DE69927252T2

DE69927252T2 - Auf der Überwachung der Belegung von Puffern basierte Planung der Netzwerkkapazität

Info

Publication number: DE69927252T2
Application number: DE69927252T
Authority: DE
Inventors: Aline Fichou; Jean-Francois Le Pennec; Claude Galand
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2019-07-14
Also published as: EP1069729B1; US6690646B1; DE69927252D1; EP1069729A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft paketvermittelte Hochgeschwindigkeitsnetze. Insbesondere betrifft die Erfindung ein leistungsfähiges Verfahren und System zur Planung der Netzwerkkapazität, das auf einer strikten Überwachung der Belegung von Puffern in den Netzknoten basiert. Ein Beispiel für ein solches Verfahren und System ist in der Patenanmeldung WO-A-97/01143 zu finden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitsnetzen beispielsweise auf der Basis von ATM-Zellen oder der Frame-Relay-Technologie ist es möglich geworden, die Übertragung mehrerer Arten von Datenverkehr, wie beispielsweise Sprache, Videos und Daten, welche unterschiedliche Anforderungen an die Dienstqualität (Quality of Service, QoS) stellen, gemeinsam über ein und dasselbe Datennetz zu übertragen, wobei das Netz oft als Breitbandnetz bezeichnet wird. Die in solchen Netzen gemeinsam genutzten Datenübertragungsschaltungen enthalten Übertragungsleitungen, programmgesteuerte Prozessoren, Knoten oder Verbindungen und Daten- oder Paketpuffer. Die QoS-Anforderungen an den Datenverkehr werden während der Auswahl des Übertragungspfades berücksichtigt und können als Satz messbarer Größen oder Parameter definiert werden, welche beschreiben, wie der Benutzer den durch das Netzwerk angebotenen Dienst wahrnimmt. Solche Parameter sind beispielsweise die Verzögerungszeit beim Verbindungsaufbau, die Wahrscheinlichkeit der Verbindungsunterbrechung, die Verlustwahrscheinlichkeit, die Fehlerwahrscheinlichkeit, die Endpunkt-zu-Endpunkt-Transitverzögerung und die als Signallaufzeitschwankung bezeichnete Endpunkt-zu-Endpunkt-Verzögerungsschwankung. Datenverkehr in Echtzeit unterliegt strengeren Anforderungen bezüglich der Endpunkt-zu-Endpunkt-Verzögerungen und der Laufzeitschwankungen als Datenverkehr, der nicht in Echtzeit abgewickelt wird. Um diese Verzögerungen so gering wie möglich zu halten, ist es wichtig, dass die Echtzeitpakete Priorität erhalten. Inzwischen wird davon ausgegangen, dass die Paketverluste bei Anwendungen mit reservierter Netzbandbreite sowohl in Echtzeit als auch nicht in Echtzeit garantiert sein müssen, während dies bei nichtreserviertem Datenverkehr nicht unbedingt der Fall zu sein braucht.
In diesem Zusammenhang möchten Netzwerkbenutzer in der Lage sein, Vereinbarungen zur Dienstqualität (Service-Level-Agreements – SLA) anzufordern und gewährt zu bekommen. Eine SLA ist eine (möglicherweise vertragliche) Vereinbarung des Netzwerkdienstanbieters, eine garantierte Netzzugangsqualität zu einem bestimmten Preis zur Verfügung zu stellen. Die Vereinbarung ist insofern beiderseitig, als sich der Benutzer verpflichtet, einen bestimmten Umfang der Netznutzung nicht zu überschreiten. Der Umfang der Netznutzung kann unterschiedlich ausgedrückt werden, zum Beispiel durch die Bandbreite (Anzahl Bits je Sekunde), die Latenzzeit (Endpunkt-zu-Endpunkt-Verzögerung), die Verfügbarkeit (Ausmaß ununterbrochener Leitungsbereitstellung), die Verlustwahrscheinlichkeit und die Sicherheit (Gewährleistung, dass nur die gewünschten Partner an der Datenübertragung teilnehmen können).
Ein weiteres wichtiges durch die Netzdienstanbieter verfolgtes Ziel besteht darin, die Ausnutzung der Netzressourcen zu optimieren. Datennetze verfügen nämlich nur über begrenzte Ressourcen zur leistungsfähigen Übertragung von Datenpaketen, und obwohl die Übertragungskosten je Byte jährlich immer weiter sinken, werden sie auch in Zukunft weiterhin den größten Kostenanteil der Telekommunikationsnetze darstellen, da die Bandbreitenanforderungen steigen. Insbesondere bei Weitverkehrsnetzen (die auch als Backbone-Netze bezeichnet werden) werden die Kosten für die physischen Verbindungen zwischen den Teilnehmern oft auf 80% der Gesamtkosten veranschlagt. Die Verbindung kann als Mietleitung, als X.25-Dienst, als Frame-Relay-Trägerdienst (Frame Relay Bearer Service, FRBS), als ATM-Trägerdienst (ATM Bearer Service, ATMBS), als X.25- oder virtuelles privates Netz usw. bereitgestellt werden. Obwohl die Kosten je Bit durch schnellere Verbindungen sinken können, bleiben die absoluten Kosten der Verbindungen dennoch hoch. Deshalb ist es erforderlich, die Nettokosten je übertragenem Bit für alle Netzarten und Verbindungsgeschwindigkeiten so weit wie möglich zu verringern. Minimale Kosten je Bit sind nämlich gleichbedeutend mit der höchstmöglichen Auslastung jeder Verbindung.
Aus diesem Grund sind große Anstrengungen unternommen worden, Prozesse zur Steuerung des Datenflusses und der Engpässe, Mechanismen zur Bandbreitenreservierung, Leitwegalgorithmen zur Verwaltung der Netzbandbreite und zur Planung der Netzwerkkapazität zu entwickeln, d.h., die Konfiguration der hergestellten Verbindungen (zugewiesene Bandbreite, ausgewählter Datenpfad usw.) zu optimieren.
Um sowohl die Ausnutzung der Netzwerkressourcen zu optimieren als auch den Kunden zufriedenstellende Lieferbedingungen zu gewähren, enthalten Hochgeschwindigkeitsnetze im Allgemeinen Softwaresysteme zur Überwachung ihrer Netzknoten und Verbindungen. Diese Überwachungssysteme basieren normalerweise auf Zählern auf der Ebene der Vermittlungsknoten. Bezüglich der Überwachung der Netzwerkressourcen sind diejenigen Zähler am wichtigsten, welche das Verhalten der „Flaschenhals"-Ressourcen des Netzes widerspiegeln, da sie auch das Endpunkt-zu-Endpunkt-Verhalten oder die bereitgestellte Dienstqualität widerspiegeln. In Hochgeschwindigkeitsnetzen sind die Vermittlungsknoten im Allgemeinen gegenüber den Datenübertragungsverbindungen leistungsmäßig überdimensioniert. Die Vermittlungskosten stellen für einen Netzbetreiber im Grunde Fixkosten dar, während die Leitungskosten laufende Kosten darstellen, bei Mietleitungen beispielsweise monatlich, und wesentlich höher sind als oben erwähnt. Um die Gesamtkosten eines Netzwerks zu minimieren, sind die Datenleitungen so dimensioniert, dass sie die Anforderungen an den Datenverkehr gerade so bewältigen und ihr Datendurchsatz folglich immer geringer als der eines Vermittlungsknotens ist. Daher stellen in einem Hochgeschwindigkeitsnetz die Datenleitungen im Allgemeinen die „Engpassressourcen" dar.
Jeder Vermittlungsknoten enthält üblicherweise ein Koppelfeld und eine Vielzahl von Adapterkomponenten, welche die Eingangs- und Ausgangsverbindungen des Knotens mit dem Koppelfeld verbinden. Jede Adapterkomponente enthält einen Empfangsteil und einen Sendeteil. Der Empfangsteil empfängt den am Knoten ankommenden Datenstrom, während der Sendeteil den Datenstrom vom Knoten zu einem anderen Knoten sendet. Hierbei verwenden Prozesse zur Netzwerkverwaltung üblicherweise Zähler am Sendeteil der Adapterkomponenten der Vermittlungsknoten zur Überwachung der Ausnutzung der Netzwerkressourcen. Diese Zähler zählen die Pakete oder Zellen unmittelbar, bevor sie auf die Ausgangsleitungen der Knoten gelangen. Genauer gesagt, bei den überwachten Leitungen handelt es sich nicht um die Leitungen zur (logischen) Verbindung einer Benutzereinheit mit einer Netzzugangseinheit, die auch als „Port" (Anschluss) bezeichnet wird, sondern um eine „Fernleitung". Diese Fernleitungen sind üblicherweise teurer als die lokalen Leitungen und werden daher stärker ausgelastet, um ihre Kosten zu optimieren.
Am Sendeteil jeder Adapterkomponente werden die oben erwähnten Zähler während des laufenden Prozesses der zellen/Paketübertragung durch eine spezielle Verarbeitungseinheit mit der Bezeichnung Picocode-Prozessor erhöht. In periodischen Abständen (z.B. alle 15 Minuten) ruft ein in den Adapter integrierter und als Universalprozessor bezeichneter übergeordneter Prozessor zur Hintergrundsteuerung die Zählerwerte ab und setzt die Zähler zurück. Der Universalprozessor berechnet auch aus der Leitungsgeschwindigkeit Daten zur Auslastung jeder Leitung und speichert diese zur weiteren Verarbeitung. Und schließlich ruft ein Statistikserver für das Verkehrsvolumen, zum Beispiel ein vom Netzwerk unabhängiger Arbeitsplatzrechner, periodisch (zum Beispiel jede Nacht) die Dateien mit den Daten zur Ressourcenauslastung von jedem Knoten ab und stellt dem Netzwerkverwalter zusammengefasste Daten über die Leitungsauslastung und das Netzwerkverhalten zur Verfügung. Die Daten zur Verbindungsauslastung werden normalerweise durch den prozentualen Anteil der je Zeiteinheit ausgelasteten Bandbreite ausgedrückt. Die Verbindungsauslastung wird üblicherweise wird folgt ermittelt.
Es wird eine Verbindung I betrachtet, deren maximale Geschwindigkeit (d.h. Bandbreite) S Zellen/Bytes je Sekunde beträgt (wobei S eine ganze Zahl ist), und angenommen, dass die zu dieser Verbindung gehörenden Zählerwerte nach jeweils T Zeiteinheiten abgerufen werden (wobei T eine ganze Zahl ist, z.B. T = 15 Minuten). Dann wird der für jedes Messzeitintervall T berechnete Auslastungsgrad U(I) durch die folgende Formel ausgedrückt:
wobei N die Anzahl der während des Messzeitintervalls T empfangenen Zellen/Pakete ist und T in Sekunden ausgedrückt wird. U(I)_T drückt die Verbindungsauslastung in Prozent aus.
Wenn zum Beispiel T = 15 Minuten beträgt, können diese nach jedem Zeitintervall T berechneten und periodisch abgerufenen Werte zur Leitungsauslastung im Statistikserver für das Verkehrsvolumen dazu verwendet werden, einen mittleren Auslastungsfaktor für vier zusammenhängende Intervalle T zu berechnen, während derer die Auslastung an diesem Tag am höchsten war.
Der Statistikserver für das Verkehrsvolumen berechnet auch eine mittlere Verbindungsauslastung, welche das Mittel der während eines Tages, mehrerer Tage oder Wochen berechneten Leitungsauslastungswerte U(I) darstellt.
Beim Stand der Technik können die Netzwerküberwachung und die Planung der Netzwerkkapazität im Allgemeinen von dieser Technik der mittleren Leitungsauslastung ausgehen. Diese Technik weist jedoch den Mangel auf, dass ihre Statistik der Leitungsauslastung nicht berücksichtigt, ob der Datenverkehr stoßweise oder gleichmäßig verläuft. So kann eine bestimmte Leitung mit einer zufriedenstellenden Dienstqualität stark ausgelastet werden, z.B. mit 90% der Bandbreitenkapazität, wenn der über diese Verbindung laufende Datenverkehr gleichmäßig ist, während sie nur schwach ausgelastet werden darf, z.B. mit 20%, wenn bei stoßweisem Datenverkehr dieselbe Dienstqualität gewährleistet werden soll. Tatsächlich ist es so, dass bei stoßweisem Datenverkehr zeitweilig alle Knotenpuffer gleichzeitig belegt sein können, sodass es zu Paket-/Zellenverlusten oder zumindest zu größeren Transitverzögerungen der Zellen/Pakete kommen kann, was sich in der Statistik der Leitungsauslastung nicht niederschlägt.
Deshalb liefert das Verfahren der mittleren Leitungsauslastung nur eine grobe Abschätzung der realen Grenzen der Netzwerkressourcen, sodass eine auf einem solchen Überwachungsschema der Leitungsauslastung beruhende Netzwerküberwachung und Planung der Netzwerkkapazität zwangsläufig ungenau ist und keine Leitungsüberlastung vorherzusehen erlaubt, die sich aus Verkehrsspitzen ergibt.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Deshalb besteht eine Hauptaufgabe der Erfindung darin, ein leistungsfähiges Verfahren und System zur Planung der Netzwerkknoten in einem paketvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetz bereitzustellen, welches den stoßweisen oder gleichmäßigen Charakter des über die Netzwerkverbindungen fließenden Datenverkehrs berücksichtigt und somit eine Leitungsüberlastung vorherzusehen erlaubt, die sich aus Verkehrsspitzen ergibt.
Kurz gesagt, diese Aufgabe wird gemäß den beiliegenden Ansprüchen durch Bereitstellung eines Verfahrens und eines Systems zur Planung der Netzwerkknoten in einem paketvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetz gelöst. Das Netzwerk umfasst eine Vielzahl von Vermittlungsknoten, die durch eine Vielzahl von Datenleitungen miteinander verbunden sind und jeweils ein Mittel zum Weiterleiten von Datenpaketen von mindestens einer Eingangsleitung zu mindestens einer Ausgangsleitung umfassen. Jede der Ausgangsleitungen ist mit mindestens einem Puffer im Vermittlungsknoten verbunden, um die Pakete vor dem Weitersenden über die Ausgangsleitung in einer Warteschlange zwischenzuspeichern. Das Verfahren der Erfindung zur Planung der Netzwerkknoten umfasst die folgenden Schritte:
In jedem Vermittlungsknoten und für jede Ausgangsleitung wird der zeitliche Verlauf der Belegung jedes Puffers während einer vorgegebenen Überwachungsdauer gemessen und in einem zentralen Speicher gespeichert.
Dann werden die Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung von dem zentralen Speicher in allen Vermittlungsknoten abgerufen, gesammelt und in einem speziellen Netzwerkserver gespeichert.
Diese Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung für alle Knoten werden dann von dem speziellen Netzwerkserver zu einem Netzüberwachungszentrum gesendet.
In diesem Netzwerküberwachungszentrum werden die Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung über einen größeren Zeitraum gesammelt und gespeichert.
Zum Schluss werden die gesammelten Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung zur Durchführung von Schritten zur Planung der Netzwerkkapazität der Netzwerkressourcen verwendet.
Insbesondere beinhaltet der Schritt der Messung des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung in jedem Vermittlungsknoten und für jede Ausgangsleitung während einer vorgegebenen Überwachungsdauer für jeden Puffer die folgenden Schritte:
Es wird eine Vielzahl N (N ist eine ganze Zahl) von Schwellenwerten T(1) bis T(N) der Pufferbelegung definiert, welche jeweils einen Anteil der Gesamtkapazität jedes einzelnen Puffers anzeigen.
Außerdem wird eine Vielzahl N von Pufferzuständen ST(1) bis ST(N) definiert, wobei jeder dieser Zustände für die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt im Puffer gespeicherten Pakete im Verhältnis zu den Schwellenwerten T(1) bis T(N) kennzeichnend ist.
Ferner wird eine Vielzahl N von Zählern PT(1) bis PT(N) definiert, wobei jeder dieser Zähler PT(i) (i ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N) erhöht wird, wenn festgestellt wird, dass der Pufferzustand einem der Zustände ST(i) bis ST(N) entspricht.
Dabei erfolgt der Schritt der Messung des zeitlichen Verlaufs der Belegung jedes einzelnen Puffers während einer vorgegebenen Überwachungsdauer durch das Ermitteln eines Satzes von N Werten PT(1) bis PT(N), welche jeweils den prozentualen Anteil der während der Überwachungsdauer angekommenen Pakete anzeigen, während die Anzahl der während des Ankunftszeitpunkts der Pakete gespeicherten Pakete gleich dem jeweiligen Schwellenwert T(1) bis T(N) oder größer war.
Durch die strikte Überwachung des Belegungszustandes der Puffer auf der Ebene der Vermittlungsknoten, die den über die Netzwerkleitungen laufenden Datenverkehr als stoßweise oder gleichmäßig charakterisiert, stellen somit das Verfahren und System der Erfindung zur Kapazitätsplanung ein genaueres Schema zur Planung der Netzwerkkapazität bereit als das typische Verfahren der mittleren Leitungsauslastung, sodass eine aus den Verkehrsspitzen des stoßweisen Datenverkehrs resultierende Leitungsüberlastung vorhergesehen werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsart sind in den Unteransprüchen dargelegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugsnummern zur Kennzeichnung gleicher Teile in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines typischen paket/zellenvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetzes ist, das unterschiedliche Anwendungen unterstützt;
2 eine schematische Darstellung einer Prinzipansicht der Innenstruktur eines typischen Vermittlungsknotens des Netzwerks von 1 ist;
3 eine schematische Darstellung der wichtigsten Punkte der Warteschlange eines Vermittlungsknotens von 2 ist;
4 eine schematische Darstellung der Stelle ist, an welcher die Paket-/Zellenzähler in einem Vermittlungsknoten nach 2 üblicherweise angeordnet sind;
5 ein Flussdiagramm ist, welches einen Prozess der Erfindung zur Überwachung der Pufferbelegung veranschaulicht;
6 ein schematisches Blockschaltbild ist, welches eine allgemeine Architektur zur Netzwerkverwaltung in einem paketvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetz veranschaulicht;
7A bis 7B einen leistungsfähigen Prozess zur Planung der Netzwerkkapazität gemäß der Erfindung veranschaulicht, welcher den Prozess von 5 zur Überwachung der Pufferbelegung vorteilhaft nutzt. 7A ist ein Flussdiagramm, das den Prozess zur Kapazitätsplanung darstellt, während 7B eine Liste der verschiedenen Planungsaktivitäten zeigt, die in Verbindung mit dem Flussdiagramm von 7A ausgeführt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der folgenden detaillierten Beschreibung bezieht sich der Begriff „Paket" entweder auf eine Zelle, d.h. ein kleines Paket fester Größe wie beispielsweise in ATM-Netzen (asynchroner Übertragungsmodus), oder auf ein Paket variabler Größe wie beispielsweise in IP- oder Frame-Relay-Netzen.
1 zeigt ein typisches paket-/zellenvermitteltes Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, bei welchem Benutzeranwendungen unterschiedliche Arten von Datenverkehr über das Netzwerk erzeugen. Das Netzwerk 100 umfasst vier Zugangsvermittlungsknoten 101 bis 104 und zwei innere Vermittlungsknoten 105, 106. Die Netzwerkknoten sind durch Netzwerkverbindungen, z.B. 107, miteinander verbunden, die auch als Fernleitungen bezeichnet werden. Ein Router 110 überträgt über den Zugangsknoten 101 paketweise LAN-Datenverkehr (Local Area Network, lokales Netzwerk) im IP-Format (Internet Protocol, Internetprotokoll) mit einer Geschwindigkeit von 512 Kbit/s (fünfhundertzwölftausend Bit je Sekunde) über das Netzwerk. Ein Hostrechner 111 sendet SNA-Datenverkehr (Systems Network Architecture, Systemnetzarchitektur) mit einer Geschwindigkeit von 64 Kbit/s zum Zugangsknoten 102, An den Zugangsknoten 103 ist eine Frame-Relay-Zugriffseinheit (Frame Relay Access Device, FRAD) 112 zum Übertragen von Sprach- oder Videodaten über das Netzwerk angeschlossen. Bei derart unterschiedlichen Anwendungen, die Datenverkehr über das Netzwerk senden, ist es in einem solchen Netzwerk normal, dass ein Vermittlungsknoten Daten von Verbindungen mit unterschiedlichen Profilen des Datenverkehrs überträgt.
In 1 sendet der Zugangsknoten 104 Daten über dieselbe äußere 64-Kbit/s-Datenleitung, welche von Verbindungen des Routers 110 (IP-Daten), des Hostrechners 111 (SAN-Daten) und der FRAD 112 (Sprachdaten) stammen. Die Schwierigkeit eines solchen Netzwerks besteht deshalb darin, jede Verbindung mit der vorgegebenen Dienstqualität (Quality of Service, QOS) zu versorgen. Manche Verbindungen, beispielsweise solche mit Sprach- oder Videodaten, sprechen allerdings empfindlich auf Verzögerungen an; andere hingegen sind nicht für Verzögerungen anfällig, erfordern jedoch sehr geringe Paket-/Zellenverluste, damit sie mit möglichst wenigen Wiederholungen richtig übertragen.
2 zeigt einen Vermittlungsknoten, bei dem es sich entweder um einen Zugriffsknoten oder einen internen Knoten des Netzwerks handeln kann. Die Verbindung zum Knoten wird mittels Adapterkomponenten 220 über die Übertragungsleitungen 250 hergestellt. Das Koppelfeld 210 ist über sehr schnelle Leitungen mit den verschiedenen Adaptern verbunden. Jeder Adapter ist auf einer Seite über Leitungsanschlusskoppler (Line Interface Coupler, LIC) 260 mit Außenleitungen und auf der anderen Seite mit einem Anschluss 270 der Zellen /Paketvermittlung 210 verbunden. Pakete werden über die Außenleitungen 250, also entweder über eine Fernleitung, d.h. eine innere Leitung, oder einen Anschluss, d.h. eine Netzzugangsleitung, empfangen. Jedes dieser Pakete ist einem Netzwerkanschluss zugeordnet, der in diesem Knoten entweder beginnt, endet oder durch diesen hindurchgeht. Folglich kann es zwei unterschiedliche Adaptertypen geben, das heißt Zugangsadapter oder Durchgangsadapter. Zugangsadapter stellen eine Verbindung von außen zum Netzwerk her, d.h. von den mit dem Netzwerk verbundenen Datenterminaleinheiten (Data Terminal Equipment, DTE) zu den Netzzugangsknoten. Durchgangsadapter hingegen stellen die Datenübertragung zwischen den Knoten im Innern des Netzwerks sicher. Jeder Zugangs- oder Durchgangsadapter enthält zwei Teile: einen Empfangsteil 230 und einen Sendeteil 240. Der Empfangsteil 230 empfängt den am Knoten ankommenden Datenstrom über die Datenleitungen 250, während der Sendeteil 240 den vom Knoten zu einem anderen Knoten (dem nächsten Knoten auf dem Pfad) oder einer Ziel-DTE abgehenden Datenstrom über die Datenleitungen 250 sendet. Die Zugangsadapter unterstützen auch eine Anrufzulassungssteuerung, das heißt, den Prozess des Analysierens der Parameter einer neuen Verbindung zum Fällen der Entscheidung in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit der Netzwerkressourcen, ob die Verbindung akzeptiert oder zurückgewiesen werden soll.
Eine weitere durch die Zugangsadapter in ihrem Empfangsteil ausgeführte wichtige Aufgabe besteht in der Steuerung des von einem Anschluss ankommenden Datenstroms entsprechend den für die Verbindung vereinbarten Kennwerten für den Datenverkehr. Diese Steuerfunktion umfasst das Markieren der Pakete als Überschusspakete (rote Pakete) oder Nichtüberschusspakete (grüne Pakete) oder das Löschen. Durchgangsadapter hingegen weisen keine solche Markierungsfunktion auf, da sie nur eine selektive Paketlöschung vornehmen und den ankommenden Datenverkehr verwalten können, z.B. durch Ausführung von Leitwegfunktionen.
Jeder Netzwerkknoten enthält ferner eine Reihe von Warteschlangenelementen zum Zwischenspeichern ankommender und abgehender Pakete entsprechend ihrer Reihenfolge in einer Warteschlange. Die Warteschlangen sind nicht auf Vermittlungsebene, sondern vorzugsweise auf Adapterebene realisiert, da die Prozessgeschwindigkeit der Vermittlung selbst (Koppelfeld 210) im Allgemeinen wesentlich höher ist als die Prozessgeschwindigkeit eines Adapters. Daher befinden sich diese Warteschlangenelemente im Wesentlichen auf Adapterebene, was im Folgenden in Verbindung mit 3 beschrieben wird.
3 zeigt die wichtigsten Punkte der Warteschlangen eines Adapters in einem Vermittlungsknoten. Hierzu ist zu bemerken, dass der Begriff „Warteschlangen" für alles steht, was normalerweise durch die Begriffe Puffer, Pufferspeicher oder Warteschlangenspeicher bezeichnet wird; der Ausdruck „Warteschlangenpunkte" steht für bestimmte Stellen in einem Adapter, an denen solche Warteschlangen/Puffer eingebaut sind. Im Adapter 220 unterscheidet man vier Warteschlangenpunkte, von denen sich zwei (330, 340) am Sendeteil 240 und zwei weitere (310, 320) am Empfangsteil des Adapters befinden. Sobald ein Paket von einer der Ausgangsleitungen 250 empfangen wurde, wird am Empfangsteil 230 des Adapters ein Empfangsprozess 360 durchgeführt. Ein solcher Empfangsprozess 360 beinhaltet die Verbindungssteuerung, das Festlegen des Leitweges, die Aktualisierung der Statistik und die CRC-Prüfung (Cyclic Redundancy Checksum, zyklische Blockprüfsumme). Je nach der Architektur des Adapters ist der Empfangsprozess durch eine spezielle Hardwarelogikschaltung oder durch eine im Prozessor laufende Software realisiert. Die Softwarelösung bietet eine größere Flexibilität, jedoch ist sie nicht so leistungsfähig (d.h. bezüglich der Anzahl der je Zeiteinheit verarbeiteten Pakete) wie die spezielle Hardwarelösung, und folglich kann eine Warteschlange 310 dafür eingesetzt werden, die ankommenden Pakete in der Warteschlange zwischenzuspeichern, die schneller ankommen als sie durch das Empfangsprozesselement 360 verarbeitet werden. Diese Speicherung in der Warteschlange beschränkt sich auf mögliche Pakethäufungen. Im Empfangsteil 230 des Adapters kann eine zweite Warteschlange 320 vorgesehen werden, um eine mögliche Überlastung der Vermittlungseinheit 210 auszugleichen, jedoch ist der Nutzen dieser Warteschlange zu vernachlässigen, da Vermittlungsknoten im Allgemeinen dafür ausgelegt sind, dass sie schneller als Adapter arbeiten.
Auf der Sendeseite des Adapters wird ein Paket, das vom Vermittlungsknoten 210 zum Sendeteil 240 des Adapters gelangt, zuerst in der Ausgangswarteschlange 330 des Vermittlungsknotens zwischengespeichert, bevor es im Sendeverarbeitungselement 350 verarbeitet wird. Das Sendeverarbeitungselement 350 ermittelt die Zielausgangsleitung 250, über welche die Pakete gesendet werden sollen. Die Warteschlange 330 soll somit eine Verarbeitungsgeschwindigkeit des Sendeprozesses 350 ausgleichen, die je nach Ausführung (Software/Hardware) des Adapters niedriger ist als die Ankunftsgeschwindigkeit der ankommenden vermittelten Pakete. Wenn der Adapter als Software realisiert ist, ist der den Code ausführende Adapterprozessor so ausgelegt, dass er eine vorgegebene Paketsendegeschwindigkeit bewältigt, die höher ist als die entsprechende Leitungsgeschwindigkeit, und das Zwischenspeichern der Pakete in der Warteschlange 330 beschränkt sich auf das Ausgleichen möglicher Pakethäufungen. Bevor die Pakete über Zielausgangsleitungen gesendet werden, werden sie an Punkt 340 der Ausgangswarteschlange des Adapters zwischengespeichert.
Da Netzleitungen (aus Kostengründen) im Allgemeinen so ausgelegt sind, dass sie den Datenverkehr mit den angegebenen Kenndaten geradeso bewältigen, sind bei Überlastung als erste Ressourcen die Leitungen gesättigt. Folglich stellen die Ausgangswarteschlangen des Adapters das wichtigste Warteschlangenelement im Vermittlungsknoten zum Ausgleichen der Überlastung auf Leitungsebene dar. Aus diesem Grunde konzentriert sich die Realisierung der vorliegenden Erfindung besonders auf den Punkt 340 der Ausgangswarteschlange des Adapters, das heißt auf die Sendewarteschlangen am Ausgang des Vermittlungsknotens.
Die Bedeutung des Punktes 340 der Ausgangswarteschlange kommt in der Anzahl der unterschiedlichen Merkmale zur Verwaltung des Datenverkehrs zum Ausdruck, die auf dieser Ebene durch die unterschiedlichen Netzprovider angeboten werden. Der Punkt 340 der Ausgangswarteschlange umfasst eine Vielzahl von Warteschlangen (d.h. Pufferspeicher), in denen die Zwischenspeicherung nach Priorität, für einzelne Verbindungen, zum Leitungsausgleich usw. oder als deren Kombination erfolgen kann.
4 zeigt die Stelle, an der in einem Vermittlungsknoten nach 2 üblicherweise Paket-/Zellenzähler angebracht sind. Im Empfangsteil 230 des Adapters 220 sind als erste Zählergruppe die Empfangszähler 410 (CNT1) für das Zählen ankommender Pakete sowie fehlerhafter Pakete zuständig. Ebenfalls im Empfangsteil 230 des Adapters sind als zweite Zählergruppe Akzeptanz-/Löschzähler 420 (CNT2) mit dem Steuerprozess verbunden, der innerhalb des Empfangsprozesses 360 durchgeführt wird. Der Steuerprozess ist diejenige Funktion, welche überprüft, ob der durch eine bestimmte Verbindung unterstützte Datenverkehr den Vertragsbedingungen (SLA) entspricht. Wenn der Datenverkehr der Verbindung den vereinbarten Datenverkehr übersteigt, können die Pakete gelöscht oder markiert werden. Somit sind die Zähler 420 dafür zuständig, die markierten oder gelöschten bzw. die akzeptierten Pakete zu zählen. Im Sendeteil 240 des Adapters 220 befinden sich ebenfalls Zähler: eine dritte Zählergruppe 430 (CNT3) ist für das Zählen der Pakete, sobald diese durch das Koppelfeld empfangen werden, sowie der wegen Überlaufs der entsprechenden Puffer (Warteschlangen 330 in 3) gelöschten Pakete zuständig. Und schließlich gibt es noch eine vierte Zählergruppe 440 (CNT4) zum Zählen der Pakete, wenn diese die Warteschlangen 340 verlassen und bevor sie über die Übertragungsleitungen 250 laufen.
Alle vier Zählergruppen werden global je Adapter, je Anschluss, je Dienstklasse und eventuell je Verbindung realisiert. Am wichtigsten sind, wie bereits erwähnt, aus Sicht der Überwachung der Netzwerkressourcen diejenigen Zähler, welche das Verhalten der „Engpass"ressourcen widerspiegeln, da sie auch das Endpunkt-zu-Endpunkt-Verhalten bzw. die gebotene Dienstqualität widerspiegeln. Das sind demnach die Zähler 440 (CNT4). Die durch diese Zähler gelieferten Zahlen berücksichtigen jedoch nicht die mögliche Häufung des Datenverkehrs, sodass die berechnete Statistik der Leitungsauslastung ungenau ist.
Gemäß der Erfindung wird ein neues Verfahren zur Überwachung von Netzwerkressourcen bereitgestellt, das nicht einfach, wie bei den Zählern 440 (CNT4) üblich, auf der Zählung der über die Ausgangsleitungen der Knoten laufenden Pakete, sondern auf der Überwachung der Belegung von Warteschlangen beruht. Das Prinzip besteht darin, die Belegung jeder der „Engpass"warteschlangen, d.h. der Warteschlangen 340, jedes Mal dann zu messen, wenn ein Paket in eine dieser Warteschlangen aufgenommen wird. Obwohl dieses Verfahren im Folgenden lediglich anhand einer einzigen Speicherwarteschlange beschrieben wird, ist klar, dass jede der Speicherwarteschlangen 340 in derselben Weise überwacht wird.
Prinzip der Überwachung der Pufferbelegung
Das Prinzip der Überwachung der Puffer-/Warteschlangenbelegung beruht auf dem Definieren einer Vielzahl von N (N ist eine ganze Zahl) Schwellenwerten T(1) bis T(N), die durch die Anzahl der in der Warteschlange gespeicherten Pakete oder Bytes ausgedrückt werden. Bei ATM-Netzwerken würden sie durch die Anzahl der Zellen, bei Paketen mit variabler Größe wie in Frame-Relay-Netzwerken durch die Anzahl der Bytes ausgedrückt. Die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Warteschlange gespeicherten Zellen/Pakete wird in diesem Zusammenhang „Warteschlangengröße" genannt und durch den Begriff Qsize bezeichnet. Die Schwellenwerte T(1) bis T(N) werden so gewählt, dass sie unterschiedlichen prozentualen Belegungen der Warteschlange in Abhängigkeit von ihrer gesamten Speicherkapazität entsprechen. In Bezug auf diese N Schwellenwerte wird eine Anzahl von Warteschlangenzuständen ST(1) bis ST(N) definiert, die sich auf den Vergleich der Warteschlangengröße mit den Schwellenwerten T(1) bis T(N) beziehen. Die Warteschlangenzustände ST(1) bis ST(N) sind wie folgt definiert:
ST(1): Warteschlangenzustand, wenn T(1) <= Qsize < T(2);
... ...
ST(p): Warteschlangenzustand, wenn T(p–1) <= Qsize < T(p);
... ...
ST(N–1): Warteschlangenzustand, wenn T(N–1) <= Qsize < T(N);
ST(N): Warteschlangenzustand, wenn Qsize >= T(N),
wobei „<=" bedeutet: „kleiner als oder gleich",
und „>=": „größer als oder gleich".
Ferner ist eine Anzahl von N Zählern PT(1) bis PT(N) vorgesehen. Jeder Zähler PT(i) (i zwischen 1 und N) wird immer dann erhöht, wenn der Warteschlangenzustand Queue_State sich in einem der Zustände ST(i) bis ST(N) befindet.
Im Folgenden wird der Gesamtprozess der Überwachung der Warteschlangenbelegung in Verbindung mit 5 beschrieben. Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist dieser Prozess in Form eines Computerprogramms innerhalb des Sendeprozesses 240 (3) im Sendeteil 220 des Adapters realisiert.
Der Prozess der Überwachung der Warteschlangenbelegung gemäß der Erfindung beginnt in Kasten 501. Dann wird in Kasten 503 ein Initialisierungsschritt INIT ausgeführt, bei dem alle N Zähler PT(i) zwischen 1 und N auf den Anfangswert null gesetzt werden. In Kasten 503 wird ebenfalls ein neuer Überwachungszeitraum T gestartet. In Kasten 505 wird beim Empfang eines neuen Pakets vom Koppelfeld dessen Größe PS aus den Kopfdaten entnommen. Hierzu ist bemerken, dass bei ATM-Zellen die Zellengröße fest vorgegeben ist und die Größe der Warteschlangen durch die Anzahl der Zellen angegeben wird. Dann wird im Entscheidungskasten 507 geprüft, ob die Warteschlange dieses Paket akzeptieren kann. Das heißt, die Größe der Warteschlange (Anzahl der momentan in der Warteschlange gespeicherten Zellen/Bytes) zuzüglich der Größe PS des ankommenden Pakets muss kleiner als die maximale Speicherkapazität Max_Queue der Warteschlange sein. Wenn dies nicht der Fall ist (NEIN), geht der Prozess weiter zu Kasten 509, in welchem alle Zähler PT(i) mit i zwischen 1 und N erhöht werden und abschließend das neue Paket gelöscht wird, da es nicht in der Warteschlange gespeichert werden kann. Dann geht der Prozess weiter zum Entscheidungskasten 515. wenn hingegen das neue Paket in der Warteschlange gespeichert werden kann (JA), wird dieses in Kasten 511 in der Warteschlange akzeptiert und deshalb die aktuelle Größe (Qsize) der Warteschlange durch die Größe (PS) des neuen Pakets aktualisiert. Dann wird in Kasten 513 der Zustand der Warteschlange (Queue_State) in Bezug auf die oben definierten Warteschlangenzustände ST(1) bis ST(N) ermittelt. Wenn der Warteschlangenzustand ermittelt ist, wird ST(k) (k ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N) ermittelt, und anschließend werden die Zähler PT(1) bis PT(k) erhöht. Der Prozess geht weiter zum Entscheidungskasten 515, in welchem geprüft wird, ob der Überwachungszeitraum T abgelaufen ist. Wenn dies nicht der Fall ist (NEIN), springt der Prozess zurück zu Kasten 505, um ein neues Paket zu empfangen. Ist dies jedoch der Fall (JA), endet der Prozess in Kasten 517, in welchem alle Zählerwerte PT(1) bis PT(N) durch ΣPT(i) geteilt werden.
Dabei ist ΣPT(i) = PT(1) + PT(2)+ ... + PT(N)
Auf diese Weisen drücken die erhaltenen Endwerte PT(i) jeweils den prozentualen Anteil von Paketen aus, die während des Überwachungszeitraums T angekommen sind, während sich die Warteschlange in einem der Zustände ST(i) bis ST(N) befand. Mit anderen Worten, jeder Wert PT(1) bis PT(N) zeigt jeweils den prozentualen Anteil von Paketen an, die während des Überwachungszeitraums T angekommen sind, während die Größe (Qsize) der Warteschlange gleich dem jeweiligen Schwellenwert T(1) bis T(N) oder größer war.
Abschließend werden in Kasten 517 die Endwerte PT(1) bis PT(N) durch den Universalprozessor des Adapters abgerufen, sodass diese Werte durch den Statistikserver für das Verkehrsvolumen aufgerufen werden können. Nach Abarbeitung von Kasten 517 springt der Prozess zurück zu Kasten 503 INIT, um einen neuen Überwachungszeitraum zu initialisieren. Hierzu ist zu bemerken, dass der Zeitraum T so gewählt werden muss, dass es nicht zum Zählerüberlauf kommt. Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird für T ein Zeitraum von 15 Minuten gewählt.
Parallel zu dem obigen in Verbindung mit 5 beschriebenen Prozess wird jedes Mal, wenn ein Paket aus der Warteschlange erfolgreich über eine Ausgangsleitung 250 gesendet wurde, die Größe (Qsize) der Warteschlange entsprechend um die Größe des Pakets verringert.
Somit ergibt sich nach Ablauf jedes Überwachungszeitraums T und für jede Warteschlange 340 eine Einschätzung des zeitlichen Verlaufs der Warteschlangenbelegung im Verhältnis zu den während des betrachteten Überwachungszeitraums T gewählten Schwellenwerten T(1) bis T(N). Die Einschätzung der Warteschlangenbelegung kann mittels eines Satzes von N Werten PT(1) bis PT(N) erfolgen. Jeder Wert PT(i) zeigt den prozentualen Anteil von Paketen an, die während des Überwachungszeitraums T angekommen sind, während die Größe (Qsize) der Warteschlange gleich dem Schwellenwert T(i) oder größer war, wobei T(i) den prozentualen Anteil an der gesamten Warteschlangenkapazität ausdrückt. Deshalb ist klar, dass eine solche Einschätzung des zeitlichen Verlaufs der Warteschlangenbelegung den stoßweisen oder gleichmäßigen Charakter des über die überwachte Leitung strömenden Datenverkehrs berücksichtigt, was bei dem Verfahren der mittleren Leitungsauslastung nach dem Stand der Technik nicht der Fall ist.
Zur Beachtung: „Stoßweise" bezieht sich auf Datenverkehr mit variabler Bitrate, bei dem zwischen den Datenübertragungen unterschiedlich viel Zeit vergeht.
6 zeigt nun ein schematisches Blockschaltbild, das eine allgemeine Architektur zur Netzwerkverwaltung darstellt, in welcher auf Knotenebene Zählerwerte abgerufen und zur Erstellung einer Netzwerkstatistik und zur Durchführung der Kapazitätsplanung verwendet werden. In 6 ist zur Vereinfachung lediglich ein einziger Netzwerkknoten 601 dargestellt. Im Knoten 601 ist ein Koppelfeld 210 mit einer Vielzahl von Adaptern 220 verbunden. Ebenfalls im Knoten 601 stellt ein Steuerpunktprozessor (Control Point, CP) 611 die Steuerfunktionen für das Netzwerk bereit. In den Adaptern 220 befinden sich Speicher 609, in welchen die Zählerwerte der Adapter gespeichert werden. Die Pfeile 613 zeigen, dass der Steuerpunktprozessor 611 periodisch die während der Messzeiträume gemessenen unterschiedlichen Zählerwerte sammelt. Diese Daten werden entlang Pfeil 617 periodisch zum Statistikserver für das Verkehrsvolumen 603 gesendet, der alle Statistikdaten von allen Netzwerkknoten im Hintergrund sammelt, üblicherweise nachts. Der Statistikserver 603 sendet die Statistikdateien mit den Daten für alle Netzwerkressourcen periodisch oder auf Verlangen zu einem Netzwerküberwachungszentrum 605, auf welches der Pfeil 625 zeigt. In diesem Netzwerküberwachungszentrum 605 überwachen Mitarbeiter mittels dieser Dateien die Netzwerkressourcen und ergreifen die geeigneten Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität. Die Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität erfolgen über eine Netzwerkverwaltungskonsole 607, üblicherweise einen Personal Computer oder einen Arbeitsplatzcomputer, auf welchen der Pfeil 621 zeigt. Die Netzwerkverwaltungskonsole 607 sendet die Befehle zur Planung der Netzwerkkapazität zum Steuerpunktprozessor 611 der betreffenden Netzwerkknoten, auf welchen der Pfeil 623 zeigt. Und schließlich kann auch durch einen Mitarbeiter über die Netzwerkverwaltungskonsole 607 in Echtzeit direkt auf die in den Speicherplätzen 609 der Knotenadapter 220 gespeicherten Zählerwerte zugegriffen werden.
Für den oben in Verbindung mit 6 beschriebenen Fall der Netzwerkverwaltung wird im Folgenden beschrieben, wie der in Verbindung mit 5 beschriebene Prozess der Erfindung zur Überwachung der Pufferbelegung auf vorteilhafte Weise für eine wirksame Planung der Netzwerkkapazität eingesetzt werden kann.
7A bis 7B zeigen eine wirksame Planung der Netzwerkkapazität gemäß der Erfindung unter vorteilhafter Nutzung des Prozesses von 5 zur Überwachung der Pufferbelegung. 7A ist ein Flussdiagramm, welches den Prozess zur Kapazitätsplanung darstellt, und 7B listet die verschiedenen Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität auf, die in Verbindung mit dem Flussdiagramm von 7A ergriffen werden.
Es ist bemerken, dass der durch 7A bis 7B dargestellte Prozess zur Kapazitätsplanung zwar die Entscheidungen zeigt, die aufgrund der Beobachtung sowohl der Statistik der mittleren Leitungsauslastung als auch der Zählerwerte PT(i) der Warteschlangenbelegung gemäß der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung getroffen werden, dass aber auch ein Prozess zur Kapazitätsplanung allein aufgrund der Beobachtung der Zählerwerte PT(i) realisiert werden kann.
Der durch 7A bis 7B dargestellte Prozess wird in Form von Computerprogrammen realisiert, die in einem speziellen Überwachungscomputer im Netzwerküberwachungszentrum 605 automatisch ablaufen. Statistikwerte werden zuerst im Statistikserver für das Verkehrsvolumen (6, 603) gesammelt, welche die Knoten/Leitungen der Netzwerkressourcen betreffen, und dann jede Nacht vom Statistikserver automatisch abgerufen und als Dateien in Massenspeichern (z.B. Plattenspeichern) im Netzwerküberwachungszentrum 605 gespeichert. Wie bereits erwähnt, enthalten diese Statistikwerte sowohl Statistikwerte zur mittleren Leitungsauslastung, die normalerweise berechnet werden, als auch leitungsbezogene Statistikwerte zur Pufferbelegung, die in der in Verbindung mit 5 beschriebenen Weise berechnet werden.
Alle vom Statistikserver für das Verkehrsvolumen abgerufenen Statistikwerte werden im Netzwerküberwachungszentrum automatisch für einen längeren Zeitraum (z.B. je Tag, Woche oder Monat) zusammengefasst (z.B. gemittelt), bevor sie zur Netzwerkplanung eingesetzt werden. Der Prozess zur Netzwerkplanung kann ausgehend von diesen gemittelten Statistikwerten entweder manuell durch einen Mitarbeiter oder, wenn die Statistikwerte vorgegebene Schwellenwerte erreichen, automatisch gestartet werden.
Der Prozess der Erfindung zur wirksamen Planung der Netzwerkkapazität in 7A wird in Kasten 701 gestartet, sobald der automatisierte Prozess zur Überwachung der Netzwerkleitungen aktiviert wird. Dann geht der Prozess weiter zu Kasten 703, wo eine zu überwachende Leitung ausgewählt wird und die entsprechenden Statistikwerte vom Speicher im Netzwerküberwachungszentrum abgerufen werden. Die leitungsbezogenen Statistikwerte beinhalten:

– die zugehörige Tages- oder Wochenstatistik der mittleren Leitungsauslastung („Link_Use");
– die zugehörige Statistik der Leitungspufferbelegung („PT(i)-Werte"), d.h. die gemittelten Werte PT(i) (bei der bevorzugten Ausführungsart die Werte PT(1) bis PT(4)), wobei jeder Wert PT(i) den prozentualen Anteil von Paketen anzeigt, die während des langen betrachteten Zeitraums angekommen sind, während die Größe (Qsize) der Warteschlange gleich dem Schwellenwert T(i) oder größer war;
– das Paketverlustverhältnis („Packet_Loss"), d.h. der prozentuale Anteil der infolge Überlastung während des langen betrachteten Zeitraums gelöschten Pakete.

Dann geht der Prozess weiter zum Entscheidungskasten 705, wo ermittelt wird, ob der Wert Packet_Loss der Leitung größer als die SLA-Anforderungen für die über die Leitung laufenden Verbindungen oder ob der Wert Link_Use größer als der erste vorgegebene Wert U1 ist. Wenn der Wert Packet_Loss der Leitung die SLA-Anforderungen überschreitet, bedeutet dies, dass die Leitung bereits nicht mehr in der Lage ist, eine den SLA-Anforderungen entsprechende gute Dienstqualität bereitzustellen, da sie überlastet ist. Wenn der wert Link_Use den ersten vorgegebenen Wert U1 zur Leitungsauslastung überschreitet, der bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung gleich 85% ist, bedeutet dies, dass ein relativ hohes Risiko besteht, dass Pakete gelöscht werden und eine Entscheidung zur Verhinderung einer möglichen Überlastung getroffen werden muss. Wenn also einer der obigen Fälle oder beide vorliegen (JA), müssen in Kasten 731 Entscheidungen gefällt werden, wo die Maßnahmen A1 und A2 vorgenommen werden, um einige der aktuell über die Leitung (A1, 7B) laufenden Verbindungen umzuleiten und die Aufnahme neuer Verbindungen (A2, 7B) zu beenden.
Lautet das Ergebnis der Prüfung hingegen NEIN, geht der Prozess weiter zu Kasten 707, um den Wert PT(4) der Pufferbelegung zu prüfen. Wenn PT(4) größer als ein erstes vorgegebenes Verhältnis P1 der Pufferbelegung (T(4) = 70% und P1 = 2% bei der bevorzugten Ausführungsart) oder gleich groß ist, bedeutet dies, dass der prozentuale Anteil von Paketen PT(4), die während der Überwachungszeitdauer angekommen sind, während die Warteschlangenbelegung (Qsize) gleich oder größer als T(4) war, größer oder gleich P1 ist. Im Vergleich zu den gegenwärtig garantierten SLA-Werten mit einem Verhältnis der Paketverlustwahrscheinlichkeit von etwa 10^–5 bis 10^–8 ist ein Wert von P1 = 2% als hoch anzusehen.
In diesem Falle (JA) werden in Kasten 733 Entscheidungen gefällt, um durch die Maßnahmen A2 und A3 die Aufnahme neuer Verbindungen (A2) zu beenden und die Leitung weiterhin unablässig zu überwachen (A2) und so die Erfüllung der SLA-Vorgaben zu prüfen.
Lautet das Prüfergebnis hingegen NEIN, geht der Prozess weiter zu Kasten 709, um den Wert PT(3) der Pufferbelegung zu prüfen. Wenn PTT(3) größer als ein zweites vorgegebenes Verhältnis P2 der Pufferbelegung oder gleich groß ist (T(3) = 4% und P2 = 10% bei der bevorzugten Ausführungsart), bedeutet dies, dass der prozentuale Anteil PT(3) von Paketen, die während des Überwachungszeitraums angekommen sind, während die Warteschlangenbelegung (Qsize) gleich T(3) oder größer war, größer oder gleich P2 ist. Das bedeutet, dass sich die verwendeten Puffer außerordentlich nahe ihrer maximalen Kapazität befinden, dass sie aber ziemlich oft zwischen T(3) (40%) und T(4) (70%) verwendet werden. Daher liegt die Annahme nahe, dass Verbindungen, welche den stoßweisen Datenverkehr und folglich die Pufferbelegung erhöhen, nicht aufgenommen werden sollten. Verbindungen, die nicht in Echtzeit und/oder nicht stoßweise betrieben werden, können jedoch die Leitungsauslastung erhöhen, ohne das Verhalten der Pufferbelegung zu verändern. Folglich können diese Verbindungen auf der überwachten Leitung des Netzwerks akzeptiert werden, solange ihre Bandbreite im Vergleich zur Leitungskapazität klein bleibt.
Lautet das Ergebnis des Entscheidungskastens 709 JA, werden in Kasten 735 Entscheidungen gefällt und durch die Maßnahmen A4 und A7 die Aufnahme neuer stoßweise arbeitender Verbindungen beendet (A4) und neue nicht stoßweise arbeitende Verbindung zu einer vorgegebenen Bedingung aufgenommen (A7). Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung besteht diese Bedingung darin, dass die Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr über eine gemietete Bandbreite verfügen müssen, die weniger als 1/20 der gesamten Leitungskapazität beträgt.
Wenn in Kasten 709 hingegen PT(3) kleiner als P2 ist (NEIN), geht der Prozess weiter zum Entscheidungskasten 711, um den Wert PT(2) der Pufferbelegung zu prüfen. Wenn PT(2) größer als ein drittes vorgegebenes Verhältnis P3 der Pufferbelegung oder gleich groß ist (T(2) = 20% und P3 = 20% bei der bevorzugten Ausführungsart), bedeutet dies, dass der prozentuale Anteil von Paketen PT(2), die während des Überwachungszeitraums angekommen sind, während die Warteschlangenbelegung (Qsize) gleich oder größer als T(2) war, größer als oder gleich P3 ist. In diesem Falle (711, JA) zeigt sich, dass die Pufferbelegung über ausreichend Reserven verfügt, um einige weitere Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr aufzunehmen. Es wird jedoch eher empfohlen, die mittlere Leitungsauslastung (Link_Use) im Entscheidungskasten 727 zu überprüfen, wo der Wert Link_Use mit einem zweiten vorgegebenen Wert U2 verglichen wird, der bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung gleich 60% ist.
Wenn der Wert Link_Use nun kleiner als der zweite vorgegebene Wert U2 der Leitungsauslastung ist (727, JA), bedeutet dies, dass die Leitung in Bezug auf den Preis je befördertem Bit bereits optimiert ist und das Risiko der Paketverluste im Verhältnis zur Erhöhung der Leitungsauslastung zu groß ist. Folglich werden nur Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen und in Kasten 755 die Maßnahme A6 durchgeführt. Da jedoch die Leitungsauslastung geringer als U2 ist, ist es lohnenswert, die Anzahl der über die Leitung laufenden Verbindungen zu erhöhen, um den Preis je befördertem Bit zu senken. Folglich wird in Kasten 755 auch die Maßnahme A5 durchgeführt, um Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr unter der Bedingung aufzunehmen, dass die ihnen zugewiesene Bandbreite bleibt, die klein ist im Vergleich zur Leitungskapazität; für die bevorzugte Ausführungsart heißt das, dass ihre Bandbreite (CIR beim Frame-Relay-Verfahren) kleiner als 1/30 der gesamten Leitungskapazität ist.
Wenn im Entscheidungskasten 711 PT(2) kleiner als ein dritter vorgegebener Wert P3 der Pufferbelegung ist (NEIN), wird im Entscheidungskasten 713 der Wert PT(1) der Pufferbelegung mit einem vierten vorgegebenen Verhältnis P4 der Pufferbelegung verglichen (T(1) = 5% und P4 = 20% bei der bevorzugten Ausführungsart). Wenn der Wert PT(1) größer als P4 oder gleich groß ist (JA), bedeutet dies, dass der prozentuale Anteil von Paketen PT(1), die während des Überwachungszeitraums angekommen sind, während die Warteschlangenbelegung (Qsize) gleich oder größer als T(1) war, größer als oder gleich P4 ist. In diesem Fall wird in Kasten 723 eine weitere Prüfung der Leitungsauslastung durchgeführt, indem der Wert Link_Use mit einem dritten vorgegebenen Wert U3 verglichen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung ist U3 gleich 65%.
Wenn der Wert Link_Use kleiner als U3 ist (JA), ist die Leitungsauslastung nicht zu hoch, und Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr können unter der Bedingung aufgenommen werden, dass die ihnen zugewiesene Bandbreite im Vergleich zur Leitungskapazität klein bleibt. Folglich wird in Kasten 737 die Maßnahme A5 durchgeführt, das heißt, dass Verbindungen aufgenommen werden können, wenn die ihnen zugewiesene Bandbreite kleiner als 1/30 der gesamten Leitungskapazität ist. In Kasten 737 wird auch die Maßnahme A6 durchgeführt, um neue Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr aufzunehmen.
Wenn hingegen in Kasten 723 der Wert Link_Use größer als U3 oder gleich ist (NEIN), geht der Prozess weiter zu Kasten 739, um mittels der Maßnahmen A4 und A6 keine weiteren Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr aufzunehmen (A4), aber neue Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr aufzunehmen (A6).
Wenn im Entscheidungskasten 713 der Wert PT(1) kleiner als P4 ist (NEIN), wird dieser Wert PT(1) im Entscheidungskasten 715 noch einmal geprüft. In Kasten 715 wird der Wert PT(1) mit einem fünften vorgegebenen Verhältnis P5 der Pufferbelegung verglichen. Bei der bevorzugten Ausführungsart ist P5 gleich 10%.
Wenn das Ergebnis der Prüfung lautet, dass PT(1) gleich oder kleiner als P6 ist (JA), wird der Wert PT(2) in Kasten 719 einer weiteren Prüfung unterzogen, indem PTT(2) mit einem siebenten vorgegebenen Verhältnis P7 der Pufferbelegung verglichen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsart ist P7 gleich 5%.
Wenn sich im Entscheidungskasten 719 herausstellt, dass PT(2) gleich oder größer als P7 ist (JA), bedeutet dies, dass die Puffer während eines großen Teils des Überwachungszeitraums belegt sind. Deshalb wird im Entscheidungskasten 725 die mittlere Leitungsauslastung Link_Use mit einem vierten vorgegebenen Wert U4 verglichen, der bei der bevorzugten Ausführungsart auf 5% festgesetzt wird.
Wenn der Wert Link_Use kleiner als U4 ist (JA) und somit die Leitung nicht zu stark ausgelastet ist, werden in Kasten 751 die Maßnahmen A5 und A6 durchgeführt, wobei: jede Verbindung ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen werden kann (A6), während Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr unter der Bedingung aufgenommen werden können, dass die ihnen zugewiesene Bandbreite nicht zu groß ist (A5). Bei der bevorzugten Ausführungsart lautet diese Bedingung, dass ihre Bandbreite kleiner als 1/30 der gesamten Leitungskapazität sein muss.
Wenn jedoch in Kasten 725 der Wert Link_Use größer als U4 ist (NEIN), werden in Kasten 749 die Maßnahmen A4 und A6 durchgeführt, sodass jede Verbindung mit stoßweisem Datenverkehr abgewiesen wird (A4), während jede Verbindung ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen werden kann (A6).
Wenn im Entscheidungskasten 719 festgestellt wird, dass der Wert PT(2) kleiner als P7 ist (NEIN), wird im Entscheidungskasten 721 die mittlere Leitungsauslastung Link_Use mit einem fünften vorgegebenen Wert U5 verglichen, der bei der bevorzugten Ausführungsart auf 5% festgelegt wird.
Wenn der Wert Link_Use kleiner als U5 ist (JA), ist die Leitung nicht allzu stark ausgelastet, und in Kasten 743 werden die Maßnahmen A5 und A6 durchgeführt, sodass: jede Verbindung ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen werden kann (A6), während Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr unter der Bedingung aufgenommen werden können, dass die ihnen zugewiesene Bandbreite nicht zu groß ist (A5). Bei der bevorzugten Ausführungsart lautet diese Bedingung, dass ihre Bandbreite weniger als 1/20 der gesamten Leitungskapazität betragen muss.
Ist der Wert Link_Use in Kasten 721 hingegen größer als U5 (NEIN), werden in Kasten 741 die Maßnahmen A4 und A6 durchgeführt, sodass neue Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr abgewiesen werden (A4), während alle Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen werden können (A6).
Wenn sich im Entscheidungskasten 715 herausstellt, dass der Wert PT(1) kleiner als P5 ist (NEIN) (mit T(1) = 5% und P5 = 10%), wird PT(2) im Entscheidungskasten 717 noch einmal geprüft, indem der Wert mit einem sechsten vorgegebenen Verhältnis P6 der Pufferbelegung verglichen wird. Bei der bevorzugten Ausführungsart ist P6 gleich 5%. Wenn sich herausstellt, dass PT(2) gleich oder größer als P6 ist (JA), bedeutet dies, dass die Puffer im Mittel fast leer sind (da PT(1) kleiner als P5 ist), außer wenn Verkehrsspitzen auftreten. In diesem Fall wird der Schwellenwert T(2) der Pufferbelegung überschritten. Da das Risiko der Pufferüberlastung sehr gering ist, können deshalb alle Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr aufgenommen werden, was durch die Maßnahme A6 in Kasten 747 zum Ausdruck kommt. Die Durchführung der Maßnahme A5 in Kasten 747 bedeutet, dass auch Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr aufgenommen werden können, und zwar mit der Einschränkung, dass die ihnen zugewiesene Bandbreite kleiner als 1/10 der gesamten Leitungskapazität ist.
Wenn im Entscheidungskasten 717 schließlich gefunden wird, dass der Wert PT(2) kleiner als P6 ist (NEIN) (P6 = 5%), kann die Leitung als im Leerlauf befindlich angesehen werden, da gleichzeitig auch der Wert PT(1) kleiner als P5 ist (Zweig NEIN in Kasten 715).
Obwohl die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsart beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass die Erfindung mit Varianten und Abänderungen angewendet werden kann. Deshalb sind die beiliegenden Ansprüche so zu verstehen, dass sie sowohl die bevorzugte Ausführungsart als auch alle ihrer Varianten und Abänderungen beinhaltet, die in den Geltungsbereich der Erfindung fallen.

Claims

Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität zur Verwendung in einem paketvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetzwerk (100), wobei das Netzwerk eine Vielzahl von Vermittlungsknoten (101 bis 106) umfasst, die durch eine Vielzahl von Datenleitungen (107) miteinander verbunden sind, jeder der Vermittlungsknoten ein Mittel (210) zum Vermitteln von Paketen von mindestens einer Eingangsleitung (250) zu mindestens einer Ausgangsleitung (250) umfasst, jede der mindestens einen Ausgangsleitungen (250) mit mindestens einem Puffer (340) im Vermittlungsknoten verbunden ist, um Pakete vor dem Senden über die Ausgangsleitung in einer Warteschlange zwischenzuspeichern; wobei das verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität dadurch gekennzeichnet ist, dass es die folgenden Schritte umfasst: Messen des zeitlichen Verlaufs der Belegung des mindestens einen Puffers (340) während einer vorgegebenen Überwachungszeitspanne in jedem Vermittlungsknoten und für jede der Ausgangsleitungen (250); und Speichern der für jede Ausgangsleitung gemessenen Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung in einem zentralen Speicher (611); Abrufen der in dem zentralen Speicher (611) in allen Vermittlungsknoten gespeicherten Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung, Sammeln und Speichern der abgerufenen Daten in einem speziellen Netzwerkserver (603); Senden der Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung für alle Knoten von dem speziellen Server (603) zu einem Netzwerküberwachungszentrum (605); Zusammenfassen der Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung über einen längeren Zeitraum und Speichern dieser zusammengefassten Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung im Netzwerküberwachungszentrum (605); und Verwenden dieser zusammengeführten Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung zum Durchführen von Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt des Messens des zeitlichen Verlaufs der Belegung des mindestens einen Puffers (340) während eines vorgegebenen Überwachungszeitraums in jedem Vermittlungsknoten und für jede Ausgangsleitung (250) für jeden der mindestens einen Puffer (340) Folgendes beinhaltet: Definieren einer Vielzahl von N (wobei N eine ganze Zahl ist) Schwellenwerten T(1) bis T(N) der Pufferbelegung, wobei jeder dieser Schwellenwerte für ein Verhältnis der Gesamtbelegung des Puffers (340) kennzeichnend ist; Definieren einer Vielzahl von N Pufferzuständen ST(1) bis ST(N), wobei jeder dieser Zustände für die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt im Puffer gespeicherten Pakete im Verhältnis zu den Schwellenwerten T(1) bis T(N) kennzeichnend ist; Definieren einer Vielzahl von N Zählern PT(1) bis PT(N), wobei jeder dieser Zähler PT(i) (i ist eine ganze Zahl zwischen 1 und N) erhöht wird, wenn festgestellt wird, dass der Pufferzustand einem der Zustände ST(i) bis ST(N) entspricht, wobei der Schritt des Messens des zeitlichen Verlaufs der Belegung des mindestens einen Puffers (340) während eines vorgegebenen Überwachungszeitraums dadurch erfolgt, dass eine Anzahl von N Werten PT(1) bis PT(N) erhalten wird, die jeweils für den prozentualen Anteil von Paketen kennzeichnend sind, die während des Überwachungszeitraums angekommen sind, während die Anzahl der zum Ankunftszeitpunkt im Puffer gespeicherten Pakete gleich dem jeweiligen Schwellenwert T(1) bis T(N) oder größer war.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach Anspruch 2, bei welchem die Anzahl N der Schwellenwerte der Pufferbelegung, der Pufferzustände und der Zähler gleich vier ist und die Pufferzustände ST(1) bis ST(4) wie folgt definiert sind: ST(1): Pufferzustand, wenn T(1) <= Qsize < T(2); ST(2): Pufferzustand, wenn T(2) <= Qsize < T(3); ST(3): Pufferzustand, wenn T(3) <= Qsize < T(4); ST(4): Pufferzustand, wenn Qsize >= T(4) ist, wobei „<=" „kleiner als oder gleich" und „>=" „größer als oder gleich" bedeutet und sich der Begriff „Qsize" auf die Anzahl der zu einem bestimmten Zeitpunkt im Puffer gespeicherten Pakete bezieht.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach Anspruch 3, bei welchem die Schwellenwerte T(1) bis T(4) der Pufferbelegung jeweils für 5 Prozent, 20 Prozent, 40 Prozent und 70 Prozent der Gesamtbelegung des Puffers kennzeichnend sind.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem der Schritt des Zusammenfassens der Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung über einen längeren Zeitraum im Netzwerküberwachungszentrum (605) Folgendes beinhaltet: Mitteln der für jeden vorgegebenen Messzeitraum gemessenen Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung über einen langen Zeitraum, bevor sie zur Durchführung von Maßnahmen zur Kapazitätsplanung zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach Anspruch 5, bei welchem der lange Zeitraum einen Tag, eine Woche oder einen Monat betrifft.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei welchem der Schritt der Verwendung der zusammengefassten Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung zur Durchführung von Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität Folgendes beinhaltet: Vergleichen jedes aus der Vielzahl von N zusammengefassten Zählerwerten PT(1) bis PT(N) für jede Ausgangsleitung jeweils mit mindestens einem vorgegebenen Verhältnis der Pufferbelegung (7A, P1 bis P7), wobei das Ergebnis des Vergleichs eine bestimmte für die Leitung durchzuführende Maßnahme der Kapazitätsplanung festlegt.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches ferner die folgenden Schritte umfasst: Berechnen und Speichern von Daten der mittleren Leitungsauslastung für jede Leitung im Netzwerküberwachungszentrum (605), wobei die Daten der mittleren Leitungsauslastung auf dem Zählen der Pakete während des vorgegebenen Überwachungszeitraums beruhen, bevor diese Pakete über die Leitung gesendet werden; und Kombinieren der Daten der mittleren Leitungsauslastung mit den Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung für jede Datenleitung, um eine bestimmte für die Leitung durchzuführende Maßnahme der Kapazitätsplanung festzulegen.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach Anspruch 8, welches ferner für jede Netzausgangsleitung den prozentualen Anteil der während des vorgegebenen Überwachungszeitraums gelöschten Pakete zusammen mit den Daten der mittleren Leitungsauslastung und den Daten des zeitlichen Verlaufs der Pufferbelegung dazu verwendet, eine bestimmte für die Leitung durchzuführende Maßnahme der Kapazitätsplanung festzulegen.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die auf jede Ausgangsleitung anzuwendenden Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität allein oder zusammen die folgenden Maßnahmen umfassen: Umleiten der über die Leitung laufenden Verbindungen; Beenden der Aufnahme neuer Verbindungen auf die Leitung; Weitere Überwachung der Leitung; Beenden der Aufnahme neuer Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr auf die Leitung; Aufnehmen neuer Verbindungen mit stoßweisem Datenverkehr, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist; Aufnehmen jeder neuen Verbindung ohne stoßweisen Datenverkehr; Aufnehmen neuer Verbindungen ohne stoßweisen Datenverkehr, wenn eine vorgegebene Bedingung erfüllt ist; Aufnehmen jeder neuen Verbindung.
Verfahren zur Planung der Netzwerkkapazität nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem diese Maßnahmen zur Planung der Netzwerkkapazität über eine Netzwerkverwaltungskonsole (607) auf die Vielzahl der Datenleitungen angewendet werden, wobei die Netzwerkverwaltungskonsole Befehle zum zentralen Speicher (611) in jedem Vermittlungsknoten sendet, welche den Maßnahmen zur Kapazitätsplanung entsprechen.
Computersystem zur Benutzung in einem paketvermittelten Hochgeschwindigkeitsnetzwerk, wobei das Computersystem Vorrichtungen enthält, um ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche auszuführen.