FI98873B - Menetelmä puskurin hallitsemiseksi - Google Patents

Description

98873

MENETELMÄ PUSKURIN HALLITSEMISEKSI

Esillä olevan keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty menetelmä puskurin 'hallitsemiseksi dataverkossa, jossa siirret-5 tävä data on jaettu kehyksiin ja jossa kehykseen edelleen kuuluu joukko soluja.

Nykyään datan välittämiseen käytetään suuri-nopeuksisia dataverkkoja, joista eräs esimerkki on ATM(Asynchronous Transfer Mode)-verkko. Suurten siir-10 tonopeuksien lisäksi ATM:n huomattavampia etuja ovat kytkentäinen ja dynaaminen arkkitehtuuri. ATM pystyy vaivattomasti sopeutumaan erilaisiin tapauskohtaisiin liikennöintinopeuksiin. Lisäksi ATM-päätelaitteet voivat varata haluamansa osan ATM-verkon kaistaleveydestä 15 muodostaakseen puhelinverkon kaltaisia yhteyksiä. Kyt-kentäisyyden takia yksi tärkeimmistä ATM:n suorituskykyyn vaikuttavista tekijöistä onkin ATM-laitteessa olevan kytkentäpiirin arkkitehtuuri.

Siirrettäessä informaatiota kahden tietoko- 20 neen välillä niin yksityisten kuin julkistenkin ATM- verkkojen läpi lähettäjän on neuvoteltava jokaisen . . matkalle osuvan solmun tai solmupisteen kanssa paket- • · · .

tien reitityksestä, siirtonopeuksista ja palveluta- *···* soista. Prosessi on periaatteessa yhdenmukainen puhe- #. · V*: 25 linverkon yhteydenmuodostamisen kanssa. Huomattavin ϊ**ϊ ero on palvelutason määritteleminen. Liikennekuvaus : määrittelee parametrit AIM-solujen keskimääräisen siirtonopeuden sekä purskeen keston ja viipeen vaihte-lutoleranssin. Lisäksi sovitaan, palveleeko yhteys va-. 30 kio- (constant bit rate) vai vaihtelevannopeuksisia (variable bit rate) lähteitä ja onko kyseessä yhtey- *\* dellinen kuten frame relay- vai lähiverkosta tuttu yh- .......

Ι ’,ί teydetön liikenne.

t**Y Sovitusta palvelutasosta riippuen solmut nou- * ··· .....

35 dattavat prioriteetteja, jotka määräävät, mikä haluk- ***:. kaista soluista päästetään ensimmäiseksi sisään ATM- ··*·· piiriin. Lisäksi prioriteeteilla sovitaan, mitkä so- 2 ............

98873 luista poistetaan ensimmäisinä, kun siirtokanava jostain syystä ylikuormittuu.

ATM-yhteys muodostuu solmuja ja päätelaitteita yhdistävän fyysisen kupari- tai valokaapelin sisään 5 syntyvistä väylistä (Virtual Path), jotka puolestaan . L

jakautuvatloogisiin useisiin kanaviin (Virtual Channel) . Väylillä toteutetaan kiinteästi varatut yhteydet ja kanavilla taas kytkentäiset hetkelliset yhteydet.

Joustavan arkkitehtuurin ansiosta yhden väylän rinnak-10 kaiset kanavat voivat siirtää kukin erityyppistä dataa. ATM:lie ominaisen virtuaalisuuden käsite syntyykin ajatuksesta, että solun fyysinen liikkuminen ATM-kytkentäpiirin läpi kestää vain hetken, vaikka yhteys on koko ajan käytettävissä.

15 ATM-solun kiinteäksi pituudeksi on valittu 53 tavua, joista varsinaista informaatiota on 48 tavua.

Tilan säästämiseksi ATM-solun 5-tavuinen otsikkokenttä (header) ei sisällä kaikkea tarvittavaa reititysinfor-maatiota, vaan ainoastaan tiedot seuraavasta väylästä 20 (VP) ja kanavasta (VC). ATM olettaa, että alla oleva siirtotie on luotettava, joten solmupisteet eivät tarkista välittämänsä datan eheyttä.

. .e Tavallisesti väylä koostuu useista siirtoka- pasiteettia havittelevista kanavista. Näin ollen on • ; 25 ilmeistä, että jossakin vaiheessa solmuun pyrkii usei- Vϊ ta paketteja samanaikaisesti. Toisaalta dynaamisesti *·**· vaihteleva siirtonopeus saattaa aiheuttaa purskeisen i.:I: liikenteen tapauksessa tilanteita, joissa solmupisteen suurin mahdollinen siirtonopeus ylitetään. Sisäinen 30 tukkeutuminen tapahtuu itse piirissä esimerkiksi sil- loin, kun kaksi eri lähtöportteihin matkalla olevaa ’·«. datapakettia joutuu käyttämään samaa sisäistä reittiä.

• · · ' - \ Jos piiri ei pysty sovittamaan kahta solua samanaikai- : V sesti reitille, on toinen solu puskuroitava tai jopa s**e! 35 hävitettävä. Annon tukkeutumisessa kaksi solua kilpai- ,·», lee samasta lähtöportista. Sijoittamalla puskuri läh- • · · ... ...... · ...... y··^-:.·.···,.? '#>s töporttiin vältetään osa ongelmista. Puskuri voi toi- • · __________________ rn..- — ., .. rairW n···-·^’·*·' ' ····- 3 98873 mia joko FIFO-jonoperiaatteella tai prioriteettien mukaisesti, jolloin aikariippuvat ääni- ja kuvatiedostot voidaan siirtää muun datan edelle.

Kun solmupisteessä käytetään kiinteitä siir-5 tonopeuksia, ei ruuhkautuminen aiheuta ongelmia. Vaikeuksia syntyy vasta, kun liikennemäärä pääsee aaltoilemaan satunnaisten datapuskurien mukana. Solmupisteen sisäinen puskurointi poistaa lyhyet huippukuormituk-set. Puskuri kaäppaa sellaiset datapaketit, joiden no-10 peus ylittää solmun käsittelykyvyn. Puskuroitujen pakettien siirtäminen piiriin tapahtuu sitten joko jonottamalla tai prioriteetin mukaan. Ruuhkautumisen hallintaa varten tarvitaan lisäksi eri prioriteettita-sot normaalia dataa ja valvontatietoja varten.

15 Puskurien rakenne ja ohjaus lienee tärkein ATM-kytkimeen tai solmupisteeseen liittyvistä yksityiskohdista. Puskurointi on tarpeen, jotta kytkimet eivät purskeisessa liikenteessä kadottaisi paketteja tai kehyksiä. Toisaalta puskurit ovat haitallisia, 20 koska niiden rakentaminen maksaa ja suurina ne aiheuttavat kiusallisia viipeitä. Puskurin koko riippuu piirin arkkitehtuurista ja sovelluksesta. Useimmat solmut on suunniteltu lähtöpuskurien varaan, jolloin paketit kulkevat solmun läpi ennen kuin pysähtyvät. Myös tulon *···* 25 ja solmun sisäisiä puskureita on käytössä.

V: Mitä syvemmälle puskuriin data joudutaan ***** siirtämään, sitä enemmän syntyy kiusallista viivettä.

:/;,ί Tämän takia porttikohtaisten puskurien tulisi olla :’:*: niin lyhyitä kuin mahdollista. Useimmiten solmun tuli- 30 si sisältää tilaa enintään 50-256 puskuroitavalle so- lulle porttia kohden. Suuremmissa pakettimäärissä on • ·· *·;·.- luotettava ATM-verkon liikenteentasaustekniikkoihin.

• · · *. Merkittävä osa ATM-verkon liikenteestä on da- ; V taliikennettä, erityisesti lähiverkkojen välillä. Täl- 35 laiselle liikenteelle on tyypillistä hyvin suuret, ,···. vaikeasti ennakoitavissa olevat vaihtelut. Toisaalta ; • · · dataliikenne voi usein sopeutua tarjolla olevan kapa- • a i 4 98873 siteetin vaihteluihin. Jotta ATM-verkon kapasiteettia voitaisiin hyödyntää mahdollisimman tehokkaasti, verkko voi ilmoittaa käyttäjälle yhteyden suurimman sallitun siirtonopeuden. Tätä varten on kehitteillä ns. ABR 5 (Available Bit Rate) palvelu. Toinen mahdollisuus on, että verkko ei ilmoita käyttäjille ylikuormitustilanteista vaan käyttäjä havaitsee ne datakehysten menetyksenä (Unspecified Bit Rate, UBR-palvelu). Kummassakin palvelussa on erittäin tärkeää, että kehysten melo netykset jakautuvat oikeudenmukaisesti eri yhteyksille. Oikeudenmukainen puskurointi on kuitenkin merkittävä ongelma, koska ATM-verkon siirtonopeudet ovat erittäin suuria, jolloin monimutkaisten protokollien ja puskurointimenetelmien toteuttaminen aiheuttaa suu-15 ria lisäkustannuksia. Myös usein tarvitaan fyysiseltä kooltaan suuria puskureita, jotka tällöin vievät arvokasta tilaa piirilevyltä ja aiheuttavat ylimääräisiä kustannuksia.

Entuudestaan tunnetaan joitain menetelmiä 20 puskurin hallitsemiseksi. Weighted Fair Queueing (WFQ) -menetelmässä jokaiselle yhteydelle varataan tietty .. osuus jokaisen solmun puskurin kapasiteetista. Kunkin *·*·* yhteyden tarvitsema puskuripaikkoj en määrä riippuu yh- 5...: teydelle määritellyistä liikenteen parametreistä. Tä- • · !.'*i 25 män periaatteen avulla on mahdollista taata jokaiselle *:**: (sovittuja liikenneparametrejä noudattavalle) yhtey- x delle häiriötön palvelu riippumatta muusta liikentees- • »e ..........

tä verkossa.

WFQ: n avulla voidaan taata häiriötön palvelu _ ^ 30 samanaikaisesti hyvin erilaisille yhteyksille. Sen tekninen toteutus on kuitenkin vaikeaa, koska se vaa- - *·* * tii sekä monimutkaisen puskurointijärjestelmän että Ι’Λ monimutkaisen menetelmän, jonka avulla päätetään mitkä j*”; solut hyväksytään puskuriin. Staattinen WFQ:hun perus- ··· ........ .________ _____ *. 35 tuva puskurikapasiteetin jako vaatii erittäin suuria ··· ***·, puskureita jokaisessa verkon solmussa, jos yhteyksien ····· * * määrä on suuri.

5 ' ' ..- 98873

Toinen tunnettu ratkaisumalli on ns. Random Early Drop (RED), jossa ylikuormitustilanteen aikana pudotettava datakehys valitaan satunnaisesti. RED- m periaate soveltuu yhteydettömiin verkkoihin, joissa ei tai 5 ole tietoa yhteyksistä ja niiden määristä. ATM-verkko on kuitenkin luonteeltaan yhteydellinen, jolloin ke-hysten hylkääminen voi tapahtua yhteyteen liittyvien - tietojen pohjalta.

Kolmas ratkaisumalli perustuu siihen, että 10 verkko ilmoittaa käyttäjille ylikuormitustilanteesta verkossa esimerkiksi EFCI (Explicit Forward Congestion Indication)-tyyppisen menetelmän avulla. Kun verkko on lähettänyt EFCI-ilmoituksen, käyttäjien oletetaan vähentävän verkkoon lähetettävän liikenteen nopeutta.

15 Sekä RED että EFCI-tyyppiset ratkaisut ovat puskuroinnin toteutuksen kannalta yksinkertaisia. Niiden avulla on kuitenkin hyvin vaikea suojata muita verkon käyttäjiä, jos jokin yhteys ei noudata ennalta sovittuja menettelyjä ylikuormitustilanteessa. Näiden 20 menetelmien avulla ei siten voida toteuttaa oikeudenmukaista kapasiteetin jakoa. Suurissa verkoissa EFCI-ilmoituksen vaikutus alkaa huomattavan pitkän, jopa ;V: kymmenien millisekuntien, viiveen jälkeen. Jotta mene- • · ....

.***. tettyjen solujen ja kehysten määrä pysyisi kohtuulli- ; 25 sinä, jokaisessa verkon solmussa tarvitaan hyvin suu- • ·· .......

ria puskureita. EFCI vaatii laitteistomuutoksia kai-. kissa verkon osissa liitäntäkorteista verkon sointui- lii hin. Lisäksi useimmat käytössä olevat sovellukset ei- • · · ' ------ V* vät osaa reagoida EFCI-ilmoitukseen.

30 Keksinnön tavoitteena on poistaa edellä mai- ϊ.ϊ.ϊ nitut ongelmat. Erityisesti esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uudenlainen menetelmä ja • ·_.·.· järjestelmä puskurin, so. puskuritilan, hallitsemisek-si dataverkossa, kuten ATM-verkossa ja näin tehdä mah-·;·* 35 dolliseksi tehokas ja kaikkia verkon yhteyksiä kohtaan oikeudenmukainen toiminta, jota voidaan hyödyntää da-·;··: taverkon dataliikenteessä. Lisäksi esillä olevan kek- 98873 6 sinnon ansiosta voidaan täyttää data- ja ATM-verkon dataliikenteen hallintamenetelmälle luonnollisesti asetettavat vaatimukset: yksinkertainen toteutus, oikeudenmukainen kapasiteetin jako eri yhteyksille ja 5 tehokas verkon resurssien käyttö.

Esillä olevan keksinnön tunnusomaisten seikkojen osalta viitataan patenttivaatimuksiin.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä puskurin hallitsemiseksi dataverkossa, johon kuuluu joukko sol-10 mupisteitä ja niitä yhdistävä dataväylä, johon kuuluu ennalta määrätty määrä yhteyksiä, siirretään dataa kehysmuodossa siten, että datakehykseen kuuluu joukko datasoluja, ja puskuroidaan dataa solmupisteessä dataverkon kapasiteetin ja siirrettävän datan vaatiman ka-15 pasiteetin sovittamiseksi toisiaan vastaavaksi. Data verkko on edullisesti ATM-verkko, mutta myös muun tyyppisiä verkkoja voidaan käyttää. Lisäksi keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa myös muissa arkkitehtuureissa, joissa ongelmana on lähetettävän datan 20 oikeudenmukainen puskurointi. Keksinnön mukaisesti puskurin ylikuormitustilanteessa eli tilanteessa, jossa puskurille asetettu ylikuormitusraja on ylittymäs- • ·.

V.J sä, rajoitetaan solmupisteeseen tulevien puskuroitaviini en solujen määrää. Ylikuormitustilanne voi olla ky- 25 seessä esimerkiksi silloin kun kolme neljäsosaa pusku- rin koko kapasiteetista on käytössä. Rajoittaminen suoritetaan hylkäämällä datakehyksen puskuriin tulo-^»1 järjestyksessä ensimmäinen solu, jos kaikkien solujen * yhteenlaskettu määrä puskurissa ylittää ennalta määrä- 30 tyn ensimmäisen raja-arvon eli esimerkiksi yllämaini- ΛϊΛ tun ylikuormitusrajan ja solun lähettäneen yhteyden V : lähettämien solujen määrä puskurissa ylittää ennalta määrätyn toisen raja-arvon.

!*··," Esillä olevan keksinnön eräässä edullisessa *Γ 35 sovellutuksessa valitaan ensimmäinen raja-arvo pienem-mäksi kuin puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä. Esi-··*'· merkiksi siten, että puskurissa, jonka kapasiteetti on 98873 7 2000 solua, valitaan ensimmäiseksi raja-arvoksi 1500 solua. Edullisesti lasketaan toinen raja-arvo kaavas- 5 missä.....

Wt » yhteyden i sallittu solujen lukumäärä puskurissa; Z »vapaasti valittava painokerroir; K » puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; 10 X .» puskurissa olevien solujen lukumäärä; R = ensimmäinen raja-arvo (R < K) .

Edelleen mainittu kaava voidaan kirjoittaa muodossa: Υ>Να{Χ-Κ)>Ζ{Κ-Κ)Χ. (2) 15 missä

Yi » yhteyden i solujen lukumäärä puskurissa;

Na = aktiivisten yhteyksien lukumäärä eli niiden yhteyksien määrä, joilla on ainakin 20 yksi solu puskurissa; Z = vapaasti valittava painokerroin; V.: K = puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; X = puskurissa olevien solujen lukumäärä; ·*·.: R » ensimmäinen raja-arvo (R < K). ~ 25 Tällöin toisen raja-arvon asettaman ehdon • * .....

·. täyttyminen määritetään suorittamalla edellä olevan yhtälön (2) mukainen vertailu. Tämä vertailu on las-* # ..... .......

’· kemiallisesti yksinkertainen toteuttaa koska Z(K-R) ei ole puskurin kuormituksesta riippuva suure. Näin ollen 30 riittää, että kutakin vertailua kohden suoritetaan yk-V 5 si vähennyslasku ja kolme kertolaskua.

r.% Toisaalta keksinnön mukaisessa menetelmässä

' 4 .. 9 _ J

*···, voi olla niin, että halutaan varata tiettyjä yhteyksiä varten tietty kapasiteetti, eräänlainen 35 "takuukapasiteetti'·, jolla varmistetaan yhteydelle *?·*? muista yhteyksistä riippumaton kapasiteetti. Edulli- 8 . ......

98873 sesti kapasiteetin varaaminen ennalta voidaan suorittaa antamalla jokaiselle yhteydelle, jolle kapasiteettia halutaan jakaa,ennalta määrätty painokerroin, _ jolloin toinen raja-arvo lasketaan kaavasta: - * » a missä WA = yhteyden i sallittu solujen lukumäärä puskurissa; Z » vapaasti valittava painokerroin; 10 K > puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; X a puskurissa olevien solujen lukumäärä; R a ensimmäinen raja-arvo (R < K); <ji a yhteyden i painokerroin; ja e-S»,* J=l 15 Edelleen mainittu kaava voidaan kirjoittaa muodossa:

YtQ(X-R)>Z(K-R)q,X, (4) missä ..... Yi = yhteyden i solujen lukumäärä 20 puskurissa; • «· * · • .........

Z = vapaasti valittava painokerroin; • ........

K = puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; ί[Γ: X a puskurissa olevien solujen lukumäärä; » 25 R = ensimmäinen raja-arvo (R < K); ja . .·. <3i = yhteyden i painokerroin.

..... Tässä yhteydessä mainitaan, että yhtälössä • · · (4) esitetty vertailu palautuu yhtälössä (2) esitet-·· · .

: V tyyn muotoon, mikäli kaikille yhteyksille annetaan yh- »»»

*...ϊ 30 täsuuri painokerroin eli kun mikään yhteys ei ole H

edullisemmassa asemassa muihin yhteyksiin nähden.

***** Edelleen edullisesti, riippumatta yllä olevista eh- |

doista, solu hylätään, jos puskuri on täynnä. J

‘ammu»iuJim» IjIn im I -- ____________... .- — · -rr;.*’.;-.!r:rrr:·:·r "··· -· -·/ ............ ^ ; 98873 9

Vaikkakin yllä esitetyt yhtälöt ovat verrattain selkeitä ja yksinkertaisia laskea, saattaa laskentaan käytetty aika, laitteistosta riippuen noin 10 g μβ, aiheuttaa toimintaa haittaavaa viivettä suurinope- :.ifr 5 uksisilla yhteyksillä. Näin ollen käytännön kannalta .

on edullista suorittaa laskenta etukäteen valmiiksi niin paljon kuin mahdollista. Sen vuoksi keksinnön eräässä edullisessa sovellutuksessa muodostetaan taulukko, johon sijoitetaan toinen raja-arvo kullakin 10 puskurissa olevien solujen lukumäärällä ja aktiivisten yhteyksien määrällä. Taulukossa on siis valmiiksi laskettuna raja-arvo eri parametrien arvoilla. Näin ollen syntyvää viivettä voidaan pienentää, koska taulukosta lukeminen on nopeampaa kuin arvojen laskenta. Lisäksi 15 käyttämällä sopivaa välimuistia, voidaan lukuaikaa edelleen pienentää. Koska on epätodennäköistä, että kaikki puskurissa olevat solut kuuluvat eri yhteydelle, voidaan taulukon kokoa pienentää olennaisesti pienemmäksi olettamalla, että aktiivisten yhteyksien mää-20 rä on selvästi alle puskurin maksimikapasiteetin.

. Edelleen mikäli aktiivisten yhteyksien määrä ylittää l.l oletetun, käytetään parametrina taulukon suurinta ak- • · tiivisten yhteyksien määrää.

Esillä olevan keksinnön eräässä edullisessa 25 sovellutuksessa valitaan puskurin koko lähetettävien kehyksien koon mukaan siten, että niiden suhde on »*:*: edullisesti noin 50. Näin voidaan varmistua siitä, et- • ......

tä puskurin koko suhteessa käytettävän kehyksen kokoon . on riittävä, jotta käytettävissä oleva kapasiteetti • · * 30 tulee jaetuksi mahdollisimman oikeudenmukaisesti yhte- \ yksien kesken.

• V Lisäksi eräässä edullisessa sovellutuksessa i*”: muodostettavan taulukon kokoa voidaan pienentää vähen- tämällä taulukoitavien arvojen X määrää eli puskurissa “**. 35 olevien solujen määrää. Eräissä simuloinneissa on ha- • *··· vaittu, että parametrin Z vaihtelu välillä 0.5 - 1 vaikuttaa puskuroinnin oikeudenmukaisuuteen vain vä- 98873 10 hän, jolloin voidaan taulukossa käyttää parametrina X porrastettua parametria X*, joka voidaan määrittää seuraavasti: ......

X* =(}[Xf (i -i-0.5J. missä [ J viittaa kokonaislukuun 5.............. .. -.(5)

Yhtälössä G on porrastusvakio, joka vaikuttaa taulukon kokoon. Eräissä esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle suoritetuissa testeissä on havaittu, että jopa viisi on «eri Wt:n arvoa riittää tarvittavan oi-10 keudenmukaisuuden aikaansaamiseksi.

Esillä olevan keksinnön etuna tunnettuun tekniikkaan verrattuna on, että keksinnön avulla voidaan toteuttaa puskuritilan dynaaminen jakaminen useille samanaikaisille yhteyksille tehokkaasti ja yksinker-15 taisesti. Ylikuormitustilanteessa ainoastaan niillä yhteyksillä, jotka käyttävät keskimääräistä enemmän verkon kapasiteettia, tapahtuu datakehysten menetyksiä. Kyseisiä yhteyksiä käyttävät sovellukset voivat tämänjälkeen vähentää käyttämäänsä nopeutta ja siten 20 välttää kehysten menetykset. Lisäksi keksinnön etuna . . on, että keksinnön mukaisen menetelmän avulla voidaan l.l painottaa eri yhteyksille jaettavaa kapasiteettia pai- • · nokertoimien avulla.

• · V*: Edelleen RED- ja EPCI-menetelmiin verrattuna 25 esitetty menetelmä takaa huomattavasti oikeudenmukai-semman verkon kapasiteetin jakautumisen eri yhteyksil-ΓΓ: le. WFQ-menetelmään verrattuna esitetty menetelmä on huomattavasti yksinkertaisempi toteuttaa FIFO-puskuroinnin ansiosta. Lisäksi verrattuna staattiseen 30 WFQ-menetelmään esitetyn menetelmän puskurointikapasi-teetin tarve on huomattavasti pienempi, koska FIFO- ·· · ; *.· puskurin kapasiteetti voidaan hyödyntää hyvin tehokin*: kaasti (tiettyyn rajaan asti jokainen vapaa puskuri- paikka on käytettävissä minkä tahansa yhteyden solui-35 le) .

····· ·· ·

Lisäksi voidaan todeta, että keksinnöllä on oleellinen merkitys toteutettaessa dataliikenteelle 11 98873 sopivia palveluita ATM-verkossa. Esitetty liikenteen hallinnan menetelmä tekee mahdolliseksi edullisen mut- 7 7"~ ta samalla oikeudenmukaisen palvelun.

Seuraavassa keksintöä selostetaan esimerkin-5 omaisesti viitaten eräisiin keksinnön mukaisella menetelmällä saatuihin simulointituloksiin ja oheisiin..........

piirustukseen, joka esittää käyrämuodossa eri algoritmien hylkäystoimintoja, sekä taulukoihin, joissa esitetään eräitä simulointituloksia.

10 Esillä olevan keksinnön mukaista algoritmia A3 verrataan kahteen huomattavasti yksinkertaisempaan, mutta selvästi epäoikeudenmukaisempaan algoritmiin AI, A2. Algoritmin AI mukaan solmupisteeseen tuleva solu hylätään, jos X > R, missä X ja R ovat kuten yllä. Tä-15 män algoritmin heikkous tulee selvästi esille. Yksi yhteys voi yksinään varata puskurista suuren osan, jolloin muut yhteydet ovat heikkomassa asemassa siihen nähden. Kuitenkin olisi tarkoituksenmukaista ylikuormitustilanteessa hylätä soluja siltä yhteydeltä, joka 20 käyttää muita enemmän puskurin kapasiteettia. Toisella algoritmilla A2 yritetään poistaa edellä mainittua on-’l,l gelmaa. Algoritmissa A2 tulo j är j estyksessä kehyksen *··*’ ensimmäinen solu hylätään jos X > R ja Wt > l, Piirus- V·: tuksessa esitetään edellä mainittujen algoritmien AI, *!*’i 25 A2 ja A3 tietylle yhteydelle sallima solujen määrä s#:’: puskurissa olevien solujen lukumäärän funktiona. Algo- »*:*: ritmeissa on käytetty seuraavia parametreja. K = 2000, R s* 1500, Z s* 0.5, X = 1525 ja Na ~ 5. Algoritmissa . A3, kun puskurissa olevien solujen määrä on saavutta- • · · #Ij*. 30 massa puskuriin mahtuvien solujen määrää, toinen raja- • · · ... 1 · * \ arvo Wi menee merkittävästi alle yhden. Näin ollen lä- ·· · .....

:V hes kaikki solut hylätään, koska algoritmi pyrkii tail's saamaan puskurin kapasiteetin käyttöä yhteyksien ke s- .’·. ken puskurissa olevien solujen määrän kasvaessa. Tämä **”. 35 on merkittävä ominaisuus, koska osa puskurin kapasi- teetista on jätettävä hyväksyttyjen kehysten jäljelle jääville soluille. Algoritmin A3 toimintaa voidaan ^tii ,rr • ' '" ' -- -’···" ’ - - . -· - 98873 12 muokata sovelluksesta riippuen parametrien R ja Z valinnoilla. ,,

Seuraavassa esitetään viitaten oheisiin taulukoihin 1 - 4 eräitä simulointituloksia algoritmien 5 Ai, A2 ja A3 osalta . Oikeudenmukaisuuden toteamiseen käytetään referenssimallia, joka perustuu siihen olettamaan, että 1iikennevaihtelut ovat verrattain hitaita. Tällöin oikeudenmukainen algoritmi hylkää soluja siten, että on olemassa maksimi solunopeus w____ joka 10 täyttää seuraavat ehdot kuormituksen ylittäessä väylän kapasiteetin: f>/(i-3;) = r (6) («l missä wt yhteydelle i ominainen solunopeus, C on väylän nopeus ja: 15 B, = 0,yasw, o W,~Wm*x

Toisin sanoen wmex on suurin sallittu kaista, jota yhteys voi käyttää ylikuormitustilanteessa. Lo-pul linen solun menetyssuhde määritetään seuraavasti: :***: v » 1

ZWA

:·**· 20 = --B; (8) *5**Γ «.:> - V:--: : !*:*. missä m* yhteyden keskimääräinen bittinopeus ja N on yhteyksien määrä. Yllä olevaan referenssimalliin pe-. rustuen voidaan esittää reiluus- eli oikeudenmukai- *·:·* suusindeksi seuraavasti: x ' Σ”·Σ".(Β.-/ι·γ : V 25 f = i- -a- ,9i ·...: Σ'»*· • »il missä Bt on yhteyden i simuloitu solumenetys suhde. Reiluusindeksillä on seuraavanlaisia ominaisuuksia.

98873 13 • F s 1, jos kaikilla yhteyksillä B, = 5* • jos mi = trio jokaiselle im arvolla, ja 3j.:t ovat eksponentiaalisesti jakautuneita satunnaislukuja, F on tyypillisesti likimäärin nolla 5 · F ei muutu, jos jokainen B, jaB* kerrotaan samalla vakiolla • F painotetaan kunkin yhteyden keskimääräisellä kaistanleveydellä yhteyksien ylipainottamisen välttämiseksi pienillä solunopeuksilla.

10 Taulukossa I esitetään simuloinneissa käyte tyt lähdetyypit. Simulointiohjelma määrittää yhteyden aktiivisuuden 8000 aikavälin välein. Edelleen taulukoissa on esitetty simulointitulokset pelkälle FIFO-puskurille. Ai:lie, A2:lle ja A3:lie. Parametreinä on 15 käytetty: R » 1500, 2« 0.5, 0.9 ja 1 (A3).

Taulukoissa 2 - 4 esitetään kunkin yhteyden simuloitu solun menetys ja laskettu referenssiarvo sekä keskimääräinen solun menetys Bave. Viimeisessä sa- ; rakkeessa esitetään simuloinnin avulla määritetty rei-20 luus- eli oikeudenmukaisuusindeksi. Kuten taulukoista selvästi tulee esille, on algoritmi merkittävästi oi- • · · Γ.* keudenmukaisempi kuin muut vertailussa käytetyt pusku- *y* rointialgoritmit. Edelleen voidaan havaita, että para- metrin Z valinta ei vaikuta kovinkaan paljoa oikeuden-• .....

*i#’: 25 mukaisuuteen. Se ei kuitenkaan monimutkaista laskutoi- mituksia, joten sen pois jättämiseen ei ole syytä. Pa-ι*Γ: rametrien R ja 2 valintaan vaikuttaa todellinen lii kenne dataverkossa.

. ,·. Taulukossa 5 esitetään yhtälön (5) mukaisen • · · 30 porrastuksen vaikutuksia simulointituloksiin. Ensinnä- ·. kin porrastamalla edellä mainittua ' parametritaulukkoa ·* · . ......

• V sopivasti voidaan taulukon kokoa pienentää 100 kilo- »”*: bittiin, mikä poistaa taulukon koon aiheuttamat ongel- mat. Taulukossa tasojen määrä viittaa eri Wt arvojen ***\ 35 määrään. Kuten taulukosta huomataan, tasojen määrää • »··· voidaan merkittävästikin pienentää ilman, että sillä olisi vakavaa vaikutusta oikeudenmukaisuusindeksiin.

98873 14

Taulukossa 6 esitetään puskurikoon ja kehyskoon suhteen vaikutusta oikeudenmukaisuusindeksiin.

Kuten taulukosta 6 nähdään, puskurikoon suhde maksimi kehyskokoon tulisi olla vähintään 50, jotta säilyte-5 tään riittävä oikeudenmukaisuus. Esimerkiksi jos maksimi kehyskoko on 200, niin puskurikoon on oltava noin 10000..........

Esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä voidaan toteuttaa verkon solmupisteessä sopivalla kom-10 binatoorisella logiikalla ja laskurijärjestelyllä solmussa ennen solujen tallentamista puskuriin. Puskuri voi olla vaihtoehtoisesti joko sisäänmeno-, ulostulo-tai kytkentäkentän sisäinen puskuri. Edelleen fyysinen toteutus sisältää jokaista yhteyttä varten seuraavat 15 komponentit: laskuri, joka kertoo kyseisen yhteyden solujen määrän puskurissa, lippu, joka kertoo oliko kyseisen yhteyden edellinen solu kehyksen viimeinen ja lippu, joka kertoo onko kyseiseen kehykseen kuuluvia soluja hylätty aikaisemmin. Nämä komponentit voidaan 20 toteuttaa digitaalitekniikassa yleisesti käytössä ole- . . villa komponenteilla.

***

Lopuksi yhteenvetona todetaan, että keksinnön mukaisella menetelmällä ja FIFO-puskureilla voidaan ♦.*·: toteuttaa erittäin tasapuolisesti puskurin kapasiteet- ·:··: 25 tia käyttävä puskurointimenetelmä. Erityisen hyvin i esitetty menetelmä soveltuu ATM-verkossa toteuttavien ··· »*:*; UBR-yhteyksien ohjaamiseen, koska menetelmä reagoi ylikuormitustilanteessa nopeasti.

m t·' Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet- V

IV. 30 tyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset • · · ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten mää-Γ·*: rittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

··· • · ···» »·«·»

1H

15 98873 Lähde tod.näk. huippunop./ kehvskoko keskinop./ - _yhteysnoo, soluina yht.nop, 51 I 0.0! 10 0.01 52 0.5 0.08 4 0.04 53 0.5 0.12 6 0.06 54 0.5 0.16 S 0.08 55 / 0.5 ...... 0.20 10 0.10 56 10.2 0.50 10 0.10 TAULUKKO 1 lähteet 5*52 ~ p53 |3*W |3*55 reiluus-

Bt; b; Bi b; a; b; b, b· b^ indeksi

Algoritmi simul. refer. simul. refer, simul. refer, simul. refer.

Pure FIFO i0.0443 2J8E-4 0.0734 0.0270 0.0860 0.1039 0.1307 0.1829 0.0881 0.51 AI 0.0647 2.2SE-4 0.0667 0.0209 0.0639 0.0763 0.0640 0.1336 0.0648 0.17 A2 5.28E-4 2.30E-4 0.0362 0.0199 0.0827 0.0741 0.1112 0.1313 0.0632 0.77

Ai, 2*0.5 4.00E-4 2.12E-4 10.0233 0.0193 0.0731 0.0716 0.1211 0.1257 0.0608 0.95

Ai, 2*0.9 2.80E-4 1.78E-4 0.0215 0.0185 0.0689 0.0679 0.1157 0.1191 0.0576 0.96

Ai.2=1 8.57E-4 1.81E-4 0.0217 0.0191 10.0724 0.0714 0,1217 0.125010.0605 0.96 TAULUKKO 2 • # • · · * · · ··· • · • · ··· • · • · · •l··! lähteet 20 *« 4^ rä 3*S5 ,... V * .« V B. * 4 b; ·*** Algoritmi simul. refer, simul. refer. simul. refer, simul. refer. ____________ *T: pure FIFO 0.0895 0 10.0630 0.0241 10.0784 0.0989 0.1024 0.1767 0.0842 0.27 AI 0.0483 0 0.0619 0.0156 0.0619 0.0683 0.0621 0.1254 0.0589 0.20 A2 0 0 0.0627 0.0138 10.0730 0.0640 0.0710 0.1173 0.0548 0.34 *.:.*· Ai, 2*0.5 0 0 0.0223 0.0160 0.0703 0.0683 0.1180 0.1247 0.0589 0.92 ·*:*: Ai.Z*0.9 0 0 0.0195 0.0153 0.0672 0.0658 0.1153 0.1197 0.0565 0.94 -i

Ai. 2*1 0 0 0.019! 0.0149 0.0657 0.0645 0.Ί 133 0.1176 0.0556 0.94 1 • * · -·-· !":i TAULUKKO 3 ·*« ’ · ·> **'' ··· .·· ·-·. \.s • .......

*♦** ····· • · 98873 16 lähteet Ϊ*SS ~ 3 *» ^ | reiluus- 4 s; e s; s a; s, a . 4„. mäeksi

Algoritmi simul. refer, simul. refer. stmul. refer, simul. refer.

Pure FIFO 0.2716 0.5108 0.0884 5.67E-3 0.1086 0.0437 0.1523 0.1109 0.1503 0.19 AI 0.1439 0.3521 0.0846 3.60E-3 0.0956 0.0310 0.0991 0.0768 0.1039 -0.04 A2 0.3502 0.3718 5.68E-3 3.53E-3 0 0433 0.0329 0.0842 0.0803 0.1094 0.90 A3.2=0.5 0.3574 0.3509 4.67E-3 3.47E-3 0.0322 0.0314 0.0702 0.0762 0.1035 0.96 A3.Z-0.9 0.3516 0.3433 4.17E-3 3.15E-3 0.0293 0.0288 0.0661 0.0729 0.1002 0.95 A3.Z=\ 0.3509 0.3487 6.84E-3 3.39E-3 0.0312 0.0301 0.0698 0.0749 0.1023 0.97 TAULUKKO 4 porrastus (G) > iö pö~ tasojen lukumäärä 500 50 20 10 5 lähteet 5*52+4*53 + 3*54 + 3*55 0.95 0.95 0.94 0.92 0.88 20*5/ +4*53 + 3*54 + 3*55 0.92 0.88 0.83 0.79 0.70 2*56 + 4*53 + 3*54 + 3*55 0.96 0.96 0.96 0.97 0.92 TAULUKKO 5 Läht. S 5 kehyskoko: 10 2j* 32 *JJ° ; Puskurikoon suhde kehys- 200 100 62-5 40 -0 • ·* kokoon: 5*52 + 4*53 + 3*54 + 3*55 0.95 0.92 0.89 0.87 0.78 20*5/ +4*53 + 3*54+3*55 0.92 0.88 0.84 0.77 0.66 2*56 + 4*53 + 3*54 + 3*55 0.96 0.96 0.95 0.95 0.90 • t · · ,Τ; TAULUKKO 6 -· • ♦ * • · · ·*·

• M

!: : ·· * • · · • m • · ··* * : ··# m ··· · • ••t e • ·

Claims (6)

98873

1. Menetelmä puskurin hallitsemiseksi dataverkossa, johon kuuluu joukko solmupisteitä ja niitä yhdistävä dataväylä, johon kuuluu ennalta määrätty 5 määräyhteyksiä, jossa menetelmässä siirretään dataa kehysmuodossa siten, että datakehykseen kuuluu joukko datasoluja, ja puskuroidaan dataa solmupisteessä dataverkon kapasiteetin ja siirrettävän datan vaatiman kapasiteetin sovittamiseksi toisiaan vastaavaksi, 10 tunnettu siitä, että puskurin ylikuormitustilanteessa rajoitetaan solmupisteeseen tulevien puskuroitavien soluj en määrää hylkäämällä datakehyksen tulo-järjestyksessä ensimmäinen solu, jos kaikkien solujen yhteenlaskettu määrä puskurissa ylittää ennalta määrä-15 tyn ensimmäisen raja-arvon ja solun lähettäneen yhteyden lähettämien solujen määrä puskurissa ylittää ennalta määrätyn toisen raja-arvon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valitaan ensimmäinen raja- 20 arvo (R) pienemmäksi kuin puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä (K); ja että toinen raja-arvo (Wi) lasketaan :.V kaavasta: ° X-zf.+M ϊ ^ X-R) 9 99 9 9- missä • * j /. 25 Wi «* yhteyden i sallittu solujen lukumäärä ’m, puskurissa; Z a vapaasti valittava painokerroin; , K» puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; *···* X a puskurissa olevien solujen lukumäärä; t 30 R» ensimmäinen raja-arvo .(R < K) . • · · * · 9 9 .···.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, * · . . .... . *·* tunnettu siitä, että jaetaan dataverkon kapasi- teettia antamalla jokaiselle yhteydelle ennalta mää-*·“" 35 rätty painokerroin, jolloin toinen raja-arvo lasketaan kaavasta: ......... 98873 5 «“?ΗΦ missä . .. Wi * yhteyden i sallittu solujen lukumäärä puskurissa;

5 Z » vapaasti valittava painokerroin; K * puskuriin mahtuvien solujen lukumäärä; X = puskurissa olevien solujen lukumäärä; R = ensimmäinen raja-arvo (R < K); qA a yhteyden ! painokerroin; ja 10 Q = painokertoimien summa

4. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 1 - 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että solu hylätään, jos puskuri on täynnä.

5. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 1 15 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että muo dostetaan taulukko, johon sijoitetaan toinen raja-arvo (Wi) kullakin puskurissa olevien solujen lukumäärällä ja aktiivisten yhteyksien määrällä, jossa yhteys on aktiivinen, jos ainakin yksi puskurissa olevista so- 20 luista kuuluu sille. :Y:

6. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 1 ,···. - 5 mukainen menetelmä, t u n ne^E^ siitä, että va- Iitaan puskurin koko lähetettävien Kehyksien koon mu-kaan siten, että niiden suhde on edullisesti noin 50. i:': ··· »T: w *.:/· *Ts Λ' 9 0 999 % : ··· .... •r . -. . - - »··» ϋί'Μ...'·.Γ' ·.. -’m * >> ‘""J ftt 1'-' -- -το·*7Ι?·'Γ; ' -.- **~w 98873