DE69835970T2

DE69835970T2 - Knotenpuntbasiertes Verfahren und Vorrichtung zur Verwaltung von Netzwerkskollisionen

Info

Publication number: DE69835970T2
Application number: DE69835970T
Authority: DE
Inventors: Shmuel Palo Alto Shaffer; Charles Marcus San Jose White; David Palo Alto Weiss
Original assignee: Siemens Communications Inc
Current assignee: Siemens Communications Inc
Priority date: 1997-03-13
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: DE69835970D1; EP0865179B1; US6172983B1; EP0865179A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zur Verwaltung von Datenübertragungen innerhalb eines Netzes und insbesondere Verfahren und Systeme zur Verwaltung von Datenkollisionen und Übertragungswiederholungen innerhalb eines Netzes, das eine Anzahl von Endgeräten aufweist, die an einen gemeinsamen Knotenpunkt (Hub) angeschlossen sind.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Ein lokales Netz (Local Area Network, LAN) ermöglicht Datenübertragungen zwischen einer Anzahl von miteinander verbundenen Endgeräten, normalerweise Computern. Die Steuerung eines LAN kann zentralisiert oder verteilt sein. Eine zentralisierte Steuerung beinhaltet normalerweise ein einziges Gerät, welches die Datenübertragungen zwischen den Endgeräten verwaltet. Dagegen steuern in einem Netz mit verteilter Steuerung die Endgeräte durch ihr Zusammenwirken den Betrieb des Netzes. Die Software und die Hardware zur Regelung des Sendens und des Empfangs von Nachrichten in der Form von Datenpaketen sind in jedem der Endgeräte enthalten, welche das Netz bilden. Ein Vorteil des Schemas mit verteilter Steuerung besteht darin, dass das Hinzufügen oder Entfernen eines Endgerätes zum bzw. aus dem Netz auf einfache Weise vorgenommen werden kann.
Es existiert eine Anzahl von verschiedenen Konfigurationen (d.h. Topologien) für LANs. In einem Maschennetz sind sämtliche Engeräte mit allen anderen Endgeräten verbunden. Dagegen verbindet ein Ringnetz die Endgeräte der Reihe nach, so dass eine durchgehende Schleife gebildet wird. Eine andere Alternative ist ein sternförmig konfiguriertes Netz, in welchem sämtliche Endgeräte an einem "Zentrum" angeschlossen sind. Die Verbindung am Zentrum kann vereinfacht werden, indem ein Knotenpunkt (Hub) verwendet wird. Der Hub kann ein Switching Hub (Switch) sein, welcher Datenpakete nur zu dem Endgerät oder den Endgeräten routet, für welches (welche) die Datenpakete bestimmt sind. Jedes Paket besitzt einen Header, welcher das Zielendgerät angibt. Der Switching Hub bestimmt das Ziel eines Datenpaketes aus dessen Header und routet das Paket zu dem entsprechenden Ziel. Switching Hubs sind besonders für Netze geeignet, in welchen die Leistungsanforderungen erfordern, dass nur ausgewählte Endgeräte Datenpakete empfangen.
Die meisten LANs, welche einen Hub enthalten, verwenden keinen Switching Hub. Stattdessen ist innerhalb des Hubs ein gewöhnlicher Bus ausgebildet. Datenpakete werden zu sämtlichen Endgeräten innerhalb des Netzes gesendet. Das heißt, jedes Endgerät ist ein "Zielendgerät", ist jedoch möglicherweise nicht das vorgesehene Endgerät. Wenn ein Paket an einem Endgerät empfangen wird, wird der Header des Pakets gelesen, um zu bestimmen, ob das Endgerät das vorgesehene Endgerät ist. Ein vorgesehenes Endgerät liest und verarbeitet das Datenpaket, während die anderen Endgeräte das Paket verwerfen. Das vorgesehene Endgerät kann ein Quittungssignal (ACK) an das Ursprungsendgerät senden, da das Ursprungsendgerät das Datenpaket nochmals senden würde, wenn das Signal ACK nicht empfangen würde.
Innerhalb eines LAN, das einen Hub aufweist, welcher die Datenpakete zu den verschiedenen Endgeräten weitersendet, muss ein Protokoll vorhanden sein, um die Möglichkeit des Zugriffs auf den Hub zu bestimmen. Das Protokoll innerhalb eines Ethernet-Netzes wird als ein Carrier Sense Multiple Access (Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung, CSMA) Protokoll bezeichnet. Ein Endgerät, welches darauf vorbereitet ist, ein Datenpaket zu senden, "horcht", um zu bestimmen, ob das Netz frei ist oder ob es gerade von einem anderen Endgerät verwendet wird. Normalerweise haben sämtliche Endgeräte dieselbe Priorität und beginnen zu senden, wenn das Netz frei ist. Sobald die Übertragung eingeleitet worden ist, erkennen die anderen Endgeräte im Netz, dass das Netz belegt ist, und unterlassen es dann, eine Übertragung einzuleiten. Es gibt jedoch Zeitpunkte, zu denen zwei Endgeräte gleichzeitig beginnen möchten zu senden, was eine Übertragungskollision verursacht. Daher weist das Ethernet-Netz normalerweise CSMA mit Kollisionserkennung (CSMA with Collision Detection, CSMA/CD) auf.
Im US-Patent Nr. 4,536,903, das Yang et al. erteilt wurde, wird das CSMA/CD Protokoll beschrieben. Wenn zwei Endgeräte oder "Knoten" Übertragungen einleiten und eine Kollision der Datenpakete erkennen, so beenden die Endgeräte die Übertragungen. An jedem Endgerät wird eine "Back-off-Zeit" (Wartezeit) berechnet. Die Berechnung erfolgt durch einen Back-off-Algorithmus, welcher das Produkt einer Slotzeit von 51,2 μs und einer Zahl innerhalb eines definierten Bereiches ist. Der Bereich hängt von der Anzahl der Kollisionen ab, in die ein bestimmtes Datenpaket verwickelt wird. Wenn für das Datenpaket wiederholte Kollisionen auftreten, wird angenommen, dass die Arbeitslast hoch ist und dass die durchschnittliche Back-off-Zeit größer sein sollte. 1 ist eine Tabelle der Back-off-Berechnungen, die in einem Ethernet-Netz ausgeführt werden.
Ein Problem bei der Anwendung des Back-off-Algorithmus von 1 besteht darin, dass ein Endgerät das Netz "erobern" kann. Der Eroberungs-Effekt wird in Yang et al. beschrieben. Wenn zwei Endgeräte gleichzeitig Übertragungen einleiten, tritt eine erste Kollision auf. Wie in der Tabelle von 1 dargestellt, wählt dann jedes Endgerät eine Back-off-Zeit, die gleich 0 oder 1 mal Slotzeit von 51,2 μs ist. Falls ein erstes Endgerät Back-off-Zeit 0 wählt und das zweite Endgerät 1 Slotzeit als seine Back-off-Zeit wählt, wird das erste Endgerät sein erstes Paket erfolgreich senden. Nimmt man an, dass das erste Endgerät ein zweites Datenpaket zu senden hat, so werden die zwei Endgeräte nach Beendigung der ersten erfolgreichen Übertragung erneut um einen Zugang zum Netz "wetteifern". Es wird erneut eine Kollision erfolgen. Jedoch wird es für das Datenpaket des ersten Endgerätes zu einer ersten Kollision kommen, während das Datenpaket des zweiten Endgerätes seine zweite Kollision erfahren wird. Infolgedessen wird das erste Endgerät innerhalb des Bereiches von 0 bis 1 wählen, während das zweite Endgerät innerhalb des Bereiches von 0 bis 3 wählen wird, wie in 1 dargestellt ist. Offensichtlich ist es wahrscheinlicher, dass das erste Endgerät erfolgreich ist. Die Wahrscheinlichkeit wächst, wenn das erste Endgerät erfolgreich ist und dieselben zwei Endgeräte im Anschluss an die zweite Übertragung durch das erste Endgerät um den Zugang "wetteifern". Das Datenpaket des zweiten Endgerätes erfährt dann eine dritte Kollision, und das zweite Endgerät wählt innerhalb des Bereiches von 0 bis 7. Wenn sich der Prozess 16 mal fortsetzt, wird das Datenpaket des zweiten Endgerätes verworfen. Somit geht ein Datenpaket verloren, weil das erste Endgerät in der Lage war, das Netz zu "erobern".
Yang et al. beschreibt ein Verfahren zur Verminderung der ungünstigen Auswirkungen des Eroberungs-Effektes (Capture Effect). Der Ethernet-Standard der Bestimmung von Back-off-Berechnungen, der in 1 dargestellt ist, wird in dem Falle modifiziert, wenn ein Endgerät den Übertragungskanal des Netzes "erobert". Beim Erkennen eines solchen Ereignisses sieht das Verfahren eine weniger aggressive, d.h. längere Back-off-Zeit vor, bevor wenigstens der erste Versuch einer Übertragungswiederholung von einem Knoten unternommen wird, welcher den Kanal "erobert" hat. Außerdem kann ein gestoppter Back-off-Algorithmus verwendet werden, um die ungünstigen Effekte eines "Eroberungs"-Zustands zu reduzieren. Das Verfahren funktioniert für seinen beabsichtigten Zweck gut, doch kann unter gewissen Bedingungen das Implementieren der weniger aggressiven Back-off-Berechnung und/oder das Vorsehen des gestoppten Back-off-Algorithmus die Latenzzeit des Netzes erhöhen.
Ein anderes Verfahren zur Verringerung der Wahrscheinlichkeit, dass ein Endgerät das Netz "erobert" und damit andere Endgeräte ausschließt, besteht darin, Kollisionen zwischen Datenpaketen zu minimieren oder zu unterbinden. Netze, die für eine kollisionsfreie Übertragung konzipiert sind, sind in den US-Patenten Nr. 5,546,385, das Capsi et al. erteilt wurde, und 4,998,247, das Irvine-Halliday et al. erteilt wurde, beschrieben. Das Netz von Capsi et al. verwendet einen Switched Hub, um die Datenpakete selektiv zu den vorgesehenen Endgeräten zu routen. Die Verwendung von Switched Hubs, um Kollisionen zu vermeiden, wurde oben beschrieben und ist in der Technik bekannt. Das Netz enthält Kommunikationsanschlüsse, welche einen Zielanschluss für jede ankommende Nachricht bestimmen und danach verschachtelte Übertragungen der Pakete zu einer Menge virtueller First-In-First-Out- (FIFO-) Sendespeicher durchführen, welche die Pakete für abgehende Übertragung zwischenspeichern. Irvine-Halliday et al. beschreibt ein Netz, welches einen Controller Hub als Alternative zu einer CSMA/CD Verarbeitung verwendet. Der Controller Hub sendet ein Datenpaket von einem der Endgeräte zu einem gewünschten Zielendgerät sofort weiter, wenn das Paket das einzige Paket ist, das von dem Controller Hub empfangen wurde. Wenn jedoch eine Anzahl von Paketen von verschiedenen Endgeräten gleichzeitig von dem Controller empfangen wird, so sendet der Controller ein ausgewähltes Paket sofort weiter, während er die anderen Pakete zwecks anschließender Übertragung zeitweilig speichert. Wenn mehr als Endgerät für den Empfang eines Pakets vorgesehen ist, so wird die Übertragung des Pakets zu sämtlichen vorgesehenen Endgeräten gleichzeitig durchgeführt. Jedes Endgerät ist mittels zweier Hochgeschwindigkeitslinks, welche Vollduplexfähigkeit sicherstellen, an den Controller Hub angeschlossen. Die Vollduplexfähigkeit unterbindet Kollisionen zwischen Paketen, welche gleichzeitig an einem Endgerät ankommen und abgehen.
Die Netze von Caspi et al. und Irvine-Halliday et al. sind dazu bestimmt, Kollisionen zu vermeiden. Die Netze funktionieren einwandfrei, jedoch bei erhöhten Kosten.
Außerdem kann sich unter bestimmten Bedingungen die Latenzzeit der Netze erhöhen.
In US 5351 241 wird ein Verfahren zur Verringerung der Auswirkung von Kollisionen zwischen einem Hub und einer empfangenden Station beschrieben.
Paketkollisionen sind nicht notwendigerweise schädlich für den Betrieb eines Netzes. Kollisionsereignisse können wirksam genutzt werden, um den Zugriff auf einen Kanal zu steuern, der von verschiedenen Endgeräten im Netz gemeinsam genutzt wird. Benötigt werden ein Verfahren und ein Netz zur Verwaltung von Kollisionen bei der Datenübertragung, derart, dass ein hoher Netzdurchsatz und eine niedrige Netzlatenz auf eine kostengünstige Art und Weise erreicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt ein Verfahren und ein Netz bereit, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt sind.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform verwenden das Netz und die Datenpaket-Übertragungen ein Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Protokoll, um die Möglichkeit des Zugangs zum Übertragen von Datenpaketen zu bestimmen. Außerdem ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Back-off-Algorithmus so implementiert, dass er für Paketübertragungen vom Hub zu den Endgeräten eine höhere Priorität festlegt als für Paketübertragungen von den Endgeräten zu dem Hub.
Um die ungünstigen Effekte zu minimieren, welche eintreten würden, wenn ein Endgerät das Netz "erobern" würde, so dass Übertragungen durch andere Endgeräte ausgeschlossen werden, beinhaltet das Verfahren vorzugsweise das Überwachen von Übertragungswiederholungen nach Kollisionen, so dass erkannt wird, wenn es einem Endgerät wiederholt gelingt, im Anschluss an Kollisionen bei der Übertragung Zugang zu dem Hub zu erlangen. Kollisionsereignisse können absichtlich herbeigeführt werden, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass das wiederholt erfolgreiche Endgerät ein anderes Endgerät daran hindert, erfolgreich Zugang zu erlangen.
Der Überlauf von Datenpaketen am Speicher des Hubs wird verhindert, indem der Hub in einen Sperrmodus versetzt wird, wenn die gespeicherten Datenpakete eine vorgewählte Speicherschwelle überschreiten. Der Sperrmodus kann durch Auslösen von Pseudo-Kollisionsbedingungen für beliebige Datenpakete, die zum Hub gesendet werden, während die Speicherschwelle überschritten ist, implementiert werden.
Das Netz, welches das Verfahren der Kollisionsverwaltung benutzt, enthält den Hub, der einen ausreichenden Pufferspeicher zum Speichern von Datenpaketen aufweist, die Endgeräte, die an den Hub durch Kanäle für den Austausch der Datenpakete angeschlossen sind, eine Hub-Carrier-Sense-Schaltung (Hub-Kanalüberwachungs-Schaltung) am Hub, um für die einzelnen Endgeräte die Zugänglichkeit der Endgeräte zu bestimmen, und einen Transmission Tracker (Übertragungs-Verfolger), um für die einzelnen Endgeräte und für die einzelnen Pakete zu bestimmen, welche Endgeräte einzelne Pakete empfangen haben und welche Endgeräte einzelne Pakete noch empfangen müssen. Somit ist das Netz in der Lage, die Endgeräte auf einer paketweisen Basis zu unterscheiden. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Endgeräte an den Hub in einer Sternkonfiguration angeschlossen, die eine Halbduplex-Anordnung aufweist, und der Hub ist ein Ethernet-Hub.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Tabelle von Back-off-Berechnungen gemäß dem Stand der Technik.
2 ist ein Blockschaltbild eines Netzes, in dem eine Kollisionsverwaltung gemäß der Erfindung benutzt wird.
3 ist ein Blockschaltbild der Komponenten eines Endgerätes von 2.
4 ist ein Blockschaltbild der Komponenten des Hubs von 2.
5 ist ein Prozessablaufdiagramm eines Verfahrens zur Verwaltung von Kollisionen bei der Datenübertragung innerhalb des Netzes von 2 gemäß der Erfindung.
AUSÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird auf 2 Bezug genommen; ein Netz ist in der Form dargestellt, dass es eine Sternkonfiguration mit sechs Endgeräten 10, 12, 14, 16, 18 und 20 aufweist, die an einen Hub 22 angeschlossen sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Netz ein Ethernet-Netz, welches ein Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Protokoll verwendet. Jedoch kann auch in anderen Netzen, welche Kollisionserkennung aufweisen, das Verfahren angewendet werden, das weiter unten beschrieben wird.
Jedes Endgerät 10-20 ist mit dem Hub durch einen Kanal 24, 26, 28, 30, 32 und 34 verbunden. Physisch können die Kanäle verdrillte Doppelleitungen, Koaxialkabel oder Lichtwellenleiterkabel sein. Stattdessen können die Kanäle auch drahtlos sein. Die Endgeräte sind als Personalcomputer dargestellt, jedoch können an ihrer Stelle auch andere Datenzugriffs-Vorrichtungen, welche Datenpakete senden und empfangen, verwendet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform routet der Hub 22 nicht Datenpakete von einem Ursprungsendgerät 10-20 zu irgendeinem bestimmten Endgerät. Vielmehr sind sämtliche Endgeräte Zielendgeräte. Infolgedessen wird jedes Datenpaket, das von einem der Endgeräte zu dem Hub 22 gesendet wird, zu allen anderen Endgeräten weitergesendet. Beim Empfang eines Datenpaketes verarbeitet ein Endgerät den Header, um zu bestimmen, ob die Nachricht für das betreffende Endgerät bestimmt ist. Normalerweise verarbeitet nur das vorgesehene Endgerät den Rest des Paketes. Das vorgesehene Endgerät kann auch ein Quittungssignal an das Ursprungsendgerät senden, so dass das Ursprungsendgerät darüber informiert wird, dass eine nochmalige Übertragung desselben Datenpakets nicht erforderlich ist.
Der Hub 22 ist als eine CSMA-Schaltung 36 enthaltend dargestellt. Wie in der Technik wohlbekannt ist, wird eine solche Schaltung verwendet, um zu bestimmen, ob ein Netz frei ist, um eine Paketübertragung einzuleiten. Ein Endgerät oder ein Hub, welcher darauf vorbereitet ist, ein Datenpaket zu senden, "horcht", um zu bestimmen, ob das Netz belegt oder frei ist. Der Hub 22 enthält außerdem eine Kollisionserkennungs-Schaltung 38. Sobald eine Übertragung eingeleitet wird, bestimmt die Kollisionserkennungs-Schaltung, ob das gesendete Datenpaket mit einem anderen Datenpaket kollidiert ist. Ist dies der Fall, wird die Übertragung beendet, und es wird eine Back-off-Zeit berechnet, bevor eine erneute Übertragung des Datenpaketes erfolgt. Wie weiter oben erwähnt, ist 1 eine Tabelle der standardmäßigen Back-off-Berechnungen, die in einem Ethernet-Netz ausgeführt werden.
Neben der CSMA-Schaltung 36 und der Kollisionserkennungs-Schaltung 38 enthält der Hub 22 einen Pufferspeicher 40. Wenn ein Datenpaket an dem Hub von einem der Endgeräte 10-20 empfangen wird, "dominiert" das Datenpaket die Kollisionsdomäne, die durch das lokale Netz (LAN) definiert ist. Dieses erste Datenpaket wird im Pufferspeicher 40 gespeichert, während es zu sämtlichen Endgeräten in der Kollisionsdomäne gesendet wird. Wenn das Paket ohne eine Kollision gesendet wird, so wird es aus dem Pufferspeicher gelöscht. Falls jedoch während des Weitersendens des ersten Datenpakets zu den Endgeräten ein zweites Endgerät ein zweites Datenpaket sendet, erfolgt eine Kollision, und diese wird von der Kollisionserkennungs-Schaltung 38 wahrgenommen.
Der Hub 22 von 2 grenzt die Kollision auf einen einzigen Kanal ein. Somit wird, wenn das erste Datenpaket von dem Endgerät 10 stammte und das zweite Datenpaket, welches die Kollision verursacht hat, von dem Endgerät 18 stammt, die Übertragungswiederholung nach Ablauf einer Back-off-Zeit auf das Endgerät 18 über Kanal 32 eingegrenzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind dann die Back-off-Berechnungen am Hub 22 und am Endgerät 18 unterschiedlich, wobei sie dem Hub ermöglichen, bei seinen Übertragungswiederholungen Priorität zu haben. Zum Beispiel kann dem Hub die Back-off-Zeit von 0 × 51,2 μs zugeordnet sein. Nachdem das gespeicherte Datenpaket erfolgreich von dem Hub 22 zu dem Endgerät 18 gesendet worden ist, wird das Datenpaket aus dem Puffer 40 gelöscht.
Indem der Hub 22 als die Vorrichtung mit höherer Priorität bei Übertragungen von Datenpaketen festgelegt wird, kann der Umfang des Puffers 40 klein gehalten werden. Indem die Kollision auf einen einzigen Kanal eingegrenzt wird, wie etwa Kanal 32, wird die Leerlaufzeit der physikalischen Schicht des LAN verringert. Infolgedessen wird ein höherer Netzdurchsatz erzielt, und Datenpakete erfahren eine im Durchschnitt kürzere Latenzzeit durch das Netz.
Der Hub 22 ist außerdem als über einen Kanal 42 mit einem Weitverkehrsnetz (Wide Area Network, WAN) verbunden dargestellt. Sende- und Empfangsvorgänge von Datenpaketen zu und von dem WAN werden auf eine herkömmliche Art und Weise abgewickelt. Die Verbindung zu dem WAN ist für die Erfindung nicht entscheidend. Es ist anzumerken, dass, wenn zwei Hubs miteinander verbunden sind, für Kollisionen zwischen den zwei Hubs herkömmliche Berechnungen der Back-off-Zeit angewendet werden sollten.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen; sie zeigt eine Schaltungsanordnung des Endgerätes 10, die einen Paketpuffer 44 und einen Sender 46, der an den Kanal 24 zum Hub angeschlossen ist, enthält. Datenpakete, welche für die Übertragung zum Hub ordnungsgemäß verarbeitet wurden, werden in dem Paketpuffer 44 gespeichert, bis der Treiber des Senders 46 aktiviert wird. Sämtliche Komponenten des Endgerätes 10 von 3 sind herkömmliche Komponenten von Endgeräten in einem Ethernet-Netz.
Das Endgerät 10 enthält einen Empfänger 48, welcher mit einer Carrier-Sense-Schaltung (Kanalüberwachungs-Schaltung) 50, einem Kollisionsdetektor 52 und einem digitalen Verarbeitungssystem (Digital Processing System, DPS) 54 für Datenpakete verbunden ist. Wenn der Sender 46 bereit ist, ein Datenpaket aus dem Puffer 44 weiterzusenden, wird die Carrier-Sense-Schaltung 50 verwendet, um die Verfügbarkeit der Verbindung 24 zu dem Hub zu bestimmen. Falls die Verbindung nicht belegt ist, signalisiert die Carrier-Sense-Schaltung dem Sender, dass das Datenpaket gesendet werden kann. Dagegen wird die Übertragung verzögert, wenn die Carrier-Sense-Schaltung bestimmt, dass die Verbindung belegt ist.
Der Kollisionsdetektor 52 wird verwendet, nachdem die Übertragung eines Datenpakets aus dem Puffer 44 durch den Sender 46 ausgelöst worden ist. In dem Falle, wenn ein ankommendes Datenpaket ungefähr zu demselben Zeitpunkt abgeschickt wird, zu dem die Übertragung aus dem Paketpuffer 44 erfolgt, beendet der Kollisionsdetektor die abgehende Übertragung und löst die Implementierung des Back-off-Algorithmus 56 aus. Zum Beispiel kann die standardmäßige Back-off-Tabelle des Ethernets von 1 verwendet werden. Die Back-off-Zeit wird innerhalb eines Bereichs zufällig gewählt, der durch die Anzahl der Kollisionen bestimmt wird, welche das betreffende Datenpaket erfahren hat. Nach Ablauf der Back-off-Zeit wird eine Übertragungswiederholung eingeleitet. Das CSMA/CD-Protokoll, das an dem Endgerät 10 ausgeführt wird, ist in der Technik wohlbekannt.
Das Paket-DPS 54 empfängt ankommende Datenpakete und verarbeitet die Pakete unter Anwendung von Verfahren, die in der Technik wohlbekannt sind. Vorzugsweise sendet das Endgerät 10 ein Quittungssignal, dass das Datenpaket empfangen worden ist.
4 zeigt Komponenten des Hubs 22 von 2. Bei einer Ausführungsform enthält der Hub sechs Kanäle, wobei auf jeden Kanal durch eines der sechs Endgeräte 10-20 von 1 zugegriffen wird. Die sechs Kanäle sind in 4 durch eine einzige Linie 57 dargestellt. Der Hub ist als sechs Empfänger 58, 158, 258, 358, 458 und 558 enthaltend dargestellt. Jeder Empfänger ist mit einem anderen Endgerät und mit einer von sechs Carrier-Sense-Schaltungen 36, 136, 236, 336, 436 und 536 gekoppelt. Jede Carrier-Sense-Schaltung wird verwendet, um die Verfügbarkeit von Verbindungen zu dem Endgerät zu überwachen, die mit dem betreffenden Endgerät verknüpft sind. Jede Carrier-Sense-Schaltung des Hubs funktioniert auf dieselbe Weise, wie es unter Bezugnahme auf das Endgerät 10 in 3 beschrieben wurde. In ähnlicher Weise funktioniert der Kollisionsdetektor 38 auf dieselbe Weise wie der Kollisionsdetektor 52 in 3, jedoch ist er mit jeder der sechs Carrier-Sense-Schaltungen verbunden, um eine Kollision zu erkennen, gleichgültig, welche der sechs Kanäle von dem Kollisionsereignis betroffen sind.
Bei der bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich die Vorrichtung für den Back-off-Algorithmus 60 des Hubs 22 von der Vorrichtung für den Back-off-Algorithmus 56 von 3. Vorzugsweise ist der Zeiten-Bereich für die Berechnung einer Back-off-Verzögerung für den Hub kleiner, als er für ein einzelnes Endgerät 10-20 ist. Tatsächlich kann die Back-off-Verzögerung für den Hub null sein, so dass eine Übertragungswiederholung nach einer Kollision im Wesentlichen sofort erfolgt. Die kürzeren Back-off-Zeiten an dem Hub stellen sicher, dass dem Hub bei dem erneuten Senden von Datenpaketen im Anschluss an eine Kollision Priorität eingeräumt wird. Das Prioritätsschema ist dazu bestimmt, den Durchsatz zu erhöhen, die Paketlatenz zu verringern und den erforderlichen Umfang des Pufferspeichers 40 zu verkleinern.
Wie bereits erwähnt, werden Datenpakete von den Endgeräten 10-20, die am Hub 22 empfangen werden, im Pufferspeicher 40 gespeichert. Ein Puffermanager 59 sendet die Pakete von den Empfängern 58, 158, 258, 358, 458 und 558 zum Pufferspeicher weiter. Wie in 4 dargestellt, enthält der Speicher eine Anzahl von Pufferplätzen 62, 64, 66, 68, 70 und 72. Jeder Pufferplatz ist in der Lage, ein einzelnes Datenpaket zu speichern. Der Puffermanager weist auch einen Eingang auf, über den er mit dem Kollisionsdetektor 38 verbunden ist. Wenn ein Kollisionsereignis erkannt wird, während der Puffermanager ein erstes Datenpaket in einen bestimmten Pufferplatz schreibt, wird die Übertragung des ersten Datenpaketes von dem sendenden Endgerät beendet. Somit empfängt dann der Pufferplatz nur einen Teil des ersten Datenpaketes. Der Puffermanager wird vom Kollisionsdetektor 38 über die Kollision informiert und löscht das unvollständige erste Datenpaket aus dem Pufferplatz. Infolge dessen werden durch Kollision verfälschte Pakete nicht im Pufferspeicher für die Übertragung zu den Endgeräten gespeichert.
Bei einer Ausführungsform ist der Speicher 40 eine Vorrichtung vom Typ "First In First Out", so dass die Datenpakete zu den verschiedenen Endgeräten 10-20 in derselben Reihenfolge weitergesendet werden, in der sie empfangen werden. Bei einer anderen Ausführungsform enthält der Hub eine Paketauswahl-Vorrichtung 74, welche bestimmt, auf welchen Pufferplatz 62-72 während einer Übertragung zugegriffen wird. Wenn zum Beispiel das Datenpaket auf dem Pufferplatz 62 auf eine Übertragung zu sämtlichen Zielendgeräten wartet, während das Datenpaket auf dem Pufferplatz 64 zu allen Zielendgeräten mit Ausnahme des Endgerätes 16 übertragen worden ist, kann die Vorrichtung 74 eine Übertragung des Paketes auf dem Pufferplatz 64 in Reaktion darauf wählen, dass an der Schaltung 36 ermittelt worden ist, dass der Kanal zum Endgerät 16 verfügbar ist; es wird jedoch eine Kollision erfolgen, wenn das Paket auf dem Pufferplatz 62 global übertragen wird. Die Paketauswahl-Vorrichtung 74 kann verwendet werden, um den Durchsatz des LAN weiter zu verbessern.
Der Hub enthält eine Transmission-Tracking-Vorrichtung (Übertragungsverfolgungs-Vorrichtung) 76, welche verwendet wird, um die Endgeräte 10-20, welche eine Sendung eines bestimmten Datenpaketes nicht empfangen haben, von denjenigen Endgeräten zu trennen, welche das Datenpaket empfangen haben. Das heißt, die "Verfolgung" wird für jedes einzelne Endgerät und für jedes einzelne Paket durchgeführt. In dem soeben dargelegten Beispiel bestimmt die Tracking-Vorrichtung 76, dass das Datenpaket auf dem Pufferplatz 62 von keinem der Zielendgeräte empfangen worden ist, während das Datenpaket auf dem Pufferplatz 64 von sämtlichen Zielendgeräten mit Ausnahme des Endgerätes 16 empfangen worden ist. Zum Beispiel kann die Tracking-Vorrichtung eine Tabelle in einem Computerspeicher erstellen. Nachdem sämtliche Zielendgeräte das Datenpaket eines bestimmten Pufferplatzes empfangen haben, wird das Paket aus dem Speicher 40 gelöscht.
Der Hub enthält sechs herkömmliche Sender 78, 178, 278, 378, 478 und 578, welche verwendet werden, um Datenpakete aus dem Speicher 40 zu den sechs Zielendgeräten 10-20 weiterzusenden. Wie bereits erwähnt, sendet der Hub jedes ankommende Datenpaket zu sämtlichen Endgeräten, wobei jedem Endgerät ermöglicht wird zu bestimmen, ob das Paket für das jeweilige Endgerät bestimmt war.
Ein Puffermonitor 80 wird verwendet, um den verfügbaren Platz im Pufferspeicher 40 zu verfolgen. Das Problem besteht darin, dass ankommende Pakete weiter an den Empfängern 58, 158, 258, 358, 458 und 558 empfangen werden, nachdem der Speicherplatz erschöpft ist, was zur Folge hat, dass Pakete verloren gehen. Daher wird eine Speicherschwelle gewählt, und der Puffermonitor 80 erkennt, wenn die Schwelle überschritten worden ist. In dem Falle, wenn die Schwelle überschritten worden ist, löst der Monitor einen Pseudokollisionsgenerator 82 aus, welcher ein Signal zu den Sendern 78, 178, 278, 378, 478 und 578 sendet, zum zeitweiligen Sperren von Übertragungen von den Endgeräten 10-20 zum Speicher 40. Eine Kollisionsbedingung wird selektiv verhängt, bis die Übertragung von Paketen aus dem Speicher 40 bewirkt, dass sich der belegte Speicherplatz unter die vorgewählte Schwelle verringert. Der Pseudokollisionsgenerator 82 ist für die Erfindung nicht entscheidend. Es können auch andere Mechanismen zur Erzeugung einer Kollisionsbedingung, um Übertragungen von den Endgeräten zu verhindern, verwendet werden.
Ein anderes Problem beim Betrieb eines Hochleistungs-LAN ist, dass ein Endgerät das Netz "erobert". Durch diesen "Eroberungs"-Effekt kann ein erstes Endgerät nach wiederholten Erfolgen bei der Erlangung des Zugangs zum Hub nach Kollisionen einen "Wettbewerbsvorteil" gegenüber einem oder mehreren anderen Endgeräten erhalten. Wenn zum Beispiel das Endgerät 12 von 2 mit dem Endgerät 14 konkurriert und das Endgerät 12 drei Pakete im Anschluss an Kollisionen mit demselben Paket vom Endgerät 14 erfolgreich übertragen hat, so wird eine nächste Kollision zwischen Paketen von denselben Endgeräten wahrscheinlich zur Folge haben, dass das Endgerät 12 erneut den Zugang zum Hub 22 erlangt. Dies liegt daran, dass das vierte Paket vom Endgerät 12 seine erste Kollision erfährt, während das Paket vom Endgerät 14 seine vierte Kollision erfährt. Die Implementierung der Back-off-Berechnungen der Tabelle in 1 ermöglicht dann dem Endgerät 12, den "Wettbewerbsvorteil" gegenüber dem Endgerät 14 zu besitzen.
In 4 enthält der Hub einen Eroberungs-Monitor (Capture Monitor) 84, welcher verwendet wird, um ein Ereignis zu erkennen, bei welchem es einem der sechs Endgeräte wiederholt gelingt, den Zugang für Übertragungswiederholungen im Anschluss an Kollisionen zu erlangen. Wenn ein solches Ereignis eintritt, kann eine Back-off-Korrekturvorrichtung 86 verwendet werden, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass das wiederholt erfolgreiche Endgerät im Anschluss an eine nächste Kollision Zugang erlangt. Die Back-off-Korrekturvorrichtung ist an den Pseudokollisionsgenerator 82 angeschlossen, um selektiv Kollisionen hervorzurufen, die dazu bestimmt sind, den "Eroberungs-Zustand" zu korrigieren.
Die Betriebsweise des LAN von 2 wurde oben beschrieben. Gleichwohl sind die Prozessschritte zur Verwaltung von Kollisionen bei Übertragungen innerhalb des Netzes in 5 dargestellt. In Schritt 88 wird ein erstes Datenpaket von einem der Endgeräte empfangen. Zum Beispiel kann das Ursprungsendgerät das Endgerät 10 in 2 und 3 sein. Das erste Datenpaket wird im Pufferspeicher 40 gespeichert 90. Das erste Paket "dominiert" die Kollisionsdomäne während des Eintreffens.
Während das erste Datenpaket gespeichert wird, wird die Verfügbarkeit des Netzes für ein globales Senden des ersten Datenpaketes geprüft, wie in Schritt 91 dargestellt. Falls in dem Entscheidungsschritt 93 ermittelt wird, dass das Netz verfügbar ist, wird das erste Paket im Schritt 92 von dem Hub 22 nichtselektiv zu den Endgeräten weitergesendet. Das heißt, bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Paket von einem Endgerät zu sämtlichen Endgeräten innerhalb des sternförmigen LAN weitergesendet. Jedes einzelne Zielendgerät bestimmt dann, ob es das vorgesehene Endgerät für die betreffende Nachricht des Datenpaketes ist. Während der nichtselektiven Übertragung von Schritt 92 können eine oder mehrere Kollisionen zwischen dem ersten Paket und einem Paket von einem Zielendgerät erfolgen. Im Entscheidungsschritt 94 werden die Kollisionserkennungs-Schaltungen 38, 138, 238, 338, 438 und 538 des Hubs 22 auf eine herkömmliche Art und Weise verwendet, um Kollisionen zu erkennen. Wenn jedoch eine Kollision erkannt wird, trennt der Hub die kollisionsfreien Endgeräte von den Kollisionen hervorrufenden Endgeräten.
Für Situationen, in welchen sich im Schritt 94 keine Kollisionen ereignen, wird im Schritt 96 die nichtselektive Übertragung zu den Endgeräten beendet, und im Schritt 98 wird das erste Paket aus dem Speicher gelöscht. Falls sich dagegen eine oder mehrere Kollisionen ereignen, wird im Schritt 100 die Übertragung zu den kollisionsfreien Endgeräten beendet, während im Schritt 102 die Kollisionen hervorrufenden Endgeräte markiert werden. Es wird kurz nochmals auf 4 Bezug genommen; die Transmission-Tracking-Vorrichtung 76 wird verwendet, um die Übertragungen für jedes einzelne Paket und für jedes einzelne Endgerät zu verfolgen.
Danach wird eine Back-off-Zeit für die erneute Übertragung des ersten Pakets zu den gekennzeichneten, Kollisionen hervorrufenden Endgeräten berechnet, wie in Schritt 104 dargestellt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Back-off-Berechnungen des Hubs von den Back-off-Berechnungen für die Endgeräte verschieden. Die Back-off-Zeiten für den Hub sind vorzugsweise kürzer als jene der Endgeräte, was dem ersten Datenpaket eine höhere Priorität im Netz verleiht. Diese höhere Priorität ist dazu bestimmt, die Leerlaufzeit der physikalischen Schicht zu verringern, wodurch der Netzdurchsatz erhöht wird und die Latenzzeit der Pakete durch das Netz hindurch verringert wird und die Größe des Hub-Puffers 40 verringert wird. Optional beträgt die Back-off-Zeit für den Hub 0.
Im Schritt 106 wird die Teilsegment-Verfügbarkeit geprüft, unter Verwendung der einen oder mehreren Carrier-Sense-Schaltungen 36, 136, 236, 336, 436 und 536, welche mit den Kollisionen hervorrufenden Endgeräten verknüpft sind. Falls im Entscheidungsschritt 108 der Kanal nicht für die Übertragung des ersten Paketes zu den gekennzeichneten, Kollisionen hervorrufenden Endgeräten verfügbar ist, kehrt der Prozess zu Schritt 106 zurück. Wenn das Netz verfügbar ist, wird das erste Paket selektiv übertragen. Das heißt, das Paket wird zu den im Schritt 102 gekennzeichneten, Kollisionen hervorrufenden Endgeräten weitergesendet. Sobald die Übertragung eingeleitet worden ist, springt der Prozess in einer Schleife zurück zum Entscheidungsschritt 94 des Erkennens von Kollisionen, die sich eventuell ereignet haben. Wenn sich keine Kollisionen ereignet haben, wird im Schritt 96 die selektive Übertragung abgeschlossen, und im Schritt 98 wird das erste Paket aus dem Speicher gelöscht. Wenn sich dagegen eine Kollision ereignet hat, setzt sich der Prozess mit Schritt 100 fort. Im Schritt 100 wird, falls eine Teilmenge der früher Kollisionen hervorrufenden Endgeräte nunmehr kollisionsfrei ist, die Übertragung zu der Teilmenge von Endgeräten abgeschlossen. Die restlichen Endgeräte werden dann im Schritt 102 als die Kollisionen hervorrufenden Endgeräte gekennzeichnet, die Transmission-Tracking-Vorrichtung 76 wird aktualisiert, und der Prozess setzt sich fort, bis sämtliche Zielendgeräte die Sendung empfangen haben und das erste Paket im Schritt 98 aus dem Speicher gelöscht worden ist.

Claims

Verfahren zur Verwaltung von Kollisionen bei Datenübertragungen innerhalb eines Netzes, das Endgeräte (10, 12, 14, 16, 18 und 20) aufweist, die an einen Hub (22) angeschlossen sind, welches folgende Schritte umfasst: Leiten von Datenpaketen (88) zu dem besagten Hub, wenn die besagten Datenpakete an einem der besagten Endgeräte für die Übertragung zu einer Vielzahl von Zielendgeräten des besagten Netzes erzeugt werden; Weitersenden der besagten Datenpakete (92) von dem besagten Hub zu der besagten Vielzahl von Zielendgeräten; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Zurückhalten der besagten Datenpakete in einem Speicher (40) an dem besagten Hub in Reaktion auf das Erkennen einer Übertragungs-Kollision (94) beim Weitersenden der besagten Datenpakete zu wenigstens einem Kollisionen hervorrufenden Zielendgerät aus der besagten Vielzahl von Zielendgeräten, während das besagte Weitersenden (100) der besagten Datenpakete zu eventuell verbliebenen Zielendgeräten, für welche das besagte Weitersenden kollisionsfrei ist, abgeschlossen wird, wodurch das anschließende Weitersenden der besagten Datenpakete zu dem besagten wenigstens einen Kollisionen hervorrufenden Zielendgerät aus der besagten Vielzahl von Zielendgeräten abgetrennt wird (102); und anschließend selektives Weitersenden der besagten zurückgehaltenen Datenpakete (110) aus dem besagten Speicher (40) des besagten Hubs (22) nur zu jedem besagten wenigstens einen Kollisionen hervorrufenden Zielendgerät, wenn ermittelt wird, dass ein kollisionsfreier Zustand zwischen dem besagten Hub (22) und jedem besagten wenigstens einen Kollisionen hervorrufenden Endgerät verfügbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Schritt des Leitens der besagten Datenpakete (88) zu dem besagten Hub (22) die Verwendung eines Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Protokolls, im Weiteren als CSMA/CD bezeichnet, beinhaltet, um die Möglichkeit des Zugangs zu dem besagten Hub zu bestimmen (91).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die besagten Schritte des Weitersendens der besagten Datenpakete (92) von dem besagten Hub (22) die Verwendung von CSMA/CD beinhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, welches ferner einen Schritt des Löschens der besagten Datenpakete (98), die an dem besagten Hub (22) gespeichert sind, umfasst, nachdem alle Zielendgeräte aus der besagten Vielzahl Zielendgeräten (10, 12, 14, 16, 18 und 20) die besagten Datenpakete empfangen haben.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, welches ferner das Auswählen einer Speicherschwelle (80) umfasst, derart, dass der besagte Hub (22) in einen Sperrmodus eintritt, wenn die gespeicherten Datenpakete (40) an dem besagten Hub die besagte Speicherschwelle überschreiten, einschließlich der Implementierung des besagten Sperrmodus, derart, dass der besagte Hub eine Kollisionsbedingung für beliebige Datenpakete, die zu dem besagten Hub geleitet werden, auslöst, während die besagte Speicherschwelle überschritten ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, welches ferner einen Schritt des Definierens eines Back-off-Algorithmus (60) umfasst, derart, dass Paketübertragungen von dem besagten Hub (22) zu den besagten Endgeräten (10, 12, 14, 16, 18 und 20) eine höhere Priorität haben als Paketübertragungen von den besagten Endgeräten zu dem besagten Hub.
Verfahren nach Anspruch 6, welches ferner einen Schritt des Ausführens des besagten Back-off-Algorithmus (60) bei jeder Übertragungs-Kollision (94) von Datenpaketen zwischen dem besagten Hub und einem der Zielendgeräte aus der besagten Vielzahl von Zielendgeräten (10, 12, 14, 16, 18 und 20) umfasst.
Netz, in welchem Kollisionserkennung und Back-off von Übertragungen bei der Verwaltung von Datenübertragungen verwendet werden und welches umfasst: einen Hub (22), der einen Pufferspeicher (40) zum Speichern von Datenpaketen aufweist; eine Vielzahl von Endgeräten (10, 12, 14, 16, 18 und 20), die an den besagten Hub durch Kanäle (24, 26, 28, 30, 32 und 34) für den Austausch von Datenpaketen mit dem besagten Pufferspeicher angeschlossen sind, wobei jedes Endgerät eine Endgerät-Carrier-Sense-Schaltung (Endgerät-Kanalüberwachungs-Schaltung) (50) aufweist, die in der Lage ist, die Möglichkeit des Zugangs zu dem besagten Hub für Datenpaket-Übertragungen von dem besagten jeweiligen Endgerät zu dem besagten Pufferspeicher zu bestimmen, wobei jedes Endgerät ferner eine Endgerät-Kollisionserkennungs-Schaltung (52) aufweist, die in der Lage ist, eine Kollision bei der Datenpaket-Übertragung zwischen dem besagten jeweiligen Endgerät und dem besagten Pufferspeicher zu erkennen; eine Hub-Carrier-Sense-Schaltung (Hub-Kanalüberwachungs-Schaltung) (36, 136, 236, 336, 436 und 536) an dem besagten Hub, die in der Lage ist, für die einzelnen Endgeräte die Möglichkeit des Zugangs der besagten Vielzahl von Endgeräten zu Datenpaket-Übertragungen von dem besagten Pufferspeicher zu der besagten Vielzahl von Endgeräten zu bestimmen; eine Schaltungsanordnung (76) an dem besagten Hub, die in der Lage ist, für die einzelnen Endgeräte und für die einzelnen Pakete zu verfolgen, welche Endgeräte aus der besagten Vielzahl von Endgeräten Sendungen von einzelnen Datenpaketen aus dem besagten Pufferspeicher empfangen haben, wodurch erste Endgeräte, welche ein bestimmtes Datenpaket empfangen haben, von zweiten Endgeräten getrennt werden, zu welchen das besagte bestimmte Datenpaket gesendet werden muss; dadurch gekennzeichnet, dass der Hub Mittel aufweist, die in der Lage sind, in Reaktion darauf, dass von dem besagten Hub eine Übertragungs-Kollision beim Weitersenden der besagten Datenpakete aus dem besagten Pufferspeicher zu wenigstens einem Kollisionen hervorrufenden Endgerät aus der besagten Vielzahl von Endgeräten erkannt wird, Datenpakete in dem besagten Pufferspeicher an dem besagten Hub zurückzuhalten; und wobei der Hub ferner Mittel aufweist, die in der Lage sind, die besagten zurückgehaltenen Datenpakete aus dem besagten Pufferspeicher nur zu jedem besagten wenigstens einen Kollisionen hervorrufenden Endgerät aus der besagten Vielzahl von Endgeräten selektiv weiterzusenden, wenn ermittelt wird, dass ein kollisionsfreier Zustand zwischen dem besagten Pufferspeicher und jedem besagten wenigstens einen Kollisionen hervorrufenden Endgerät verfügbar ist.
Netz nach Anspruch 8, wobei jedes Endgerät (10, 12, 14, 16, 18 und 20) ein Endgerät-Back-off-Mittel (56) enthält, das in der Lage ist, eine Back-off-Zeit (Wartezeit) vor der erneuten Übertragung eines Datenpaketes im Anschluss an die Erkennung einer Übertragungs-Kollision durch die besagte Endgerät-Kollisionserkennungs-Schaltung (50) des besagten jeweiligen Endgeräts zu bestimmen, wobei der besagte Hub (22) ein Hub-Back-off-Mittel (60) aufweist, das in der Lage ist, eine Back-off-Zeit (Wartezeit) im Anschluss an die Erkennung einer Übertragungs-Kollision zu bestimmen, wobei das besagte Hub-Back-off-Mittel derart implementiert ist, dass erneute Übertragungen von dem besagten Pufferspeicher (40) zu den besagten Endgeräten eine höhere Priorität aufweisen als erneute Übertragungen von den besagten Endgeräten zu dem besagten Pufferspeicher.
Netz nach Anspruch 8 oder 9, wobei der besagte Hub (22) einen Pseudokollisionsgenerator (82) enthält, der in der Lage ist, Übertragungen von den besagten Endgeräten zu dem besagten Pufferspeicher (40) zu verhindern, wenn die besagten gespeicherten Datenpakete in dem besagten Pufferspeicher eine vorgewählte Schwelle überschreiten.