DE3784168T2

DE3784168T2 - Digitale paketvermittlungsnetzwerke.

Info

Publication number: DE3784168T2
Application number: DE8787480011T
Authority: DE
Inventors: Lionel Bustini; Andre Cretegny; Gerard Marmigere; Guy Platel; Pierre Secondo
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-09-23
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2007-09-24
Also published as: JPH0681157B2; DE3784168D1; US4918687A; EP0308565B1; EP0308565A1; JPS6489838A

Description

Diese Erfindung beschäftigt sich mit Verfahren und Mitteln zur Optimierung des Verkehrs in einem Paketvermittlungsnetzwerk.

Stand der Technik

Es sind digitale Übertragungssysteme bekannt, in denen Echtzeitsignale (z. B. Sprache) in Paketform übertragen werden. Ein Vorteil der Paketvermittlung ist die Fähigkeit, Echtzeit und Daten leicht zu mischen. Die Protokolle sind aber völlig unterschiedlich. Da für Echtzeitsignale Ende-Ende-Verzögerungen erzwungen sind und die Wiederherstellung der Pakete in Echtzeit erfolgen muß, müssen fehlerhafte Pakete und Pakete, die beim Warten in den Warteschlangen von Netzwerkknoten zu sehr verzögert wurden, herausgenommen werden - sie können nicht erneut übertragen werden. Dies führt zu Paketverlusten. Datenpakete können jedoch, falls erforderlich, verzögert und erneut übertragen werden.
In der folgenden Beschreibung wird bei Echtzeitsignalen von Sprachsignalen ausgegangen, die Erfindung bezieht sich aber auch auf andere Echtzeitsignale, beispielsweise auf Videobilder.
Es gibt heute effektive Methoden zur Wiederherstellung von einigen der verlorenen Sprachpakete auf der Empfangsseite (siehe Europäische Anmeldungen 0,139,803 und 0,162,173 des gleichen Anmelders), die bis zu einem Verlust von 5% keine hörbare Verschlechterung erzeugen und die Verständlichkeit sowie die Spracherkennungsfähigkeit bis zu einem Verlust von 33% bei einer angemessenen Verschlechterung der Sprachqualität aufrechterhalten. Unglücklicherweise sind diese Methoden bezüglich der Sprachqualität nicht effektiv, wenn zwei oder mehr Pakete eines bestimmten Sprechers nacheinander verloren gehen.
EP-A-0237211 beschreibt eine Racket-Pufferspeichersteuerung für einen statistischen Multiplexbetrieb, bei dem die Pufferspeicherüberlaufsteuerung durch Steuerung der Menge der Paketdaten realisiert wird, die als Antwort auf die im Pufferspeicher gespeicherte Paketdatenmenge in den Pufferspeicher eingegeben werden. In Abhängigkeit von der Art der verwendeten Codierung und der im Pufferspeicher gespeicherten Datenmenge werden aus dem Paketinformationsfeld, das in den Pufferspeicher eingegeben wird, eine oder mehrere Bitgruppen gezielt weggelassen. Dennoch ist dieses Verfahren nicht effektiv und darüber hinaus codeabhängig.
Ein Ziel dieser Erfindung besteht darin, ein effektives und einfaches Verfahren zur Verfügung zu stellen, um gemäß Anspruch 1 die Verluste aufeinanderfolgender Sprachpakete in einem digitalen Netzwerk drastisch zu reduzieren.
Ein weiteres Ziel besteht darin, in einem Sprachpaketnetzwerk eine bestimmte Bandbreite für den Datenverkehr freizumachen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt ein Blockdiagramm eines Paketvermittlungsnetzwerkes dar.
Fig. 2, 3 und 4 zeigt Knotenverkehrs- und Warteschlangenoperationen.
Fig. 5 zeigt eine Datenpaketstruktur.
Fig. 6, 7, 9, 10 und 11 sind Flußbilder der Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine Vorrichtung für die Erfindung.

Beschreibung einer bevorzugten Ausführung

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines digitalen Paketvermittlungsnetzwerkes, an das sowohl Sprach- als auch Datenterminals (nicht dargestellt) angeschlossen werden können. Ebenso sind Mittel zur Konvertierung der analogen Sprachsignale in digitale Datenpakete nicht dargestellt. Die Pakete, d. h. reine Daten, die von Datenterminals stammen, oder Sprachdaten, die von Sprachterminals stammen und digital codiert sind, gelangen über eine Torknoteneinrichtung (GNE) 10 in das Netzwerk und müssen durch eine oder mehrere Durchgangsknoteneinrichtungen (TNE) 12 laufen. Eine ausführlichere Beschreibung der Funktion eines solchen Netzwerkes (Betrieb mit Sprachdaten) wurde in der Europäischen Anmeldung 0,162,173 dargelegt. Für die vorliegende Erfindung muß man verstehen, daß jeder Knoten ein komplexes digitales Informationsbehandlungs- und Verarbeitungssystem ist, das beispielsweise Kommunikationssteuereinrichtungen umfaßt. Der Knoten wird herkömmlich durch ein Netzwerksteuerprogramm (NCP) oder ein NCP-ähnliches Programm gesteuert. In jedem Knoten werden die Daten von den Eingangskanälen wieder gesammelt und die Paketrahmen wiederhergestellt. Diese Pakete müssen dann durch das NCP zu ihrem endgültigen Bestimmungsort geleitet werden. Im allgemeinen wird dazwischen innerhalb jedes Knotens eine Pufferoperation, d. h. eine Einreihung in eine Warteschlange, ausgeführt.
Fig. 2 zeigt einen speziellen Knoten, der N Sprecher über einen digitalen Netzwerkkanal konzentriert. Für jede Spracheingabeeinheit oder jeden Sprecher, der über eine Telefonleitung angeschlossen ist, wird die Digitalisierung und die Kompression des Sprachsignals durchgeführt. Zur Ausführung dieser Funktion sind verschiedene Mittel bekannt. Beispielsweise kann man den Codierer verwenden, der im IBM Journal of Research and Development, Vol. 29, Nr. 2, März 1985, von C. Galand et al beschrieben wurde, implementiert in einem programmgesteuerten Signalprozessor (SP) 20. Während der Sprechpausen wird kein Paket erzeugt. Während des aktiven Sprachzeitraumes besteht die Ausgabe jedes Signalprozessors SP in einem Sprachpaket, das zum Kommunikationsknoten gesendet wird. Die Sprachpakete werden mit einer konstanten Periode Tin erzeugt (normalerweise im Bereich von 5 bis 40 ms; in der folgenden Beschreibung werden 40 ms vorausgesetzt). Das Warteschlangensystem liefert Pakete mit einer konstanten Bedienzeit Tout an den Kanal. So beträgt die Kanalkapazität für simultane Sprecher
SSC = Tin/Tout.
SSC ist proportional zum Sprachkompressionsverhältnis und zur Bitrate des digitalen Kanals.
Um eine ordnungsgemäße Sprachübertragung über das Netzwerk auszuführen, sollte die Ende-Ende-Verzögerung bei der Sprachpaketübertragung einen vorher festgelegten Wert nicht überschreiten. Um jede Knotenverzögerung zu begrenzen, wird die Warteschlangenlänge auf L begrenzt, und das älteste Paket wird entfernt, wenn die tatsächliche Warteschlangenlänge den Wert L erreicht. Dies wird als Herausnahmeoperation bezeichnet, die in dieser Erfindung weiter zu verbessern ist.
Die Kommunikationsknoten können Kommunikationssteuervorrichtungen IBM 3725 enthalten, und das System kann so arbeiten wie in der Europäischen Anmeldung 0,162,173 dargestellt ist.
Die Knotensteuereinrichtungen können über vier Vollduplexleitungen angeschlossen werden. Für jede Ausgangsleitung gibt es eine Paketwarteschlange (QA, QB, QC, QD) (siehe Fig. 3).
Während seiner Übertragung durchläuft ein Sprachpaket mehrere Paketvermittlungsknoten, in denen es auf Grund der Warteschlangenabarbeitung zufällig verzögert wird. Infolgedessen gibt es bei der Übertragungsverzögerung eine Signalunbeständigkeit.
Um für die Paketsynthese einen konstanten Zeitraum Tin zu sichern, werden die Pakete am Empfangsknoten in einem Rückhaltepuffer in eine Warteschlange eingereiht (Fig. 4) (bezüglich weiterer Einzelheiten des Paketsynchronisationssystems siehe die Europäische Anmeldung 0,162,173). Infolgedessen ist die gesamte Ende-Ende-Verzögerung der Warteschlange konstant gleich K.L.Tout, wobei K die Zahl der Knoten ist. Diese Verzögerung ist deshalb proportional zu L.
Aufgrund der inhärenten Natur von Sprachsignalen, die aufeinanderfolgende Sprachelemente und Sprachpausen enthalten, ist es möglich, mehrere Sprachverbindungen auf einer reduzierten Bandbreite zu überlappen. Dieses Prinzip wurde in Zeitzuordnungs- Sprachinterpolationssystemen (TASI), die mit analogen Signalen arbeiten, und in Digitalen Sprachinterpolationssystemen (DSI), die mit einer digitalisierten Sprache arbeiten, breit angewendet. Man kann den DSI-Gewinn für Sprachpakete ableiten, indem die Verteilung Sprachelement/Sprachpause für jeden Sprecher durch ein einfaches Markov-Modell zweiter Ordnung modelliert wird. Die Längen der Sprachpausen und der Sprachelemente sind exponentialverteilt mit den Mittelwerten Ts und Tt. Man kann dann das Modell für N unabhängige Sprecher ableiten, eine Markov-Kette mit kontinuierlicher Zeit, deren Ordnung n die Zahl gleichzeitig aktiver Sprecher ist.
Tatsächlich handelt es sich hier um einen Leben-und-Tod-Prozeß; seine stationäre Wahrscheinlichkeit, in dem Zustand "n aktive Sprecher" zu sein, beträgt
Pn = C/nN·(Tt/(Tt+Ts)n-(Ts/Tt+Ts))(N-n).
Wenn n> SSC (Überlast) ist, wächst die Länge der Warteschlange im Paketknoten. Wenn diese Länge den Wert L erreicht, wird das älteste Paket aus der Warteschlange herausgenommen und die maximale Verzögerung ist somit gleich L.Tout.
Wenn n< SSC (Unterlast) ist, nimmt die Länge der Warteschlange ab.
Die Paketverlustwahrscheinlichkeit für eine kleine Länge (in diesem Fall führt die Überlast zu einem sofortigen Herausnehmen des Endes der Warteschlange) und für einen Sendeknoten ist leicht abzuleiten:
Verlust = SUN(n> SSC) [Pn·((n-SSC)/n)].
Typische Werte zeigen, daß für Verlustwahrscheinlichkeiten von einigen Prozent (z. B. 5%) der Gewinn an Sprecherzahl im Vergleich zu SSC gleich ((Tt+Ts)/Tt) ist. Die tatsächliche Sprachaktivität (Tt/(Tt+Ts)) hängt stark von der Art und Weise ab, in der die Feststellung der Sprachaktivität im sendenden Signalprozessor ausgeführt wird. Die Sprachaktivität reicht gewöhnlich von 40 bis 50 Prozent.
So kann man bei einem Verlust von einigen Prozent (z. B. 5%) die Zahl der Sprecher verdoppeln oder bei einem Verlust von ungefähr 30% verdreifachen. Und deshalb verbessert das zu einem effektiven Paketrekonstruktionsalgorithmus (Wiederherstellung der herausgenommenen oder verlorenen Pakete auf der Empfängerseite) gehörende Herausnehmen aus Warteschlangen mit Interpolations- und Extrapolationsoperationen, wie sie in der EPO-Anmeldung 0,139,803 dargestellt sind, die DSI-Effektivität sehr wesentlich.
Es ist offensichtlich, daß man bei wesentlichen Verlusten (30%) einen bedeutenden Anteil an aufeinanderfolgenden Verlusten für jeden Sprecher erhält, wenn das Herausnehmen aus der Warteschlange zufällig geschieht. Da verlorene Sprachpakete durch Interpolation/Extrapolation auf der Grundlage von benachbarten Paketen wiederhergestellt werden, sind Verluste aufeinanderfolgender Pakete offensichtlich zu vermeiden.
Es kann gezeigt werden, daß selbst für kleine Herausnahmeraten (1%) zyklische Zustände existieren, die zu bedeutenden aufeinanderfolgenden Verlusten für vorhandene Sprecher führen (27% der verlorenen Pakete).
Hier wird eine Herausnahmestrategie vorgeschlagen, die das aufeinanderfolgende Herausnehmen für den gleichen Sprecher verhindern soll und einen gesteuerten Herausnahmeprozeß verwendet, um Kanalbandbreite zur Verkehrsoptimierung freizumachen. Unter Optimierung versteht man hier die Erhöhung der Zahl von bearbeiteten Sprachterminals oder die Integration von Daten und Sprache über den gleichen Kanal. Zu diesem Zweck erhielt das Format der Pakete eine besondere Struktur.
Fig. 5 veranschaulicht das Format eines Bitpaketes, wie es am übertragenden Ende des Netzwerks erzeugt wird. Die Felder F, A, C, BCC und F sind so wie in HDLC/SDLC definiert (bezüglich weiterer Einzelheiten sei auf den 150 Standard IS 3309 verwiesen). Die F-Felder enthalten 8-Bit-Kennzeichenbytes der Art "01111110" ("7E" in hexadezimaler Schreibweise). Das zweite Feld A enthält ein Byte, das die Adresse des Terminals am übertragenden Ende angibt. Das dritte Feld C enthält ein Byte, das die Richtung steuert, in der die Übertragung auszuführen ist. Das Feld BCC besteht aus zwei Zeichen (Bytes), die zur Kontrolle der Übertragung verwendet werden.
Das Feld enthält weiterhin zwei Vorsatzbytes H0 und H1. Das Byte H0 wird verwendet, um die Art des Paketes (Sprache oder Daten) zu definieren und den Weg des Paketes durch das Netzwerk zwischen Ein- und Ausgangsterminals zu leiten. Der Inhalt von H0 umfaßt eine logische Kanalnummer (LCN), die einen Kanal zwischen einer GNE und einer unmittelbar folgenden TNE oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden TNE oder GNE auf dem Übertragungsweg zwischen zwei Terminals definiert. Demzufolge muß H0 in jedem Knoten aktualisiert werden, wobei eine Technik benutzt wird, die der in der CCITT-Empfehlung X.25 beschriebenen ähnelt. Vom Standpunkt der vorliegenden Erfindung aus ist das zweite Byte H1 wichtiger. Die acht Bitpositionen von H1 werden von 0 bis 7 numeriert. Das nullte, durch P bezeichnete Bit ist das Paritätskennzeichen. Bit 1 (als IE-Kennzeichen bezeichnet) ist ein Interpolations-Extrapolationskennzeichen. Bit 2 (durch PC bezeichnet) ist ein Bit, das, wie im weiteren erklärt wird, als Bit "Verhindere das Herausnehmen" verwendet wird. Man beachte, daß für die vorliegenden Zwecke das IE-Kennzeichenbit auf den logischen Wert "0" gesetzt wird, um das Ende oder den Anfang eines Sprachelementes anzugeben. Die Bits 3 bis 7 (durch PS bezeichnet) definieren jede Paketfolgenummer. Dieses Feld wird durch einen Zähler modulo 32·40 ms geladen, um die verstrichene Zeit zu zählen.
Die Datenbits bilden zwei Gruppen von jeweils 18 Bytes, womit insgesamt zwei 20 ms lange Segmente eines Sprachsignals dargestellt werden.
Das Paritätsbit P wechselt zwischen den logischen Werten "1" und "0", um eine lange Pause anzuzeigen, und bleibt im Falle einer kurzen Pause (< 1,28 s) ungeändert.
Der Inhalt des Feldes PS wird am Ende einer langen Pause, d. h. wenn sich der Wert des P-Bits ändert, zwangsweise auf Null gesetzt und dann alle 40 ms um Eins erhöht, gleichgültig, ob ein Paket übertragen wird oder nicht. Für die vorliegenden Ziele wurde das Feld PS auf fünf Bits begrenzt, was eine Zählfunktion modulo 32 erlaubt (32 in der dezimalen Darstellung). Obwohl diese Feldlänge keine Grenze darstellt, wird sie als ausreichend angesehen, um eine genaue Messung von kurzen Pausen zu ermöglichen, da 32·40 ms = 1,28 s ist.
Das niedrigste Bit des PS-Feldes wird durch "EC" bezeichnet (geeignet zum Herausnehmen). Pakete, bei denen das EC-Bit den Wert 1 besitzt, können für den Zweck dieser Erfindung durch irgendeinen Netzwerkknoten für die Herausnahme in Betracht gezogen werden, Pakete, bei denen das EC-Bit den Wert 0 besitzt, können für die Herausnahme nicht betrachtet werden. Durch das abwechselnde Setzen des EC-Bits in den Paketen einer Übertragung auf 1 und auf 0 sichert man deshalb, daß nicht zwei aufeinanderfolgende Pakete weggelassen werden (obwohl noch zwei aufeinanderfolgende Pakete im Fall von Leitungsfehlern verloren gehen können). Deshalb ist kein gesondertes Bit für die EC-Funktion erforderlich, wenn das niedrigste Bit der Paketfolgezahl verwendet wird.
Die Frequenz für die Eignung zum Herausnehmen kann sich entsprechend der erwarteten Sprachqualität ändern. Wenn beispielsweise nur eins von zehn Paketen zum Herausnehmen geeignet ist, dann ist die Rate für das Herausnehmen selbst im Falle einer Spitzenaktivität nicht höher als 10%. Dies führt für die Übertragungen zum Konzept der "Bedienklasse". In diesem Fall würde das EC-Feld entsprechend erweitert.
Die Effektivität dieser Vorgehensweise ist unabhängig von der Netzwerktopologie, sie beträgt 100%, wenn der Schwellwert für das Herausnehmen größer oder gleich der Anzahl der Übertragungen ist. Im Falle eines komplexen Netzwerkes muß aber, um eine minimale Ende-Ende-Verzögerung zu garantieren, der Warteschlangenschwellwert auf einen Wert gesetzt werden, der kleiner als die maximale Anzahl von Übertragungen ist (typischerweise die Hälfte dieser Zahl). In solch einem Fall kann die Warteschlange nur Pakete enthalten, die nicht für die Herausnahme geeignet sind, was dazu führt, die Herausnahme von nicht dafür geeigneten Paketen zu betrachten. Die beschriebene Art und Weise der Zuordnung des EC-Bits eines Paketes sichert jedoch eine geringe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten dieser Erscheinung.
Dies kann jedoch durch die Anwendung der folgenden zusätzlichen Eigenschaft verbessert werden:
Das PC-Bit (verhindere das Herausnehmen) zeigt an, daß das vorhergehende Paket bei dieser Übertragung in einem der früheren Knoten herausgenommen wurde. Der obige Herausnahmemechanismus kann durch Prüfen dieses PC-Bits vor dem Herausnehmen eines Paketes verbessert werden. Bei der Übertragung wird den Paketen Priorität eingeräumt, bei denen das PC-Bit den Wert 1 hat, um das aufeinanderfolgende Herausnehmen in den Fällen zu vermeiden, in denen zum Herausnehmen geeignete Pakete herausgenommen werden müssen.
Wie oben erklärt, werden die Sprachpakete in jedem Knoten vor dem Senden in eine Verbindungsausgabewarteschlange eingereiht.
Diese Operation wird durch eine "PACKET ROUTER"-Funktion (nicht dargestellt) in jedem Knoten ausgeführt. Dieser PACKET ROUTER enthält eine Teilfunktion QUEUE CLIPPING, die ständig die Länge der Ausgabewarteschlangen überwacht, um die Herausnahmeoperation auszuführen, die darin besteht, die Pakete herauszunehmen, die in einer Warteschlange zu lange gewartet haben, wenn ein ankommendes Paket die Schlange überlasten würde.
Die vorgeschlagene Methode besteht darin, die Warteschlangen- und Herausnahmealgorithmen unter Benutzung der folgenden zusätzlichen Information zu verbessern:
In jedem Sprachpaket wird das Bit ELIGIBLE FOR CLIPPING (EC-Bit) durch das sendende Endgerät gesetzt. Bei irgendeiner Übertragung wird dieses EC-Bit abwechselnd auf 0 und 1 gesetzt (wenigstens in einem Sprachelement), d. h. bei einer gegebenen Übertragung haben zwei beliebige aufeinanderfolgende Pakete unterschiedliche EC-Bits. Das EC-Bit ist das niedrigste Bit des Paketfolgezählers. Dieser Zähler wird nach jeder langen Sprachpause auf 0 gesetzt; dies garantiert die Verhinderung des Herausnehmens für das erste Paket eines Sprachelementes und eine zufällige Verschlüsselung über alle Übertragungen hinweg.
In jedem Knoten wird je-der Sprachverbindungsausgabewarteschlange ein Zähler für das "Überschreiten des Schwellwertes" (OT-Zähler) (nicht dargestellt) zugeordnet und am Anfang auf Null gesetzt. In der folgenden Beschreibung wird "OT" benutzt, um sowohl den Zähler als auch seinen Inhalt zu bezeichnen.
Die Warteschlangenbildung und das Senden werden dann wie nachstehend beschrieben ausgeführt:
Prüfe die Länge der Warteschlange, bevor ein Paket in die Warteschlange eingereiht wird (Fig. 6): - die Länge der Warteschlange ist kleiner als der Schwellwert: füge das Paket in die Warteschlange ein; - die Länge der Warteschlange ist größer oder gleich dem Schwellwert: füge das Paket in die Warteschlange ein und inkrementiere den OT-Zähler.
Prüfe den OT-Zähler vor dem Senden eines Paketes (Fig. 7): - der OT-Zähler ist gleich 0: übertrage das Paket; - der OT-Zähler ist größer oder gleich 1: prüfe das EC- Bit des Paketes; - das EC-Bit ist gleich l: nimm das Paket heraus, dekrementiere den OT-Zähler und betrachte das nächste zu übertragende Paket; - das EC-Bit ist gleich 0: übertrage das Paket und suche in der Warteschlange nach Paketen, in denen das EC-Bit gleich 1 ist (herausnehmbare Pakete), und nimm sie heraus (falls vorhanden), bis der OT-Zähler gleich 0 ist oder das Ende der Verbindungsausgabewarteschlange erreicht ist; im zweiten Fall werden die OT-ältesten Pakete entfernt, und der OT-Zähler wird auf 0 gesetzt.
Wie oben erklärt, kann die Zahl der Pakete, die vor dem Senden in einer Verbindungsausgabewarteschlange warten, den Schwellwert für die Herausnahme überschreiten; dies kann zu einer Unterbelastung in der Sprachterminalausrüstung führen. Da die Unterbelastung zwei aufeinanderfolgende Pakete der gleichen Übertragung beeinflussen kann, muß die erste Lösung wie folgt verbessert werden.
Für jede Sprachverbindungsausgabewarteschlange wird durch die aktive virtuelle Schaltung eine Herausnahmespeichertabelle mit einem Kennzeichen, dem Kennzeichen CLIPPING REMEMBRANCE, gehalten, d. h. durch das entsprechende LCN bezeichnet, um als Adresse für die genannte Tabelle verwendet zu werden (siehe Fig. 8). Am Anfang wird dieses Kennzeichen auf "OFF", d. h. auf Null gesetzt.
Die Warteschlangen- und Übertragungsalgorithmen gestalten sich nun wie folgt (siehe Fig. 9):
Prüfe in der Herausnahmetabelle, ob das vorhergehende Paket dieser Nachricht herausgenommen wurde (Kennzeichen CLIPPING REMEM- BRANCE): - Falls ja, dann setze das Kennzeichen "CLIPPING PREVEN- TION" (PC-Bit) im Paketvorsatz (H1), um das mögliche Herausnehmen dieses Paketes durch den Strom oder einen nachfolgenden Netzwerkknoten zu vermeiden.
Füge das Paket in die Warteschlange ein: - Wenn die Warteschlangenlänge größer oder gleich dem Schwellwert ist, dann erhöhe den OT-Zähler.
Prüfe den OT-Zähler vor dem Senden eines Paketes (siehe Fig. 10):
OT-Zähler gleich 0: sende das Paket.
OT-Zähler größer oder gleich 1: prüfe für das Paket das EC- und das PC-Bit. - EC-Bit gleich 1 und PC-Bit gleich 0: entferne das Paket und setze das Kennzeichen "CLIPPING REMEMBRANCE" in der entsprechenden Stelle der Tabelle, dekrementiere den OT-Zähler und betrachte das nächste zu sendende Paket. - Anderenfalls: sende das Paket und suche in der Warteschlange nach Paketen mit dem EC-Bit 1 und dem PC- Bit 0 (d. h. nach herausnehmbaren Paketen) und nimm sie heraus (falls vorhanden), bis der OT-Zähler gleich 0 ist oder das Ende der Verbindungsausgabewarteschlange erreicht wird; im zweiten Fall wird ein zweites Durchsuchen der Warteschlange nach Paketen mit dem PC-Bit 0 durchgeführt.
Jedesmal, wenn ein Paket einer virtuellen Schaltung herausgenommen wird, wird das Kennzeichen "CLIPPING REMEMBRANCE" in der entsprechenden Stelle der Tabelle gesetzt.
Jedesmal, wenn ein Paket in die Warteschlange aufgenommen wird, wird das Bit "PREVENT CLIPPING" gesetzt, wenn das Kennzeichen "CLIPPING REMEMBRANCE" gleich 1 ist, und das Kennzeichen "CLIP- PING REMEHBRANCE" wird auf Null zurückgesetzt.
Dieser oben beschriebene Algorithmus kann auf ein Punkt-zu- Punkt-System angewendet werden, in dem zwei Sprachmultiplexer über eine Gesamtverbindung miteinander verbunden sind.
Diese Konfiguration ist ein Spezialfall des allgemeinen Maschennetzwerkes von Fig. 1. Im Punkt-zu-Punkt-Fall versagt der Algorithmus nie, d. h. ein aufeinanderfolgendes Herausnehmen wird vollständig vermieden, vorausgesetzt, die Zahl der Übertragungen überschreitet nicht die zweifache Verbindungskapazität.
Durch Implementation des oben beschriebenen Systems kann die Gesamtleistungsfähigkeit des Netzwerkes in Form der gleichzeitig hergestellten Gespräch. Für eine gegebene Sprachqualität sehr stark verbessert werden, was in gleicher Weise den ökonomischen Aspekt des Systems verbessert.
Von besonderem Interesse ist aber auch, daß die vorgeschlagene Methode und das vorgeschlagene System zur Optimierung der Sprachverkehrskapazität des Netzwerkes ebenso gut geeignet ist zum Multiplexbetrieb von Sprache und Daten. In diesem Fall wird der selektive Herausnahmemechanismus benutzt, um den Sprachverkehr mehr zu verringern als normalerweise auf Grund der Echtzeitbetriebsbedingungen des Sprachverkehrs erforderlich ist. Ein Teil der Bandbreite wird dann künstlich für den Datenverkehr frei gemacht.
Die Zahl der Sprachpakete, die in 40 ms gesendet werden können, hängt von der Knoten-zu-Knoten-Kanalkapazität (Verbindungsgeschwindigkeit) ab. Die folgenden Werte gelten unter Voraussetzung einer Sprachkompressionsrate von 7,2 Kilobit pro Sekunde (kbps):
Verbindungsgeschwindigkeit maximale Kapazität in 40 ms
48 kbps 5 Pakete
56 kbps 6 Pakete
64 kbps 7 Pakete
72 kbps 8 Pakete
Diese Werte zeigen, daß eine Verbindung von 48 kbps nur 5 Pakete in einem Zeitraum von 40 ms übertragen kann, was zur Folge hat, daß das Herausnehmen schon notwendig sein kann, falls mehr als fünf aktive Sprachterminals an dem entsprechenden Knoten angeschlossen sind. Das würde entsprechend dieser Erfindung zu erreichen sein.
Bei der Bedienung von acht Sprachterminals ergaben Simulationen die folgenden Ergebnisse: Verbindungsgeschwindigkeit maximale Kapazität durchschnittliche Rate für das Herausnehmen
Diese Erfindung ermöglicht die zwangsweise Zuordnung einer bestimmten Verbindungsbandbreite zum Datenverkehr sogar im Falle einer scheinbaren Sättigung der Verbindung durch den Sprachverkehr.
Setzt man beispielsweise voraus, daß acht Sprachterminals mit einem Knoten verbunden sind und eine Verbindung von 72 kbps beliefern, würde das System theoretisch gesättigt sein, wobei normalerweise kein Herausnehmen erforderlich wäre. Aber dank dieser Erfindung könnte man die dem Sprachverkehr zugeordnete Bandbreite auf 64, 56 oder 48 kbps begrenzen und die übrige Bandbreite (d. h. 8, 16 oder 24 kbps) dem Datenverkehr zuordnen. Die Bandbreite für die Daten wird dann auf der Grundlage des Schwellwertes für den vorher gewählten Sprachdurchsatz definiert.
Im Betrieb enthält jeder Knoten des Paketvermittlungsnetzwerkes gesonderte Warteschlangenpuffervorrichtungen für Sprache und Daten. Der Wert des nullten Bits des Vorsatzes H0 steuert eine Warteschlangenvermittlungsvorrichtung, um ein empfangenes Paket zu einer Sprachwarteschlange oder einer Datenwarteschlange zu lenken. Tatsächlich könnten sowohl für Sprache als auch für Daten mehrere Warteschlangen benutzt werden, für unterschiedliche Prioritätsniveaus bei jeder Verkehrsart.
Auf der Sendeseite des Knotens werden die Operationen wie folgt ausgeführt. Das System prüft zuerst, ob die Datenwarteschlange leer ist oder nicht. Sollte die Antwort positiv sein, dann würden (falls vorhanden), Sprachpakete gesendet. Ansonsten würde die Sprachwarteschlange geprüft. Sollte sie leer sein, dann werden Daten gesendet. Unter normalen Betriebsbedingungen geschieht der Verkehr von Datenterminals im Burstmodus, wobei die Datenrahmen beispielsweise in einem Bereich bis zu 288 Bytes liegen. Es kann deshalb nötig sein, den Datenrahmen in Blöcke aufzuspalten, die im Empfangsknoten wieder zusammengesetzt werden müssen.
Sollte die Sprachwarteschlange bei der Prüfung nicht leer sein, würde der Sprachdurchsatz (auf der Ebene der Sprachwarteschlange ständig überwacht) für die Dauer der größten Sprachpaketlänge (d. h. 40 ms) geprüft. Wenn dieser Durchsatz größer oder gleich dem Schwellwert der Verbindung ist, der der dem Sprachverkehr zugeordneten Bandbreite (z. B. 48 kbps) entspricht, dann kann ein Datenpaket gesendet werden. Ansonsten wird mit dem Senden eines Sprachpaketes fortgesetzt und zum Anfangsschritt zurückgegangen, wo mit dem Prüfen der Datenwarteschlange begonnen wird.
Im Spezialfall eines Punkt-zu-Punkt-Netzwerkes kann der Sprachdurchsatz bestimmt werden, indem Sprachpakete im Sendeknoten um den Systembasiszeitraum T (d. h. um 40 ms) verzögert werden. Alle T ms wird die Warteschlange geprüft: die Zahl der wartenden Sprachpakete entspricht dem Sprachdurchsatz. Die Begrenzung der Sprachbandbreite ist deshalb äquivalent zur Begrenzung der Zahl der Sprachpakete in der Warteschlange, die gesendet werden; dies gibt eine minimale Bandbreite für die Daten frei. Dies kann auf folgende Weise erreicht werden (Fig. 11):
Prüfe zuerst die Warteschlange der Sprachpakete und führe, falls notwendig, das Herausnehmen durch, so daß die restlichen Pakete alle in T ms gesendet werden können. Dann wird die Datenwarteschlange geprüft. Sollte sie leer sein, dann sende alle Sprachpakete. Anderenfalls prüfe die Sprachwarteschlange erneut. Sollte die Länge der Warteschlange größer als die erlaubte (definierte) Sprachbandbreite sein, dann führe das Herausnehmen erneut durch, so daß die Länge der Sprachwarteschlange gleich dem Schwellwert ist, und ersetze die herausgenommenen Sprachpakete durch Datenpakete. Sollte die Länge der Warteschlange kleiner oder gleich der zulässigen Sprachbandbreite sein, dann füge bis zum Maximalwert (Leitungskapazität) Datenpakete ein. In beiden Fällen werden Sprach- und Datenpakete gesendet, während neue Sprachpakete in die Warteschlange eingereiht werden.

Claims

1. Verfahren für die Verbesserung des Verkehrs zwischen Echtzeitterminals durch ein digitales Paketvermittlungsnetzwerk mit Knoten, in denen ankommende Pakete nacheinander angeordnet werden, bevor sie an ihre Bestimmung weitergeleitet werden, wobei in den besagten Knoten Begrenzungsvorgänge ausgeführt werden, indem selektiv Pakete aus der Warteschlange herausgenommen werden, Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Pakete ein sogenanntes EC-Feld (EC = eligible for clipping, zum Herausnehmen geeignet) enthalten, das von Anfang an geladen wird, um anzugeben, ob das entsprechende Paket für die Herausnahme im Netz in Frage kommt oder nicht.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die von einem Quellenterminal kommenden Pakete auf periodischer Basis zum Herausnehmen geeignet gemacht werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem besagte Sequenz ausgeführt wird, um jedes andere von einer Quelle kommende Paket für die Herausnahme geeignet zu machen.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paket eine Bit-Position (PC) enthält, die verwendet wird, um das Herausnehmen des entsprechenden Pakets zu streichen.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, in dem bei Bedarf in einem Netzknoten ein nicht für die Herausnahme geeignetes Paket herausgenommen werden kann, wenn das Bit zur Verhütung der Herausnahme (PC) eines nächsten Pakets aus der gleichen Quelle während des Transfers durch den besagten Knoten gesetzt wird, wodurch das besagte nächste Paket gegen jede nachfolgende Herausnahme auf dem Weg innerhalb des Netzes gesichert wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, in dem die besagten Echtzeitterminals Sprachterminals sind.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß Datenterminals auch in besagtes Netz angeschlossen sind und selektive Herausnahmevorgänge an Sprachpaketen durchgeführt werden, um einen vorgegebenen Teil der verfügbaren Übertragungsbandbreite für Datenverkehr freizugeben, der durch das Netz fließt.

8. Digitales Übertragungsnetz mit angeschlossenen Sprachterminals, wobei die besagten Terminals Bitpakete bereitstellen, die durch die Netzknoten-Warteschlangen zu übertragen sind, mit vorgegebener Schwellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paket ein (EC)-Bit-Feld (zum Herausnehmen geeignet) enthält, wobei die besagten Netzknoten enthalten:

einen anfangs auf Null gesetzten Schwellenüberschreitungszähler (OT-Zähler), ein Warteschlangensystem, das die Länge der Warteschlange bezogen auf die besagte Schwelle prüft;

Mittel für die Einreihung eines am Knoten ankommenden Pakets in die Warteschlange und Inkrementierung des besagten OT-Zählers, wenn die besagte geprüfte Warteschlangenlänge den Schwellenwert überschreitet, wobei besagtes Netz ferner enthält:

Mittel für die Übertragung des Pakets der Warteschlange, einschließlich Mittel für die Prüfung des OT-Inhalts und für die Übertragung eines Paketes, wenn OT leer ist, und wenn dies nicht der Fall ist, Prüfung des EC-Bits und entweder Herausnahme des Pakets und Dekrementierung von OT wenn EC=1, oder, wenn EC=0 Übertragung des Pakets, Suche nach einem Paket in der Warteschlange mit EC = 1 und Herausnahme dieses Pakets bis OT=0.

9. Digitales Übertragungsnetz gemäß Anspruch 8, ferner Mittel enthaltend, um die Herausnahme zu erzwingen, wenn eine Warteschlange nur nicht herausnahmefähige Pakete enthält (EC=0), und Mittel, um danach eine vorgegebene Bit-Position PC auf 1 zu setzen, wodurch die Herausnahme des besagten Pakets in jedem anderen Knoten auf seinem Weg verhindert wird.

10. Digitales Übertragungsnetz gemäß Anspruch 9, in dem besagte Mittel zum Setzen von PC=1 eine Tabelle enthalten, mit einer Bitposition pro Übertragungsweg.