WO2013155547A1 - Selbstorganisierendes verfahren zum aufbau von deterministischen routen in einem grossen computernetzwerk - Google Patents

Selbstorganisierendes verfahren zum aufbau von deterministischen routen in einem grossen computernetzwerk Download PDF

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WO2013155547A1
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ttcm
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switches
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Georg STÖGER
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Fts Computertechnik Gmbh
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    • H04L49/00—Packet switching elements
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Definitions

  • the invention relates to a method for establishing deterministic communication routes in a large computer network, wherein all the affected end systems and switches of the computer network have a global time.
  • the invention relates to such a computer network as well as end systems and switches of such a computer network.
  • the present invention is in the field of computer technology. It describes an innovative method of how to build time-triggered routes in a large computer network according to a self-organizing procedure.
  • the availability of a deterministic communication route with guaranteed bandwidth and minimal message delay between end systems is advantageous.
  • QoS Quality of Service
  • the immediacy of the response to a remote partner's question is an important Quality of Service (QoS) parameter.
  • QoS Quality of Service
  • the transmission time between the decentralized subsystems and the central control room essentially determines the idle time of a closed loop via the communication system and thus the quality of the control.
  • a large computer network is generally understood to mean a network in which there is no central entity that controls the entire network.
  • An example of a large computer network is the Internet.
  • a minimum delay, and thus the optimal latency, of a transmission along a given route is achieved if, along this route formed by transmission segments and switches, the transmission paths of a message are phase-synchronous. This prevents unnecessary message retention times from occurring in the communication system.
  • Such a phase-synchronous transmission of messages requires that all participating end systems and switches have a global time with known precision. This time base should be error-tolerant [6].
  • a deterministic communication route is generated by a time-triggered connection manager (TTCM) of an end system
  • the deterministic communication route is reserved in a residency phase by a reservation message to each network switch of the existing communication route until the time of the reservation (KZPT),
  • TTCM Time-Triggered Connection Manager
  • the parameters of the desired timed route are determined by the requesting end system according to the invention and communicated to the switches present in the route.
  • the switches check which timed quality of service can be provided in the required time interval and reserve this service up to a commitment time (KZPT) included in the request, ie the time until which the reservation is guaranteed.
  • KZPT commitment time
  • the messages in the individual switches will have a different retention period.
  • An iterative method is now trying to minimize the dwell times of the messages in the switches by changing the phase and the message length so that a good quality of service is achieved. If the requesting end system accepts the guaranteed quality of service, it must make a binding service order before the KZPT by means of an Accept message and can then make use of this service in the reserved time interval.
  • the present invention thus discloses an innovative method of dynamically constructing a deterministic route with specified service parameters in a large computer network along an existing route. No central planning authority is required. In a self-organizing process, the switches arranged along the route calculate the timed route parameters corresponding to the request.
  • each network switch independently performs the reservation to the KZPT according to the reservation message addressed to it by the TTCM and notifies the guaranteeing TVD in the provisioning period and the NVD and proposals for reducing the TVD to the requesting TTCM and after acceptance of the reservation by the TTCM an Accept message confirms the reservation with an Accept Reply message to the TTCM;
  • a switch discards a reservation if it has not received an Accept message from the requesting TTCM prior to the KZPT;
  • the TTCM modifies the reservation request and causes further iterations to establish a timed route via same switches based on the route quality information and the TVD reduction proposals that the TTCM received from the switches involved in the route;
  • the TTCM terminates the iterations when a desired quality of the route has been reached or when a maximum number of iterations has been completed;
  • a switch makes a reservation by a reservation message with a later BZPT that conflicts with a reservation with an earlier BZPT which cancels the reservation with the later BZPT;
  • the aforementioned object is also achieved with a network switch for use in a method described above and with a TTCM for use in a method mentioned above.
  • the TTCM is part of an end system.
  • the object is achieved with a computer network, in particular a large computer network comprising end systems and switches, which is set up for carrying out a method as described above.
  • Fig. 1 is a cyclical representation of the progress of the real-time
  • Fig. 2 shows the structure of a small part of a large network and a route existing between two end systems.
  • Fig. 1 illustrates a cyclic representation of the progress of real time.
  • the progression of real time is shown in the form of periods and phases.
  • time advances clockwise 1110.
  • the beginning of a period is synchronized with the global time at time 100.
  • An event that occurs within a period (e.g., event 101) is indicated by the indication of the angle, i. the phase characterized between the beginning of the period 100 and the event 101. If the time is a full period. has passed through an angle of 360 degrees, the follow-up period begins. In the following period, the timed actions have the same phase as in the previous period.
  • the cyclic image of real-time progression is particularly well-suited to represent periodic processes as they occur in real-time, scheduled systems.
  • FIG. 2 shows a small part of a large computer network.
  • FIG. 2 shows the five end systems 210, 211, 212, 213, 214 and the four switches 220, 221, 222, 223.
  • the route 230 is entered from the end system 210 via the switches 220, 221, 222, 223 to the end system 213.
  • the timing of message transmission along route 130 is shown in FIG.
  • the end system 210 the sending computer node
  • the first bit of this message arrives at the switch 220.
  • the message lingers in the switch until time 103 at which the first bit of the message leaves switch 220 in the direction of switch 221.
  • To the Event 104 arrives at the first bit of the message at the switch 221.
  • This notion of dwell time includes not only the immediate dwell time in the switch but also the time to transport the first bit of the message over the communication channel to the following message receiver.
  • the process described repeats until the time at which the message arrives at the switch 223 immediately before the receiving end system 213. After the dwell time in the switch 223, the first bit of the message arrives at the end system 213 at time 110. The transmission of the message is completed at time 111, the time the last bit of the message arrived at the end system 213. We call the time interval (110,111) the final latency.
  • a timed route between two end systems is characterized by the exact specification of the phase and period [sec] at the beginning of the route, the phase and period at the end of the route, and the length [bit] of a timed message. These parameters determine the real-time properties of a route. The bandwidth [bit / second] of the timed route results
  • Bandwidth (length of a message) / period.
  • a desired bandwidth can be achieved either by short messages with a short period (or high frequency) or longer messages with longer periods.
  • a timed route is structured into physical segments that are connected via switches.
  • the physical bandwidths along a timed route may be different in the individual segments.
  • the minimum duration that the first bit of a scheduled message takes to arrive from the arrival of a switch until it reaches the next switch (or end system) is referred to as the Necessary Length of the message (NVD) in the switch.
  • the actual length of time that a scheduled message takes to get from a switch arrival to the next switch (or end system) is referred to as the Actual Stay Time (TVD) of the message in the switch.
  • the difference between the required residence time and the actual length of stay is called the slack of the message.
  • the sum of slacks in all switches equals zero.
  • Minimum latency initial latency + NVD in all N switches + end latency
  • the goodness of a timed route is determined by the ratio
  • the end system 210 intends to establish a timed route for a data stream along the route 230, the following three-step process is preferably performed.
  • the time-triggered connection manager (TTCM) of the end system 210 sends a non-binding request with the following content to all switches arranged in the route
  • the switches arranged in the route in which the four switches 220, 221, 222, 223 in FIG. 2 check which TWD the switch has in the provision period, (ie the time interval between see the start time (AZPT) of the provision of the route and the end time of the provision of the route (EZPT)), can guarantee and which NVD would be possible at best. Based on this information, the TTCM decides whether it makes sense to set up a timed route along the existing route, or whether a new route needs to be searched.
  • the TTCM decides to build a timed route along the existing route, then the second phase (reseeding phase) begins.
  • the TTCM sends a resume message with the following content
  • the TTCM may change the phase and message length to reduce the TVDs in the switches in a next iteration of the reservation. If the quality of the connection has reached a predetermined quality or if a maximum number of iterations has been performed, the TTCM passes the result to the end user for decision.
  • the third phase begins.
  • the TTCM sends an Accept message to all participating switches before the KZPT to confirm the reservation of the timed route.
  • the switch responds with an Accept reply message. If no Accept message arrives at a switch before the KZPT, the (provisional) reservation is deleted.
  • the route is cleared by the switch autonomously to the EZPT (i.e., at the end of the provisioning period).
  • the TTCM gets the information from all the switches that are located in the multi-point route. The TTCM will then decide based on this information if another iteration is required.
  • TTCMs can be active at the same time. Uncoordinated parallel reservations could lead to a deadlock.
  • the deadlock is prevented by scheduling all reservations due to the formation timing BZPT of the reservation message included in the reservation message. If a reservation by a reservation message with a later BZPT conflicts with a reservation with a previous BZPT, the reservation with the later BZPT from the switch must be canceled. Due to the available global time, all decisions in the network can be temporally consistent, so that conflicts can be consistently resolved. Simultaneity can be resolved by an order of TTCMs.
  • the reservation traffic between the TTCM and the switches can be secured by cryptographic techniques.
  • the proposed innovative approach works in accordance with Clark's Fate-sharing model [7], which requires all key state data of a link to be managed at the endpoints of the network, and there is no central instance in the network managing all timed links.
  • the method is based on the public standards of Ethernet, TT Ethernet [1,8] and IEEE 1588 clock synchronization [9] and can therefore be integrated into existing networks without significant modifications.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von deterministischen Kommunikationsrouten in einem großen Computernetzwerk, wobei alle betroffenen Endsysteme und Switches des Computernetzwerkes über eine globale Zeit verfügen, wobei aufbauend auf eine bestehende Kommunikationsroute zwischen zwei oder mehreren Endsystemen des Computernetzwerkes eine deterministische Kommunikationsroute generiert wird, indem ein Time-Triggered Connection Manager (TTCM) eines Endsystems die deterministische Kommunikationsroute in einer Reservierungsphase durch eine Reservierungsnachrich t an jeden Netzwerk-Switch der bestehenden Kommunikationsroute bis zum Kommitmentzeitpunkt der Reservierung (KZPT) reserviert, und sodann diese deterministische Kommunikationsroute in einer Accept Phase durch eine Accept Nachricht an die Netzwerk-Switches der bestehenden Kommunikationsroute vor dem KZPT bestätigt.

Description

SELBSTORGANISIERENDES VERFAHREN ZUM AUFBAU VON DETERMINISTISCHEN ROUTEN IN
EINEM GROSSEN COMPUTERNETZWERK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von deterministischen Kommunikationsrouten in einem großen Computernetzwerk, wobei alle betroffenen Endsysteme und Switches des Computernetzwerkes über eine globale Zeit verfügen.
Weiters betrifft die Erfindung ein solches Computernetzwerk sowie Endsysteme und Switches eines solchen Computernetzwerkes.
Die vorliegende Erfindung liegt im Bereich der Computertechnik. Sie beschreibt eine innovative Methode, wie in einem großen Computer Netzwerk zeitgesteuerte (time-triggered) Routen nach einem selbstorganisierenden Verfahren aufgebaut werden können.
In vielen Anwendungen von großen Computernetzen ist die Verfügbarkeit einer deterministischen Kommunikationsroute mit garantierter Bandbreite und minimaler Verzögerung der Nachrichten zwischen Endsystemen von Vorteil. Zum Beispiel ist in einem Videokonferenzsystem die Unmittelbarkeit der Antwort auf eine Frage des entfernten Partners ein wichtiger Parameter der Service Qualität (QoS). In einem smart Grid, in dem periodische Sensordaten über lange physikalische Distanzen übertragen werden müssen, bestimmt die Übertragungsdauer zwischen den dezentralen Subsystemen und der zentralen Warte zu einem wesentlichen Teil die Totzeit eines über das Kommunikationssystem geschlossenen Regelkreises und damit die Qualität der Regelung.
Unter einem großen Computernetzwerk ist allgemein ein Netzwerk zu verstehen, in dem es keine zentrale Instanz gibt, welche die Steuerung des gesamten Netzwerkes vornimmt. Ein Beispiel für ein großes Computernetzwerk ist das Internet.
Eine minimale Verzögerung— und damit die optimale Latenz— einer Übertragung entlang einer gegebenen Route wird erreicht, wenn entlang dieser Route, die aus Übertragungssegmenten und Switches gebildet wird, die Übertragungswege einer Nachricht phasensynchron sind. Dadurch wird verhindert, dass im Kommunikationssystem unnötige Verweilzeiten der Nachrichten auftreten. Eine solche phasensynchrone Übertragung der Nachrichten erfordert, dass alle beteiligten Endsysteme und Switches über eine globale Zeit mit bekannter Präzision verfügen. Diese Zeitbasis soll fehlertolerant sein [6].
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entlang einer gegebenen Route für einen Datenstrom in einem großen Computernetzwerk mittels eines dezentralen selbstorganisierenden Verfahrens eine deterministische zeitgesteuerte Kommunikationsroute zwischen zwei oder mehr Endsystemen dynamisch aufzubauen.
Diese Aufgabe wird mit einem eingangs erwähnten Verfahren dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß aufbauend auf eine bestehende Kommunikationsroute zwischen zwei oder mehreren Endsystemen des Computernetzwerkes eine deterministische Kommunikationsroute generiert wird, indem ein Time-Triggered Connection Manager (TTCM) eines Endsystems
*) die deterministische Kommunikationsroute in einer Resewierungsphase durch eine Reservierungsnachricht an jeden Netzwerk-Switch der bestehenden Kommunikationsroute bis zum Kommitmentzeitpunkt der Reservierung (KZPT) reserviert,
*) und sodann diese deterministische Kommunikationsroute in einer Accept Phase durch eine Accept Nachricht an die Netzwerk-Switches der bestehenden Kommunikationsroute vor dem KZPT bestätigt.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der Time-Triggered Connection Manager (TTCM) eines Endsystems in einer Anfragephase, vor der Reservierungsphase, mittels Anfragen an jeden Netzwerk-Switch entlang der bestehenden Kommunikationsroute zunächst die Realisierbarkeit der deterministischen Kommunikationsroute in Bezug auf den jeweiligen Netzwerk-Switch untersucht, anschließend die deterministische Kommunikationsroute in einer Resewierungsphase durch eine Resewierungsnachricht an jeden Netzwerk-Switch der bestehenden Kommunikationsroute bis zum KZPT reserviert, und sodann diese deterministische Kommunikationsroute in einer Accept Phase durch eine Accept Nachricht an die Netzwerk- Switches der bestehenden Kommunikationsroute vor dem KZPT bestätigt. Zur Lösung der oben genannten Aufgabe werden entsprechend der Erfindung vom anfordernden Endsystem die Parameter der gewünschten zeitgesteuerten Route (Anfangszeitpunkt der Bereitstellung des Route, Endzeitpunk der Bereitstellung des Route, gewünschte Bandbreite) festgelegt und den in der Route vorhandenen Switches mitgeteilt. Die Switches überprüfen, welche zeitgesteuerte Servicequalität in dem geforderten Zeitintervall bereit gestellt werden kann und reservieren dieses Service bis zu einem in der Anfrage enthaltenen Kommitmentzeitpunkt (KZPT), d.i. der Zeitpunkt, bis zu dem die Reservierung garantiert ist. Dabei wird, je nach Auslastung der Switches, eine unterschiedliche Verweildauer der Nachrichten in den einzelnen Switches auftreten. In einem iterativen Verfahren wird nun versucht, die Verweildauern der Nachrichten in den Switches durch Veränderung der Phasenlage und der Nachrichtenlänge so zu minimieren, dass eine gute Servicequalität erreicht wird. Wenn das anfordernde Endsystem die garantierte Servicequalität akzeptiert, so muss es vor dem KZPT mittels einer Accept Nachricht eine verbindliche Servicebestellung abgeben und kann dann in dem reservierten Zeitintervall dieses Service in Anspruch nehmen.
Weder in der Patentliteratur [1-5] noch in der wissenschaftlichen Literatur sind Hinweise geoffenbart, die den dynamischen Aufbau einer zeitgesteuerten Route in einem großen Computernetzwerk, wie das Internet, betreffen.
Die vorliegende Erfindung legt somit ein innovatives Verfahren offen, wie in einem großen Computernetzwerk entlang einer bestehenden Route eine deterministische Route mit spezifizierten Serviceparametern dynamisch aufgebaut werden kann. Dabei wird keine zentrale Planungsinstanz vorausgesetzt. In einem selbstorganisierenden Verfahren berechnen die entlang der Route angeordneten Switches die der Anforderung entsprechenden Parameter der zeitgesteuerten Route.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind wie folgt beschrieben, die zusätzlich, alternativ oder in beliebiger Kombination miteinander realisiert sein können. Dabei kann vorgesehen sein, dass
*) jeder Netzwerk-Switch eigenständig die Reservierung bis zum KZPT entsprechend der an ihn vom TTCM gerichteten Reservierungsnachricht durchführt und die garantierte TVD im Bereitstellungszeitraum sowie die NVD und Vorschläge zur Reduzierung der TVD dem anfordernden TTCM mitteilt, und nach Annahme der Reservierung durch den TTCM mittels einer Accept Nachricht die Reservierung mit einer Accept Reply Nachricht an den TTCM bestätigt;
*) ein Switch eine Reservierung verwirft, wenn er vor dem KZPT keine Accept Nachricht von dem die Reservierung anfordernden TTCM erhalten hat;
*) ein Switch eine Reservierung für eine zeitgesteuerte Route nach dem EZPT löscht;
*) der TTCM aufgrund der Informationen über die Güte der Route und den Vorschlägen zur Reduzierung der TVD, die der TTCM von den an der Route beteiligten Switches erhalten hat, die Reservierungsanfrage modifiziert und weitere Iterationen zum Aufbau einer zeitgesteuerten Route über selbige Switches veranlasst;
*) der TTCM die Iterationen abbricht, wenn eine angestrebte Güte der Route erreicht wurde oder wenn eine maximale Anzahl an Iterationen durchlaufen wurde;
*) die zeitgesteuerte Route eine multi-point Topologie aufweist;
*) in einem großen Netzwerk gleichzeitig mehrere TTCMs deterministische Kommunikationsrouten aufbauen können und die Anfragen der TTCMs in den Switches nach der zeitlichen Ordnung des BZPT der Reservierungsnachricht behandelt werden;
*) ein Switch eine Reservierung durch eine Reservierungsnachricht mit einem späteren BZPT, die im Konflikt steht mit einer Reservierung mit einem früheren BZPT, die Reservierung mit der späteren BZPT annulliert;
*) der Nachrichten verkehr zwischen der TTCM und den Switches durch krypto graphische Verfahren gesichert wird.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst mit einem Netzwerk Switch zur Verwendung in einem oben beschriebenen Verfahren sowie mit einem TTCM zur Verwendung in einem oben genannten Verfahren.
Vorzugsweise ist der TTCM Bestandteil eines Endsystems. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computernetzwerk, insbesondere einem große Computernetzwerk umfassend Endsysteme und Switches, welches zum Durchführen eines oben beschriebenen Verfahrens eingerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung wird an Hand der folgenden Zeichnung näher erörtert. In dieser zeigt
Fig. 1 eine zyklische Darstellung des Fortschreitens der Echtzeit, und
Fig. 2 die Struktur eines kleinen Teils eines großen Netzwerkes und eine zwischen zwei Endsystemen vorhandene Route.
Fig. 1 veranschaulicht eine zyklische Darstellung des Fortschreitens der Echtzeit. In dieser Darstellungsform wird das Fortschreiten der Echtzeit in der Form von Perioden und Phasen dargestellt. In Fig. 1 schreitet die Zeit im Uhrzeigersinn 1110 voran. Der Beginn einer Periode ist zum Zeitpunkt 100 mit der globalen Zeit synchronisiert. Ein Ereignis, das innerhalb einer Periode auftritt (z.B. das Ereignis 101), wird durch die Angabe des Winkels, d.i. die Phase, zwischen dem Beginn der Periode 100 und dem Ereignis 101 charakterisiert. Wenn die Zeit eine volle Periode— d.i. einen Winkel von 360 Grad— durchlaufen hat, so beginnt die Folgeperiode. In der Folgeperiode haben die zeitgesteuerten Aktionen die gleiche Phase wie in der vorangegangenen Periode. Das zyklische Bild des Fortschreitens der Echtzeit eignet sich besonders gut, um periodische Prozesse, wie sie in zeitgesteuerten Echtzeitsystemen auftreten, darzustellen.
Fig. 2 zeigt einen kleinen Teil eines großen Computernetzwerkes. In Fig. 2 sind die fünf Endsysteme 210, 211, 212, 213, 214 und die vier Switches 220, 221, 222, 223 dargestellt. Zusätzlich ist in Fig. 2 die Route 230 vom Endsystem 210 über die Switches 220, 221, 222, 223 zum Endsystem 213 eingetragen.
Der zeitliche Ablauf einer Nachrichtenübertragung entlang der Route 130 ist in Fig. 1 dargestellt. Zum Zeitpunkt 101 beginnt das Endsystem 210 (der sendende Rechnerknoten) mit der Übertragung einer Nachricht. Zum Zeitpunkt 102, nach der Anfangslatenz, trifft das erste Bit dieser Nachricht beim Switch 220 ein. Die Nachricht verweilt im Switch bis zum Zeitpunkt 103, zu dem das erste Bit der Nachricht den Switch 220 in Richtung Switch 221 verlässt. Zum Zeitpunkt 104 trifft das erste Bit der Nachricht beim Switch 221 ein. Wir bezeichnen die Dauer zwischen dem Ereignis 102 und dem Ereignis 104 vereinfacht als die Verweildauer der Nachricht im Switch 102. Dieser Begriff der Verweildauer umfasst nicht nur die unmittelbare Verweildauer im Switch, sondern auch die Zeit für den Transport des ersten Bits der Nachricht über den Kommunikationskanal zum folgenden Nachrichtenempfänger. Der beschriebene Vorgang wiederholt sich bis zum Zeitpunkt 108, zu dem die Nachricht beim Switch 223 unmittelbar vor dem empfangenden Endsystem 213 eintrifft. Nach der Verweildauer im Switch 223 trifft das erste Bit der Nachricht zum Zeitpunkt 110 beim Endsystem 213 ein. Die Übertragung der Nachricht ist zum Zeitpunkt 111, dem Zeitpunkt zu dem das letzte Bit der Nachricht beim Endsystem 213 eingetroffen ist, abgeschlossen. Das Zeitintervall (110,111) bezeichnen wir als Endlatenz.
Im Folgenden werden weitere Begriffe, die in diesem Dokumentverwendet werden, erklärt. Eine zeitgesteuerte Route zwischen zwei Endsystemen ist gekennzeichnet durch die genaue Spezifikation der Phase und Periode [sec] am Beginn des Route, der Phase und Periode am Ende des Route, und der Länge [Bit] einer zeitgesteuerten Nachricht. Diese Parameter bestimmen die Echtzeiteigenschaften einer Route. Die Bandbreite [Bit/Sekunde] der zeitgesteuerten Route ergibt sich aus
Bandbreite= (Länge einer Nachricht)/Periode.
Eine gewünschte Bandbreite kann entweder durch kurze Nachrichten mit kurzer Periode (oder hoher Frequenz) oder längeren Nachrichten mit längeren Perioden erreicht werden.
Eine zeitgesteuerte Route ist in physikalische Segmente strukturiert, die über Switches verbunden werden. Die physikalischen Bandbreiten entlang einer zeitgesteuerten Route können in den einzelnen Segmenten unterschiedlich sein. Die minimale Dauer, die das erste Bit einer zeitgesteuerten Nachricht benötigt, um vom Eintreffen in einem Switch bis zum Eintreffen in den Folgeswitch (oder dem Endsystem) zu gelangen, bezeichnen wird als die nötige Verweildauer der Nachricht (NVD) im Switch. Die tatsächliche Verweildauer, die eine zeitgesteuerte Nachricht benötigt, um vom Eintreffen in einem Switch bis zum Eintreffen in den Folgeswitch (oder dem Endsystem) zu gelangen, bezeichnen wir als tatsächliche Verweildauer (TVD) der Nachricht im Switch. Die Differenz zwischen der nötigen Verweildauer und der tatsächlichen Verweildauer bezeichnen wir als Slack der Nachricht. In einer optimalen zeitgesteuerten Route ist die Summe der Slacks in allen Switches gleich Null.
Wenn eine direkte physikalische Verbindung zwischen den Endsystemen besteht, so ergibt sich die Latenz einer Nachrichtenübertragung zu
Latenz - Anfangslatenz +Endlatenz
Die Latenz einer zeitgesteuerten Nachricht entlang eines zeitgesteuerten Route mit N Switches ergibt sich auf Kanälen mit identischer physikalischer Bandbreite zu
Tatsächliche Latenz = Anfangslatenz + TVD in allen N Switches +Endlatenz
Minimale Latenz= Anfangslatenz + NVD in allen N Switches +Endlatenz
Die Güte einer zeitgesteuerten Route wird durch das Verhältnis
Güte = (Tatsächliche Latenz )/( Minimale Latenz) ausgedrückt. Im Idealfall ist dieses Verhältnis eins.
Wenn das Endsystem 210 entlang der Route 230 eine zeitgesteuerten Route für einen Datenstrom zu errichten beabsichtigt, so wird vorzugsweise folgendes dreistufiges Verfahren abgewickelt.
In der ersten Phase (Anfragephase) sendet der Time-Triggered Connection Manager (TTCM) des Endsystems 210 eine unverbindliche Anfrage mit folgendem Inhalt an alle in der Route angeordneten Switches
• Gewünschte zeitgesteuerte Bandbreite des Route
• Anfangszeitpunkt der Bereitstellung der Route AZPT
• Endzeitpunkt der Bereitstellung der Route EZPT
Die in der Route angeordneten Switches, d.s. in Fig. 2 die vier Switches 220, 221, 222, 223 überprüfen, welche TWD der Switch im Bereitstellungszeitraum, (d.i. das Zeitintervall zwi- sehen dem Anfangszeitpunkt (AZPT) der Bereitstellung des Route und dem Endzeitpunkt der Bereitstellung des Route (EZPT)), garantieren kann und welche NVD im Bestfall möglich wäre. Aufgrund dieser Informationen entscheidet der TTCM, ob ein Aufbau einer zeitgesteuerten Route entlang der bestehenden Route sinnvoll erscheint, oder ob eine neue Route gesucht werden muss.
Wenn der TTCM entscheidet, entlang der bestehenden Route eine zeitgesteuerte Route aufzubauen so beginnt die zweite Phase (Resewierungsphase). Der TTCM sendet eine Resewie- rungsnachricht mit dem folgenden Inhalt
• Gewünschte zeitgesteuerte Bandbreite des Route
• Anfangszeitpunkt der Bereitstellung der Route AZPT
• Endzeitpunkt der Bereitstellung der Route EZPT
• Kommitmentzeitpunkt der Reservierung KZPT
• Bildungszeitpunkt BZPT der Reservierungsnachricht
• Anfangsphase und Anfangsnachrichtenlänge an alle in der Route angeordneten Switches. Der Bildungszeitpunkt der Reservierungsnachricht BZPT ist der Zeitpunkt, zudem die Reservierungsnachricht gebildet wurde. Die in der Route angeordneten Switches, d.s. in Fig. 2 die vier Switches 220, 221, 222, 223, bearbeiten diese Reservierungsnachricht sequentiell in der Folge, in der sie in der Route 230 auftreten und reservieren die zeitgesteuerte Verbindung für den Bereitstellungszeitraum. Der aus der Sicht des TTCM letzte Switch der Route, d.i. in Fig. 2 der Switch 223, meldet dem TTCM die erfolgreiche Reservierung mittels einer Bestätigungsnachricht, in der die garantierte TVD und die NVD in jedem Switch der Route enthalten ist. Weiters kann jeder Switch Vorschläge präsentieren, wie durch eine Änderung der Phase und Periode (bzw. der Nachrichtenlänge) bei gleicher Bandbreite die TVD in diesem Switch reduziert werden könnte. Nach Empfang dieser Informationen durch den TTCM kann der TTCM die Phase und Nachrichtenlänge verändern, um in einer nächsten Iteration der Reservierung die TVDs in den Switches zu reduzieren. Wenn die Qualität der Verbindung eine vorab festgelegte Güte erreicht hat oder wenn eine Maximalzahl von Iterationen durchgeführt wurde, übergibt der TTCM das Resultat dem Endbenutzer zur Entscheidung.
Wenn der Endbenutzer das Resultat akzeptiert, so beginnt die dritte Phase, die Accept Phase. In der Accept Phase wird vom TTCM vor dem KZPT eine Accept Nachricht an alle beteiligten Switches gesendet, um die Reservierung der zeitgesteuerten Route zu bestätigen. Der Switch antwortet mit einer Accept reply Nachricht. Wenn bei einem Switch vor dem KZPT keine Accept Nachricht eintrifft, wird die (vorläufige) Reservierung gelöscht.
Wenn eine zeitgesteuerte Route für den spezifizierten Bereitstellungszeitraum reserviert wurde, so wird die Route vom Switch autonom zum EZPT (d.i. am Ende des Bereitstellungszeitraums) gelöscht.
Wenn eine Route nicht eine point-to-point sondern eine multi-point Topologie aufweist, so bekommt der TTCM die Informationen von allen Switches, die in der multi-point Route angeordnet sind. Der TTCM entscheidet dann aufgrund dieser Informationen, ob eine weitere Iteration erforderlich ist.
In einem großen Netzwerk, in dem viele Endbenutzer und Switches vorhanden sind, können gleichzeitig mehrere TTCMs aktiv sein. Durch unkoordinierte parallele Reservierungen könnte es zu einem Deadlock kommen. Der Deadlock wird verhindert, indem alle Reservierung aufgrund des Bildungszeitpunkts BZPT der Reservierungsnachricht, der in der Reservierungsnachricht enthalten ist, zeitlich geordnet werden. Wenn in einem Switch eine Reservierung durch eine Reservierungsnachricht mit einem späteren BZPT im Konflikt steht mit einer Reservierung mit einem früheren BZPT, so ist die Reservierung mit der späteren BZPT vom Switch zu annullieren. Aufgrund der vorhandenen globalen Zeit lassen sich so alle Entscheidungen im Netz temporal konsistent ordnen, so dass Konflikte konsistent aufgelöst werden können. Gleichzeitigkeit kann durch eine Ordnung der TTCMs aufgelöst werden.
Um zu verhindern, dass ein Intruder fälschlicherweise Reservierungen vornimmt, kann der Reservierungsverkehr zwischen der TTCM und den Switches durch kryptographische Verfahren gesichert werden. Das vorgeschlagenen innovative Verfahren funktioniert entsprechend dem Fate-sharing Modell von Clark [7], das vorsieht, dass alle wichtigen Zustandsdaten einer Verbindung in den Endpunkten des Netzwerkes verwaltet werden und es keine zentrale Instanz im Netz gibt, die alle zeitgesteuerten Verbindungen verwaltet. Das Verfahren baut auf die öffentlichen Standards von Ethernet, TT Ethernet [1,8] und der IEEE 1588 Uhrensynchronisation [9] auf und lässt sich daher in bestehende Netzwerke ohne wesentliche Modifikationen einbinden.
Das hier offen gelegte Verfahren zum selbstorganisierenden Aufbau von zeitgesteuerten Routen in einem großen Computernetzwerk bringt große wirtschaftliche Vorteile, da die Qualität und damit die Anwendbarkeit moderner Netzwerktechnik wesentlich erweitert wird.
Verwendete Abkürzungen
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[9] IEEE 1588 Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Network Measurement and Control Systems. URL: http://www.ieeel588.com/

Claims

PATENTANSPRÜCHE
\. Verfahren zur Erstellung von deterministischen Kommunikationsrouten in einem großen Computernetzwerk, wobei alle betroffenen Endsysteme und Switches des Computernetzwerkes über eine globale Zeit verfügen, dadurch gekennzeichnet, dass aufbauend auf eine bestehende Kommunikationsroute zwischen zwei oder mehreren Endsystemen des Computernetzwerkes eine deterministische Kommunikationsroute generiert wird, indem ein Time-Triggered Connection Manager (TTCM) eines Endsystems
*) die deterministische Kommunikationsroute in einer Resewierungsphase durch eine Reservierungsnachricht an jeden Netzwerk-Switch der bestehenden Kommunikationsroute bis zum Kommitmentzeitpunkt der Reservierung (KZPT) reserviert,
*) und sodann diese deterministische Kommunikationsroute in einer Accept Phase durch eine Accept Nachricht an die Netzwerk-Switches der bestehenden Kommunikationsroute vor dem KZPT bestätigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Time-Triggered Connection Manager (TTCM) eines Endsystems in einer Anfragephase, vor der Reservierungsphase, mittels Anfragen an jeden Netzwerk-Switch entlang der bestehenden Kommunikationsroute zunächst die Realisierbarkeit der deterministischen Kommunikationsroute in Bezug auf den jeweiligen Netzwerk-Switch untersucht, anschließend die deterministische Kommunikationsroute in einer Resewierungsphase durch eine Resewierungsnachricht an jeden Netzwerk- Switch der bestehenden Kommunikationsroute bis zum KZPT reserviert, und sodann diese deterministische Kommunikationsroute in einer Accept Phase durch eine Accept Nachricht an die Netzwerk-Switches der bestehenden Kommunikationsroute vor dem KZPT bestätigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Netzwerk- Switch eigenständig die Reservierung bis zum KZPT entsprechend der an ihn vom TTCM gerichteten Reservierungsnachricht durchführt und die garantierte TVD im Bereitstellungszeitraum sowie die NVD und Vorschläge zur Reduzierung der TVD dem anfordernden TTCM mitteilt, und nach Annahme der Reservierung durch den TTCM mittels einer Accept Nachricht die Reservierung mit einer Accept Reply Nachricht an den TTCM bestätigt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Switch eine Reservierung verwirft, wenn er vor dem KZPT keine Accept Nachricht von dem die Reservierung anfordernden TTCM erhalten hat.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Switch eine Reservierung für eine zeitgesteuerte Route nach dem EZPT löscht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der TTCM aufgrund der Informationen über die Güte der Route und den Vorschlägen zur Reduzierung der TVD, die der TTCM von den an der Route beteiligten Switches erhalten hat, die Reservierungsanfrage modifiziert und weitere Iterationen zum Aufbau einer zeitgesteuerten Route über selbige Switches veranlasst.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der TTCM die Iterationen abbricht, wenn eine angestrebte Güte der Route erreicht wurde oder wenn eine maximale Anzahl an Iterationen durchlaufen wurde.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitgesteuerte Route eine multi-point Topologie aufweist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem großen Netzwerk gleichzeitig mehrere TTCMs deterministische Kommunikationsrouten aufbauen können und die Anfragen der TTCMs in den Switches nach der zeitlichen Ordnung des BZPT der Reservierungsnachricht behandelt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Switch eine Reservierung durch eine Reservierungsnachricht mit einem späteren BZPT, die im Konflikt steht mit einer Reservierung mit einem früheren BZPT, die Reservierung mit der späteren BZPT annulliert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Nachrichtenverkehr zwischen der TTCM und den Switches durch kryptographische Verfahren gesichert wird.
12. Netzwerk Switch zur Verwendung in einem Verfahren nach einem, der Ansprüche 1 bis 11.
13. TTCM zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
14. TTCM nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der TTCM Bestandteil eines E dsystems ist.
15. Endsystem, mit einem. TTCM nach Anspruch 14.
16. Computernetzwerk, insbesondere großes Computernetzwerk umfassend Endsysteme und Switches, zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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