DE69432655T2

DE69432655T2 - Verbesserungen in ATM-Nachrichtensystemen

Info

Publication number: DE69432655T2
Application number: DE69432655T
Authority: DE
Inventors: Timothy Andrew Bitterne Park Hayter; Wolfgang Fischer; Simon Paul Romsey Davis; Thomas Worster
Original assignee: Siemens AG; Roke Manor Research Ltd
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 1993-05-07
Filing date: 1994-03-08
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2014-03-09
Also published as: CA2119205C; EP0624015A3; ATE240620T1; DE69432655D1; GB9309468D0; EP0624015A2; US5448559A; JPH0715444A; JP3497556B2; CA2119205A1; EP0624015B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Kommunikationssysteme, die auf dem asynchronen Transfermodus (ATM) beruhen.
Genauer bezieht sich diese Erfindung auf eine Vorrichtung, die den Betrieb eines ATM-Switch in Spitzenverkehrszeiten verbessert, sowie auf die Lösung des Problems, Bandbreitenressourcen in Situationen, in denen ein gemultiplexter Strom von ATM-Zellen einzeln auf verschiedene Ports geswitcht werden soll, effizient zuzuweisen.
Das oben geschilderte Problem wird bereits in unserem ebenfalls anhängigen Patentantrag Nr. GB9212447.8 behandelt, auf den hiermit ausdrücklich verwiesen wird, und wird im Folgenden weiter ausgeführt.
ATM-Datenverkehr ist vorwiegend diskontinuierlicher Art. Naturgemäß erfordert diskontinuierlicher Verkehr zeitweise hohe Bandbreiten, in der übrigen Zeit hingegen nur geringe oder keine Bandbreite. Für eine effiziente Nutzung der verfügbaren Bandbreite muss daher die Zuweisung von Bandbreite auf Grundlage der mittleren Bandbreitenanforderung jeder einzelnen Datenquelle, nicht der Spitzenbandbreite erfolgen. Bei einer Zuweisung gemäß der mittleren Bandbreitenanforderung kann die Spitzenbandbreite insgesamt jedoch größer sein als die verfügbare Bandbreite. Für den Betrieb eines ATM-Switch ergibt sich entsprechend ein Problem, wenn eine Anzahl von Datenquellen gleichzeitig Datengruppen senden, da in diesem Fall im ATM-Switch/Multiplexer eine Überlastsituation eintritt. Ohne geeignete Kontrolle oder Beschränkung führt diese Situation zum Datenüberlauf in einen oder mehrere der internen Datenpuffer des Switch/Multiplexers, wobei Daten verloren gehen. Dies ist beispielsweise von Tamiretal in "Computer architecture", Mai 1988, Seite 343–354, beschrieben worden.
Daten, die für einen bestimmten Ausgang vorgesehen sind, gelangen über zahlreiche verschiedene Eingänge in einen Switch. Die Momentandatenrate insgesamt in einem Switch kann größer sein, als ein Ausgang unterstützt, daher ist eine Pufferung erforder lich. Selbst wenn ein entsprechender Puffer bereitgestellt wird, kann es jedoch aufgrund eines Pufferüberlaufs zum Verlust von Daten kommen. Wird lediglich die Spitzenkapazität erhöht, um die Wahrscheinlichkeit solcher Datenverluste auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, führt dies für einen Großteil der Zeit zu einer vergleichsweise geringen Auslastung des Switch, was klarerweise nicht zu akzeptieren ist. Ein Protokoll für die dynamische Zuweisung von Bandbreite, wie es im Folgenden beschrieben wird, stellt eine Methode zur Zuweisung von Bandbreite dar, nach der Bandbreitenanforderungen an einen bestimmten Ausgang gesendet werden und die Übertragung der Daten an diesen Ausgang nur dann erfolgt, wenn in einer Rückmeldung die geforderte Bandbreite zugewiesen wird.
In ATM-Systemen werden Anforderungen zur Erhöhung der Bandbreite von einem Eingangsserver zunächst an einen Bandbreiten-Zuweisungsmechanismus an einem Ausgang gesendet. Wenn ein Switch stark ausgelastet ist, steht Bandbreite an einem Ausgang nur zur Verfügung, wenn eine Bandbreiten-Auslösemeldung eingeht, mit der eine gewisse Bandbreite freigegeben wird. Demzufolge werden Bandbreitenanforderungen immer zurückgewiesen, solange keine solche Freigabe erfolgt. Unter diesen Bedingungen wird der jeweils ersten eingehenden Anforderung nach einer Bandbreitenfreigabe die gerade freigegebene Bandbreite zugewiesen. Dies ist natürlich gegenüber Anforderungen, die kurz vor Freigabe der Bandbreite eingegangen sind, ungerecht. Alle Anforderungen, die von einem Ausgang abgewiesen wurden, werden nach einer geeigneten Wartezeit (Backoff-Zeit) erneut gesendet. Hierdurch können sich nicht zu akzeptierende Verzögerungen oder sogar Zeiten während dieser Wartezeit ergeben, in denen eigentlich Bandbreite zur Verfügung stünde.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System bereitzustellen, durch das dieses Problem im Wesentlichen ausgeschaltet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein ATM-Kommunikationssystem einen ATM-Switch mit einer Anzahl von Ein gängen und einer Anzahl von Ausgängen, wobei jeder dieser Eingänge von einem Eingangsserver gespeist wird und jeder Ausgang dafür ausgelegt ist, einen Ausgangsserver zu speisen. Die Eingangsserver verfügen jeweils über eine Anzahl Pufferspeicher, die der Anzahl der Ausgänge entspricht, an die Daten über den Switch übermittelt werden sollen, wobei jeder Pufferspeicher in den Eingangsservern so ausgelegt ist, dass er den Ausgangsserver, mit dem er kommuniziert, vor Übermittlung der Daten abfragt, um festzustellen, ob auf diesem Ausgangsserver Datenverarbeitungskapazität zur Verfügung steht, wodurch der ATM-Switch-Betrieb in Spitzenverkehrszeiten vereinfacht wird.
Diese Abfrage kann in Form eines Bandbreiten-Anforderungssignals von einem Eingangsserver bezogen auf einen zugehörigen Pufferspeicher erfolgen, indem das Anforderungssignal an einen Ausgangsserver gesendet wird, mit dem der betreffende Pufferspeicher über den Switch kommuniziert, wobei von dem Ausgangsserver bei Verfügbarkeit entsprechender Kapazitäten ein Bestätigungssignal übermittelt wird, auf das hin die Daten aus dem Pufferspeicher über den Switch an den Ausgang gesendet werden.
Daraus folgt, dass durch Bereitstellen eines Pufferspeichers für jeden Ausgangsserver auf jedem Eingangsserver und durch Sicherstellen, dass über den Switch keinerlei Übertragung erfolgt, wenn auf dem Ausgangsserver keine entsprechende Kapazität zur Verfügung steht, Datenverluste aufgrund einer Überlastung des Ausgangsservers verhindert werden können und auch in Spitzenverkehrszeiten ein verlustfreier ATM-Betrieb gewährleistet werden kann.
ATM-Datenverkehr wird in Form von Rahmen übertragen, wobei jeder Rahmen aus mehreren Zellen sowie einem Rahmenendezeichen, das mit der letzten Zelle jedes Rahmens übermittelt wird, besteht.
In einer denkbaren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Anforderungssignal in der ersten Zelle des Rahmens, d. h., in einer Zelle, die auf eine Zelle mit Rahmenendezeichen folgt, übertragen.
In diesem Fall kann die in der Zelle enthaltene Anforderung die Zuweisung von Bandbreite auf Grundlage der mittleren Rahmengröße beantragen, d. h., entsprechend der mittleren Datenkapazität eines Rahmens.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung könnte das Anforderungssignal abhängig von der jeweils im Pufferspeicher enthaltenen Datenmenge gesendet werden.
Bei dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung kann jeder Pufferspeicher eine Anzahl von Datengrenzwerten enthalten, so dass die Übertragung der Anforderungssignale je nach dem erreichten Grenzwert veranlasst wird. Auf diese Weise kann die Bandbreitenanforderung spezifisch der Menge der zu übertragenden Daten angepasst werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein ATM-Kommunikationssystem eine Warteschlangenstruktur für Bandbreitenanforderungen, die in Perioden eingehen, in denen keine Bandbreite zur Verfügung steht, in der Form, dass diese Anforderungen in einer vorgegebenen Reihenfolge freigegeben werden, sobald Kapazität zur Verfügung steht.
Die Freigabe kann einfach nach dem Prinzip erfolgen, dass die erste eingegangene Anforderung auch als erste bearbeitet wird.
Im Folgenden werden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen diverse Ausführungen der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines Switch mit Eingangsservern und Ausgangsservern.
2 ist ein Blockdiagramm, das einen Mechanismus für die Bandbreitenzuweisung darstellt.
3 ist eine schematische Darstellung von Pufferspeichern mit mehreren Grenzwerten.
4 ist eine Schemazeichnung eines Teils eines ATM-Kommunikationssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das in 1 dargestellte ATM-Kommunikationssystem besteht aus einem Switch 1, der von den Servern 2, 3 und 4 über die Eingangsleitungen 5, 6 und 7 gespeist wird. Die Eingangsserver 2, 3 und 4 wiederum speisen eine Anzahl von Ausgangsservern, von denen jedoch nur einer mit der Referenznummer 8 dargestellt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Praxis eine große Anzahl von Eingangsservern bereitgestellt werden kann und in derselben Weise auch eine sehr große Anzahl Ausgangsserver vorhanden sein kann, die mit den Eingangsservern über den Switch 1 kommunizieren. In der hier gezeigten Anordnung ist jeder Eingangsserver mit einer Anzahl Pufferspeicher A, B ... Z ausgestattet, die der Anzahl der Ausgangsserver wie dem mit der Ziffer 8 bezeichneten Ausgangsserver entspricht. Hieraus wird ersichtlich, dass die Signale in den Eingangspuffern A der Eingangsserver 2, 3 und 4 über den Switch 1 an den Ausgangsserver 8 weitergeleitet werden. In ähnlicher Weise werden Signale in den Puffern B der Eingangsserver 2, 3 und 4 über die Leitung 9 eines gleichartigen, hier nicht dargestellten Ausgangsservers geleitet. Hieraus ergibt sich, dass, wenn die Server 2, 3 und 4 gleichzeitig Zugriff auf den Ausgangsserver A anfordern, eine Überlastsituation entstehen kann, die wiederum einen Datenverlust zur Folge haben kann.
Um diese Situation zu vermeiden, wird dafür gesorgt, dass vor der Übertragung von Daten eine entsprechende Anforderung gesendet wird, die in geeigneter Weise bestätigt werden muss. Daher wird in einem spezifischen Fall, in dem Daten aus dem Pufferspeicher A des Eingangsservers 2 an den Ausgangsserver 8 übertragen werden sollen, vom Eingangsserver 2 eine Anforderung an den Ausgangsserver 8 gesendet und, wenn entsprechende Kapazitäten zur Verfügung stehen, ein Bestätigungssignal vom Ausgangs server 8 an den Eingangsserver 2 zurückgegeben, das besagt, dass die Daten zwischen diesen beiden Servern übertragen werden können.
Wie in 1 schematisch dargestellt, kann am Ausgang eine Gesamt-Bandbreite wie durch den Pfeil 10 angezeigt zur Verfügung stehen, die einen isochronen Bestandteil des Speichers 11 für essenzielle Daten, die ohne größere Verzögerung übertragen werden müssen, sowie einen Steuerdaten-Speicherteil 12 für Steuerdaten und einen weiteren Speicherteil 13 für diskontinuierliche Daten umfasst. Daher wird, vorausgesetzt, dass auf dem Ausgangsserver 8 in dem entsprechenden Speicherteil 11, 12 oder 13 ausreichend Platz zur Verfügung steht, über den Switch 1 eine positive Bestätigung gesendet, in deren Folge Daten übertragen werden.
Der Mechanismus für die Bearbeitung einer Bandbreitenanforderung ist in 2 dargestellt. In Folge einer eingegangenen Bandbreitenanforderung auf einer Leitung 14 erfolgt in einem Komparator 15 ein Vergleich mit der verfügbaren Bandbreite, wie sie in einer Bandbreiten-Zuweisungstabelle 16 gespeichert ist. Steht ausreichend Bandbreite zur Verfügung, wird über eine Leitung 17 ein Signal gesendet, um von einer Bandbreiten-Zuweisungseinheit 19 auf einer Leitung 18 eine positive Rückmeldung bereitzustellen. Darüber hinaus wird ein Feedback-Signal über eine Leitung 20 gesendet, das eine Aktualisierung der Bandbreiten-Zuweisungstabelle 16 bewirkt. Steht genügend Bandbreite zur Verfügung, um die Anforderung auf der Leitung 14 zu erfüllen, wird über eine Leitung 21 ein Signal gesendet, das die Anforderung zurückweist, und wird über die Leitung 18 ein negatives Rückmeldungssignal gesendet.
Wie viel Bandbreite angefordert wird, kann abhängig von der angenommenen mittleren Rahmengröße festgelegt werden. Jeder Rahmen enthält in der Regel eine Anzahl von Zellen, die jeweils eine festgelegte Menge Daten enthalten. In einer denkbaren Anordnung enthält die letzte Zelle jedes Rahmens ein Rahmenendezeichen, folglich wird bei Übertragung der nächsten, auf ein Rahmenendezeichen folgenden Zelle eine Bandbreitenanforderung entsprechend der mittleren Rahmenbandbreite gestellt.
In einer alternativen Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 dargestellt ist, beinhaltet jeder Puffer wie beispielsweise die Puffer 22 und 23 eines Eingangsservers, der mit einem Eingang 24 kommuniziert, drei Grenzwerte T1, T2 und T3. Bei Betrieb des Systems wird jedes Mal, wenn einer dieser Grenzwerte erreicht ist, eine Bandbreitenanforderung gesendet, wobei die angeforderte Bandbreite abhängig ist von der Menge der zu übertragenen Daten, so dass nicht unnötigerweise Bandbreite belegt wird.
In Anordnungen wie den vorstehend beschriebenen ist ein Protokoll für die dynamische Bandbreitenzuweisung zwischen einem Eingangsserver und einem weiteren Server an einem beliebigen Switch-Ausgang angesiedelt. Der Server am Ausgang pflegt eine Tabelle mit Angaben zu der aktuell für den betreffenden Ausgang reservierten Bandbreite. Fordert ein Eingangsserver Kapazitäten für die Übermittlung von Datengruppen an, sendet er hierzu zunächst über das Koppelnetz eine Reservierung an den Ausgangsserver. Diese Reservierungszelle enthält die geforderte Bandbreite. Kann der Ausgangsserver diese Bandbreitenanforderung erfüllen, erfolgt eine positive Rückmeldung an den betreffenden Eingangsserver. In diesem Fall kann die Datengruppe von dem Eingang an den Ausgang gesendet werden. Sobald die Übertragung der Datengruppe abgeschlossen ist, wird die Bandbreite in Form eines expliziten Auslösesignals wieder freigegeben. Das vorstehend beschriebene System beinhaltet ein dynamisches Reservierungsprotokoll, wobei nur ein einziger Multiplex-Punkt beteiligt ist. Auf diese Weise kann dank der Toleranz von Datendiensten gegenüber Verzögerungen im Bereich von einigen 10 Millisekunden und dank der Tatsache, dass Anforderungen bei einer Blockade in Warteschlangen eingereiht werden können, statt erneut gesendet zu werden, eine sehr hohe Burst Blocking Probability (BPP) von 0,9 oder höher verwendet werden, wodurch wieder um die Leistung für einen stark diskontinuierlichen Datendienst mit hoher Spitzenübertragungsrate gesteigert würde.
In 4 besteht der zu betrachtende Teil des ATM-Systems aus einem ATM-Koppelnetz 25, das mit einem Eingang 26 und einem Ausgang 27 kommuniziert. Naturgemäß sind, auch wenn hier nur ein Eingang und ein Ausgang dargestellt werden, eine Vielzahl von Eingängen und eine Vielzahl von Ausgängen möglich. Die Daten werden von einer Anzahl verschiedener Quellen, die die Speicher 28, 29 und 30 speisen, wobei für jede Quelle ein Speicher vorhanden ist, an den Eingang übergeben. In der Zeichnung sind nur die drei Speicher 28, 29 und 30 dargestellt, jedoch können natürlich zahlreiche weitere Quellen für die Kommunikation mit dem Port 26 jeweils über einen separaten Speicher eingerichtet werden. Die Daten, die in die Speicher 28, 29 und 30 übermittelt werden, werden in Form von ATM-Zellen übertragen, die neben dem Dateninhalt auch Steuersignale enthalten können. Da auf der Kommunikationsverbindung zwischen dem Eingang 26 und dem Ausgang 27 über das Koppelnetz 25 naturgemäß eine bestimmte maximale Bandbreite zur Verfügung steht, kann es, wenn eine große Anzahl Speicher in der Art der Speicher 28, 29 und 30 Zugriff anfordern, zu einer Überschreitung der verfügbaren Bandbreite kommen. Entsprechend ist am Eingang eine Ressourcen-Zuweisungseinheit 31 vorgesehen, die die aktuelle Nutzung der verfügbaren Bandbreite durch die zu den Speichern 28, 29 und 30 gehörigen Quellen prüft und die von dem Speicher eingehenden Bandbreitenanforderungen, die durch einen Pfeil 32 schematisch dargestellt sind, beurteilt. Die eingehenden Anforderungen können gemäß der verfügbaren Bandbreite modifiziert werden, so dass eine Anforderung vom Speicher 28 für eine festgelegte Bandbreite in der Ressourcen-Zuweisungseinheit 31 am Eingang modifiziert werden kann. Diese modifizierte Anforderung wird über eine Leitung 33 an den Eingang 26 und über das Koppelnetz 25 auf einer Leitung 34 (eine schematische Darstellung der Route) weitergeleitet. Die Route durch den Switch wird von Bandbreitenanforderungen und Daten belegt. Bandbreitenanforderungen gelangen über die Leitung 34 in eine Warteschlangenein richtung 35, wohingegen die Daten diese Warteschlangeneinrichtung umgehen und durch das System auf einer Leitung 36 aus dem Ausgang 27 herausgeleitet werden. Die am Ausgang 27 verfügbare Bandbreite wird durch eine Ressourcen-Zuweisungseinheit 37 am Ausgang beurteilt, die die derzeit von dem betreffenden Ausgang belegte Bandbreite über eine Leitung 38 überwacht und über eine Leitung 39 Bestätigungssignale sendet, die über das Koppelnetz 25 und eine Leitung 40 an die Quelle zurückgeleitet werden, von der eine Anforderung stammt. Wenn in dem hier beschriebenen Beispiel der Speicher 28 über die Leitung 32 eine Anforderung sendet, kann die Ressourcen-Zuweisungseinheit am Eingang diese Anforderung modifizieren, woraufhin diese über die Leitung 34 durch das Koppelnetz geleitet und im Speicher 35 in die Warteschlange eingereiht wird. Schließlich wird die Anforderung von der Ressourcen-Zuweisungseinheit 37 am Ausgang bearbeitet, die über die Leitungen 39 und 40 ein entsprechendes Bestätigungssignal sendet, durch das wiederum die Daten aus dem Speicher 4 mit einer der verfügbaren Bandbreite entsprechenden Übertragungsrate freigegeben werden.
Durch das Einreihen von Bandbreitenanforderungen in eine Warteschlange wie vorstehend beschrieben kann somit ein effizienteres System mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Verzögerungen realisiert werden.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen können auf unterschiedliche Weise modifiziert werden, ohne hierdurch den Umfang der Erfindung zu verändern. So kann beispielsweise jedes geeignete Verfahren und jede geeignete Vorrichtung für die Grenzwerterkennung im Puffer verwendet werden. Weiterhin wird in einem Praxisbeispiel eine beliebige Anzahl von Eingängen mit entsprechenden Speichern bereitgestellt.

Claims

Ein ATM-Kommunikationssystem, umfassend einen ATM-Switch (1, 25) mit einer Anzahl von Eingängen und einer Anzahl von Ausgängen, wobei jeder dieser Eingänge von einem Eingangsserver (2–4) gespeist wird und jeder Ausgang dafür ausgelegt ist, einen Ausgangsserver (8) zu speisen. Besagte Eingangsserver verfügen jeweils über eine Anzahl Pufferspeicher (A, B, Z, 22, 23), die der Anzahl der Ausgänge entspricht, an die Daten über den Switch (1, 25) übermittelt werden sollen, wobei jeder Pufferspeicher (A, B, Z, 22, 23) in den Eingangsservern so ausgelegt ist, dass er den Ausgangsserver (8), mit dem er kommuniziert, vor Übermittlung der Daten abfragt, um festzustellen, ob auf diesem Ausgangsserver Datenverarbeitungskapazität zur Verfügung steht, wodurch der ATM-Switch-Betrieb in Spitzenverkehrszeiten vereinfacht wird.
Ein System gemäß Anspruch 1, bei dem diese Abfrage in Form eines Bandbreiten-Anforderungssignals von einem Eingangsserver (2–4) bezogen auf einen zugehörigen Pufferspeicher (A, B, ... Z, 22, 23) erfolgt, indem das Anforderungssignal an einen Ausgangsserver (8) gesendet wird, mit dem der betreffende Pufferspeicher über den Switch (1) kommuniziert, wobei von dem Ausgangsserver (8) bei Verfügbarkeit entsprechender Kapazitäten ein Bestätigungssignal übermittelt wird, auf das hin die Daten aus dem Pufferspeicher (A, B ... Z, 22, 23) über den Switch (1) an den Ausgang (8) gesendet werden.
Ein System gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, in dem ATM-Datenverkehr in Form von Rahmen übertragen wird, wobei jeder Rahmen aus mehreren Zellen sowie einem Rahmenendezeichen, das mit der letzten Zelle jedes Rahmens übermittelt wird, besteht. Das Anforderungssignal wird in der ersten Zelle des Rahmens, d. h., in einer Zelle, die auf eine Zelle mit Rahmenendezeichen folgt, übertragen.
Ein System gemäß Anspruch 3, in dem die in der Zelle enthaltene Anforderung die Zuweisung von Bandbreite auf Grundlage der mittleren Rahmengröße beantragt, d. h., entsprechend der mittleren Datenkapazität eines Rahmens.
Ein System gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, in dem das Anforderungssignal abhängig von der jeweils in einem Pufferspeicher enthaltenen Datenmenge gesendet wird.
Ein System gemäß Anspruch 5, in dem jeder Pufferspeicher (22, 23) eine Anzahl von Datengrenzwerten (T1, T2, T3) enthält und Anforderungssignale je nach dem erreichten Grenzwert gesendet werden.
Ein ATM-Kommunikationssystem gemäß den vorstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch eine Warteschlangenstruktur (35) für Bandbreitenanforderungen, die in Perioden eingehen, in denen keine Bandbreite zur Verfügung steht, in der Form, dass diese Anforderungen in einer vorgegebenen Reihenfolge freigegeben werden, sobald Kapazität zur Verfügung steht.
Ein System gemäß Anspruch 7, in dem die erste eingegangene Anforderung auch zuerst bearbeitet wird.
Ein System gemäß Anspruch 7, in dem die Freigabe der Anforderungen aus der Warteschlange gemäß einer Priorität erfolgt, die abhängig von der Art der Daten, auf die sich die betreffende Anforderung erstreckt, festgelegt wird.