DE69732398T2

DE69732398T2 - System zur Verkehrssteuerung und Überlastregelung für Paketnetzwerke

Info

Publication number: DE69732398T2
Application number: DE69732398T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Luguern; Michel Accarion
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: DE69732398D1; US7054269B1; FR2754123A1; FR2754123B1; ATE288647T1; CA2215486A1; EP0835010B1; EP0835010A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Paketnetzwerke und insbesondere die Verkehrssteuerung und Überlastregelung für Paketnetzwerke.
Ein auf Paketvermittlung basierendes Kommunikationsnetz sieht vor, dass Pakete zwischen verschiedenen Knoten in einem Kommunikationsnetz übertragen werden. Ein Paket umfasst eine Gruppierung von Bits einer beliebigen festen oder variablen Größe. Zu den Beispielen für Paketnetzwerke zählt man insbesondere Frame-Relay-Netze, bei denen ein Paket einem Frame-Relay-Rahmen entspricht; ein auf Zellenvermittlung (Cell Switching) basierendes Netz, beispielsweise ein Netz mit asynchronem Übertragungsmodus (ATM-Netz), bei dem ein Paket einer ATM-Zelle entspricht, usw. Ein Knoten kann als ein Endpunkt für zwei oder mehrere Kanäle oder Leitungen definiert werden und enthält im Allgemeinen Steuer- bzw. Regelungseinrichtungen.
Innerhalb eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes wird eine virtuelle Verbindung (VC) zwischen einem Quellknoten und einem Zielknoten hergestellt und durchläuft im Allgemeinen einen oder mehrere Zwischenknoten. Eine virtuelle Verbindung ist eine logische Verbindung (logischer Kanal) zwischen dem Quellknoten und dem Zielknoten, welche die Übertragung von Paketen zwischen ihnen ermöglicht. Jeder Knoten in der virtuellen Verbindung handelt als Paketaustauscheinrichtung, um ein Paket zu empfangen und an seinen Zielknoten zu senden. Jeder Knoten innerhalb des Kommunikationsnetzes kann zu einer Vielzahl virtueller Verbindungen gehören. Die Endknoten wie beispielsweise der Quellknoten und der Zielknoten besitzen die erforderlichen Schnittstellenkarten, um vorformatierte Pakete zu empfangen und/oder um die im klassischen Benutzerdatenstrom enthaltenen Daten korrekt so zu formatieren, dass man Pakete erhält, und/oder um die Pakete so neu zusammenzustellen, dass man die klassischen Benutzerdatenströme erhält.
Paketvermittelte Kommunikationsnetze sind in der Lage, eine Vielzahl von Daten, beispielsweise Daten aus lokalen Netzwerken, Sprachdaten und Bild-/Videodaten, in Paketen zu kombinieren, um sie über digitale Hochgeschwindigkeitsverbindungen zu übertragen. Jeder Quellknoten und jeder Zielknoten ist mit verschiedenen Typen von Teilnehmer-Endgeräten („CPE" für „Customer Premises Equipment") verbunden, beispielsweise mit einem LAN, mit Telefaxgeräten/Modems, Geräten für die Sprachübertragung und Geräten für die Bild-/Videoübertragung sowie anderen Gerätetypen für Paket- und/oder Datenübertragung, um die entsprechenden Pakete über das Kommunikationsnetz zu einem Zielknoten übertragen zu können.
In derartigen Paketnetzen ist es wichtig, Protokolle vorzusehen, die für die Verkehrssteuerung und die Überlastregelung der Pakete geeignet sind, die sich über eine virtuelle Verbindung bewegen. Zur Regelung der Paketübertragungsrate auf einer virtuellen Verbindung ebenso wie zur Regelung der selektiven Unterdrückung von Paketen im Hinblick auf eine Verkehrssteuerung und Überlastregelung der Pakete sind unterschiedliche Verfahren entwickelt worden.
Ein Ansatz zur Verkehrssteuerung und Überlastregelung der Pakete besteht in einem auf Credits basierenden Verfahren. Das Credit-Verfahren ist ein Protokoll, das zwischen benachbarten Knoten wirksam wird, die als Sender und Empfänger gekennzeichnet sind, wobei ein Paket nur dann zwischen einem Sender und einem Empfänger übertragen wird, wenn der Sender weiß, dass der Empfänger die Informationen ohne Verluste annehmen kann. Der Empfänger sendet Kontrollinformationen an den Sender, wobei er angibt, ob er in der Lage ist, neue Pakete anzunehmen. Das Credit-Verfahren arbeitet nicht mit Ende-zu-Ende-Signalen als Lösung für die Überlastregelung. In einem solchen Credit-Verfahren wird ein geschlossener Regelkreis des Senders in der Weise eingesetzt, dass die Daten schnellstmöglich ohne Datenverlust vom Sender zum Empfänger gesendet werden.
Ein anderer Ansatz für die Überlastregelung basiert auf einem Informationsrückfluss, wobei der Überlastungsstatus der virtuellen Verbindung nach und nach jeweils so weit gemessen wird, wie die Pakete in der Hin-Richtung vom Quellknoten zum Zielknoten fließen, und die Messung des Überlastungsstatus wird vom Zielknoten an den Quellknoten zurückgemeldet, um die Einspeisung von Paketen in das Netz anzupassen.
Dieser Ansatz wird in der europäischen Patentanmeldung EP-A-0 719 012 auf den Namen desselben Anmelders beschrieben. Die Erörterung dieser Anmeldung fällt jedoch nicht in den Rahmen des Problems, das sich durch die vorliegende Erfindung stellt.
Das Dokument EP-A-0 374 928 beschreibt ein Verkehrssteuerungsverfahren für eine virtuelle Verbindung in einem paketvermittelten Kommunikationsnetz, wobei dieses Verfahren darin besteht:

– Pakete ausgehend von Quell-Teilnehmerendgeräten zu Ziel-Teilnehmerendgeräten zu übertragen;
– die von verschiedenen Quell-Teilnehmerendgeräten stammenden Pakete einem Zeitmultiplexverfahren zu unterziehen;
– diese gemultiplexten Pakete vorübergehend in einer Warteschleife zu speichern;
– diese gespeicherten Pakete über die genannte virtuelle Verbindung zu übertragen;
– eine Überlastinformation auf dieser virtuellen Verbindung in Richtung der Ziel-Teilnehmerendgeräte zu bestimmen;
– diese Überlastinformation an Einrichtungen zur Regelung der Datenrate zu übertragen und durch diese Einrichtungen zur Regelung der Datenrate die Datenrate der Informationen zu regeln, die vor dem Multiplexen eingespeist wurden, um ein Überlaufen der Warteschlange zu verhindern.

Genauer ausgedrückt, besitzt diese Überlastinformation einen Binärwert, der durch Vergleich der Größe der Warteschlange mit einem zuvor festgelegten Schwellenwert ermittelt wird. Wenn dieser Schwellenwert überschritten wird, hat die Überlastinformation einen ersten Wert, der bedeutet, dass der betrachtete Kanal überlastet ist. Wenn die Einrichtungen zur Regelung der Datenrate diesen ersten Wert empfangen, verringern Sie die Datenrate der eingespeisten Informationen, um das Überlaufen der Warteschlange zu verhindern. Wenn dieser Schwellenwert nicht überschritten wird, hat die Überlastinformation einen zweiten Wert, der bedeutet, dass der betrachtete Kanal [nicht] überlastet ist. Wenn die Einrichtungen zur Regelung der Datenrate diesen zweiten Wert empfangen, erhöhen sie allmählich die Datenrate der eingespeisten Informationen.
Das Dokument EP-A-0 712 220 beschreibt ein ähnliches Verkehrssteuerungsverfahren wie das von dem Dokument EP-A-0-374 928 beschriebene, es besteht jedoch darin, zwei Arten von Überlastinformationen zu übertragen, wobei jede Überlastinformation einen Binärwert aufweist. Eine Information steuert die Sperrung der Übertragung auf einer gegebenen Verbindung, und die andere steuert die Sperrung der Übertragung auf allen Verbindungen derselben Leitung.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verkehrssteuerungsverfahren für eine virtuelle Verbindung eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes, wobei dieses Verfahren darin besteht:

– Pakete ausgehend von Quell-Teilnehmerendgeräten zu Ziel-Teilnehmerendgeräten zu übertragen;
– die von verschiedenen Quell-Teilnehmerendgeräten stammenden Pakete einem Zeitmultiplexverfahren zu unterziehen;
– die Datenrate der gemultiplexten Pakete zu messen;
– diese gemultiplexten Pakete vorübergehend in einer Warteschleife zu speichern;
– diese gespeicherten Pakete über die genannte virtuelle Verbindung zu übertragen;
– eine Überlastinformation auf dieser virtuellen Verbindung in Richtung der Ziel-Teilnehmerendgeräte zu bestimmen;
– diese Überlastinformation an Datenrate-Regelungsvorrichtungen zu übertragen und durch diese Datenrate-Regelungsvorrichtungen die Datenrate der Informationen zu regeln, die vor dem Multiplexen eingespeist wurden, um ein Überlaufen der Warteschlange zu verhindern;

Das auf diese Weise gekennzeichnete Verfahren ist effizienter, denn es führt eine kontinuierliche oder praktisch kontinuierliche Regelung durch, indem es eine Reaktion in Abhängigkeit vom Überlastungsrisiko herbeiführt, wenn die Überlastung noch nicht erreicht ist, und in Abhängigkeit vom Ausmaß der Überlastung, wenn diese bereits erreicht ist. Der kontinuierliche oder praktisch kontinuierliche Charakter der Reaktion wird durch den Umstand bewirkt, dass die Überlastinformation eine Zahl (genannt "Kanalauslastungsfaktor") ist, die in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen einem Ressourcenbedarf und der Gesamtheit der Ressourcen bestimmt wird, die für diese virtuelle Verbindung zur Verfügung stehen. Dieses Verhältnis kann einen großen Wertebereich annehmen. Sein Wert stellt das Überlastungsrisiko dar, wenn die Überlastung noch nicht erreicht ist, und das Ausmaß der Überlastung, wenn diese bereits erreicht ist. Da das Verfahren anschließend darin besteht, die Datenrate in Abhängigkeit von diesem Kanalauslastungsfaktor anzupassen, wird die Datenrate folglich in Abhängigkeit vom Überlastungsrisiko angepasst, wenn die Überlastung noch nicht erreicht ist, und vom Ausmaß der Überlastung, wenn diese bereits erreicht ist. Dies vermeidet die Nachteile einer binären Reaktion.
Wenn eine virtuelle Verbindung aktiv wird, zum Beispiel wenn ein Quellknoten mit einer Übertragung von Paketen auf der virtuellen Verbindung beginnt, verringern andere aktive virtuelle Verbindungen ihre Auslastung der überschüssigen Netzressourcen zugunsten der virtuellen Verbindung, die gerade aktiv geworden ist, und ermöglichen so eine schnelle und gerechte Zuweisung der Ressourcen unter den aktiven virtuellen Verbindungen. Wenn die Auslastungsinformationen des Netzes anzeigen, dass eine Verringerung der Paketeinspeisungsrate in das Netz erforderlich ist, werden außerdem bei den virtuellen Verbindungen, die eine höhere Auslastung der überschüssigen Netzressourcen aufweisen, stärkere Verringerungen der Paketeinspeisungsrate vorgenommen als bei virtuellen Verbindungen, die eine weniger hohe Auslastung der überschüssigen Netzressourcen aufweisen.
Das System und das eingesetzte Verfahren werden beim Lesen der folgenden Beschreibung der 1 bis 6 besser verständlich werden; auf ihnen stellen dar:
1 ein Funktionsschema eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes;
2 ein Funktionsschema eines Zugangsmoduls in einem Quellknoten oder einem Zielknoten des Kommunikationsnetzes von 1;
3 ein Funktionsschema eines Durchgangsmoduls in einem Knoten des Kommunikationsnetzes von 1;
4 ein Schema, das ein Paket mit einem Header-Teil und einem Datenteil darstellt;
5 ein Schema, das die Messung einer Umlaufzeit eines Pakets über das Kommunikationsnetz darstellt.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, werden die Abkürzungen in der nachfolgenden Tabelle verwendet:
1 ist ein Funktionsschema eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes.
Ein paketvermitteltes Kommunikationsnetz 100 enthält eine Vielzahl von Knoten, die Endknoten oder Vermittlungsknoten 102 und Zwischenknoten 105 umfassen. Wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, werden in einem paketvermittelten Kommunikationsnetz Pakete auf einer virtuellen Verbindung von einem Quellknoten 102a zu einem Zielknoten 102b übertragen, wobei sie im Allgemeinen einen oder mehrere Zwischenknoten 105 durchlaufen. Der Quellknoten 102a und der Zielknoten 102b sind Vermittlungsknoten 102, die als Schnittstelle zu den Teilnehmer-Endgeräten 108 (CPE) dienen. Das Teilnehmer-Endgerät 108 kann aus einem lokalen Netzwerk (LAN), Einrichtungen für Sprachübertragung, Einrichtungen für Bild- und Videoübertragung oder aus anderen Arten von Daten- und Paketübertragungseinrichtungen bestehen, die Daten in Form von Paketen liefern, um diese über das paketvermittelte Kommunikationsnetz zu einem Zielknoten zu übertragen.
Das Teilnehmer-Endgerät 108 ist über ein Zugangsmodul 110 (AM) mit einem Vermittlungsknoten 102 verbunden. Das Zugangsmodul 110 dient als Schnittstelle zum Teilnehmer-Endgerät 108 und führt folgende Funktionen aus: Segmentierung und Neuzusammenstellung der Pakete, Zugang und Bandbreitenanwendung, Flussregelung, Behebung von Überlastfehlern, Erzeugung von Alarmen für Überlastsituationen und Erzeugung von Gebührenberechnungs- und Statistikdateien. Der Vermittlungsknoten 102 umfasst auch ein Durchgangsmodul 112 (TM), das folgende Funktionen ausführt: Multiplexen der Pakete, Leitweglenkung, Signalisierung, Überlaststeuerung, Messung und Protokollierung der Ressourcenauslastung.
Ein Verbindungsnetz 115 verbindet alle Module auf der Ebene eines Knotens. Alle Knotenkomponenten können eine Vollduplexverbindung übernehmen. Zum Beispiel kann ein Zugangsmodul gleichzeitig Pakete von einer Zugangsleitung 117 zum Verbindungsnetz 115 vermitteln und umgekehrt.
Die Zwischenknoten 105 enthalten eine Vielzahl von Durchgangsmodulen 112, die über ein Verbindungsnetz 115 untereinander verbunden sind. Jedes der Durchgangsmodule 112 in einem Zwischenknoten 105 dient als Schnittstelle zu einem Netzwerk-Hub oder einer Querverbindungsleitung 120 und führt alle Funktionen aus, die für Durchgangsmodule in den Vermittlungsknoten 102 identifiziert sind. Die Durchgangsmodule 112 in den Zwischenknoten 105 sehen vor, dass die Querverbindungsleitungen des Netzes 120 über die Verbindungsnetze 115 der Knoten 105 untereinander verbunden werden.
Jede virtuelle Verbindung stellt eine Kommunikationsverbindung zwischen einem Quellknoten 102a des Netzes und einem Zielknoten 102b des entsprechenden Netzes über Zwischenknoten 105 her. Ein Beispiel einer virtuellen Verbindung ist die Verbindung zwischen dem Quellknoten A und dem Zielknoten D über Zwischenknoten B und C. Eine andere auf 1 dargestellte virtuelle Verbindung ist die virtuelle Verbindung zwischen dem Quellknoten A' und dem Zielknoten D' über Zwischenknoten B und C. Obwohl alle auf 1 gezeigten virtuellen Verbindungen die Zwischenknoten 105 nutzen, kann eine virtuelle Verbindung direkt zwischen einem Quellknoten 102a und einem Zielknoten 102b hergestellt werden.
Alle Knotenkomponenten innerhalb des Kommunikationsnetzes 100 können Vollduplexverbindungen übernehmen, und infolgedessen kann ein Vermittlungsknoten ein Quellknoten in einer virtuellen Verbindung und ein Zielknoten in einer anderen virtuellen Verbindung sein. Zum Beispiel kann eine virtuelle Verbindung zwischen einem Quellknoten A'' und dem Zielknoten A' über die Zwischenknoten C und B hergestellt werden.
Im Verlauf von Kommunikationsvorgängen über eine virtuelle Verbindung werden vom Teilnehmer-Endgerät 108 erzeugte Daten über Zugangsleitungen 117 an ein Zugangsmodul 110 innerhalb des Quellknotens 102a geliefert. Die Daten können vom Teilnehmer-Endgerät 108 im geeigneten Paketformat formatiert sein, oder gemäß einer anderen Lösung kann das Zugangsmodul 110 einen Paketierer- Depaketierer enthalten, um die vom Teilnehmer-Endgerät 108 gelieferten Daten zu formatieren, damit sie an das Kommunikationsnetz 100 geliefert werden können.
2 ist ein Funktionsschema eines Zugangsmoduls, das in einem Quellknoten oder einem Zielknoten des Kommunikationsnetzes von 1 enthalten ist.
Das Teilnehmer-Endgerät 108 liefert Daten an die Zugangsmodule 110 über die Zugangsleitungen 117. Für jedes mit dem Zugangsmodul 110 verbundene Teilnehmer-Endgerät 108 wird mindestens eine darauf spezialisierte virtuelle Verbindung hergestellt. Jede der virtuellen Verbindungen enthält eine (nach dem FIFO-Prinzip) gebildete Warteschlange 205, in der die vom Teilnehmer-Endgerät 108 gelieferten Pakete zu Anfang gespeichert werden, sowie einen Server 210, der die Lieferung der Pakete von der Warteschlange an das Durchgangsmodul 112 steuert. Wenn vom Teilnehmer-Endgerät 108 gelieferte Informationen oder Daten nicht in einem korrekten Paketformat vorliegen, in dem sie an das Kommunikationsnetz geliefert werden können, kann ein Paketierer-Depaketierer vorgesehen werden, um die vom Teilnehmer-Endgerät 108 gelieferten Daten in einem geeigneten Paketformat zu formatieren.
Die verschiedenen Warteschlangen und die verschiedenen Server, die jeder der virtuellen Verbindungen zugewiesen sind, können durch eine Zentraleinheit (CPU) realisiert werden, die geeignete Verarbeitungs- und Speicher-Hardware enthält, um die oben und nachfolgend in Bezug auf die Zugangsmodule 110 beschriebenen Funktionen durchzuführen.
Die aus dem Server 210 kommenden Daten werden auf ein Durchgangsmodul abgebildet. Es ist auch möglich, einen Demultiplexer am Ausgang des Servers 110 vorzusehen, wenn das Zugangsmodul 110 mit verschiedenen Durchgangsmodulen 112 verbunden ist.
Das Zugangsmodul 110 des Quellknotens 102a umfasst auch für die entgegengesetzte Übertragungsrichtung eine Warteschlange 215 (die ebenfalls nach dem FIFO-Prinzip gebildet wird), welche aus dem davor angeordneten Durchgangsmodul kommende Daten empfängt. Ebenso wie vorher wird, wenn das Zugangsmodul 110 mit mehreren Durchgangsmodulen verbunden ist, ein Multiplexer am Eingang der Warteschlange 215 angeordnet. Die aus dieser Warteschlange 215 kommenden Daten werden auf einen Server 220 abgebildet, welcher Vorrichtungen 230 enthält, die eine als Kanalauslastungsfaktor (CUF) bezeichnete Information abfragen, die in dem für das Teilnehmer-Endgerät 108 bestimmten Datenstrom übertragen wird. Diese CUF-Information wird an Vorrichtungen 225 zur Anpassung der Datenrate geliefert, die im Server 210 enthalten sind, damit die Rate der an das Ziel-Teilnehmerendgerät 108 (1) übertragenen Daten in Abhängigkeit von der CUF-Information angepasst wird, wobei die Zugangsmodule 110 die Aufgabe haben, die Paketeinspeisungsrate in das Netz individuell für jede virtuelle Verbindung zu regeln, wie nachfolgend dargelegt werden wird.
Die CUF-Information ist folglich eine Information, die in entgegengesetzter Richtung zu den Daten übertragen wird, auf welche diese Information zutrifft. Ein CUF, der in Richtung eines Moduls 110 geht, das ein Teilnehmer-Endgerät 108 steuert, wirkt sich auf die Rate der Daten aus, die zwischen dem Zugangsmodul 110 dieses Teilnehmer-Endgeräts 108 und dem als Ziel-Teilnehmerendgerät 108 übertragen werden.
3 ist ein Funktionsschema eines Durchgangsmoduls 112, das in einem Knoten des Kommunikationsnetzes 100 von 1 enthalten ist.
Wie auf 1 dargestellt wurde, werden innerhalb des Quellknotens 102a, der Zwischenknoten 105 und des Zielknotens 102b die jeder virtuellen Verbindung zugeordneten Pakete von einem Durchgangsmodul 112 an die und von den Verbindungsnetze(n) 115 geliefert. Jedes Durchgangsmodul 112 ist im Hinblick auf eine Vollduplexverbindung zwischen dem Verbindungsnetz 115 und einer Querverbindungsleitung 120 des Netzes angeordnet.
In jeder Übertragungsrichtung innerhalb eines Durchgangsmoduls 112 führt ein Multiplexer 305 das Multiplexen der empfangenen Pakete durch, wobei diese Pakete von Zugangsmodulen 110 (über die Verbindungsnetze 115) oder von anderen Durchgangsmodulen 112 (über Netz-Querverbindungsleitungen 120) kommen. Die gemultiplexten Pakete werden auf Server 310 abgebildet, von denen jeder Vorrichtungen 315 zur Berechnung von CUF-Informationen enthält, wobei die berechneten CUF-Informationen in die Pakete eingefügt werden, die in die andere Übertragungsrichtung übertragen werden. Diese Einfügungen werden von mit 320 bezeichneten Einfügevorrichtungen durchgeführt. Die aus den Servern austretenden Pakete werden auf Warteschlangen 325 abgebildet, auf welche Demultiplexer 330 folgen. Die Demultiplex-Vorgänge werden in Abhängigkeit von den Zieladressen der Pakete durchgeführt (Zugangsmodul 110 oder Durchgangsmodul 112), wobei diese Adressen in die Pakete geschrieben werden.
Wenn eine virtuelle Verbindung zwischen einem Quellknoten 102a und einem Zielknoten 102b hergestellt wird, wobei diese Verbindung eventuell durch einen oder mehrere Zwischenknoten 105 verläuft, bewegen sich die Pakete anfangs entlang der virtuellen Verbindung in einer Hin-Richtung, das heißt, vom Quellknoten 102a zum Zielknoten 102b. Innerhalb jedes Knotens misst der Server 310, welcher der Hin-Richtung der virtuellen Verbindung zugeordnet ist, den Kanalauslastungsfaktor CUF, der ein Maß für die Auslastung der kritischen Ressourcen, zum Beispiel die Bandbreite, die Verarbeitungsleistung usw., bei der Paketübertragung in einer Hin-Richtung der virtuellen Verbindung ist. Eine CUF-Information ist zum Beispiel ein Byte, das einem Erhöhungs- oder Verringerungsprozentsatz der Datenrate entspricht.
Diese Auslastungsinformationen werden vom Server 310, welcher der Rück-Richtung des virtuellen Pfads zugeordnet ist, in Pakete geschrieben, die in Rück-Richtung (zum Quellknoten hin) der virtuellen Verbindung fließen. Wenn kein Verkehr in Rück-Richtung vorhanden ist, erzeugt der Zielknoten ein spezielles leeres Paket, mit dessen Hilfe die Auslastungsinformationen an den Quellknoten geliefert werden können.
Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, werden die CUF-Informationen, die in dem in Rück-Richtung verlaufenden Paketverkehr einer virtuellen Verbindung enthalten sind, im Verlauf der Übertragung aktualisiert, so dass dann, wenn der Verkehr in Rück-Richtung den Quellknoten erreicht, die CUF-Informationen, die in dem in Rück-Richtung verlaufenden Verkehr enthalten sind, den maximalen Auslastungsgrad anzeigen, der von einer beliebigen der Ressourcen innerhalb der virtuellen Verbindung angegeben wird. Die vorgesehenen CUF-Informationen werden somit in der besten und effizientesten Weise, die möglich ist, an den Quellknoten geliefert.
Die CUF-Informationen im Zusammenhang mit der Ressourcenauslastung durch ein Paket, das sich in Hin-Richtung bewegt, bewegen sich nicht auf dem gesamten Weg bis zum Zielknoten zusammen mit dem Paket. Stattdessen werden die laufenden CUF-Informationen, die einem bestimmten Knoten zugeordnet sind, direkt in Pakete geschrieben, die sich in Rück-Richtung zum Quellknoten bewegen. Die Fachleute auf diesem Gebiet werden verstehen, dass in einer virtuellen Verbindung der erste Knoten (Zugangsknoten), auf den die Pakete treffen, die sich in Hin-Richtung bewegen, im Allgemeinen der kritische und potenziell der am stärksten ein schränkende Knoten (in Bezug auf die Ressourcenauslastung) ist, auf den die Pakete in der virtuellen Verbindung treffen. Die mit dem ersten Knoten in Hin-Richtung verknüpften CUF-Informationen sind somit die wichtigsten Informationen, die an den Quellknoten im Lauf der Paketübertragung vom Quellknoten auf der virtuellen Verbindung geliefert werden.
Wenn die CUF-Informationen angeben, dass die Ressourcen auf der virtuellen Verbindung nicht vollständig ausgelastet sind, gibt der Quellknoten an den Server der virtuellen Verbindung 210, der im entsprechenden Zugangsmodul enthalten ist, den Befehl, seine Paketeinspeisungsrate in das Netz zu erhöhen. Wenn jedoch die CUF-Informationen angeben, dass die Ressourcen auf der virtuellen Verbindung zu stark ausgelastet sind, gibt der Quellknoten dem Server der virtuellen Verbindung 210 den Befehl, seine Paketeinspeisungsrate in das Netz zu verringern.
Der Zeitraum zwischen zwei aufeinander folgenden Anpassungen der Datenrate wird so gewählt, dass die erste Anpassung im gesamten Netz wirksam werden kann, bevor die zweite Anpassung eintritt. Diese Dauer wird so gewählt, dass sie mindestens gleich der Umlaufzeitverzögerung (RTD) im Netz ist. Die Umlaufzeitverzögerung gibt die benötigte Zeit an, damit ein vom Quellknoten aus übertragenes Paket über die virtuelle Verbindung den Zielknoten erreicht und zum Quellknoten zurückkehrt. In einem gering ausgelasteten Netz liegt ein klassischer RTD-Wert bei ungefähr 80 bis 100 Millisekunden, und in einem ausgelasteten Netz liegt ein klassischer RTD-Wert bei ungefähr 200 bis 250 Millisekunden. Diese Dauer hängt jeweils von der Anzahl der Knoten, der Netzverbindungen, der Länge des Netzes usw. ab.
Wie oben beschrieben, besitzt jede virtuelle Verbindung eine getrennte Warteschleife 205 und einen Server 210, wobei die Paketeinspeisungsrate durch den Server in Abhängigkeit vom Informationsrückfluss des Netzes aktualisiert wird. Die Paketeinspeisungsrate in das Netz durch einen Server 210 für eine bestimmte virtuelle Verbindung wird als Datenrate der Datenquelle (SIR) bezeichnet. Die SIR-Rate wird so oft wie möglich aktualisiert, doch nicht innerhalb eines Zeitabschnitts, der kleiner ist als die Umlaufzeitverzögerung RTD im Netz, außer im Fall einer starken Überlastung.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 4 weist jedes Paket einen Header-Teil 402 und einen Datenteil 405 auf. Der Header-Teil 402 enthält verschiedene erforderliche Netzinformationen, beispielsweise Leitweg, Signalisierung, Paritäts- oder Fehlerprüfung und mehrere andere den Spezialisten auf diesem Ge biet bekannte Informationen. Der Datenteil 405 enthält die Daten (Informationen), die vom Quellknoten 102a zum Zielknoten 102b zu übertragen sind.
Um den RTD-Wert entlang jeder virtuellen Verbindung zu messen, enthält jeder Header-Teil eines Pakets 402 ein Sende-Flag (S) 410 und ein Empfangs-Flag (R) 411. Eine Gruppe von in das Netz eingespeisten Paketen kann sich in Form einer geschlossenen Kette von Paketen präsentieren, oder die Gruppe kann ein langer Strom von Paketen sein. Wenn das Zugangsmodul 110 des Quellknotens die SIR aktualisiert, verändert es den Wert des Sende-Flags 410 und setzt den neuen Wert des Sende-Flags 410 in den Header 402 aller Pakete 400 innerhalb der in Hin-Richtung übertragenen Gruppe.
Außerdem registriert der Server 210 die Uhrzeit, zu der das erste Paket der Paketgruppe auf der virtuellen Verbindung übertragen wurde. Die Uhrzeit kann zum Beispiel in einem Speicherregister des Servers 210 registriert werden. Der Server 210 im Zugangsmodul 110 des Zielknotens liest das Sende-Flag 410 aller für eine bestimmte virtuelle Verbindung empfangenen Pakete 400 und setzt es in das Empfangs-Flag aller in der Rück-Richtung übertragenen Pakete. Das Zugangsmodul 110 des Quellknotens wartet so lange, bis es feststellt, dass das Empfangs-Flag 411 der aus dem Netz für die bestimmte virtuelle Verbindung empfangenen Pakete gleich dem Sende-Flag 410 der Pakete ist, die der im Speicherregister gespeicherten Uhrzeit entsprechen. In diesem Moment hat das Modul die Sicherheit, dass seit der letzten SIR-Aktualisierung mindestens eine Umlaufzeit verstrichen ist. Der RTD-Wert wird als Zeitunterschied zwischen dem Beginn der Übertragung der Gruppe, das heißt, der im Speicherregister gespeicherten Uhrzeit, und dem Zeitpunkt des Empfangs des ersten zurückgesendeten Pakets in der Gruppe gemessen.
Die Messung der Umlaufzeitverzögerung wird anhand eines Beispiels besser verständlich. Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 nehmen wir an, dass eine Gruppe von Paketen 400, die vom Zugangsmodul 110 des Quellknotens (1) geliefert wird, ein Sende-Flag 410 gleich 1 (S = 1) und ein Empfangs-Flag 411 gleich 0 (R = 0) enthält. Jedes Paket 400 innerhalb der Gruppe besitzt somit ein Bit S gleich 1 und ein Bit R gleich 0. Wenn das erste Paket 400 innerhalb der Gruppe das Zugangsmodul 110 des Zielknotens (1) erreicht, wird der Wert des Sende-Flags 410 in jedem Paket vom Server 210 (2) gelesen und in das Empfangs-Flag 411 in der Weise gesetzt, dass das Empfangs-Flag jedes Pakets auf einen Wert gleich 1 (R = 1) festgelegt wird. Sobald das Zugangsmodul 110 des Quellknotens (1) feststellt, dass das Empfangs-Flag 411 der empfangenen Pakete gleich dem in dem Modul gespeicherten Sende-Flag 410 ist, wird eine Umlaufzeit erkannt, und die Umlaufzeit wird als Zeitunterschied zwischen dem Zeitpunkt der Übertragung und dem Zeitpunkt bestimmt, an dem das zurückgesendete Paket von dem Modul empfangen wird.
Der gemessene RTD-Wert gibt die aktuelle Auslastung (oder Zeit) des Netzes entlang der bestimmten virtuellen Verbindung wieder. Infolgedessen erfolgen die SIR-Aktualisierungen häufiger unter Bedingungen einer weniger starken Netzauslastung. Eine hohe SIR-Aktualisierungshäufigkeit beschleunigt die Häufigkeit der Erhöhungen der Verarbeitungsleistung von Ende zu Ende für alle aktiven virtuellen Verbindungen. Unter Bedingungen einer hohen Netzauslastung erfolgen die SIR-Aktualisierungen weniger häufig und bieten somit die Möglichkeit, dass sich die Anpassungen der Datenrate ausbreiten und im gesamten Netz wirksam werden können. Dieses Merkmal ist für virtuelle Verbindungen nützlich, die den Verkehr als geschlossene Kette übertragen. Verkehr in geschlossener Kette erzeugt eine hohe Netzbelastung von kurzer Dauer, wenn er in die virtuelle Verbindung gesetzt wird, und Verkehr in geschlossener Kette kann mit geringer Zeitversetzung übertragen werden. Weniger häufige SIR-Aktualisierungen ermöglichen in diesem Fall, dass das Netz einen großen Teil der Verkehrskette über die virtuelle Verbindung überträgt, bevor der SIR-Wert der virtuellen Verbindung plötzlich erhöht wird.
Wie zuvor dargestellt, passt das Zugangsmodul 110 des Quellknotens einer virtuellen Verbindung den SIR-Wert in Abhängigkeit von der aus dem Netz empfangenen CUF-Information an. Der SIR-Wert ist immer größer oder gleich der garantierten Datenrate (CIR) und kleiner oder gleich der kurzzeitigen Spitzenlast (EIR für „Excess Information Rate").
Die CIR kann auf der Grundlage des Anschlussvertrags des Teilnehmers bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Teilnehmer einen Anschlussvertrag mit einer CIR von 64 kBit/s oder mit Vielfachen davon abschließen, was beispielsweise bis zu 10 MBit/s reichen kann.
Die EIR kann vom Typ der verwendeten Zugangsleitung abhängen. Zum Beispiel ist im Fall einer T1-Zugangsleitung die EIR gleich 1,536 MBit/s.
Der CUF ist der Schlüsselfaktor des Verkehrssteuerungssystems. Dies ist das Verhältnis zwischen dem Bedarf an Netzressourcen und der Gesamtheit der verfügbaren Ressourcen. Der CUF wird über eine Zeitdauer gemessen, die mit dem Begriff „Congestion Monitoring Period" (CMP; Überlastüberwachungsperiode) bezeichnet wird. Die CMP ist ausreichend lang, um eine genaue statistische Messung des CUF zu ermöglichen, und gleichzeitig kurz genug, um mehrere CUF-Messungen pro RTD zu ermöglichen. Die überwachten Netzressourcen sind die Prozessorleistung und die Leitungsbandbreite. Der von jedem Knoten gemeldete CUF-Wert entspricht der maximalen Auslastung des Prozessors sowie der maximalen Auslastung der Querverbindungsleitung.
Im Verlauf einer CMP zählt jedes Durchgangsmodul die Gesamtzahl der (am Eingang und Ausgang) für einen bestimmten Prozessor angebotenen Pakete und die Gesamtzahl der für eine bestimmte Querverbindungsleitung (nur am Ausgang) angebotenen Bytes zusammen. Am Ende einer CMP wird die Auslastung des Prozessors als Verhältnis zwischen der Gesamtzahl der angebotenen Pakete und der maximalen Vermittlungsleistung des Prozessors berechnet. Die Auslastung der Querverbindungsleitung wird als das Verhältnis zwischen der Gesamtzahl der angebotenen Bytes und der maximalen Bandbreitenleistung der Querverbindungsleitung berechnet. Da der CUF ein Verhältnis zwischen der vorgeschlagenen Auslastung und der verfügbaren Kapazität ist, kann der CUF größer als 1 sein.
Unter Bezugnahme auf 4 wird der CUF codiert und in ein CUF-Feld 415 im Header 402 des Pakets gesetzt. Das CUF-Feld 415 kann zum Beispiel Werten zwischen 1% und 1000% entsprechen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist ein spezielles Verfahren zur Übermittlung des CUF-Wertes des Netzes 100 an den Quellknoten 102a vorgesehen.
Nehmen wir an, dass eine virtuelle Verbindung zwischen dem Quellknoten A und dem Zielknoten D über Zwischenknoten B und C hergestellt wird. In dem Maße, in dem Pakete vom Knoten A zum Knoten D fließen, messen alle Durchgangsmodule 112 entlang der virtuellen Verbindung die Prozessorauslastung und die Auslastung der Querverbindungsleitung. Am Ende jeder CMP fügt jedes Durchgangsmodul seinen gemessenen CUF in alle Pakete ein, die vom Knoten D zum Knoten A fließen, jedoch nur dann, wenn der gemessene CUF größer ist als der im Paket gespeicherte CUF. Folglich enthalten die Pakete, die den Knoten A erreichen, den maximalen CUF, der entlang des Hinweges der virtuellen Verbindung angetroffen wurde. Das Zugangsmodul 110 des Quellknotens wertet diese Informationen aus, um den Parameter SIR der virtuellen Verbindung entsprechend anzupassen.
Wie oben beschrieben, werden die Auslastungsinformationen direkt an den Quellknoten übertragen, was die Möglichkeit bietet, dass die Auslastungsinformationen den Quellknoten schnell erreichen können, wobei die maximale Zeit gleich der Hälfte der Umlaufzeitverzögerung im Netz (RTD/2) ist.
Zusätzlich zur oben beschriebenen Regelung der Datenrate von Ende zu Ende ist vorgesehen, die Pakete während der Zeiten, in denen das Netz überlastet ist, in eine Warteschlange zu setzen. Das Setzen in die Warteschlange in den Zugangsmodulen 110 erfolgt für jede einzelne virtuelle Verbindung. Der Server 210 für jede Warteschlange 205 einer virtuellen Verbindung wird mit einer Datenrate gleich der entsprechenden SIR genutzt. Das Setzen in die Warteschlange in den Durchgangsmodulen erfolgt für jede einzelne Querverbindungsleitung. Infolgedessen werden alle auf einer bestimmten Querverbindungsleitung hergestellten virtuellen Verbindungen in einer einzigen Warteschlange in den Wartezustand versetzt. Für diese Warteschlange wird der Server mit der Datenrate der Querverbindungsleitung genutzt.
Um die Zeit im Netz von Ende zu Ende in Grenzen zu halten und entstehende Überlastungen zu erkennen, wird die Belegung jeder Warteschlange ständig überwacht und mit einer Menge von Warteschlangen-Schwellenwerten oder Überlastniveaus verglichen. Zum Beispiel kann ein Durchgangsmodul 9 Überlastniveaus überwachen, wobei das Niveau 0 „keine Überlastung" bedeutet und das Niveau 8 einer „starken Überlastung" entspricht. Die dazwischen liegenden Überlastniveaus werden den Zugangsmodulen 110 des Quellknotens über den zuvor beschriebenen CUF-Mechanismus mitgeteilt. Dies führt dazu, dass die Zugangsmodule ihre SIR in geeigneter Weise verringern, um eine Überlastung zu vermeiden. Wenn höhere Überlastungsniveaus auftreten, kann das betroffene Durchgangsmodul eine spezielle CUF-Option verwenden, um alle betroffenen virtuellen Verbindungen zu zwingen, ihre SIR-Parameter auf den CIR-Parameter abzusenken.
Die an das Zugangsmodul übertragene CUF-Information berücksichtigt darüber hinaus die Größe der Warteschlange und die Übertragungsdauer dieser Information an die Datenrate-Regelungsvorrichtungen in der Weise, dass ein Überlauf des Pufferspeichers vermieden wird, wenn diese Datenrate der gemultiplexten Pakete unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt. Dies ist vorgesehen, um folgendem Problem abzuhelfen: Wenn die auf den virtuellen Verbindungen übertragene Datenrate stark ansteigt, wächst die Anzahl der gemultiplexten Pakete (305, 2) ebenfalls stark an. Dies kann einen Überlauf der Warteschlangen 325 zur Folge haben, die sich hintern den Multiplexern 305 befinden, was sich in einem Verlust von Paketen äußert.
Somit garantiert das Verkehrssteuerungsverfahren gemäß der Erfindung, das auf eine virtuelle Verbindung eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes angewendet wird, bei dem die von verschiedenen Teilnehmer-Endgeräten kommenden Pakete gemultiplext werden, bevor sie vorübergehend in einer Warteschlange gespeichert werden, dass kein Verlust von auf der virtuellen Verbindung übertragenen Paketen durch Überlauf dieser Warteschlange auftritt.
Die Erfindung schlägt vor, das Überlaufen von Warteschlangen 325 zu vermeiden, indem darauf geachtet wird, dass die Kanalauslastungsfaktoren (CUF) insbesondere die Größe dieser Warteschlangen berücksichtigten, wenn die Datenrate der gemultiplexten Pakete unter einen Schwellenwert absinkt.
Der Kanalauslastungsfaktor (CUF) ist vorteilhafterweise eine Information, welche die Verifizierung der folgenden Beziehung garantiert: Σ iSIRi,t ≤ kTM·TR (1)mit SIR_i,t gleich der Paketeinspeisungsrate in das Netz für eine virtuelle Verbindung i zum Zeitpunkt t, TR gleich einer Konstante, die der Paketübertragungsrate auf der virtuellen Verbindung in Richtung der Ziel-Teilnehmereinrichtungen entspricht, und k_TM gleich:
mit FIFO_over gleich der Anzahl der Pakete, die in der Warteschlange gespeichert werden können, RTD gleich der Umlaufzeit eines Pakets im Kommunikationsnetz, CMP gleich der Messungszeit der Momentan-Datenrate auf der virtuellen Verbindung und λ gleich einer Konstante größer 1, welche die Reaktionszeiten der Komponenten des Kommunikationsnetzes berücksichtigt.
k_TM entspricht einem Überlastungsfaktor, der mit der Größe der Warteschlange 325 zusammenhängt.
Die Dauer RTD + CMP entspricht der Zeit, die zwischen einer Messung der Datenrate in der Querverbindungsleitung 120 und dem Zeitpunkt verstreicht, an dem diese Datenrate verringert wird.
In der Praxis kann das Verfahren der Erfindung in folgender Weise angewendet werden:
Am Eingang der Warteschlange 325 wird eine Last MTFU durch die Rechenvorrichtungen 315 gemessen. Diese Messung besteht darin, die Anzahl der in die Warteschlange gestellten Pakete zu zählen:
Jede virtuelle Verbindung VC trägt dazu bei, die Warteschlange mit einer Last mit der Datenrate NLR_i zu füllen, welche gleich ist:
Man erhält somit die Beziehung: Σ iNLRi = MTFU·TR
Die Last MTFU muss auf einen gewünschten Wert TTL gebracht werden, der einem Prozentsatz (zum Beispiel 80%) von TR entspricht.
Wenn die Last MTFU kleiner als TTL ist (zum Beispiel MTFU = 0,6·TR), ist die zurückgeschickte CUF-Information der Art, dass eine Erhöhung der Datenrate innerhalb der Grenzen von (0,8/0,6)·Σ iSIR_i,t genehmigt wird. Der Server 210 (2) kann daraufhin seine Datenrate erhöhen.
Wenn die Last MTFU größer als TTL ist (zum Beispiel MTFU = 1,1·TR), ist die zurückgeschickte CUF-Information der Art, dass eine Verringerung der Datenrate innerhalb der Grenzen von (0,8/1,1)·Σ iSIR_i,t erforderlich ist. Der Server 210 (2) verringert daraufhin seine Datenrate.
Wenn die Last MTFU deutlich kleiner als TTL ist (zum Beispiel MTFU = 0,2·TR) und wenn eine plötzliche starke Erhöhung der Datenrate das Überlaufen der Warteschlange zur Folge hätte, erhält man: Σ iSIRi,t·(0,8/0,2) > kTM·TR
In diesem Fall begrenzt der zurückgeschickte Wert der CUF-Information die Erhöhung der Datenrate bis zu einem Wert k_TM·TR. Durch die Einhaltung dieser maximalen Datenrate kann sichergestellt werden, dass die Warteschlange nicht überläuft. Man erhält in diesem Fall: Σ iSIR_i,t+CMP = k_TM·TR.
Man stellt fest (Beziehung 2), dass die zugewiesene maximale Datenrate umso größer ist, je größer die Warteschlange ist und je kleiner CMP, RTD und TR sind.
Der Faktor λ der Beziehung 1 ermöglicht, die Konvergenzzeit für die Funktion beim Senden und die Reaktionszeit des Systems zu berücksichtigen. Simulationen haben gezeigt, dass ein Wert von λ gleich 2 geeignet ist.
Wie weiter oben gesagt, wird der Kanalauslastungsfaktor (CUF) üblicherweise in Pakete eingefügt, die in Richtung des Ziel-Teilnehmerendgeräts 108 übertragen werden, um an dem im Zugangsmodul dieses Teilnehmer-Endgeräts 108 enthaltenen Server 220 abgefangen zu werden. Wenn keine für dieses Teilnehmer-Endgerät 108 bestimmten Pakete vorhanden sind, wird der Kanalauslastungsfaktor in einem speziellen leeren Paket in Richtung des Ziel-Teilnehmerendgeräts 108 übertragen.
Das Verfahren der Erfindung findet insbesondere auf Frame-Relay-Netze und auf ATM-Netze Anwendung.

Claims

Verfahren zur Verkehrssteuerung für eine virtuelle Verbindung eines paketvermittelten Kommunikationsnetzes, wobei dieses Verfahren darin besteht: – Pakete ausgehend von Quell-Teilnehmerendgeräten (108) zu Ziel-Teilnehmerendgeräten (108) zu übertragen; – die von verschiedenen Quell-Teilnehmerendgeräten (108) stammenden Pakete einem Zeitmultiplexverfahren zu unterziehen; – die Datenrate der gemultiplexten Pakete zu messen; – diese gemultiplexten Pakete vorübergehend in einer Warteschleife (325) zu speichern; – diese gespeicherten Pakete über die genannte virtuelle Verbindung (210) zu übertragen; – eine Überlastinformation auf dieser virtuellen Verbindung (210) in Richtung der Ziel-Teilnehmerendgeräte (108) zu bestimmen; – diese Überlastinformation an Datenrate-Regelungsvorrichtungen (210) zu übertragen und durch diese Datenrate-Regelungsvorrichtungen die Datenrate der Informationen zu regeln, die vor dem Multiplexen eingespeist wurden, um ein Überlaufen der Warteschlange zu verhindern; dadurch gekennzeichnet, dass es zur Bestimmung der genannten Überlastinformation darin besteht, eine als Kanalauslastungsfaktor (CUF) bezeichnete Zahl zu bestimmen, und zwar in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen einem Ressourcenbedarf und der Gesamtheit der Ressourcen, die für die virtuelle Verbindung verfügbar sind, sowie außerdem in Abhängigkeit von der Größe der Warteschlange (325) und der Übertragungsdauer dieser Information an die Datenrate-Regelungsvorrichtungen (210); und dadurch, dass es zur Regelung der Datenrate durch diese Datenrate-Regelungsvorrichtungen für die vor dem Multiplexen eingespeisten Informationen darin besteht, die Datenrate in Abhängigkeit von diesem Kanalauslastungsfaktor (CUF) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalauslastungsfaktor (CUF) eine Information ist, welche die Verifizierung der folgenden Beziehung garantiert: Σ iSIRi,t ≤ kTM·TRmit SIR_i,t gleich der Paketeinspeisungsrate in das Netz für eine virtuelle Verbindung i zum Zeitpunkt t, TR gleich der Paketübertragungsrate auf der virtuellen Verbindung in Richtung der Ziel-Teilnehmereinrichtungen (108), und k_TM gleich:
mit FIFO_over gleich der Anzahl der Pakete, die in der Warteschlange (325) gespeichert werden können, RTD gleich der Umlaufzeit eines Pakets in dem Kommunikationsnetz, CMP gleich der Messungszeit der Momentan-Datenrate auf der virtuellen Verbindung (120) und λ gleich einer Konstante größer 1, welche die Reaktionszeiten der Komponenten des Kommunikationsnetzes berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass λ gleich 2 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalauslastungsfaktor (CUF) in Pakete eingefügt wird, die in Richtung der Ziel-Teilnehmerendgeräte (108) übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalauslastungsfaktor (CUF) in einem speziellen leeren Paket in Richtung der Ziel-Teilnehmerendgeräte (108) übertragen wird, wenn kein Verkehr in Rück-Richtung vorhanden ist.