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Für den schnellen
Zugang zum Internet werden in zunehmendem Maße DSL-Verfahren (DSL=Digital
Subscriber Line, digitale Teilnehmeranschlussleitung) und insbesondere
asymmetrische DSL-Verfahren (ADSL=Asymmetric Digital Subscriber
Line) eingesetzt. ADSL unterscheidet sich dabei von symmetrischen
DSL-Verfahren (SDSL=Symmetric
Digital Subscriber Line) im Wesentlichen dadurch, daß bei ADSL
verschiedene Übertragungsgeschwindigkeiten
für Uplink
(Übertragung
vom Teilnehmer zum Internet) und Downlink (Übertragung vom Internet zum
Teilnehmer) vorgesehen sind. Dabei ist regelmäßig die Downlink-Übertragungsgeschwindigkeit
wesentlich (z.B. Faktor 4 oder 6) höher als die Uplink-Übertragungsgeschwindigkeit,
da über
den Downlink typischerweise mehr Daten pro Zeiteinheit übertragen
werden als über
den Uplink. Bei SDSL hingegen sind die Übertragungsgeschwindigkeiten für Downlink
und Uplink gleich.
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Im
Folgenden wird der Begriff "DSL" als Oberbegriff
sowohl für "ADSL" als auch für "SDSL" verwendet, da die
tatsächlichen Übertragungsgeschwindigkeiten
und das Verhältnis
der Übertragungsgeschwindigkeiten
zwischen Uplink und Downlink für
die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung sind.
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Ein
Datenendgerät
des Teilnehmers, beispielsweise ein PC (PC=Personalcomputer) oder eine
Settop-Box, wird mittels eines integrierten oder externen Modems über eine
herkömmliche
Kupferdoppelader mit einem DSLAM (DSLAM=DSL Access Multiplexer,
DSL Zugangsmultiplexer) verbunden. Der DSLRM ist in einem Zugangsknoten
des Netzbetreibers, der den Anschluss für den Teilnehmer bereitstellt,
angeordnet. An einen DSLAM sind über
entsprechende Schnittstellenbaugruppen des DSLAM typischerweise
mehrere Teilnehmer angeschlossen.
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Aus
Kostengründen
soll die Anbindung des DSLAM an nachgeordnete Netzelemente mittels
eines Ethernet-Netzwerkes anstelle der dafür bisher üblicherweise eingesetzten ATM-Netzwerke (ATM=Asynchronous
Transfer Mode, asynchroner Transfermodus) erfolgen.
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Dabei
können
aufgrund der verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten
der teilnehmerseitigen Schnittstellen und der netzseitigen Ethernet-Schnittstelle
im Downlink Überlastsituationen auftreten.
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Aus
der Patentanmeldung
EP
0 706 298 A2 ist ein ATM-Switch bekannt, welcher zur Überlastabwehr
Puffer nutzt, die in einem gemeinsamen Speicher realisiert sind,
wobei die Zuordnung von Speicher zu einem bestimmten Puffer dynamisch
erfolgt, um mit einem möglichst
kleinen Speicher ein bestmögliches
Puffern der Nachrichtenströme
zu erreichen. Nachrichten werden in einem Empfangspuffer empfangen
und durch einen Prozessor an einen geeigneten Ausgangspuffer geleitet,
der durch Auswertung von Adressinformationen der empfangenen Nachrichten
ermittelt wird. Überlast
wird dann vermieden, indem ein Ausgangspuffer bedarfsweise vergrößert wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zur Überlastabwehr
anzugeben, das insbesondere zur Überlastvermeidung
in Netzelementen geeignet ist, welche Nachrichten von schnellen
Schnittstellen auf vergleichsweise langsame Schnittstellen verteilen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überlastabwehr gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Überlastabwehr in einem Netzelement 10 vorgesehen,
wobei das Netzelement 10 Nachrichten über eine erste Verbindung 20 in
einem Empfangspuffer 11 empfängt und mittels einer Vermittlungslogik 13 an
Sendepuffer 14 zumindest zweier weiterer Verbindungen 30 vermittelt,
demgemäß durch
eine Logik 12 Adressinformationen der Nachrichten im Empfangspuffer 11 ausgewertet
werden und abhängig
vom Lastzustand des der Adresse zugeordneten Sendepuffers 14 fallweise
Nachrichten im Empfangspuffer 11 verworfen werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird außerdem
ein Netzelement 10 mit einem Empfangspuffer 11 zum
Empfang von Nachrichten über
eine erste Verbindung 20 und einer Vermittlungslogik 13 zum Vermitteln
der Nachrichten an Sendepuffer 14 zumindest zweier weiterer
Verbindungen 30 vorgesehen, welches eine Lo gik 12,
welche Mittel zum Auswerten von Adressinformationen der Nachrichten
im Empfangspuffer 11 aufweist, und Mittel zum fallweisen Verwurf
von Nachrichten abhängig
vom Lastzustand des der Adresse zugeordneten Sendepuffers 14 umfasst.
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Ein
wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Netzelementes
besteht darin, dass bei eintretender Überlastsituation Nachrichten
bereits aus dem Empfangspuffer verworfen werden und somit nicht
erst in die Vermittlungslogik eintreten müssen. Da über die Verbindung zwischen
Logik 12 und Empfangspuffer lediglich Steuerinformationen
ausgetauscht werden müssen,
ist für
diese Verbindung lediglich eine geringe Übertragungsgeschwindigkeit
vorzusehen.
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Durch
die Erfindung wird vorteilhaft verhindert, dass starke Impulse bzw.
Bursts von Datenverkehr auf der hochbitratigen Verbindung 20,
die an nur eine der – im
Vergleich zu der Verbindung 20 niederbitratigen – Verbindungen 30 weiterzuleiten
sind, dort bzw. im zugehörigen
Sendepuffer 14 nicht zu einer Überlastsituation führen, da
erforderlichenfalls Nachrichten bereits aus dem Empfangspuffer 11 der
Verbindung 20 verworfen werden. Vorteilhaft werden Nachrichten,
die der Verbindungssteuerung dienen, von der Verwurfsstrategie ausgenommen.
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Lastsituationen,
bei denen trotz voller Auslastung der Verbindung 30 die Übermittlung
von Nutzdaten an einen an die Verbindung 30 angeschlossenen
Teilnehmer aufgrund verschiedener Segmentierung von Nutzdaten für die Übertragung über die
Verbindungen 20 und 30 völlig zum Erliegen kommt, werden
durch die Erfindung vorteilhaft vermieden.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
im Zusammenhang mit einer Zeichnung als Ausführungsbeispiel näher erläutert. In
diesem Ausführungsbeispiel
wird lediglich die Datenübertragungsrichtung
von einer schnellen Verbindung auf mehrere langsamere Verbindungen
betrachtet. In der einzigen 1 sind nur
die für
diese Datenübertragungsrichtung
erforderlichen Komponenten dargestellt.
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1 zeigt
ein Netzelement 10, z.B. einen DSL Zugangsmultiplexer DSLAM,
der über
eine schnelle Verbindung 20, z.B. über eine Fast-Ethernet-Verbindung
(100 MBit/s) oder eine Gigabit-Ethernet-Verbindung (1 GBit/s), mit
einem Datennetz (nicht dargestellt) verbunden ist.
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Das
Netzelement 10 umfasst einen Empfangspuffer 11,
der der schnellen Verbindung 20 zugeordnet ist, eine Logik 12,
die mit Mitteln zur Beeinflussung des Empfangspuffers 11 ausgerüstet ist
und außerdem
mit der Vermittlungslogik 13 verbunden ist. Obwohl die
Logik 12 und die Vermittlungslogik 13 als voneinander
getrennt dargestellt sind, können
die jeweiligen Aufgaben durch eine entsprechend entworfene einzige
Logik oder einen programmierbaren Baustein ausgeführt werden.
In einer funktional äquivalenten
Ausgestaltung kann die Logik 12 gemeinsam mit dem Empfangspuffer 11 eine
Einheit bilden, zu der auch ein der schnellen Verbindung 20 zugeordneter
Sendepuffer gehören
kann – nicht
dargestellt.
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Anstelle
einer Verbindung 20 können
auch mehrere Verbindungen 20 mit jeweils eigenem oder einem
gemeinsamen Empfangspuffer 11 an das Netzelement 11 angeschlossen
sein.
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Die
Vermittlungslogik 13 ist angeschlossen an Sendepuffer 14,
die langsameren Verbindungen 30 zugeordnet sind. Bei den
langsameren Verbindungen 30 kann es sich beispielsweise
um digitale Teilnehmeranschlussleitungen DSL handeln, die in dieser
Datenübertragungsrichtung
(vom Datennetz zum Teilnehmer) üblicherweise
mit Datenübertragungsraten
zwischen 128 kBit/s und 8 MBit/s betrieben werden.
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Die
Vermittlungslogik 13 vermittelt über die schnelle Verbindung 20 eingehende
Daten entsprechend der Adressierungsinformationen an eine der langsameren
Verbindungen 30 und ist dazu über eine interne Verbindung
mit dem Eingangspuffer 11 verbunden, deren Übertragungsgeschwindigkeit
vorzugsweise mit der der schnellen Verbindung 20 übereinstimmt
oder größer als
diese ist.
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Falls
das Netzelement 10 ein DSL Zugangsmultiplexer DSLAM ist,
werden durch die Vermittlungslogik 13 Telefonie- und Datendienste
getrennt, und Telefoniedienste werden in das öffentliche Telefonnetz geleitet.
Datendienste werden beispielsweise in das Internet weitergeleitet.
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Zum
Datenaustausch zwischen einem dem DSL Zugangsmultiplexer nachgeordneten
Zugriffsserver und einem Datenendgerät eines Teilnehmers wird das
Protokoll PPPoE (PPPoE=Point-to-Point Protocol over Ethernet, Punkt-zu-Punkt-Protokoll über Ethernet)
verwendet, welches PPP-Daten (PPP=Point-to-Point Protocol, Punkt-zu-Punkt-Protokoll)
transportiert, welches wiederum IP-Daten (IP=Internetprotokoll)
befördert – nicht
dargestellt. Zum Vermitteln der PPPoE Rahmen umfasst die Vermittlungslogik
eine Ethernet-Bridge – nicht
dargestellt.
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Die
PPPoE-Daten werden zwischen dem Datenendgerät des Teilnehmers und einem
Modem des Teilnehmers in den meisten Fällen mittels Ethernet übertragen.
Andere Übertragungsverfahren
zwischen Datenendgerät
und Modem sind beispielsweise ATM oder USB-Protokoll (USB=Universal
Serial Bus). Die Übertragung
zwischen Modem und DSL Zugangsmultiplexer erfolgt mittels ATM.
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Aufgrund
der verschiedenen Übertragungsgeschwindigkeiten
der teilnehmerseitigen Schnittstellen 30 (derzeit maximal
8 MBit/s, üblich
z.B. 1,5 MBit/s oder 768 kBit/s oder 512 kBit/s) und der netzseitigen
Ethernet-Schnittstelle 20 bzw. Ethernet-Schnittstellen
(derzeit maximal 1 GBit/s, üblich z.B.
100 MBit/s) des Netzelementes 10 können in Übertragungsrichtung zum Datenendgerät eines
Teilnehmers Situationen eintreten, in denen Daten über die
Ethernet-Schnittelle(n) 20 mit maximaler Übertragungsgeschwindigkeit
(z.B. 100 MBit/s) für
eine einzige digitale Teilnehmeranschlussleitung 30 geliefert werden, über die
ein Weitertransport der Daten nur mit wesentlich geringerer Übertragungsgeschwindigkeit
(z.B, 768 kBit/s) möglich
ist. Dies kann aufgrund des auf ATM basierenden Übertragungsverfahrens auf der
digitalen Teilnehmeranschlussleitung 30 dazu führen, dass
trotz voll ausgelasteter Übertragungsstrecke 30 zwischen
DSL Zugangsmultiplexer 10 und Modem des Teilnehmers der
Nutzdatenverkehr zwischen DSL Zugangsmultiplexer und Datenendgerät des Teilnehmers
völlig
zum Erliegen kommt.
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Dies
wird dadurch hervorgerufen, dass aus einem Empfangspuffer 12 der
Ethernet-Schnittstelle(n) 20 des DSL Zugangsmultiplexers 10 mit
hoher Datenrate bzw. Übertragungsgeschwindigkeit
Daten in Form von Ethernet-Rahmen oder PPPoE-Rahmen an einen Sendepuffer 14 der
ATM-Schnittstelle der digitalen Teilnehmeranschlussleitung 30 geliefert werden.
Da Ethernet-Rahmen
bzw. PPPoE-Rahmen typischerweise wesentlich größer sind als ATM-Zellen, ist
eine Aufteilung der Rahmen auf mehrere ATM-Zellen, die je 48 Byte
Nutzdaten befördern
können,
erforderlich. Dieser Vorgang ist bekannt als Segmentation. Durch
Verwurfsstrategien im Sendepuffer der ATM-Schnittstelle kann nun
der Fall eintreten, daß aus
jedem zu übertragenden
Rahmen eine oder mehrere dieser ATM-Zellen verworfen werden, was dazu
führt,
dass die Rahmen unvollständig übertragen,
im Ziel verworfen und neu angefordert werden.
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Eine
derartige Blockierung wird durch die vorliegende Erfindung vermieden.
In einer Ausgestaltung wird ein Mechanismus vorgesehen, der durch eine
Random Early Discard Strategie (RED=Random Early Discard, frühzeitiger
zufälliger
Verwurf), die bereits im Empfangspuffer der Ethernet-Schnittstelle angewendet
wird, Überlastsituationen
bereits vor deren Entstehen zuverlässig vermeidet. Andere Verwurfsstrategien
als RED sind ebenfalls anwendbar, beispielsweise Verwurf basierend
auf Rahmengröße oder
Prioritätsinformationen.
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Um
den Verwurf von Rahmen im Empfangspuffer der Verbindung 20 zu
steuern, wird durch eine Logik 12 der Zustand der Sendepuffer 14 der
Verbindungen 30 überwacht.
Sobald festgestellt wird, dass die Anzahl der pro Zeiteinheit über den
Empfangspuffer 11 eingehenden Nachrichten für einen
der Sendepuffer 14 der Verbindungen 30 die Anzahl
der dort pro Zeiteinheit abgehenden Nachrichten um einen gemäß der Puffergrößen festzulegenden
Wert übersteigt,
werden Nachrichten, die zu jenem Sendepuffer 14 zu übermitteln
sind, aus dem Empfangspuffer 11 der Verbindung 20 verworfen.
Dazu ist es erforderlich, dass im Empfangspuffer 11 der
Verbindung 20 bereits festgestellt wird, wohin eingehende
Nachrichten übermittelt
werden sollen, d.h. eine erste Auswertung der Zieladresse ist bereits
vor dem eigentlichen Routing einer Nachricht durchzuführen.
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Liegt
die Zahl der pro Zeiteinheit aus einem Sendepuffer 14 abgehenden
Nachrichten, beispielsweise aufgrund starker Übertragungsstörungen auf der
zugeordneten Verbindung 30, unterhalb eines festzulegenden
ersten Schwellwertes, werden alle für diesen Sendepuffer 14 eingehenden
Nachrichten verworfen. Liegt die Zahl der pro Zeiteinheit aus dem Sendepuffer 14 abgehenden
Nachrichten oberhalb des ersten, jedoch unterhalb eines festzulegenden zweiten
Schwellwertes, werden Nachrichten je nach gewählter Verwurfsstrategie entweder
zufällig
oder gemäß festzulegender
Kriterien verworfen. Als Kriterien kommen beispielsweise Prioritätsinformationen der übermittelten
Nachrichten oder die Nachrichtenlänge in Betracht. Weitere Schwellwerte
können
definiert werden, um eine hinreichend feine Justierung der Verwurfsstrategie
zu ermöglichen,
beispielsweise um eine größere Anzahl
von Prioritätswerten
zu unterstützen.
Im einfachsten Fall entspricht bereits der zweite Schwellwert der
maximalen Datenrate der Verbindung 30, d.h. falls die Zahl
der pro Zeiteinheit für
eine spezielle Verbindung 30 im Netzelement 10 eingehenden
Nachrichten größer als
die Zahl der mit der maximalen Datenrate der Verbindung 30 abgehenden
Nachrichten, werden Nachrichten entsprechend der gewählten Verwurfsstrategie
verworfen.
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Handelt
es sich bei den übertragenen
Nachrichten um Ethernet-Rahmen,
so ist deren Verwurf für die
Datenübertragung
insofern unkritisch, als dass höhere
Protokollschichten, beispielsweise das Transmission Control Protocol
TCP, die Übertragung überwachen
und die erneute Übertragung
verlorener Informationen veranlassen.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung werden Nachrichten, die der Verbindungssteuerung dienen,
nicht verworfen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf DSL Zugangsmultiplexer DSLAM beschrieben
wurde, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Multiplexereinrichtungen
oder ähnliche
Einrichtungen anwendbar. Bei dem Netzelement 10 kann es
sich beispielsweise auch um eine Verteilereinrichtung in einer Kopfstation
von (TV) Kabelnetzen oder eine entsprechende Einrichtung eines auch
zur Datenübertragung
verwendeten Energieversorgungsnetzwerkes (Powerline Communication, "Internet per Stromleitung") handeln.