JP2003224599A - リアルタイムトラヒックに対する保証された帯域幅配達を備える遅延最小化システム - Google Patents
リアルタイムトラヒックに対する保証された帯域幅配達を備える遅延最小化システムInfo
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Abstract
性を達成するのが困難であった。 【解決手段】 本発明による帯域幅割り当てシステム
は、ある共有処理ファブリックへのアクセスに対して競
合する複数の異なるソースからのトラヒックフロー内の
パケットあるいはセルが、第一に、各トラヒックフロー
に対応する個別の帯域幅保証要件、および第二にシステ
ム全体としての基準、例えば、トラヒックフロー内のパ
ケットあるいはセルの到着時間、あるいは配達期日、に
よって決定される順番にそのファブリックへのアクセス
を得ることを可能にする。
Description
せるためのシステム、より詳細には、データ網内での遅
延を最小にする一方で、サービス品質保証を満足させる
ために必要とされる帯域幅を(確保)配達するための方
法およびシステムに関する。 【0002】 【従来の技術】現存の回路交換網は、固定および保証さ
れた帯域幅を、要求ソースに、ある接続の継続期間を通
じて、その接続を通じて流れるトラヒックの量と無関係
に割り当てる。この理由から、回路交換網では本質的に
帯域幅が無駄に消費されることが知られている。狭帯域
パケット網は、これとは対象的に、帯域幅を要求ソース
に、必要に応じて効率的に割り当てるが、ただし、典型
的には、所定の時間期間内に、サービス品質(QoS)
パラメータによって示されるある量の帯域幅を配達する
ことを完全に保証することはない。 【0003】この制約のために、帯域幅保証配達に対す
る厳しい要件を持つことが知られているリアルタイムト
ラヒックに対して狭帯域幅パケット網を使用することが
阻止されている。帯域幅保証要求を満足し、かつ、網内
での遅延を最小にすることに対する努力は、今日に至ま
で、網設計者の注意をあまり引き付けなかった。これ
は、異なるアプリケーション(音声あるいはデータ)に
対しては、各タイプに対して異なる最適化基準を持つ別
個の網を設計する方が得策であると考えられてきたため
である。しかしながら、一つの共通なファブリック上に
音声、データおよびビデオアプリケーションをサポート
する高速パケットデータ網の急速な展開のために、要求
ソースに保証帯域幅を配達し、同時に、網遅延を最小に
する問題が、今後、非常に重要になると期待される。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】この問題の一面を解決
する努力の中で、幾らかの網設計者は、QoSを満足さ
せ、トラヒックをトラヒックが受信された順番ではな
く、対応するアプリケーション要件に基づいてトラヒッ
クをルートする優先付きパケット脱落(priority and p
acket-dropping)スキームを設計している。残念なが
ら、これらスキームは、低優先度のソースあるいはアプ
リケーションを犠牲に動作し、しばしば、資源の割り当
てが、低優先度のソースに効率的に割り当てることが可
能な未使用の帯域幅を十分に考慮することなしに、でた
らめに行なわれる結果となる。 【0005】リアルタイムトラヒックフローを定義する
特性がその遅延に対する敏感さであるという認識から、
高速パケット網の別の幾らかの設計者は、パケットの喪
失を低減し、サービス品質の劣化を最小にするために、
過剰な輸送遅延を最小にする目的でキューイングおよび
スケジューリングスキームを考案している。例えば、高
速パケット網に対する公平キューイングスキームが考案
されているが、これは、あるセッションの継続期間を通
じてエンド・ツウ・エンド遅延限界を指定および保証す
ることによってリアルタイムトラヒックをサポートす
る。 【0006】これは、新たなトラヒックを受け入れるこ
とが、現存のフローに対する遅延限界に影響を与えるべ
きでないことを含蓄する。この概念は、当分野におい
て、トラヒックフローに対する“分離(isolation )”
要件として知られている。公平キューイングスキームの
一つの欠点は、システム帯域幅のフロー間の共有が低減
され、このためにコスト高となることである。より具体
的には、未使用のシステム帯域幅が共有されないため
に、システム遅延性能が最適以下となる。従って、従来
の技術には、要求ソースがそれらの要求するサービス品
質を確保でき、同時に、最適なシステム遅延性能を達成
する問題が残される。 【0007】 【課題を解決するための手段】本発明は、帯域幅割り当
てシステムに関する。このシステムにおいては、共有処
理ファブリックへの、このファブリックへのアクセスに
対して競合する複数の異なるソースからのトラヒックフ
ローのアクセスが、第一に、各競合するフローに対応す
る個別の保証帯域幅要件、そして、第二に、全体として
のシステム基準、例えば、複数のトラヒックフロー内の
パケットあるいはセルの到着時間、あるいは配達期日、
に基づいて決定される。 【0008】本発明の原理の一つの実現においては、
(あるソース、例えば、ある帯域幅を要求する装置ある
いはサブネットワークと対応する)あるフローからのパ
ケットあるいはセルは、別個のバッファ内にキューイン
グされ、ここで、処理ファブリックへのアクセスを待
つ。各タイムスロットにおいて、任意のフローに対する
バッファの先頭の所のセルあるいはパケットが、処理フ
ァブリックにアクセスする権利を持つ。このアクセス方
針は、セルあるいはパケットに対するサービスの順番を
決定するために、例えば、別個のモジュールとして実現
される二つのフェーズにて動作する。 【0009】第一のフェーズにおいては、要求された帯
域幅を各フローに配達する(割り当てる)することを保
証するために、処理されなければならないセルあるいは
パケットが識別される。これらセルあるいはパケット
は、“サービス保証待ち行列(GSQ)”と称される待
ち行列内におかれ、その後、一時に一つづつ、処理ファ
ブリックにアクセスすることを許される。 【0010】あるタイムスロットにおいてGSQ(サー
ビス保証待ち行列)が空である場合は、第二のフェーズ
が起動される。この第二のフェーズにおいては、セルあ
るいはパケットは、処理ファブリックへのアクセスを、
あるあらかじめ定められた基準、例えば、ファーストカ
ムファーストサーブ(FCFS)ベース、に従って得
る。例えば、全てのフローの中で最も古いセルあるいは
パケットが処理される。これは、各フロー内の回線の先
頭の所のセルのシステムへの到着時刻を比較することに
よって達成される。長所として、このフェーズにおいて
セルをFCFSベースにて処理することによって、その
特定のタイムスロットに対して最適なシステム遅延性能
が達成される。別の方法として、あるタイムスロットに
おいてサービス保証待ち行列が空の場合、最も接近した
期日を持つセルあるいはパケットが(セルあるいはパケ
ットの配達期日に基づいて)、共有処理ファブリックに
アクセスすることを許されるようにすることも可能であ
る。 【0011】 【実施例】図1は本発明の原理を実現するように構成さ
れたコントローラのブロック図を示す。図1に示される
コントローラ100は入力インタフェース105と信号
処理装置110を含むモジュール型の要素から構成され
る。 【0012】データはコントローラ100に処理ファブ
リック150へのアクセスを得るためのトラヒックソー
ス101−104のための入り口点である入力インタフ
ェース105を介して入る。トラヒックソース101−
104は、データ端末装置のような処理装置であること
も、あるいはデータ通信装置のような通信装置であるこ
とも考えられる。これら装置はデジタル入力信号を入力
インタフェース105にあるあらかじめ定められた物理
およびリンクプロトコルに従って送信する。別の構成と
して、トラヒックソース101−104は、処理ファブ
リック150によって表される共有バックボーン網への
アクセスに対して競合するサブ網であるこも考えられ
る。後者の場合は、トラヒックソース101−104
は、異なるトラヒックフローからのデジタル信号を入力
インタフェース105に終端するアクセスキャリア設備
161−164上に多重化する集信装置であり得る。 【0013】トラヒックソース101、102、10
3、104が、デジタル信号を、例えば、セルあるいは
グループのセルの形式にて、コントローラ100に送信
すると、コントローラ100は、受信されたセルを一時
的にバッファ101−104内に格納する。これらバッ
ファは、各トラヒックソースからのトラヒックフロー中
のセルに対する待ち行列メモリデバイスとして動作し、
各トラヒックソースからのセルは、これらが処理ファブ
リック150へのアクセスを待つあいだ、別個のバッフ
ァ内で順番を待たされる。別の構成として、バッファ1
06−109をトラヒックソース101−104内に用
意することもできる。バッファ106−109内に実現
されるキューイング方式は、本発明を構成するものでは
ない。重要なことは、各タイムスロット内において、各
トラヒックソースと対応する各バッファ待ち行列の先頭
のセルのみが処理ファブリック150へのアクセスに対
する競合権をもつという事実である。各トラヒックソー
スiとカウンタriとが対応し、カウンタの値は、例え
ば、そのトラヒックフローに対するQoSパラメータに
基づいて定められる。 【0014】入力インタフェース105は、さらに、プ
ロセッサ136を含むが、これは、クロック135のタ
イミング信号を使用して、各バッファ内のセルに対する
競合サイクルの同期をとる。つまり、あるバッファ内の
あるセルが競合する状態になると、プロセッサ136
は、この競合するセルにクロック135を使用してタイ
ムスタンプを付加する。ある競合サイクルの開始におい
て、処理ファブリック150に伝送されるべき新たなセ
ルをラインの先頭の所に持つ各バッファは、シグナリン
グリンク141−144の一つを介して信号処理装置1
10に競合コードを送信する。この競合コードは、例え
ば、そのセルに対応するQuality-of-Service(QoS)
パラメータ、そのセルに対するトラヒックフローと対応
するカウンタの値、およびそのセルが競合するようにな
った、あるいは入力インタフェース105から受信され
た時間を示す。 【0015】図1にはさらに信号処理装置110が含ま
れるが、これは、帯域幅保証待ち行列(Guaranteed Ban
dwidth Queuing)モジュール111とファーストカム・
ファーストサーブ(First-Come-First-Serve、FCF
S)待ち行列モジュール112を含む。帯域幅保証待ち
行列モジュール111の心臓部にはマイクロプロセッサ
114が存在するが、これは、処理ファブリック150
へのアクセスに対して競合するトラヒックに対する第一
のゲートポストとして機能する。より詳細には、マイク
ロプロセッサ114は、メモリ113内に格納されてい
るプログラムインストラクションを実行することによっ
て、競合するトラヒックフローに対するQoSパラメー
タへのアクセス、各競合トラヒックフローによって要求
される保証帯域幅の決定、処理ファブリック150の所
に利用できる帯域幅の調査、および、必要とされる場合
は、帯域幅使用カウンタの減分を遂行する。発明のこの
点に関しては、後に、詳細に説明される。 【0016】マイクロプロセッサ144が現在のタイム
スロットに対して全ての競合するトラヒックフローに対
して要求される全ての保証帯域幅を割り当ててもさらに
処理ファブリック150上に余分な帯域幅が利用できる
ことを決定すると、マイクロプロセッサ114は、この
事実をFCFS待ち行列モジュール112にシグナリングリ
ンク151を介して送信される信号を通じて伝える。F
CFS待ち行列モジュール112のマイクロプロセッサ
116は、メモリ115内に格納されているプログラム
インストラクションを実行する。これらインストラクシ
ョンには、例えば、ある競合トラヒックフロー内のセル
の年令あるいは配達期日に関してアクセスするための手
段を含む。後に詳細に説明されるように、マイクロプロ
セッサ116は、各競合トラヒックフローの“競合年令
(contending age)”を分析することによって、処理フ
ァブリック150上に余分な容量が利用できる場合に、
競合トラヒックフローのどれが最初に処理ファブリック
150へのアクセスを得るべきかを決定する。待ち行列
モジュール112に対してファーストカム・ファースサ
ーブ(FCFS)スケジューリング構成が示されたが、
この代わりに、従来の技術による他の構成、例えば、Hi
erarchical Round Robin(HRR)構成、Weighted Rou
nd Robin(WRR)構成などを使用することもできる点
を注意しておくべきである。 【0017】要約すると、処理ファブリック150上に
余剰の容量が存在する場合、信号処理装置110は、コ
ントローラ100が、FCFS待ち行列モジュール11
2の機能を使用して、例えば、先入れ先出し待ち行列管
理アルゴリズムを実現することを許す。全ての時間にお
いて、例えば、帯域幅が希少な場合であっても、信号処
理装置110は、コントローラ110が、帯域幅保証待
ち行列モジュール111の機能を使用して保証された要
求帯域幅を配達するために、トラヒックフローを分離す
ることを可能にする。 【0018】あるトラヒックフロー内のあるセルが信号
処理装置110によってある競合サイクルあるいはタイ
ムスロットに対する“勝者”であるものと決定される
と、信号処理装置110は、入力インタフェース105
に監督信号を送信する。この信号は、入力インタフェー
スに、そのバッファ106−109の一つから勝者セル
を取り出して、これを信号バス131−134の一つお
よびシステムバス130を介して処理ファブリック15
0に伝送するように指示する。より具体的には、信号処
理装置110は、プロセッサ136に、勝者セルを処理
ファブリック150に伝送するためにマイクロプロセッ
サ114と116によって選択されたバッファから処理
ファブリック150に伸びるデータ経路を確立すること
を指令する監督信号を送信する。処理ファブリック15
0は、出力リンク、プロセッサ、バックボーン網、ある
いは、例えば、非同期転送モード(ATM)プロトコル
標準に準拠する通信交換機であり得る。 【0019】図2は帯域幅保証待ち行列モジュールのマ
イクロプロセッサ114によって本発明の帯域幅保証機
能を実現するために実行される一例としてのプログラム
インストラクションの流れ図を示す。各タイムスロット
の開始時において、信号処理装置110内のマイクロプ
ロセッサプ114は、あるトラヒックソースに対して選
択されたバッファ内のトラヒックソースカウンタを、ス
テップ201に示されるように、そのトラヒックソース
カウンタが0以下であるか調べるために分析する。この
ステップは各トラヒックソースに対して同時的に遂行す
ることができる。ステップ201において、そのカウン
タが0以下であると決定された場合は、マイクロプロセ
ッサ114は、ステップ203において、その選択され
たバッファ内にセルが待たされているか否か評価する。
待たされている場合は、マイクロプロセッサ114は、
ステップ204において、その選択されたバッファ内の
待ち行列内の次のセルをすぐにサービスされるべきであ
るとマークし、適当な監督信号をプロセッサ136に送
信する。 【0020】別の方法として、ステップ204におい
て、マイクロプロセッサ114は、セルを、その後処理
ファブリック150に伝送するために、メモリ113内
に(選択されたバッファ内の待ち行列の先頭の所に)待
たせることも可能である。この代替実施例においては、
メモリ113は、競合セルがすぐにサービスされるべき
であるとマークされる場合に実現される論理的なサービ
ス保証待ち行列(Guaranteed Service Queue)とは対照
的に、物理的なサービス保証待ち行列(GSQ)とな
る。選択された実現(マーキングあるいはキューイン
グ)とは無関係に、セルがマークあるいはキューイング
されるたびに、GSQカウンタ(サービス保証待ち行列
カウンタ)が増分される。 【0021】その後、マイクロプロセッサ114は、ス
テップ205において、トラヒックソースカウンタを
1.0にリセットし、そのトラヒックフローあるいはト
ラヒックソースに対する帯域幅使用カウンタを増分す
る。これは、コントローラ100のオペレータがある時
間期間を通じてあるフローあるいはトラヒックソースか
らのセルが何個処理されたかを調べることを可能にし、
こうして、課金メカニズム、および各トラヒックソース
に対する帯域幅保証を検証するための手段を提供する。 【0022】長所として、本発明の原理を具現する設計
は、トラヒックソースカウンタiが1.0にリセットさ
れるたびに、l/riスロット内においてトラヒックソ
ースカウンタiの値が0.0あるいはそれ以下に達し、
フローiに対するバッファ内にキューイングする次のセ
ルが、即時に、すぐにサービスされるようにマークされ
ることを保証する。結果として、フローiは、それが要
求する帯域幅を保証される。本発明の一つの実際の実現
においては、安定なサービス政策を確保するために、全
てのフローに対するriが、それらの総和が1.0以下
となるように選択される。このriを考慮することによ
って、コントローラ100は、また、新たなフローを受
け入れるべきか否かを迅速に決定することができる。 【0023】あるトラヒックソースと対応するバッファ
内のトラヒックソースカウンタiが0以下でない場合
は、トラヒックソースカウンタは、ステップ202に示
されるように、“トラヒックソースカウンタレートr
i”と称される固定された値だけ減分される。この場合
は、選択されたバッファ内に待たされているセルは、ス
テップ206に示されるように、次のタイムスロットま
で待たなければならない。このriの値は、フローiに
よって要求される保証帯域幅に基づいて計算され、フロ
ーiに割り当てられるべき処理ファブリック150の割
合に等しい。例えば、フローiが処理ファブリック15
0の容量の十分の一の保証帯域を要求する場合は、ri
に対して使用される値は0.1である。一例として、処
理ファブリック150が155Mb/sのバスを持つ非同期
転送モード(ATM)交換機ファブリックである場合
は、典型的なサービスに対するトラヒックソースカウン
タレートriは、6Mb/s MPEG-2娯楽ビデオに対しては
0.04、384kb/s CD品質音響に対しては0.
002、そして100kb/sの最小スループットを要求す
るファイル転送セッションに対しては0.006である
と推定される。 【0024】図3は図1の信号処理装置110のプロセ
ッサによって本発明の原理を実現するために実行される
一例としてのプログラムインストラクションの流れ図で
ある。本発明によって考慮されるプロセスは、ステップ
301において、マイクロプロセッサ114が、新たな
バッファjを、そのバッファが現在のタイムスロット内
に伝送されるべきセルを含むか否かを判断するために選
択するときに開始される。ステップ302において、バ
ッファjが空である(つまり、その中にセルが待たされ
ていない)ことが決定された場合は、マイクロプロセッ
サ114は、ステップ303において、選択されるべき
残りのバッファが存在するか否か評価する。 【0025】存在する場合は、ステップ301および3
02に示されるように、新たなバッファjが選択され、
その内容が待たされたセルが存在するか調べるために分
析される。ステップ302に示されるように、選択され
たバッファ内に一つあるいはそれ以上のセルが待たされ
ている場合は、ステップ304において、その選択され
たバッファ内のトラヒックフローに対応する選択された
バッファカウンタ内の待ち行列の先頭の所のセルが、そ
のセルがすぐにサービスされるべきであるとマークされ
ているか(図2参照)調べるために分析される。すぐに
サービスされるべきであるとマークされている場合は、
ステップ305において、マイクロプロセッサ114
は、プロセッサ136に、処理ファブリック150への
伝送のために選択されたバッファに対する待ち行列の先
頭の所のセルを取り出すことを指令する信号を送る。 【0026】ステップ304において、その待ち行列の
先頭の所のセルがすぐにサービスされるべきであるとマ
ークされてないことが決定された場合は、マイクロプロ
セッサ114は、ステップ306において、GSQカウ
ンタが0以上であるか照会する。0以上である場合は、
選択されたバッファ内の待ち行列の先頭の所のセルは、
ステップ308に示されるように、処理ファブリック1
50へのアクセスに対する競合のために次のタイムスロ
ットまで待たなければならない。この場合、上に説明さ
れたように(図2のステップ202)、そのバッファに
対するトラヒックフローに対するトラヒックソースカウ
ンタがトラヒックソースカウンタレートriだけ減分さ
れる。GSQカウンタが、ステップ306において0で
ないことが決定された場合は、マイクロプロセッサ11
6は、ステップ307において、選択されたバッファ内
のその待ち行列の先頭の所のセルが全てのバッファ内の
全てのセルの中で最も古いセルであるか否か評価する。
最も古い場合は、マイクロプロセッサ116は、プロセ
ッサ136に、選択されたバッファから処理ファブリッ
ク150への伝送のためにその待ち行列の先頭の所のセ
ルを取り出すことを指令する信号を送信する。最も古い
セルでない場合は、選択されたバッファ内の待ち行列の
先頭の所のセルは、ステップ308に示されるように、
処理ファブリック150へのアクセスに対する競合のた
めに次のタイムスロットまで待たなければならない。 【0027】好ましくは、従来の技術によるパケット脱
落、および優先スキームが、本発明の帯域幅保証機能と
の関連で実現される。
た装置のブロック図を示す。 【図2】本発明の原理を実現するために図1の装置のプ
ロセッサ内で実行されるプログラムインストラクション
の流れ図を示す。 【図3】本発明の原理を実現するために図1の装置のプ
ロセッサ内で実行されるプログラムインストラクション
の流れ図を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 データ網内で、データ網へのアクセスを
競合するトラヒックソースから発出する情報パケット
に、競合サイクル内で帯域幅を割り当てる方法であっ
て、 前記トラヒックソースから情報パケットを受信し、前記
情報パケットを1以上のソース待ち行列に格納するステ
ップからなり、前記格納された情報パケットの各々は、
それぞれ予め定義されたサービス品質パラメータを有
し、さらに、 前記ソース待ち行列のうちの1つに格納されそして予め
定義された値以上のサービス品質パラメータを有する情
報パケットの全てを、サービス保証待ち行列へ割り当て
るステップと、 前記サービス保証待ち行列に割り当てられた少なくとも
1つの情報パケットに前記データ網の帯域幅を割り当て
るステップと、 前記サービス保証待ち行列が空であるときには、所定の
基準に従って、前記ソース待ち行列に格納された情報パ
ケットに前記帯域幅を割り当てるステップとからなるこ
とを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US08/408758 | 1995-03-22 | ||
US08/408,758 US5675573A (en) | 1995-03-22 | 1995-03-22 | Delay-minimizing system with guaranteed bandwidth delivery for real-time traffic |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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