wird die ungenutzte Kapazität zu diesen
Verbindungen vergeudet.
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Wenngleich es möglich ist, den Verkehr über alternative
Strecken zu leiten, um zu versuchen, diese Bandbreite zu nutzen,
ist dies eine Aufgabe mit intensivem Software-Aufwand, die zusätzliche CAC-Berechnungen
(Connection Admission Control) erfordert und für die wertvolle Schalter-Ressourcen an
diesen Tandem-Knoten verbraucht werden.
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In 2 sind
die vier Knoten A, B, C und D durch einen OC-12c
ATM-Ring miteinander verbunden. Ein OC-12c Interface hat die vierfache
Kapazität einer
OC-3c-Verbindung, d. h. etwa 600 Mbps. In diesem Fall weist jedes
Segment des Rings sechs virtuelle Pfade auf, was eine logische Masche
ergibt, d. h. dass jeder Knoten einen direkten virtuellen Pfad zu jedem
der anderen Knoten aufweist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht
darin, dass diese Pfade alle auf einer Verbindungsebene geführt werden.
Das bedeutet, dass die Knoten, die weniger Bandbreite fordern, Kapazität zur Inanspruchnahme
durch andere Knoten freigeben, und die Knoten, wenn dies notwendig
ist, die volle Bandbreite des Rings nutzen können, d. h. Knoten A kann die
vollen 600 Mbps an den Knoten C senden.
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Es können zwei Arten eines ATM-Rings
verwendet werden: a) ein einseitig gerichteter ATM Switched Ring
(UASR), oder b) ein zweiseitig gerichteter ATM Switched Ring (BASR).
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In dem UASR-Ring wird der gleiche
Verkehr in entgegengesetzte Richtungen auf zwei in entgegengesetzte
Richtungen drehenden Ringen übertragen.
An jedem Knoteneingang treffen die ATM-Zellen auf ein Standard-Zellenrelais-Interface.
Für diesen Knoten
bestimmte Zellen werden in die Schaltstruktur des Knotens „abgeworfen"
(„Drop"),
während
die übrigen
Zellen mit den Zellen, die von diesem Knoten „hinzuzufügen" („Add") sind, eine Warteschlange
bilden und aus dem Ausgangsport des Standard-Zellenrelais-Interface
weitergesendet werden.
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3 zeigt,
wie dieses Ring-Interface auf einer 36170 OC-12c-Karte der Newbridge
Networks Corporation an jedem Knoten abgebildet wird. Die Ringe X und Y durchlaufen
die OC-12c Karte 1 bzw. die OC-12c Karte 2. Diese
sind durch eine Fabric Interface Card (FIC) 3 mit einem
36170 ATM Switching Core 4 der Newbridge Networks Corporation
verbunden.
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Auf der Eingangsseite jedes Rings
ermittelt der Ingress Cell Controller (ICC) 5 auf der OC-12c-Karte, ob die
eingehenden Zellen auf den UP_ISL (Inter-Shelf Link) abzuwerfen
sind, indem er das VPI-Feld der Zelle betrachtet. Jeder Knoten auf dem
Ring ist mit einem VPI-Wertebereich
adressiert. Die Fabric Interface Card 3 empfängt den
abgeworfenen Verkehr aus jedem Ring und besitzt die Fähigkeit,
Zellen aus einem oder aus beiden Ringen auszuwählen.
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Diese Fähigkeit wird beispielsweise
durch den Schalter Diablo ASIC 6 der Newbridge Networks Corporation
bereitgestellt, der eine Switching Engine für Zellen ist und zwei Eingänge und
einen Ausgang aufweist. Die Eingänge
des Diablo 6 sind mit den jeweiligen Ringen X, Y verbunden.
Die „durchzuleitenden"
Zellen bilden mit den Zellen, die aus dem DOWN_ISL (Inter-Shelf
Link) hinzuzufügen
sind, eine Warteschlange, wofür
wiederum der Diablo-Schalter ASIC 6 und der Egress Cell
Controller 7 verwendet werden. Alternativ kann der gesamte
Verkehr aus dem Ring auf das UP_ISL zum Switching Core hoch geleitet
werden, wo die abzuwerfenden Zellen nach unten zu ihrem zugehörigen ISL
gesendet werden, während
die durchzuleitenden Zellen zusammen mit den Zellen, die dem Ring
hinzuzufügen sind, über die
OC-12-Karten zurück
auf das DOWN_ISL gesendet werden. In beiden Fällen besteht ein wichtiges
Merkmal darin, dass der an einem Knoten abzuwerfende Verkehr von
einem oder von beiden Ringen ausgewählt werden kann.
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Die Regeln für den Empfang von Daten aus dem
Ring unterscheiden sich beträchtlich
von einem Zeitmultiplexer-Ring, beispielsweise ein SONFT-Ring.
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4 zeigt
einen einfachen UASR-Ring. Wenn die Ringe X und Y beide
fehlerfrei sind, ist jeder Knoten auf dem Ring frei zum Empfangen
von Daten aus jedem der Ringe, d. h. der Diablo-Schalter 6 auf
dem FIC 3 wählt
nur einen seiner beiden Eingänge
zum direkten Durchschalten zum Ausgang aus. Tritt auf einem der
Ringe ein Fehler auf, programmieren alle Knoten den Diablo 6 für einen
Empfang der Daten aus dem anderen fehlerfreien Ring. Wenn beide
Ringe Fehler aufweisen, empfangen alle Knoten Daten von beiden Ringen,
indem beide Eingänge
zum Diablo 4 aktiviert werden.
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Die üblichen Fälle, in denen beide Ringe Fehler
aufweisen und die Ringe wieder vollständig hergestellt werden können, sind
ein gekapptes Kabel auf einer zwei Knoten miteinander verbindenden Spanne
oder ein Knoten, der außer
Betrieb geht. Andere Doppelfehler können zur Folge haben, dass
der Ring mit verminderter Kapazität arbeitet.
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Es ist bekannt, dass bei einer ATM-Datenübertragung
Zellen nur dann übertragen
werden, wenn es zu sendende Daten gibt. Daher kann jede für einen
bestimmten Knoten bestimmte ATM-Zelle empfangen werden, so lange
identische Zellen nicht auf beiden Ringen empfangen werden. Um sicherzustellen,
dass identische Zellen nicht an jedem Knoten empfangen werden, ist
es wichtig sicherzustellen, dass in dem Fall, dass beide Ringe Fehler
aufweisen, jeder Knoten, der auf seiner eingehenden Verbindung einen
Fehler entdeckt, die entsprechende in entgegengesetzte Richtung
drehende Verbindung auf derselben Spanne unterdrückt.
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Es gibt verschiedene Fälle von
Fehlern auf beiden Ringen, die in Erwägung zu ziehen sind. Der einfachste
und häufigste
Fall ist der, dass ein Kabel innerhalb einer Spanne, die zwei Knoten
auf dem Ring verbindet, gekappt wird. Dieser Fall ist in 5 dargestellt. In diesem
Fall entdecken die die durchtrennte Stelle umgebenden Knoten A, D diese
auf dem eingehenden Ring und sperren unnötigerweise den Verkehr in dem
in entgegengesetzte Richtung drehenden Ring. Unnötigerweise in diesem Fall,
weil der Zellenstrom in der entgegengesetzt drehenden Richtung aufgrund
der Durchtrennung von keinem anderen Knoten hätte empfangen werden können.
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Ein verallgemeinerter Fall ist in 6 gezeigt. In diesem Fall
führt ein
Doppelfehler zu abgetrennten Verbindungsinseln. Jede Insel ist in
der Lage, im Vollduplexbetrieb mit den anderen Elementen auf der
Insel zu kommunizieren. So können
zum Beispiel die Knoten A bis F in 6 umfassend miteinander
kommunizieren. Hier ist anzumerken, dass in dem Fall, dass die Knoten G und H ihren
Verkehr nicht unterdrückt
haben, Zellen aus G und aus H an den Knoten A bis F zweimal
empfangen werden (im Falle eines doppelten Ringfehlers empfangen
alle Knoten Zellen aus beiden Ringen).
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Während
des Betriebs können
in-Band ATM-Zellen dazu verwendet werden, allen Knoten auf dem Ring
anzuzeigen, dass der Ring fehlerhaft ist. Im letzteren Fall zeigt
jeder Knoten, der auf einem seiner eingehenden Verbindungen einen
Fehler entdeckt, diesen dem nächsten
Knoten auf dem einseitig gerichteten Ring an. Jeder Knoten, der
eine solche Fehleranzeige auf seiner eingehenden Verbindung empfängt, zeigt
diese dem nächsten
Knoten auf dem einseitig gerichteten Ring an.
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Der in 7a und 7b gezeigte zweiseitig gerichtete
ATM Switched Ring (BASR) stellt eine weitere Verfeinerung des ATM-Ringkonzeptes
dar, wobei eine kleine Veränderung
des Konzepts es ermöglicht,
die „zusätzliche"
Bandbreite auf dem Ring zu nutzen. Zusätzliche Bandbreite auf dem
Ring wird frei, indem keine gleichen Zellen auf den beiden Ringen
gesendet werden, sondern hinzuzufügende Zellen („Add-Zellen")
selektiv auf einem der beiden Ringe gesendet werden. 7a und 7b zeigen, wie der Knoten A Zellen
auf dem X-Ring an den Knoten D und auf dem Y-Ring
Zellen an die Knoten B und C übertragen kann. Dies führt zumindest
zu weniger Verkehr auf den Ringen und daher zu weniger Überlastungen
an den Warteschlangenbildungspunkten. Für diesen Ringtyp sind die Empfangsknoten
so programmiert, dass sie stets Zellen von beiden Ringen empfangen.
Im Falle von Ringfehlern ist es die Übertragungsfunktion, die ihr
Verhalten ändert.
Jeder Ringfehler bewirkt, dass alle Knoten von einem selektiven Übertragen
auf einem bestimmten Ring zu einem Senden aller Zellen auf beiden
Ringen wechseln.
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Die bis an dieser Stelle erläuterten
Beispiele beziehen sich auf OC-12c-Ringe. OC-12c-Ringe lassen sich
gut auf der 36170 ISL-Architektur (Inter-Shelf Link) der Newbridge
Networks Corporation abbilden. Ein besonders vorteilhaftes Merkmal
besteht darin, dass der durchzuleitende Verkehr auf den Ringen nicht
in den Switching Core gelangt und nur ein ISL benötigt wird,
um den OC-12c-Ring zu unterstützen.
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Für
OC-12c-Ringe gibt es zwei grundverschiedene Applikationen. Die erste
ist die eines „Backbone",
bei der OC-12c-Ringe zum Verbinden großer Schalter verwendet werden,
um das Backbone eines Netzwerks zu bilden. Die zweite ist die einer
,Collector'-Funktion, bei der viele kleinere Knoten den Ring mit
kleineren Bandbreiten versorgen.
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Im Falle einer Backbone-Funktion
ist die Anzahl der Schalter auf einem Ring normalerweise auf vier
oder fünf
Knoten begrenzt. Dies schränkt
die Verzögerung
und Zellverzögerungsschwankungen (CDV)
ein und begründet
auch die Größe der Add- und
Drop-Raten, d. h. ISLs (geringere Add-/Drop-Raten würden unter
die Collector-Funktion fallen).
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Zusätzliche Kapazität wird problemlos
erreicht, indem parallele Ringe hinzugefügt werden. Wenn die Zahl der
Knoten auf dem Backbone die optimale Anzahl zu übersteigen beginnt, werden
die parallelen Ringe versetzt angeordnet, um zusätzliche Knoten aufzunehmen.
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Die Collector-Funktion benötigt per
definitionem weniger Add-/Drop-Bandbreite und nimmt im Allgemeinen
den Verkehr aus einer größeren Zahl kleinerer
Knoten auf. In diesem Fall muss die Add-/Drop-Bandbreite kein vollständiger ISL
sein. Es kann eine OC-12c-Ringkarte zum Einstecken in einen UCS-Steckplatz
vorgesehen werden. Dadurch können
selbst unabhängige
36170 Regale in einer Ringkonfiguration miteinander verbunden werden. Eine
Anwendung könnte
hier das Aufnehmen des Frame-Relay-Verkehrs mit geringer Bandbreite
auf einem Nebenring sein (der mit einem größeren ATM-Backbone-Ring verbunden
ist).
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Ein selektives Übertragen aus den beiden OC-12c-Karten
kann bewerkstelligt werden durch:
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- 1) Eine Kombination einer geeigneten Programmierung
der Header an allen Eingangskarten und einer Programmierung der
Punkt-zu-Punkt-Filter dahingehend, dass eine oder beide der Adressen
der OC-12c-Karte ausgewählt
werden, oder
- 2) durch eine ECC-Hardware-Funktion, die Gruppen von Verbindungen
identifiziert und ein- bzw. ausschaltet. In diesem Fall bliebe die
Eingangsverbindungsprogrammierung unverändert.
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ATM-Ringe können auch gut mit OC-3c Interface-Karten
arbeiten. In diesem Fall müsste
der durchzuleitende Verkehr auf dem Ring durch den Switching Core
hindurchgeleitet werden.
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Die Übertragung aus beiden OC-3c-Karten wird
problemlos durch Programmieren der Punktzu-Punkt-Filter bewerkstelligt.
Mehrfachsenden kann ebenfalls problemlos durch Programmieren der
gleichen Mehrfachsendegruppen abgewickelt werden.
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Die Wahl des Eingangs des Rings,
der abzuhören
ist, erfolgt durch Programmieren der Diablo-Schalter 6 auf
den FICs 3 zum Auswählen
des geeigneten Add-Busses (bzw. von beiden im Falle eines Ringfehlers).
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Die selektive Übertragung aus den beiden OC-3c-Karten
wird durch die Kombination eines entsprechenden Programmierens der
Newbridge-Header an allen Eingangskarten und eines Programmierens
der Punkt-zu-Punkt-Filter bewerkstelligt, um eine oder beide OC-3c-Kartenadressen auszuwählen.
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9 zeigt
ein mehr Einzelheiten enthaltendes Blockdiagramm einer OC-12c-Karte
(1.2) (3).
Aus dem Ring ausgehende Zellen werden durch die PHY-Einheit 10 zur
ICC-Einheit 5 weitergeleitet. Nicht für den Knoten bestimmte Zellen
werden durch die Diablo-Einheit 1, FIFO 12 und
Ausgang PHY-Einheit 13 weitergeleitet. Für den Knoten
bestimmte Zellen werden von dem Diablo 3 extrahiert und
an die UP_ISL Verbindung 15 weitergeleitet.
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- Zellen aus dem Knoten, die für den Ring
bestimmt sind, werden durch das Stealth-Gerät 16 an die Diablo-Einheit 2 weitergeleitet.
Der Egress Cell Controller 7 steuert das Hinzufügen von
Zellen aus dem Knoten zu denen, die durchgeleitet werden.
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Angesichts der Tatsache, dass es
eine beträchtliche
Zahl installierter SONET-Ringe gibt, ist es wichtig zu erwähnen, dass
der ATM-Ring gut mit vorhandenen SONET-Ringen zusammenarbeitet.
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8 zeigt,
wie ein ATM-Ring auf einen SONST-Ring überlagert werden kann. Dies
ist wichtig, weil ATM-Interfaces bei höheren SONST-Raten zunehmend
schwierig zu gestalten sind. Interfaces bei OC-12c sind machbar
und kostengünstig,
wobei jedoch die Zellenverarbeitung am nächsten gemeinsamen Schritt
in der Hierarchie, OC-48c, äußerst schwierig
handhabbar wird. In 8 zum
Beispiel ist ein OC-12c ATM-Ring auf einen OC-48 SONST-Ring überlagert. BSS ist ein ATM-Ring
mit ATM VP-Funktionen gemäß Bellcore
GR-2837-CORE.
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Es wird einen Bedarf für die Abwicklung
zusammengefasster Bandbreite geben, die viel größer ist als die von den OC-12c-Interfaces
gebotene. Dies ist erreichbar, indem mehrere OC-12c ATM-Ringe betrieben
werden, die auf einfachen OC-48 oder OC-192-SONET-Ringen überlagert
werden.
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Die beschriebene Architektur bietet
einen guten Ausfallschutz bei gleichzeitiger Minimierung der Vergeudung
vorhandener Bandbreite.