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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Zuordnen
einer Übertragungskapazität in einem
Kommunikationsnetz nach Anspruch 1 und auch auf ein System zum Verwalten
einer Kapazitätszuordnung
in einem Kommunikationsnetz nach Anspruch 10.
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Einschlägiger Stand
der Technik
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Aus
der EP-A-0 468 802 sind Breitband-Vermittlungsnetze bekannt, die
eine Mehrzahl von Breitband-Vermittlungsknoten und eine Breitband-Vermittlungs-Zwischenknoten-Übertragungsleitung
zum Verbinden der Mehrzahl von Breitband-Vermittlungsknoten aufweisen,
wobei Informationen durch Zellen übertragen werden, die jeweils
einen Zellenkopf und ein Informationsfeld aufweisen, wobei der Breitband-Vermittlungsknoten
einen Breitband-Eingangs- und -Ausgangsport zum Ein- und Ausgeben
der Zellen in die und aus der Breitband-Zwischenknoten-Übertragungsleitung
und eine Vermittlungsstelle zum Trennen der Zellen, die durch den
Breitband-Eingangs- und -Ausgangsport eingegeben werden, und zum
Multiplexen der Zellen aufweist, damit sie ausgegeben werden können, wobei
die aus der Mehrzahl der Zellen bestehenden Daten durch den Breitband-Vermittlungsknoten
bei einer konstanten Bitratenübertragung,
einer variablen Bitratenübertragung
oder einer Kombination aus der konstanten Bitratenübertragung
und der variablen Bitratenübertragung übertragen
und empfangen werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Netze
bilden eine wichtige Einrichtung zum Austauschen und Übertragen
von Informationen (z. B. Daten, Sprache, Text, Video etc.) zwischen
Kommunikationsvorrichtungen (z. B. Vorrichtungen zum Ein- bzw. Ausgeben
von Informationen, wie z. B. Computerendgeräte, Multimedia-Arbeitsstationen, Faxgeräte, Drucker,
Server, Telephone, Videophone etc.), die mit dem (den) Netz (en)
verbunden sind. Ein Netz weist typischerweise Vermittlungsknoten
auf, die miteinander und mit Kommunikationsvorrichtungen durch Verbindungen
verbunden sind. Jede Verbindung ist durch eine Verbindungskapazität gekennzeichnet,
die allgemein als eine Bandbreite oder äquivalent als Übertragungsrate
bzw. -geschwindigkeit bezeichnet wird. Wenn Informationen „zwischen zwei
Kommunikationsvorrichtungen" ausgetauscht werden
sollen, wird innerhalb des Netzes ein Pfad bzw. Weg eingerichtet,
der die den Vorrichtungen zugeordneten Knoten verbindet (die nachstehend
als Ursprungs- und Zielknoten bezeichnet werden). Ein derartiger
Kommunikationsweg oder -kanal zwischen einem spezifizierten Ursprung
und Ziel kann aus einem Satz von physikalischen Wegen (d. h. in
Reihe geschalteten Verbindungen und ihren inbegriffenen Knoten zusammen
mit den Ursprungs- und
Zielknoten) im Netz bestehen.
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Kommunikationsnetze
verwenden häufig
ein Netzprotokoll, das als ATM (ATM = Asynchronous Transfer Mode
= Asynchronübertragungsmodus)
bezeichnet wird. Tatsächlich
geht man allgemein davon aus, daß innerhalb der nächsten 5–10 Jahre
ein Großteil
des weltweit erzeugten Sprach- und Datenverkehrs durch ATM-Technologie übertragen
wird. ATM-basierte Kommunikationsnetze sollen dann eine Vielzahl
an Diensten mit unterschiedlichen Verkehrseigenschaften integrieren
können.
Diese Eigenschaften reichen von einer konstanten Bitrate zu einer
in hohem Maße
diskontinuierlichen variablen Bitrate. Mit ATM werden Informationen,
die aus den Kommunikationsnetzen in das Netz eingegeben werden,
zu Paketen mit fester Länge
oder Zellen formatiert.
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Die
Auslastungsmuster und demnach die Netzübertragungsanforderungen für Kommunikationsvorrichtungen,
die mit traditionellen Telephonnetzen verbunden sind, unterscheiden
sich erheblich von den Anforderungen an Kommunikationsvorrichtungen,
die traditionell mit Computernetzen verbunden sind. Telephoniequellen
senden Abtastwerte von einem analogen Signal und benötigen über längere Zeit
nahezu die selbe Übertragungsgeschwindigkeit. Computerquellen
benötigen
hingegen über
kurze Zeit eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit – d. h. Datenblöcke erfordern
eine große Übertragungsbandbreite,
woraufhin allgemein viel längere
Zeiträume
folgen, in denen keine Übertragung
stattfindet – so
daß der
Computer seine Hauptfunktion weiterhin ausführen kann. Diese unterschiedlichen
Anforderungen haben traditionell dazu geführt, daß Telephonie- und Computerquellen
unterschiedlich behandelt werden.
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Diskontinuierliche
(„Bursty") Quellen auf Computernetzen
werden nach Verfügbarkeit
des Kanals ein- und ausgeschaltet. Bei einem auf EtherNet-basierten
LAN (LAN = local area network) befindet sich die Leitungskarte zum
schnittstellenmäßigen Verbinden
der Computerquelle mit dem Netz im Computer oder auf der Arbeitsstation.
Der Computer gibt einige Daten an die Leitungskarte und wartet,
bis die Leitungskarte diese Daten übertragen hat, bevor sie mehr
bekommt. Eine ähnliche,
wenn auch weniger direkte Kontrolle wird auf das Internet ausgeübt, wobei
die Protokolle den Umfang der unquittierten Daten begrenzen. Die
Fähigkeit
zum Steuern von Computerquellen ermöglicht diskontinuierlichen Quellen,
mit Netzen verbunden zu werden (typischerweise WANs (WAN = wide
area netzwork)), die variable Übertragungsgeschwindigkeiten
anbieten, ohne dabei große
Puffer zu benötigen
oder Daten aufgrund eines überlaufenden
Puffers zu verlieren. Dies hat zu ökonomisch arbeitenden Datennetzen
geführt,
die häufig
unter Verwendung des ATM-Protokolls implementiert werden.
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Im
Gegensatz dazu werden die Quellen nicht gesteuert, sobald ein Anruf
auf einem Telephonnetz plaziert wird. Das Netz garantiert, daß, wann
immer Bedarf besteht, ein Kanal zur Verfügung steht. Die sprechende
Person oder das übertragende
Modem muß nicht
langsamer werden bzw. warten.
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Mit
der Einführung
von ATM-Netzen durch die Telephongesellschaften, wodurch das Bereitstellen
von Übertragungsdiensten
für sowohl
periodische (konstante Geschwindigkeit) als auch diskontinuierliche
Quellen vereinfacht wird, besteht die Tendenz zu einem weiterhin
ungesteuert ablaufenden Betrieb. Diskontinuierliche Quellen dürfen übertragen,
wann immer sie wollen, und die Daten werden entweder im Netz gepuffert
oder gehen verloren.
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Die
zum Bereitstellen einer bestimmten Dienstgüte an ungesteuerten Quellen
erforderliche Puffergröße ist proportional
zur Nachrichtengröße, nicht
zur ATM-Zellengröße, und
ist somit dienstabhängig.
Wenn die Puffer beispielsweise davon ausgehend dimensioniert werden,
daß ein
Großteil
des diskontinuierlichen Verkehrs von Computern oder Arbeitsstationen
stammt, und er statt dessen von Faxen stammt, dann müssen die
Puffer um das zwei- bis fünffache
vergrößert werden.
Wenn desgleichen ein Fax-Verkehr
erwartet wird, und statt dessen der Verkehr von WWW-Servern empfangen
wird, dann müssen
die Puffer um mindestens noch eine Größenordnung größer sein.
Wenn somit diskontinuierliche Quellen in ungesteuerter Weise arbeiten,
muß die Hardware
im Netz mit der Entstehung neuer Dienste geändert werden.
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In
einem Versuch, diese Probleme mit ungesteuerten Quellen in den Griff
zu bekommen, ohne diese Computerquellen tatsächlich zu steuern, sind im
Stand der Technik zwei Techniken entwickelt worden: „Leaky
Buckets" und „Source-Shapers". Keine dieser Techniken
ist an die Anforderungen der diskontinuierlichen Quellen, die auf
Computernetzen auftreten, hinreichend angepaßt. Würden diese Techniken tatsächlich auf
Ethernet-LANs angewendet werden, könnte das Ergebnis nicht mit
den aktuellen Netzen konkurrieren.
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Ein „Leaky
Bucket„-Mechanismus
bietet eine garantierte Geschwindigkeit und eine „Risiko"-Geschwindigkeit.
Ist das Netz ausgelastet, wird die „Risiko"-Geschwindigkeit verworfen. Der Nachteil
dieser Strategie ist, daß im
allgemeinen keines der Bits in einer Datennachricht weniger wertvoll
ist als die anderen. Gehen Bits verloren, ist es normalerweise notwendig,
die gesamte Nachricht erneut zu übertragen.
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Source-Shapers
senken die Last auf dem Netz, indem die Übertragung von Datenblöcken (Bursts) über einen
längeren
Zeitraum verteilt wird. Der Nachteil hierbei ist, daß Bursts
in Computernetzen auftreten, weil die Partei, die die übertragenen Daten
empfängt,
die empfangenen Informationen bearbeiten muß, bevor sie darauf antwortet.
Verlängert ein
Source-Shaper die Übertragungszeit,
so verlängert
sich auch die Zeit für
eine Kommunikatonsrunde. In einem Computernetz wird der Computer
weniger effizient genutzt. In einem Informationsnetz, wie dem World
Wide Web, verlängert
sich die Zeitdauer, die ein Benutzer warten muß, bis er die angeforderten
Informationen empfangen kann.
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Neben
den Einschränkungen
der aktuellen Netzübertragungsstechnologie
bei der Handhabung von diskontinuierlichen Quellen liegt zwischen
bestimmten Computernetzen in dieser Umgebung eine grundlegende Inkompatibilität vor. Derzeit
kommen bei LAN- und WAN-Netzen unterschiedliche Technologien zum
Einsatz. Komplexe „Router" sind erforderlich,
um die Netze, die entwickelt worden sind, miteinander zu verbinden – z. B.
um die Inkompatibilität zwischen
der binären
48-Bit-Adresse des
Ethernet und der 14-Dezimalziffern-Adresse, die auf X-25-basierten
WANs verwendet wird, in den Griff zu bekommen. ATM bietet eine Möglichkeit,
die gleiche Technik in beiden Umgebungen anzuwenden, und die Notwendigkeit
an solchen Verbindungsvorrichtungen aufzuheben. Wenn jedoch die
bei aktuellen LANs verwendeten Quellenmodelle durch ATM-LAN-Anbieter
unterstützt
werden und die bei aktuellen WANs verwendeten Quellenmodelle durch
ATM-WAN-Anbieter unterstützt
werden, ist die Verbindung untereinander nicht nahtlos, und die
Benutzer können
die Verwendung der selben Technologie in beiden Umgebungen nicht
zu ihrem vollen Vorteil nutzen.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Dementsprechend
ist eine effiziente Aufnahme von sowohl periodischen als auch diskontinuierlichen
Kommunikationsquellen in einem paketbasierten Kommunikationsnetz
sowie eine Möglichkeit
einer nahtlosen Verbindung von derartigen Kommunikati onsnetzen untereinander
ohne die Notwendigkeit von Schnittstellenvorrichtungen für Verbindungen zwischen
diesen Netzen untereinander eine Aufgabe der Erfindung.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
diese Aufgabe durch die Merkmale nach Anspruch 1 gelöst.
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Verbesserte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
resultieren aus den Unteransprüchen
2 bis 9.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen System zum
Verwalten einer Kapazitätszuteilung
bzw. -zuordnung in einem Kommunikationsnetz wird die vorstehende
Aufgabe durch die Merkmale nach Anspruch 10 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Zuteilen bzw. Zuordnen einer Übertragungskapazität in Kommunikationsnetzen
geschaffen, wobei eine Ansammlung von Kanälen einer konstanten Geschwindigkeit
zwischen Endpunkten in dem Netz implementiert wird. Bei diesem Verfahren handelt
es sich bei den periodischen Quellen um zugeordnete Kanäle einer
Bandbreite, die der Übertragungsgeschwindigkeit
für jede
dieser Quellen entspricht, und die diskontinuierlichen Quellen werden Kanälen zugeordnet,
die eine Bandbreite vorsehen, die einer minimalen Dienstegarantie
für jede
dieser diskontinuierlichen Quelle entspricht. Eine periodischen
Diensten zugeordnete Kanalkapazität, die von diesen Quellen nicht
benötigt
wird, wird dann den diskontinuierlichen Quellen verfügbar gemacht,
um die Kapazitätsanforderungen
für diese
diskontinuierlichen Quellen weit über die minimale Dienstegarantie hinaus
aufzunehmen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 stellt ein Datennetz dar,
in dem das erfindungsgemäße Verfahren
der Erfindung praktiziert werden kann.
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2 zeigt ein Vierknotennetz,
das das erfindungsgemäße Verfahren
darstellt.
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Ausführliche
Beschreibung
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I. Umgebung
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1 zeigt ein exemplarisches
WAN, das die Konfiguration und den Betrieb eines modernen Kommunikationsnetzes
veranschaulicht. Ein Netz 110 weist eine Mehrzahl von Vermittlungsknoten
auf, die veranschaulichend mit 1 bis 5 numeriert sind und allgemein
durch das Bezugszeichen 120 angezeigt sind, sowie Verbindungen,
die diese Knoten, die allgemein durch das Bezugszeichen 130 angezeigt sind,
verbinden. Jedem der Knoten 120 kann auch ein Puffer einer
vorbestimmten Größe zugewiesen sein,
und jeder der Verbindungen 130 ist eine vorbestimmte Verkehrsbetriebskapazität zugewiesen.
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Zur
Veranschaulichung ist auf der Abbildung eine Kommunikationsvorrichtung 105 mit
verschiedenen Knoten verbunden. Es wird darauf hingewiesen, daß die einzelnen
Kommunikationsvorrichtungen, die auf der Zeichnung mit den Knoten
verbunden dargestellt sind, die Darstellung vereinfachen sollen,
und daß bei
einer tatsächlichen
Implementierung eines solchen Netzes normalerweise eine Anzahl von Kommunikationsvorrichtungen
an solchen Knoten angeschlossen wäre. Ebenso ist zu beachten,
daß die
dargestellten Kommunikationsvorrichtungen auch ein anderes Netz,
wie z. B. ein LAN, das mit dem Netz 110 verbunden ist,
darstellen können.
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Jede
Kommunikationsvorrichtung 105 erzeugt Informationen zur
Verwendung durch andere Kommunikationsvorrichtungen in dem Netz
oder empfängt
Informationen von denselben. (Der Begriff „Informationen" umfaßt Daten,
Text, Sprache, Video etc.). Die Informationen einer Kommunikationsvorrichtung
sind durch einen Satz von Übertragungs- und/oder
Geschwindigkeitsparametern gekennzeichnet, die auf die Netzanforderungen
bezogen sind, die notwendig sind, um die Übertragung dieser Informationen
aufzunehmen. Insbesondere im Hinblick auf Kommunikationsquellen
mit einer varia blen Bitrate wird darauf hingewiesen, daß die Anforderungen
an die Bandbreite dieser Quellen typischerweise mit der Zeit variieren.
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II. Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird hierin in bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung – einer
Zuordnung einer Netzkapazität
zwischen periodischen und diskontinuierlichen („bursty") Quellen in einem ATM-Netz – beschrieben.
Der Schwerpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens konzentriert
sich bei dieser Ausführungsform
insbesondere auf die Integration von periodischen und diskontinuierlichen
Quellen in einem Mehrdienstenetz in einer Weise, daß folgende
Aufgaben gelöst
werden: (1) kostengünstigere
Sprach- und Datenverbindungen, (2) verlustfreie Übertragung für diskontinuierliche
Datenquellen und (3) dienstunabhängige
Vermittlungsstellen (Switches) mit weniger internem Speicher.
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Im
Hinblick auf die momentane Benutzung arbeiten ATM-WANs (wie in 1 dargestellt) als eine
Ansammlung von virtuellen Kanälen.
Der Weg von der Quelle zum Ziel ist vorgegeben, und zur Umgehung
einer chronischen Überbeanspruchung
wird die Anzahl der Verbindungen verwaltet. Bei dieser Konfiguration
erfolgt jedoch keine Zuordnung der Netzkapazität, und die Kanäle werden überzeichnet, um
dabei eine Gemeinschaftsbenutzung zwischen diskontinuierlichen Quellen
zu berücksichtigen. Wenn
demzufolge eine Anzahl von diskontinuierlichen Quellen gleichzeitig
eine Übertragung
vornehmen, kann auf einem der Kanäle eine kurzfristige Überlastung
eintreten. Während
eines Überlastungszustands
müssen
die Datenblöcke
(Bursts) in Puffern abgespeichert werden, die dazwischenliegenden Vermittlungsknoten
zugewiesen sind, und, ist kein Speicher verfügbar, müssen die Daten verworfen werden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren würde statt
dessen das Netz normalerweise als eine Ansammlung von Kanälen mit
konstanter Geschwindigkeit zwischen Endpunkten betrieben – in etwa
in der Art und Weise, in der aktuelle Telephonnetze arbeiten. Zum
besseren Verständnis
dieses Verfahrens ist das simple Vierknotennetz, das in 2 dargestellt ist, zu beachten.
Wie zu erkennen ist, weist das Netz einen Knoten in New York auf,
der mit einem Knoten in Chicago verbunden ist, und der Chicago-Knoten
ist mit Knoten in St. Louis und San Francisco verbunden. Die physikalische
Verbindung von New York nach Chicago verfügt über eine feststehende Kapazität. Bei dem
virtuellen Schaltungsmusterbeispiel der traditionellen ATM-Technologie
können Zellen
(die Basiseinheiten zur Informationsübertragung in ATM-Netzen),
die New York in Richtung anderer Städte verlassen, beliebige der
Zellen verwenden, die die Übertragungskapazität auf der
Verbindung New York – Chicago
gemeinsam aufweisen. Bei dem erfindungsgemäßen Schaltungsvermittlungs-Musterbeispiel
sind jedoch die Zellen, die New York verlassen, für Chicago,
St. Louis oder San Francisco reserviert – d. h. jede dieser Zellen
ist einer spezifischen Schaltung mit einem Anschluß an einem der
verbleibenden Knoten im Netz zugeordnet. Desgleichen sind in Chicago
auf der Verbindung nach San Francisco einige Zellen für den Verkehr
(oder die Schaltungen) von New York nach San Francisco reserviert,
andere für
den Verkehr von St. Louis nach San Francisco und andere für den Verkehr
von Chicago nach San Francisco. Erhält eine Quelle in New York
Zellen auf einer Schaltung, die für San Francisco bestimmt ist,
dann stehen auch Zellen für
diese Quelle auf der Verbindung von Chicago nach San Francisco zur
Verfügung.
Folglich wird die Quelle in New York nicht mit anderen Quellen in
Chicago konkurrieren und auch die von ihr übertragenen Informationen nicht
speichern lassen oder auf ihrem Weg zum Ziel verlieren.
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Ein
Vorteil, den die ATM-Technologie gegenüber der in vielen aktuellen
Netzen verwendeten TDM-Architektur (TDM = time division multiplexing
= Zeitmultiplexverfahren) bietet, ist, daß die zugeteilten Übertragungsgeschwindigkeiten
nicht auf eine Frame-Rate bezogen sein müssen. Durch ein ATM-Netz kann
jede beliebige Kombination von Geschwindigkeiten aufgenommen werden.
In bezug auf herkömmliche
Kapazitätszuordnungsanordnungen
für ATM-Netze
(insbesondere WANs) bietet das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend einen
Vorteil, daß der
Speicher in dazwischenliegenen Vermittlungsstellen nur zum Verschieben
der Zellen auf Kanälen
mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet – d. h. von einer ankommenden
Verbindung zu einer abgehenden Verbindung, und dementsprechend wird
niemals eine Überzeichnung
stattfinden, da für
eine spezielle abgehende Verbindung mehr Zellen ankommen als weitergeleitet
werden können.
Der Speicher in der Vermittlungsstelle ist nicht auf die Datenblockgröße bezogen,
und der erforderliche Speicherumfang ist nicht dienstabhängig.
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Obwohl
das vorstehend beschriebene ATM-Schaltungs-Vermittlungsverfahren
gegenüber den
bekannten Verfahren bedeutende Vorteile bietet, kann durch Ausnutzung
der Eigenschaft der ATM-Technologie eine wesentliche weitere Verbesserung
realisiert werden, wobei Zellen von einer gegebenen Quelle zwischen
mehreren Kanälen
gemeinschaftlich benutzt werden können. Dementsprechend wird
nachstehend ein weiteres Element des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, das eine derartige Gemeinschaftsbenutzung umfaßt, ohne
einen Speicher in das Netz einzuführen. Im wesentlichen werden
dabei periodische Quellen (d. h. Quellen mit konstanter Rate) freigegeben,
damit sie eine nicht benötigte Übertragungskapazität, die sich in
unbenutzten Zellen manifestiert hat, an das Netz „verkaufen" können. Folglich
erhalten diskontinuierliche Quellen auch periodische Kanäle, um auf
einer minimalen Dienstgarantieebene eine Kapazität bereitzustellen, und „kaufen" dann unbenutzte
Zellen, die durch die periodischen Quellen in den Kanälen an das
Ziel der diskontinuierlichen Quelle abgegeben wurden. Bei dieser
neuartigen Anordnung konkurriert eine diskontinuierliche Quelle
nur mit den Zellen am Eingang des Netzes, und somit werden die von
ihr übertragenen
Informationen nicht in den dazwischenliegenden Vermittlungsstellen
gespeichert. Somit wird die Quelle in der Weise eines Ethernet-Netzes gesteuert,
so daß die
Daten nicht verloren gehen, wenn keine Zellen verfügbar sind,
dies jedoch ohne die Nachteile der bekannten Verfahren für eine quellengesteuerte
Kapazitätszuordnung.
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Nachstehend
folgt eine ausführlichere
Beschreibung der Eigenschaften und der Implementierung dieses neuartigen
Kapazitätszuordnungsverfahrens.
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A. Periodische Kanäle
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Ein
periodischer Kanal oder Kanal mit konstanter Rate bzw. Geschwindigkeit
liefert eine garantierte Anzahl von Zellen pro Sekunde zwischen
dem Vermittlungsknoten am Eingangspunkt in das Netz und dem Vermittlungsknoten
am Ziel. Erwartungsgemäß erhalten
Quellen mit kritischen Zeitbindungen periodische Kanäle. Quellen,
wie z. B. Sprache und Video, die Abtastwerte benötigen, um in regelmäßigen Intervallen
am Ziel anzukommen, sind zeitkritisch. Zudem können auch Datenquellen zeitkritisch sein,
die innerhalb eines bestimmten Zeitraums am Ziel ankommen müssen, um
eine Steuerfunktion auszuführen – z. B.
um zu verhindern, daß auf
einem kostspieligen Computer Zeit verschwendet wird, oder um zu
verhindern, daß die
Geduld eines menschlichen Empfängers
strapaziert wird.
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Wie
hinreichend bekannt ist, benötigen
periodische Quellen selten ständig
die volle Übertragungsgeschwindigkeit.
Sprachquellen verfügen
beispielsweise über
stille Intervalle, und Videocodierer erreichen nicht immer den gleichen
Komprimierungsgrad. Datenquellen mit kritischen Zeitanforderungen können ebenso
diskontinuierlich sein und zwischen den Übertragungen lange inaktive
Intervalle aufweisen.
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Ein
spezieller Vorteil von ATM ist, daß jede Zelle direkt adressiert
wird. Wenn eine Zelle, die durch eine periodische Quelle besetzt
werden soll, durch eine andersartige Quelle besetzt wird, identifiziert
die Adresse auf der Zelle das ordnungsgemäße Ziel. Somit ist es möglich, daß Quellen
mit konstanter Geschwindigkeit, die periodische Kanäle erhalten, eine
unbenötigte
Kapazität
(in Form von überschüssigen ATM-Zellen)
zurücksenden
können.
Derartige überschüssige Zellen
können
dann von diskontinuierlichen Zellen erhalten werden, die auf die
selbe Zielvermittlungsstelle gerichtet sind.
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Als
kommerzielle Umsetzung dieses Lösungsansatzes
wäre es
für eine
Quelle mit konstanter Geschwindigkeit mit überschüssigen ATM-Zellen sinnvoll,
diese überschüssigen Zellen
zurück
an das Netz zu verkaufen, möglicherweise
zu einem günstigeren
Preis als zum Zeitpunkt ihres Erwerbs. Diese Zellen würden dann
vom Netz durch diskontinuierliche Quellen gekauft werden, die zusätzliche
Kapazität
benötigen.
Da die leeren Zellenpositionen keine Einnahmen erzielen würden, wenn
sie nicht von der diskontinuierlichen Quelle gekauft würden, ist
es ebenso sinnvoll, damit zu rechnen, daß das Netz sie zu einem günstigeren
Tarif verkauft.
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Das
Konzept, nach dem diese überschüssigen Zellen
durch die eine Quelle „verkauft" und durch eine andere „gekauft" werden, wird hierin
in der weiteren Erörterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens fortgeführt. Es
sollte jedoch klar sein, daß der
kommerzielle Kontext für
den Betrieb der Erfindung keine Notwendigkeit darstellt.
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B. Diskontinuierliche („Bursty") Quellen
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Auf
LANs, wie z. B. Ethernets, wird der Zustand des gesamten Netzes überwacht,
bevor einer diskontinuierlichen Quelle Zugriff gewährt wird.
Die Quelle weiß,
daß sie über einen
Weg zum Ziel verfügt,
und ein zusätzliches
Puffern im Netz ist nicht erforderlich. Dieser einfache Lösungsansatz
kann jedoch nicht bei der aktuellen ATM-Kapazitätszuordnungsstrategie angewendet
werden. Entsprechend diesem Musterbeispiel für eine aktuelle ATM-Zuordnung
wird jede Verbindung in einem Ursprung-Ziel-Kanal unabhängig behandelt.
Somit können
die benötigten
Zellen in der ersten Verbindung eines ATM-Kanals, den eine diskontinuierliche
Quelle verwendet, zur Verfügung
stehen, jedoch müssen diese
Zellen bei Erreichen des nächsten
Vermittlungsknotens in diesem Kanal mit Zellen von andersartigen
diskontinuierlichen Quellen konkurrieren. Wenn die nächstliegende
Verbindung im Kanal belegt ist, müssen die Zellen eventuell am
dazwischenliegenden Vermittlungsknoten gespeichert werden.
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Doch
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,
bei dem das Netz in Kanäle
mit konstanter Geschwindigkeit zwischen Endpunkten unterteilt ist
und überschüssige Zellen
von einem Kanal einer Quelle zugeordnet werden können, die mehr Zellen benötigt als
durch den ihr zugeordneten Kanal bereitgestellt werden können, wird
durch Erhalten eines Zugriffs auf den Kanal am Eingangsknoten garantiert,
daß an allen
Vermittlungsknoten im Kanal zwischen Ursprung und Ziel Zellen zur
Verfügung
stehen. Sobald die Daten einmal Zugriff auf das Netz erhalten haben, müssen sie
nicht gespeichert werden.
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Es
ist bekannt, daß die
ATM-Standards-Gruppe den Versuch unternommen hat (und dies immer
noch tut), standardisierte Techniken zum Ein- und Ausschalten von Quellen
unabhängig
vom Zustand des Netzes einzurichten. Aufgrund der Entfernungen,
die durch WANs umspannt werden, und der Übertragungsgeschwindigkeiten
im ATM existieren immer noch Probleme im Hinblick auf das Puffern und
Datenverluste. Durch Einteilung des Netzes in periodische Kanäle entsprechend
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist der einzige Zustand, der zum Steuern einer Quelle notwendig
ist, der Zustand am Eingangspunkt zum Kanal. Es wird darauf hingewiesen,
daß diese
Informationen einfacher zu erhalten sind als der Zustand des gesamten
Netzes und diese zeitgerechter erhalten werden können.
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Eine
potentielle Einschränkung
beim Unterteilen eines Netzes in Kanäle einer konstanten Geschwindigkeit
ist, daß die
Gemeinschaftsbenutzung nicht so umfassend stattfinden kann, wie
in einem Netz, das an jeder Verbindung über einen „Store and Forward"-Puffer verfügt. Ein
Teil des diskontinuierlichen Verkehrs kann möglicherweise nicht auf das Netz
zugreifen, selbst wenn ungenutzte Zellen die Vermittlungsstelle
(Switch) verlassen.
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Der
Umfang der ungenutzten Kapazität
kann reduziert werden, indem immer dann die Verwendung von Teilwegen
ermöglicht
wird, wenn auf dem kompletten Weg eine verfügbare Kapazität vorhanden
ist. Wenn beispielsweise in dem exemplarischen Vierknotennetz, das
in 1 gezeigt ist, ein
Kanal von New York nach San Francisco eine verfügbare Kapazität in Form
von ungenutzten Zellen aufweist, und in New York Zellen darauf warten,
nach Chicago zu gehen, können
die unbesetzten Zellen in der Verbindung New York – Chicago
des Kanals New York – San
Francisco für
die New York-Zellen
verwendet werden, die nach Chicago übertragen werden müssen. Wenn
desgleichen eine unbesetzte Zelle (oder Zellen) in einem Kanal von
New York nach San Francisco existiert (existieren), der (wie in
der Figur) durch Chicago läuft,
und diskontinuierliche Quellen in Chicago darauf warten, in das
Netz einzutreten, um nach San Francisco zu gelangen, sollten diese
Zellen die unbesetzten Zellen auf dem Kanal New York nach San Francisco
(für die
Verbindung Chicago – San Francisco)
verwenden. Unter Verwendung des selben Beispiels wären Zellen
in New York, die für
St. Louis bestimmt sind, nicht in der Lage, eine unbesetzte Zelle
im San Francisco-Kanal zu verwenden.
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Wenn
nach St. Louis gehende Zellen Zellen in einem New York – San Francisco-Kanal
(oder einem New York-Chicago-Kanal) besetzen müßten, besteht keine Garantie,
daß auf
der St. Louis-Verbindung eine entsprechende Zellenkapazität zur Verfügung steht,
sobald die New York-Zellen in Chicago ankommen.
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Ein
Problem, das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftreten könnte, ist,
daß die
diskontinuierliche Quelle sich nicht in der Nähe des Vermittlungsknotens
befindet. Infolgedessen kann die Zelle schon weg sein, wenn die
Quelle benachrichtigt worden ist, daß eine Zelle verfügbar ist.
Dieses Problem wird durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung gelöst, bei
der ein Puffer auf der Leitungskarte des Vermittlungsknotens enthalten
ist. Wenn sich die Anzahl von Zellen, die dem Ursprungsvermittlungsknoten
zur Übertragung
an ein spezielles Ziel angeboten werden, einen oberen Schwellwert überschreitet,
wird die Quelle aufgefordert, die Übertragung zu beenden, um einen
Datenverlust zu verhindern, wenn der Puffer überläuft. Wenn die Anzahl der zur Übertragung
verfügbaren
Zellen an dieses Ziel einen unteren Schwellwert unterschreitet,
wird die Quelle aufgefordert, mehr Daten zu senden. Der untere Schwellwert
wird ausreichend hoch eingestellt, um das Netz auszulasten, bis
mehr Zellen von der Quelle zur Leitungskarte gelangen können. Die
Größe des Puffers
ist der zweifachen Round-Trip-Laufzeit zwischen der Quelle und der
Leitungskarte angepaßt. Wenn
eine Quelle beispielsweise mit 155 Mbps überträgt und sich innerhalb von drei
Meilen vom Ursprungsvermittlungsknoten befindet, beträgt die Puffer
30 ATM-Zellen, unabhängig
von der Burst-Größe. Zudem
kann der gesamte Pufferbetrieb am Eingang zur Vermittlungsstelle
durch Gemeinschaftsbenutzung eines gemeinsamen Pufferverbunds für alle Quellen,
die das gleiche Ziel haben, reduziert werden.
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C. Realisierungsmodelle
für das
erfindungsgemäße Verfahren
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In
der vorstehenden Beschreibung über
den erfindungsgemäßen Aspekt
der Gemeinschaftsbenutzung der Kapazität wurde gezeigt, daß die Zuteilung
bzw. Zuordnung von ungenutzter Kapazität von den periodischen (zeitkritischen)
Quellen zu diskontinuierlichen Quellen, die zusätzliche Kapazität benötigen, am
Eingangsknoten für
ein WAN-Netz stattfindet, der bei einer möglichen Ausführungsform
als zentrale Amtsvermittlungsstelle in einem Telephonnetz betrachtet
werden kann, das die Quellen bedient, die an der gemeinsamen Nutzungsanordnung teilnehmen.
Es sollte jedoch klar sein, daß diese
gemeinsame Nutzungsanordnung nicht auf einen Eingangsknoten in ein
solches WAN begrenzt sind, sondern auch an einem vorgeschalteten
(upstream) Knoten implementiert sein können, wie z. B. am Desktop
oder in einer PBX (PBX = private exchange branch = private Nebenstellenanlage).
Allgemein gilt, daß um
so weniger Zwischenspeicherungen (Bufferings) zum Steuern der Quelle
erforderlich sind, je kürzer
die Entfernung zwischen der Quelle und dem Knoten ist, wo die gemeinsame
Nutzung implementiert wird. Desgleichen gilt: Je größer die
Quellen-Eingangsknoten-Entfernung ist, desto größer ist die Anzahl von Benutzern,
die wahrscheinlich die Einrichtungen gemeinschaftlich nutzen. Es
sollte ebenso klar sein, daß in
einem Netz, das Teilwege verwendet, die gemeinsame Nutzung auf allen
drei Ebenen implementiert sein kann und soll – d. h. Desktop, PBX und WAN-Eingangsknoten.
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Mit
der zunehmenden Verwendung von Arbeitsstationen als Multimedia-Endgeräte erlangt
die gemeinsame Benutzung am Desktop gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
immer mehr an Bedeutung. Derzeit sind alle neuen Arbeitsstationen
in der Lage, Audiodaten zu empfangen und zu übertragen, und viele sind videodatenfähig. Mit
hoher Wahrscheinlichkeit finden Sitzungen statt, in denen zwei Benutzer
durch Sprache oder Video miteinander kommunizieren und ein Bild
oder eine Datei austauschen wollen. Da die Kanäle die selben Endpunkte aufweisen,
kann eine derartige gemeinsame Nutzung stattfinden. Eventuell sind
die Benutzer sogar willens, zu schweigen oder die Videoübertragung
anzuhalten, damit die diskontinuierlichen (bursty) Daten schneller übertragen
werden.
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Sinnvoll
ist auch eine gemeinsame Nutzung an der Firmen-PBX. Bei zwei unabhängigen Verkehrsströmen (zeitkritisch
und diskontinuierlich) von dieser Firma zu einem Eingangsknoten
für ein
kommerzielles WAN würden
Transaktionskosten für
den vom WAN bereitgestellten Dienst zur gemeinsamen Nutzung der
Kapazität
dieser Ströme
anfallen, die am WAN-Knoten implementiert werden sollen. Durch die Imple mentierung
einer gemeinsamen Nutzung an der PBX würde diese Firma hingegen nicht
nur diese Transaktionskosten umgehen, sondern den Umfang des Zwischenspeicherns
bzw. Pufferns, das zum Aufnehmen der diskontinuierlichen Quelle
erforderlich ist, reduzieren.
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Ebenfalls
zu beachten ist, daß die
Erzeugung von Netzen für
diskontinuierliche Daten unter Verwendung von ATM-Technologien die
Notwendigkeit an Paketvermittlungsnetzen, wie dem Internet, reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet jedoch eine Möglichkeit
für eine
synergistische Verbesserung an den aktuellen Paketvermittlungsnetzen. Anstelle
einer zwischen den Knoten vorliegenden feststehenden Kapazität, würde ein
derart verbessertes Netz aus periodischen Kanälen bestehen, um eine Dienstebene
zu garantieren, und würde
stärkere Auslastungen
mit kostengünstigeren
verfügbaren Zellen
handhaben.
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Der
Aufbau eines Paketvermittlungsnetzes mit dem erfindungsgemäß implementierten ATM-Netz,
bietet die Möglichkeit
einer verbesserten Netzausnutzung. Es müssen nicht zwischen jeder Quelle
und jedem Ziel Schaltungen eingerichtet sein, sondern nur von einer
Eingangsvermittlungsstelle zum nächstliegenden
Paketvermittlungsknoten. Die Schaltungen zwischen den Paketvermittlungsknoten werden
mehr auf einer Hop-by-Hop – als
auf einer End-to-End-Basis gemeinschaftlich genutzt, was zu einer
verbesserten Ausnutzung führt.
Die Implementierung von Paketvermittlungsknoten außerhalb
der ATM-Vermittlungsstelle vermeidet auch das dienstabhängige Puffern
von der ATM-Vermittlungsstelle. Dieses Paketvermittlungsnetz kann
so konzipiert sein, daß es
einen einzelnen Dienst, wie z. B. ein Fax, effizient handhaben kann.
Andererseits können
diskontinuierliche Datendienste im allgemeinen Netz solange unterstützt werden,
bis sie ein Ausnutzungsniveau erreicht haben, das ein Spezialnetz rechtfertigt.
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III. Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Systems
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Die
derzeitige Generation von ATM-Vermittlungsstellen kann zur Implementierung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet werden. Die Netzverwaltungssoft ware dieser Vermittlungsstellen schränkt die
Anzahl der Schaltungen ein, die zwischen einem Ursprung und einem
Ziel vorgesehen sind, so daß die
erforderlichen periodischen Geschwindigkeiten an allen Vermittlungsknoten
auf dem Weg garantiert sind. Diese Software ermöglicht auch, daß den Zellen
von Quellen, die periodische Kanäle erwerben,
eine höhere
Priorität
eingeräumt
wird als den Zellen von Quellen, die den Standby-Modus verwenden, wodurch wiederum sichergestellt
ist, daß die Übertragungsgeschwindigkeit
dieser Quellen eingehalten wird.
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Ein
Großteil
der Vermittlungsstellen der jetzigen Generation nutzt bekanntermaßen das
Ausgabepuffern. Dementsprechend werden die Zellen aus den Standby-Quellen
in den Ausgangspuffern gespeichert, bis auf der entsprechenden periodischen Schaltung
leere Zellen vorliegen. Bei Verfügbarkeit dieser
Kapazität,
werden die Zellen aus den Standby-Quellen dann Teil dieser periodischen
Schaltung. Wenn der Ausgangspuffer voll wird, wird an die Leitungskarten
ein Rückkopplungssignal
gesendet, um die Übertragung
von den diskontinuierlichen Quellen zu steuern.
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Bei
den zukünftigen
Generationen von ATM-Vermittlungsstellen ist damit zu rechnen, daß auf einen
Großteil
der Ausgangspuffer verzichtet wird, und die Rückkopplungssteuerung zwischen dem
Ausgang und dem Eingang der Vermittlungsstelle würde vereinfacht werden. Eine
mögliche
Anordnung wäre
eine Analogie einer Technik, die für am Eingang gepufferte Vermittlungsstellen
entwickelt wurde: Dabei wird zeitkritischen Zellen und Zellen, die
sich auf einem durch die Vermittlungsstelle fließenden Weg befinden, höchste Priorität eingeräumt und
gelangen als erste hindurch. Zellen aus diskontinuierlichen Quellen,
die soeben in das Netz eintreten, finden entweder Zellen zu ihrem
Ziel oder werden an den Eingang der Vermittlungsstelle zurückgestellt. Die
Anzahl von zurückgestellten
Zellen bestimmt die Anzahl von neuen Zellen, die in das Netz eintreten, und
durch die Prioritäten
soll verhindert werden, daß die
zurückgestellten
Zellen durcheinander geraten.
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III. Schlußfolgerung
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Offenbart
worden ist ein neuartiges Verfahren zur Zuordnung einer Übertragungskapazität zwischen
konkurrierenden Quellen in einem Kommunikationsnetz. Dieses Verfahren
bewirkt eine nahtlose und effiziente Integration von traditionellen
Telephoniequellen und Datenquellen in einem gemeinschaftlichen Netz,
wobei in einer bevorzugten Ausführungsform
von der ATM-Technologie Gebrauch gemacht wird. Bei dieser Erfindung
können
die Kommunikationskosten reduziert, Pufferüberlaufverluste eliminiert
und das Puffern vermindert werden, das bei unter Verwendung des
Stands der Technik arbeitenden Vermittlungsstellen erforderlich
ist. Ein zusätzlicher
Vorteil ist, daß diskontinuierliche
Quellen ihren Ankunftsprozeß nicht
mathematisch spezifizieren müssen,
was für
einige der derzeitigen Standards kennzeichnend ist.
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Obgleich
die vorliegende Ausführungsform der
Erfindung ausführlich
beschrieben worden ist, wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Änderungen,
Abänderungen
und Ersetzungen daran vorgenommen werden können, ohne vom durch die beigefügten Ansprüche definierten
Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.