DE69738082T2

DE69738082T2 - System und verfahren zum laufzeitausgleich in einem dynamischen paketvermittelten netz

Info

Publication number: DE69738082T2
Application number: DE69738082T
Authority: DE
Inventors: Arturo Lincroft CISNEROS
Original assignee: Telcordia Technologies Inc
Current assignee: Telcordia Licensing Co LLC
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JP2000512471A; EP0983667B1; DE69738082D1; EP0983667A4; JP3199386B2; WO1998053577A1; CA2291192A1; CA2291192C; EP0983667A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Weiterleiten und Übertragen von Daten und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Entzerren (Ausgleichen) einer Verzögerung in einem dynamischen Paketschaltnetzwerk (Paketvermittlungsnetz), das Daten in adressierten Paketen weiterleitet und überträgt.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt Telekommunikationsnetze, die eine große Anzahl von Anwenderstationen unter Verwendung von Telekommunikationseinrichtungen miteinander verbinden. Diese Netze verwenden Übertragungssysteme, Vermittlungssysteme und Stationsausrüstung, um Sprache, Video und Daten zwischen zwei Punkten zu übertragen. Die physikalischen Leitungen zwischen den zwei Punkten im Netz werden als Verbindungen bezeichnet, während die Übergangspunkte der Verbindungen als Knoten bezeichnet werden. Die Anwenderstationen in den Datenübertragungsnetzen können Telephone, Endgeräte, Drucker, Faxeinheiten, Computer und dergleichen sein.
Die Paketvermittlungsnetze sind konstruiert worden, um ein effizienteres Verfahren zum Übertragen von Daten über Netze zu schaffen. Die Paketvermittlungsnetze können jedoch außerdem verwendet werden, um digitalisierte Sprache zu übertragen. Ein Netz, das die Paketvermittlung als ein Mittel zum Übertragen von Daten verwendet, wird im Allgemeinen als ein Paketvermittlungs-Datennetz (PSDN) bezeichnet.
Ein Paket ist eine diskrete Einheit einer Datennachricht, die einzeln über ein PSDN geleitet wird. Jedes Paket enthält Steuerinformationen, die es ermöglichen, dass die Nachricht in der richtigen Reihenfolge wieder zusammengesetzt wird, bevor sie ihr endgültiges Ziel erreicht. Die Paketvermittlung ist effizient, weil die Pakete den Kanal oder den Pfad durch das Netz nur während der kurzen Zeit belegen, während der sie sich unterwegs befinden, im Gegensatz zu einer leitungsvermittelten Nachricht, die die Verwendung der Übertragungsleitung während der Dauer der Nachricht erfordert. Beim Abschluss der Datenübertragung wird der Kanal oder Pfad für die Übertragung anderer Pakete verfügbar gemacht. Die Übertragungsleitungen durch das PSDN sind durch rechnergestützte Vermittlungen ergänzt, die die Verkehrslenkung und den Verkehrsfluss steuern. Ein Standardmerkmal der Paketvermittlung ist die automatische Fehlererfassung und -korrektur der übertragenen Pakete.
Ein herkömmliches Kommunikationsnetz, das die Datenpaketvermittlung verwendet, ist in 1 graphisch gezeigt. Die Anwender und andere Netze greifen auf dieses Netz durch Anwenderzugangsstationen ("UAS") zu, die in 1 z. B. als UAS₁, UAS₂ und UAS₃ gezeigt sind. Andere Netze N₁, N₂ werden so betrachtet, als ob sie sich wie andere Anwender verhalten. Die Anwenderzugangsstationen senden die Anwenderdaten durch eine oder mehrere Vermittlungen S_j zum Netz und empfangen die Anwenderdaten durch eine oder mehrere Vermittlungen S_j vom Netz. Die Pfade werden durch das Netz der Vermittlungen S_j aufgebaut, um virtuelle Kommunikationskanäle zwischen den Anwendern in verschiedenen Anwenderzugangsstatio nen aufzubauen. Die Übertragungsverzögerung für ein Datenpaket, das von einer UAS zu einer weiteren UAS gehen soll, hängt vom gewählten speziellen Pfad ab.
Eine typische Übertragungsverzögerungszeit durch das Netz wird als T bezeichnet. T könnte z. B. 20 Millisekunden betragen. Der für eine virtuelle Verbindung durch das Netz gewählte längste Pfad besitzt in einem typischen Fall eine Übertragungsverzögerung von 10T. Für T = 20 Millisekunden folgt 10T = 200 Millisekunden.
Die Datenpaketgröße muss nicht konstant sein. Die Datenpaketgröße kann fest sein, wie sie es in ATM-Netzen ist. Sie darf jedoch nicht länger als eine maximale Länge sein. Die maximale Paketlänge ist so, dass die Latenzzeit zum Übertragen des Pakets über irgendeine der Verbindungen k_i oder l_y kleiner als T/10 ist. Die Verbindungen k_i sind jene, die die Anwenderzugangsstationen mit den Vermittlungen verbinden, während die Verbindungen l_y jene sind, die die Vermittlungen mit anderen Vermittlungen verbinden.
Einige Paketvermittlungs-Datennetze sind in einer Anzahl von Arten dynamisch, z. B. ein Netz aus Paketvermittlungen in Satelliten auf nicht geostationären Umlaufbahnen. Die Kommunikationsverbindungen k_i zwischen den Anwenderzugangsstationen und den Vermittlungen S_j sind nicht permanent. Die Verbindungen k_i sind während einer typischen Zeitperiode von etwa 15.000T aktiv (z. B. 5 Minuten für T = 20 Millisekunden). Wenn alte Verbindungen k_i entfernt werden, werden neue aufgebaut, aber die neuen Verbindungen k_i werden fast immer in einer neuen Vermittlung S_j aufgebaut. Wenn z. B. die Verbindung k₂ (1) entfernt wird, kann eine neue Verbindung zwischen der UAS₁ und der S₂ aufgebaut werden. Es gibt immer we nigstens eine Verbindung zwischen einer UAS und einer Netzvermittlung S_j.
Die Verbindungen l_y zwischen den Vermittlungen S_j sind nicht permanent; sie besitzen typische Lebensdauern von etwa 30.000 T (z. B. 10 Minuten für T = 20 Millisekunden). Das Muster der Verbindung muss jedoch bestimmte Bedingungen erfüllen. Es gibt immer ausreichend Verbindungen, um jeder UAS zu erlauben, mit irgendeiner anderen UAS zu kommunizieren. Einige der Verbindungen k_i und l_y können permanent sein oder viel langlebiger sein, als oben dargelegt worden ist.
In einem typischen System gibt es Steuerstationen CS, die Kommunikationsverbindungen zu den Netzvermittlungen S_j besitzen. Ihre Funktion besteht darin, das Netz zu steuern und virtuelle Verbindungen aufzubauen und abzubauen. Jede Anwenderzugangsstation UAS kann immer mit wenigstens einer Steuerstation CS kommunizieren. Die Orte der Steuerstationen CS sind für die vorliegende Erfindung nicht relevant. Es wird angenommen, dass das Muster der Netzverbindungen (die Verbindungen k_i und l_y) vorhersagbar ist und für jeden künftigen Zeitpunkt durch die Steuerstationen CS berechnet werden kann. In der Praxis ist alles, was notwendig ist, die Fähigkeit, das Muster für die Dauer der längsten virtuellen Verbindung, die gegenwärtig aufgebaut ist, in die Zukunft zu berechnen. Funktionsstörungen können die Vorhersagbarkeit beeinflussen, aber es gibt Arten, mit den Funktionsstörungen umzugehen.
Eine virtuelle Verbindung zwischen zwei Netzanwendern, die länger als die Lebensdauern der Verbindungen dauert, muss während der Lebensdauer der Verbindung verschiedene Pfade durch das Netz nehmen. Es wird angenommen, dass das dynamische Verbindungsmuster (die Verbindungen k_i und l_y) so ist, dass eine Folge von Pfaden während der Dauer der virtuellen Verbindung gewählt werden kann und dass jeder Pfad für wenigstens eine Zeitperiode von 1.200T (z. B. 4 Minuten für T = 20 Millisekunden) verwendet werden kann. Dies erfolgt selbstverständlich wie in jeder anderen Art des Netzes unter der Voraussetzung der Bandbreitenverfügbarkeit. Wenn es nicht ausreichend verfügbare Bandbreite gibt, kann die Verbindung nicht aufgebaut werden. Die Betriebsmittel werden für die erwartete Dauer des Anrufs reserviert. Wie in 2a gezeigt ist, gibt es für jedes aus einer Folge aufeinanderfolgender Zeitintervalle t₁, t₂, t₃, ..., t_o entsprechende Pfade P₁, P₂, P₃, ..., P_n, so dass der Pfad P_i während des Zeitintervalls t_i für die virtuelle Verbindung verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 2b geht ein erster Pfad P₁ durch die Vermittlungen S₁, S₃, S₄, S₅, S₉, S₁₀, S₁₁ und S₁₃, während ein zweiter Pfad P₂ durch die Vermittlungen S₂, S₆, S₇, S₁ und S₁₃ geht. Für die gleiche virtuelle Verbindung zwischen der UAS₁ und der UAS₂ wird während des Zeitintervalls t₁ der Pfad P₁ verwendet, während während des Zeitintervalls t₂ der Pfad P₂ verwendet wird, usw.
Durch die Änderungen der Pfade durch das Netz, die durch eine virtuelle Verbindung verwendet werden, werden Probleme verursacht. Wie in 3 gezeigt ist, ist eine virtuelle Verbindung zwischen dem Anwender U₁ an der UAS₁ und dem Anwender U₂ an der UAS₂ aufgebaut. Während des ersten Zeitintervalls t₁ wird der Pfad P_A verwendet. Während des zweiten Zeitintervalls t₂ wird der Pfad P_B verwendet. Der Pfad P_A besitzt eine Übertragungsverzögerungszeit von der UAS₁ zur UAS₂, die gleich t_a ist, während der Pfad P_B eine Übertragungsverzögerungszeit von der UAS₁ zur UAS₂ besitzt, die gleich t_b ist. Es sollte angegeben werden, dass die Übertragungsverzögerungszeiten t_a und t_b nicht die Intervalle sind, während denen die Pfade P_A und P_B verwendet werden, diese sind durch die Intervalle t und t₂ gegeben.
Es wird zuerst angenommen, dass t_a < t_b gilt (z. B. t_a = 20 Millisekunden und t_b = 100 Millisekunden) und dass es keine Pufferung in der UAS₂ gibt. Nach dem Ende des Zeitintervalls t₁ verwendet die virtuelle Verbindung anstelle des Pfades P_A den Pfad P_B. Das erste Datenpaket, das sich längs des Pfades P_B bewegt, kommt eine Zeitperiode t_b – t später an der UAS₂ an, als es ankommen müsste, wenn es auf dem Pfad P_A gegangen wäre. Dies hinterlässt eine stille Lücke der Dauer t_b – t_a im Datenstrom (z. B. t_b – t_a = 80 Millisekunden), die zu groß ist, um für viele Kommunikationsdienste annehmbar zu sein. Das Problem kann einfach korrigiert werden, das Wechseln von einem längeren Pfad P_B zu einem kürzeren Pfad P_A verursacht schwierigere Probleme, wie im Folgenden erklärt wird.
Es wird nun angenommen, dass während des ersten Zeitintervalls t₁ der Pfad P_B verwendet wird, während während des zweiten Zeitintervalls t₂ der Pfad P_A verwendet wird (siehe die 4a und 4b). Abermals ist t_a die Übertragungsverzögerung längs des Pfades P_A, während t_b die Übertragungsverzögerung längs des Pfades P_B ist, wobei t_a < t_b gilt. Es gibt weder bei der UAS₂ noch bei der UAS₁ eine Pufferung.
Nun wird angenommen, dass die Pfade P_A und P_B eine gemeinsame Vermittlung S_c besitzen, wie in 4a gezeigt ist. Am Ende des Zeitintervalls t₁ wird die Verbindung vom Pfad P_B zum Pfad P_A geändert. Wenn ein Datenpaket zum erstenmal längs des Pfades P_A bei der Vermittlung S_c ankommt, gibt es frühere Datenpakete von der Verbindung, die sich immer noch längs des Pfades P_B bewegen (es gibt außerdem eine Zwischenpaket-Abstandszeit, diese ist aber für das beschriebene Problem vernachlässigbar). Es gibt eine Zeitperiode, die gleich t_b – t_a ist, während der die Vermittlung S_c die Pakete von der Verbindung mit dem Doppelten der normalen Rate empfängt. Falls die Verbindung von der Vermittlung S_c zur UAS₂ vollständig (oder fast vollständig) verwendet wird, muss die Vermittlung S_c die Zellen von dieser Verbindung während einer Periode Puffern, die viel länger als t_b– t_a ist. Falls dies unkorrigiert gelassen wird, verursacht dies eine Verzögerung und vergrößert möglicherweise die Zellenverlustwahrscheinlichkeiten für andere virtuelle Verbindungen (Zelle = Datenpaket).
Falls die Pfade P_A und P_B keine gemeinsame Vermittlung besitzen, wie in 4b gezeigt ist, muss die UAS₂ während eines Zeitintervalls t_b – t_a zwei Verbindungen aufrechterhalten, wobei sie während dieser Zeit die Zellen mit dem Doppelten der normalen Rate für die Verbindung erhält. Dies führt außerdem zu einer vergrößerten Verzögerung und vergrößerten Zellenverlustwahrscheinlichkeiten für andere virtuelle Verbindungen.
Es werden nun drei Dokumente des Standes der Technik betrachtet:

– US 5.457.678 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für die Übertragung von Nachrichtenpaketen entsprechend der asynchronen Übertragungsbetriebsart in einem Kommunikationsnetz. Die Übertragung der Nachrichtenpakete entsprechend der asynchronen Übertragungsbetriebsart ergibt sich separat in wenigstens zwei vollständig verschiedenen Übertra gungspfaden, die ATM-Vermittlungsausrüstungen (ASW1..., ASW2...) oder ATM-Querverbinder (ACC1..., ACC2) besitzen. Eine Erfassung von Testnachrichtenpaketen, die auf der Sendeseite gesendet und auf den verschiedenen Übertragungspfaden vermittelt werden, ergibt sich auf der Grundlage einer Schnittstellen-Steuereinheit (CCU), die sich beim entsprechenden Teilnehmer des Netzes befindet. Es ist eine Kompensation für die Differenzen in den Laufzeiten der Nachrichtenpakete, die durch die verschiedenen Übertragungspfade verursacht werden, auf der Grundlage der Empfangszeitpunkte vorgesehen. Eines von mehreren völlig gleichen Nachrichtenpaketen, die auf verschiedenen Übertragungspfaden übertragen werden, wird an einen Teilnehmer ausgegeben.
– US 5.400.324 beschreibt ein Verfahren zum Schaffen einer Verbindungsgruppierung in einer Paketvermittlung. In einer Paketvermittlung, die für Pakete mit konstanter Länge vorgesehen ist und die zwischen zwei Vermittlungs-Ports in eine Anzahl von Knoten (12) und Übertragungsverbindungen (14) unterteilt ist, wobei die Knoten die Raumauswahl ausführen und die Übertragungsverbindungen die Punkt-zu-Punkt-Übertragung zwischen den Knoten bieten, wird die Verbindungsgruppierung ausgestrichen (carded out). Spezieller werden von mehreren parallelen physikalischen Verbindungen, die in die Vermittlung kommen, Gruppen erzeugt, jede in Form einer logischen Verbindung mit einer Bandbreite, die die Summe der Bandbreiten der physikalischen Verbindungen ist, die in der Verbindungsgruppe enthalten sind, wobei die logische Verbindung für die abgehenden parallelen physikalischen Verbindungen von der Vermittlung wiederhergestellt wird. Es werden ein oder mehrere Verbindungsproto kolle (G1, G2) verwendet, entsprechend denen ein Etikett im Kopf des Paketes hergestellt wird, um eine Route zu beschreiben, die die gruppierten Verbindungen durch die ganze Vermittlung zusammenhält, so dass die Bits in dem Etikett, das die Route über eine bestimmte Übertragungsverbindung beschreibt, für die Pakete die gleichen sind, die zur selben Verbindungsgruppe gehören.
– US 5.627.822 beschreibt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung für die störungsfreie Weiterleitung eines Nachrichtenzellenstroms auf einer Ausweichroute. In einem zellenorientierten Kommunikationsnetz verdoppelt eine Vermittlungsausrüstung (CCa), die sich am Anfang eines Pfadpaares befindet, einen an sie gelieferten Nachrichtenzellenstrom für die Weiterleitung. Die sich daraus ergebenden Nachrichtenzellenströme werden separat an eine Vermittlungsausrüstung (CCb), die sich am Ende des Pfadpaares befindet, über einen aktiven Pfad (AP) und über einen Ausweichpfad (EP) des ihr zugewiesenen Pfadpaares geliefert. Eine dezentralisierte Synchronisationseinrichtung (SY) oder mehrere dezentralisierte Synchronisationseinrichtungen (SY1, SY2 bzw. SY3, SY4) schafft bzw. schaffen darin eine Synchronisation der zwei sich darin ergebenden Nachrichtenzellenströme, während sie anfangs den Nachrichtenzellenstrom des aktiven Pfades weiterleiten. Nach einer derartigen Synchronisation wird dann nur der Nachrichtenzellenstrom des Ausweichpfades weitergeleitet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes System und ein verbessertes Verfahren zum Weiterleiten und Übertragen von Daten in adressierten Datenpaketen zu schaffen, die die oben beschriebenen Probleme in dynamischen Paketvermittlungsnetzen (Paketschaltnetzwerken) überwinden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Ausgleichen (Entzerren) einer Verzögerung bei einer dynamischen Paketratenverdoppelung beim Ändern der Übertragungspfade zu schaffen.
Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung dargelegt, wobei sie für die Fachleute auf dem Gebiet beim Lesen dieser Beschreibung oder beim Praktizieren der Erfindung offensichtlich werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können durch die beigefügten unabhängigen Ansprüche 1 und 4 gelöst und verwirklicht werden.
Um die folgenden und andere Aufgaben zu lösen und in Übereinstimmung mit dem Zweck der vorliegenden Erfindung, wie er hierin verkörpert und umfassend beschrieben ist; umfasst die Vorrichtung der Erfindung ein System zum Ausgleichen einer Verzögerung in einem dynamischen Paketvermittlungsnetz, das eine Puffereinrichtung zum Puffern einer Paketübertragung durch das Netz zum Ausgleichen der Paketübertragungsverzögerung und zum Eliminieren der Paketratenverdopplung beim Ändern der Übertragungspfade durch das Netz umfasst.
Es ist bevorzugt, dass die Puffereinrichtung eine erste Puffereinrichtung zum Puffern einer Paketübertragung bei einer empfangenen Anwenderzugangsstation zum Ausgleichen der Paketverzögerung durch das Netz beim Ändern von einem Übertragungspfad zu einem weiteren Übertragungspfad umfasst. Die Puffereinrichtung umfasst außerdem vorzugsweise eine zweite Puffereinrichtung zum Puffern einer Paketübertragung bei einer sendenden Anwenderzugangsstation zum Eliminieren der Paketratenverdopplung, wenn eine Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netz vorgenommen wird. Eine Einrichtung zum Steuern der zweiten Puffereinrichtung schafft ein erstes Ausmaß der Pufferung bei der sendenden Anwenderzugangsstation direkt auf das Ändern von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netz und eine Einrichtung, um das erste Ausmaß der Pufferung von der zweiten Puffereinrichtung während einer Zeitdauer nach der Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad nach und nach zur ersten Puffereinrichtung zu verschieben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit ihren Aufgaben und Zwecken umfasst die Vorrichtung hiervon ein dynamisches Paketvermittlungsnetz, das erste und zweite Anwenderzugangsstationen umfasst, wobei jede wenigstens einen Puffer besitzt, um die Paketübertragung zu verzögern, und ein Netz aus Vermittlungen und Kommunikationsverbindungen, die die ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen miteinander verbinden. Eine Steuerstation, die Kommunikationsverbindungen zu den Vermittlungen und den Anwenderzugangsstationen besitzt, schafft eine Einrichtung zum Einrichten und Ändern von Übertragungspfaden zwischen den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen und eine Einrichtung zum Steuern der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen zum Ausgleichen der Paketübertragungsverzögerung durch das Netz für verschiedene Übertragungspfade.
Es ist außerdem bevorzugt, dass die Steuerstation eine Einrichtung zum Steuern der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen besitzt, um die Paketratenverdoppelung zu eliminieren, wenn eine Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netz ausgeführt wird. Die Einrichtung zum Steuern der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen umfasst eine Einrichtung, um den Puffer in der zweiten Anwenderzugangsstation zu veranlassen, die von der ersten Anwenderzugangsstation empfangenen Pakete während einer ausreichenden Zeit zu verzögern, um zu veranlassen, dass die gesamte Übertragungsverzögerungszeit für jeden Übertragungspfad gleich einer Übertragungsverzögerungszeit eines längsten der Übertragungspfade ist.
Es ist außerdem bevorzugt, dass die Einrichtung zum Steuern der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen eine Einrichtung umfasst, um den Puffer in der ersten Anwenderzugangsstation zu veranlassen, die von der ersten Anwenderzugangsstation zur zweiten Anwenderzugangsstation gesendeten Pakete zu verzögern, um die Paketratenverdoppelung zu eliminieren, wenn eine Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad ausgeführt wird. Die Einrichtung zum Steuern der Puffer umfasst außerdem vorzugsweise eine Einrichtung, um die durch den Puffer in der ersten Anwenderzugangsstation bereitgestellte Pufferung während einer Zeitperiode nach einer Änderung vom längeren Übertragungspfad zum kürzeren Übertragungspfad nach und nach zum Puffer in der zweiten Anwenderzugangsstation zu verschieben.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit ihren Aufgaben und Zwecken umfasst das Verfahren hiervon ein Verfahren zum Ausgleichen der Verzögerung in einem dynamischen Paketnetz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Vorsehen erster und zweiter Anwenderzugangsstationen, von denen jede wenigstens einen Puffer aufweist, um die Paketübertragung zu verzögern, und eines Netzes aus Vermittlungen und Kommunikationsverbindungen, die die ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen miteinander verbinden, Einrichten und Ändern von Übertragungspfaden zwischen den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen über das Netz der Vermittlungen und Kommunikationsverbindungen und Steuern der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen, um eine Paketübertragungsverzögerung durch das Netz für alle Übertragungspfade auszugleichen.
Es ist außerdem bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt des Steuerns der Puffer in den ersten und zweiten Anwenderzugangsstationen umfasst, um die Paketratenverdopplung zu eliminieren, wenn eine Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netz ausgeführt wird. Das Verfahren enthält außerdem den Schritt des allmählichen Verschiebens einer Pufferung vom Puffer in der ersten Anwenderzugangsstation zum Puffer in der zweiten Anwenderzugangsstation nach dem Ändern von einem ersten längeren Pfad durch das Netz zu einem zweiten kürzeren Pfad durch das Netz.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die vorliegende Erfindung wird klarer erkannt, wenn die Offenbarung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausgeführt wird, worin:
1 eine schematische graphische Darstellung ist, die einen allgemeinen Überblick über ein herkömmliches dynamisches Paketvermittlungs-Datennetz bereitstellt.
2a veranschaulicht eine Zuweisung der Betriebsmittel für eine Folge aufeinanderfolgender Zeitintervalle für ein herkömmliches dynamisches Paketvermittlungs-Datennetz.
2b ist eine schematische graphische Darstellung, die die während zweier Intervalle (z. B.) in einer herkömmlichen virtuellen Verbindung verwendeten Pfade darstellt.
3 ist eine schematische graphische Darstellung, die eine virtuelle Verbindung zeigt, die verschiedene Pfade zwischen zwei Anwendern eines herkömmlichen dynamischen Paketvermittlungs-Datennetzes verwendet.
4a ist eine schematische graphische Darstellung, die zwei Pfade mit einer gemeinsamen Vermittlung zeigt, die in einer virtuellen Verbindung zwischen zwei Anwendern eines herkömmlichen dynamischen Paketvermittlungs-Datennetzes verwendet wird.
4b ist eine schematische graphische Darstellung, die zwei Pfade mit separaten Verbindungen in eine empfangende Anwenderzugangs station eines herkömmlichen dynamischen Paketvermittlungs-Datennetzes zeigt.
5a ist eine schematische graphische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der ein Puffersystem bei jeder Anwenderzugangsstation verwendet wird, um die Verzögerung im Netz auszugleichen.
5b ist eine schematische graphische Darstellung der vorliegenden Erfindung, die zwei Pfade mit separaten Verbindungen in eine empfangende Anwenderzugangsstation zeigt.
5c ist eine schematische graphische Darstellung der vorliegenden Erfindung, die das Verzögerungsausgleichsystem der vorliegenden Erfindung zeigt, das verwendet wird, um die Verzögerungen über drei Übertragungspfade auszugleichen.
6a und 6b sind Ablaufplane der Prozessschritte, die durch die vorliegende Erfindung verwendet werden, um die Verzögerung in einem dynamischen Paketvermittlungs-Datennetz auszugleichen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird ausführlich auf eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, von der ein Beispiel in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist.
Unter Bezugnahme auf die 5a, 5b, 6a und 6b werden ein System und ein Verfahren zum Ausgleichen der Datenpaketverzögerung durch ein dynamisches Paketvermittlungs-Datennetz beschrieben. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung beseitigt außerdem die Datenpaketratenverdoppelung bei einer gemeinsamen Vermittlung längs zweier Pfade, die durch eine Verbindung verwendet werden, oder die Datenpaketratenverdoppelung bei der empfangenden UAS.
Wie in den 5a und 5b gezeigt ist, werden zwei Puffer in jeder Anwenderzugangsstation UAS verwendet. Ein Empfangspuffer RB_a arbeitet, um die Pakete so zu verzögern, dass die Verzögerung bezüglich jener der längsten Pfade ausgeglichen wird, die durch die virtuelle Verbindung verwendet werden. Ein Sendepuffer TB_n arbeitet, um die Datenpaketratenverdopplung zu eliminieren, wenn eine Änderung von einem Pfad zu einem weiteren kürzeren Pfad ausgeführt wird. Eine Steuerstation CS, die Kommunikationsverbindungen zu den Netzvermittlungen S_j und zu den Anwenderzugangsstationen UAS besitzt, arbeitet, um die Puffer und die virtuellen Verbindungen des Netzes zu steuern. Die Kommunikationseinspeisungen zu den und von den Puffern TB_n und RB_o sind bei den Querverbindungselementen CC_o in jeder der Anwenderzugangsstationen kombiniert. Die Einzelheiten der Puffer und ihres Betriebs im Paketnetz sind im Folgenden beschrieben.
Die Änderung einer virtuellen Verbindung von einem Pfad P_A zu einem längeren Pfad P_B wird zuerst beschrieben. Die Pfade können eine gemeinsame Vermittlung S_c vor der empfangenden Anwenderzugangsstation UAS₂ (5a) besitzen, oder die Pfade können in die empfangende Anwenderzugangsstation UAS₂ durch zwei Verbindungen ohne eine gemeinsame Vermittlung eintreten (5b). Die Verbindung beginnt z. B. unter Verwendung des Pfades P_A. Die Pakete, die sich längs des Pfades P_A bewegen, erfahren eine Übertragungsverzögerungszeit t von der UAS₁ zu der UAS₂. Wenn die virtuelle Verbindung vom Pfad P_A zum Pfad P_B bewegt wird, erfahren die Pakete, die sich längs des Pfades P_B bewegen, eine Übertragungsverzögerungszeit t_b von der UAS₁ zu der UAS₂.
Um die Übertragungsverzögerungszeiten für die Pfade P_A und P_B auszugleichen, werden die Pakete, die sich längs des Pfades P_A bewegen, im Puffer RB₂ um eine Zeit t_b – t_a verzögert. Andererseits werden die Pakete, die sich längs des Pfades P_B bewegen, im RB₂ nicht verzögert. Nach dem Bewegen der virtuellen Verbindung vom Pfad P_A zum Pfad P_B kommt das erste Paket für die Verbindung, das sich längs des Pfades P_B bewegt, am PB₂ an, nachdem das letzte Paket, das sich längs des Pfades P_A bewegt, den Puffer RB₂ verlässt. Es gibt keine Lücke im Datenpaketstrom, wobei die Übertragungsverzögerungszeit die gleiche vom U₁ zum U₂ ist, wenn die Pfade P_A oder P_B verwendet werden.
Als Nächstes wird die Änderung einer virtuellen Verbindung vom Pfad P_B zu einem kürzeren Pfad P_A beschrieben. Während der Zeit, während der die Verbindung den Pfad P_B verwendet, beträgt Übertragungsverzögerung t_b, wobei die Pakete weder am TB₁ noch am RB₂ verzögert werden. Wenn die Änderung zum kürzeren Pfad P_A ausgeführt wird, vermeidet die vorliegende Erfindung die Paketratenverdopplung durch das Verzögern der Pakete für die Übertragung längs des Pfades P_A um eine Zeit t_b – t_a im Puffer TB₁. In dieser Weise kommt das erste Paket, das sich längs des Pfades P_A bewegt, an der S_c (5a) oder an der UAS₂ (5b) an, nachdem das letzte Paket, das sich längs des Pfades P_B bewegt, an der S_c oder an der UAS₂ angekommen ist. Dies eliminiert die Datenpaketratenverdopplung und gleicht die Übertragungsverzögerungszeiten für die Pfade P_A und P_B aus.
Unter Bezugnahme auf 5c wird als Nächstes die vorliegende Erfindung für den Fall beschrieben, in dem ein Wechsel zu einem neuen Pfad P_C ausgeführt wird, der länger als der P_A ist. Es wird angenommen, dass die Verbindung die Pfade P_B, P_A und P_c (in dieser Reihenfolge) mit den Übertragungsverzögerungen t_b, t_a bzw. t verwendet. Es wird außerdem wie oben angenommen, dass t_a < t_b und t_a < t_c < t_b gilt. Der Pfad P_B ist der Pfad mit der längsten Verzögerung der drei Pfade. Wenn der Wechsel vom Pfad P_B zum kürzeren Pfad P_A ausgeführt wird, wird die obenbeschriebene Prozedur verwendet. Wie beschrieben worden ist, werden die Pakete im Sendepuffer TB₁, aber nicht im Empfangspuffer RB₂ gepuffert und um eine Zeit t_b – t_a verzögert. Falls das System einfach wartet, bis der Wechsel vom Pfad P_A zum Pfad P_C ausgeführt wird, gibt es eine Lücke der Zeit t_c – t_a im Paketstrom, wobei die Gesamtverzögerung (t_b – t_a) + t_c ist, die größer als t_b ist, weil t_c – t_a positiv ist.
Das soeben beschriebene Problem wird vermieden, indem die Pufferung der Pakete für die virtuelle Verbindung während der Zeit, in der der Pfad P_A verwendet wird, vom TB₁ zum RB₁ verschoben wird. In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird angenommen, dass jeder Pfad während einer Zeitperiode von wenigstens 12.000T (z. B. 4 Minuten für T = 20 Millisekunden) verwendet werden kann, wobei T die typische Übertragungsverzögerung durch das Netz ist. Es wird außerdem angenommen, dass es eine maximale Übertragungsverzögerung von 10T (z. B. 200 Millisekunden für T = 20 Millisekunden) für die Übertragung über den längsten Pfad P_B gibt.
Die Pufferungsverzögerungen, die angewendet werden, um die Gesamtverzögerung auszugleichen, sind gleich der Übertragungszeitdifferenzen längs der zwei Pfade. Die Pufferungsverzögerungen sind deshalb außerdem durch eine maximale Zeit begrenzt, die gleich 10T ist. Die mittlere Anzahl der Pakete, die in einer Zeit 12.000T (die minimale aktive Zeit des Pfades P_A) für die Verbindung übertragen werden, ist 1.200mal größer als die mittlere Anzahl der in einer Zeit 10T (der maximalen Pufferungsverzögerung) übertragenen Pakete. Deshalb ist die Anzahl der im TB₁ gepufferten Pakete das 1/1.200fache der Anzahl der Pakete, die die virtuelle Verbindung während der Zeitperiode 12.000T liefert, die eine untere Grenze für die Zeitperiode ist, während der irgendein Pfad, insbesondere der Pfad P_A, verwendet wird.
Die Pufferung kann vom Puffer TB₁ zum RB₂ verschoben werden, indem die Pakete vom TB₁ zum RB₂ mit einer Rate gesendet werden, die eines pro tausend größer als der Durchschnitt für die Verbindung ist. Diese Prozedur benötigt die Zeit 1.000(t_c – t_b), die kleiner als 10.000T ist und die außerdem kleiner als die Zeit ist, in der der Pfad P_A verwendet wird. Während dieser Zeit werden die Pakete im RB₂ um eine Zeit verzögert, die ausreichend ist, um die Gesamtverzögerung gleich t_b zu machen. Am Anfang der Prozedur werden die Pakete im TB₁ um t_b – t_a und im RB₂ um null verzögert. Am Ende der Prozedur werden die Pakete im TB₁ um null und im RB₂ um t_b – t_a verzögert.
Während der Zeitperiode 1.000(t_b – t_a) ändert sich die Verzögerung im Puffer TB₁ linear von t_b – t_a zu null, während sich im Puffer RB₂ die Verzögerung linear von null zu t_b – t_a ändert. Am Ende dieser Verschiebung der Pufferung gibt es keine Verzögerung im Puffer TB₁ und eine Verzögerung von t_b – t_a im RB₂, die folglich in der Nähe des Endes der Verwendung des Pfades P_A auftritt. Wenn der Wechsel zum Pfad P_c ausgeführt wird, beträgt Übertragungsverzögerung t_c, die länger als t_a ist. Es gibt nun keine Lücke im Paketstrom aus der UAS₂ zum Anwender U₂. Das erste Paket, das sich längs des Pfades P_C bewegt, kommt am Puffer RB₂ eine Zeit t_c – t_a später an, als es angekommen wäre, wenn es längs des Pfades P_A gegangen wäre. Während dieser Zeit wird die Verbindung zum U₂ vom Puffer RB₂ gespeist. Die Verzögerung im Puffer RB₂ beträgt für die Pakete, die sich längs des Pfades P_C bewegen, t_b – t_c. Die Gesamtübertragungsverzögerung einschließlich der Pufferung ist gleich t_b, wie oben erwähnt worden ist.
Um die obige Verzögerungsausgleichsprozedur auszuführen, ist es notwendig, 1/1.000 (0,1 %) der Bandbreite im Netz für die Pufferverschiebung zu reservieren.
Die Puffer TB₂ und RB₁ werden in einer analogen Weise verwendet, um im Paketstrom für die Verbindung in der entgegengesetzten Richtung die Verzögerung auszugleichen und die Lücken zu eliminieren. Die Anforderung, dass ein Pfad während wenigstens einer Zeit von 12.000T verwendet werden muss, muss nicht für den letzten durch die Verbindung verwendeten Pfad gelten.
Unter Bezugnahme auf die 6a und 6b wird das Verfahren zum Ausgleichen der Verzögerung in einem dynamischen Paketnetz gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Folge von Prozessschritten weiter beschrieben.
In 6a sind die Prozessschritte für einen ersten Beginn des Verzögerungsausgleichsprozesses gezeigt. Der Prozess beginnt durch das Bestimmen des Pfades P_max, der verwendet wird und der die maximale Zeitverzögerung t_max besitzt (z. B. P_B und t_b im obigen Beispiel). Falls die Dauer der Datenübertragung unbestimmt ist, verwendet das System die obere Grenze für t_max. Ein erster Pfad P_S, der eine Übertragungsverzögerung t besitzt, wird dann durch das Steuersystem gesetzt. Falls t < t_max gilt, verzögert das System die Pakete um t_max – t im RB₂ ohne eine Verzögerung im TB₁. Falls t₃ = t_max gilt, verzögert das System die Pakete weder im TB₁ noch im RB₂.
In 6b sind die Prozessschritte zum Ausgleichen der Verzögerung im Netz beim Umschalten der Pfade gezeigt. Wenn der Zeitpunkt kommt, dass ein Pfadwechsel ausgeführt wird, findet die Pufferung, wenn überhaupt, im RB₂ statt. Der aktuelle Pfad ist der P_c mit der Übertragungsverzögerung t_c, während der neue Pfad der P_N mit der Übertragungsverzögerung t_n ist. Falls t_n = t_c gilt, werden keine Pufferungs- oder Verzögerungsänderungen durch das Steuersystem ausgeführt. Falls jedoch t_n > t_c gilt, wird im RB₂ eine Pufferungsverzögerung der Länge t_max – t_n auf die Pakete angewendet, die sich längs des Pfades P_N bewegen. Die Pufferungsverzögerung war vor dem Wechsel t_max – t_c und ist t_max – t_a nach dem Wechsel. Falls t_n < t_c gilt, wendet das Steuersystem eine Pufferungsverzögerung der Länge t_c – t_n im Puffer TB₁ an. Das System verschiebt dann während der Zeit, während der der Pfad P_N verwendet wird, unter Verwendung der oben beschriebenen Prozedur die Pufferung nach und nach vom TB₁ zum RB₂. Am Ende der Pufferverschiebungsprozedur befindet sich die ganze Pufferungsverzögerung beim RB₂, wobei sie gleich t_max – t_n ist. Die Gesamtübertragungsverzögerung ist immer t_max.
Die Schleife endet unter Verwendung des letzten Pfades. Falls sich der Prozess in der Mitte einer Pufferverschiebungsprozedur befindet, gibt es keine Schwierigkeit. Die verbleibenden Pakete im Netz werden mit einer konstanten Verzögerung, die gleich t_max ist, an den U₂ geliefert.
Die minimale Länge der Zeit, die irgendein Pfad (mit Ausnahme des letzten) verwendet werden kann, kann auf Wunsch verringert werden. Wenn z. B. die minimale Zeit, die ein Pfad verwendbar sein muss, 1.200T (anstatt 12.000T) beträgt, dann muss die Pufferung vom TB₁ zum RB₂ 10mal so schnell verschoben werden, wenn es notwendig ist. Dies impliziert das Senden eines weiteren Pakets pro einhundert Pakete während des Pufferungsverschiebungsprozesses. Diese erfordert, dass 1 % der verfügbaren Bandbreite für diesen Zweck reserviert ist. Dies kann weiter fortgesetzt werden, falls für die Verschiebung mehr Bandbreite verfügbar gemacht wird.
Es ist klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die genaue Konstruktion oder die genauen Prozessschritte eingeschränkt ist, die oben beschrieben worden sind und die in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind, und dass verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Es ist vorgesehen, dass der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt ist.

Claims

System zum Entzerren einer Verzögerung in einem dynamischen Paketschaltnetzwerk, in welchem Kommunikationsverbindungen zwischen Netzwerkschaltern für begrenzte Zeitperioden entstehen und nicht weiterbestehen, wobei das Netzwerk Folgendes aufweist: eine sendende Anwenderzugangsstation (UAS1) und eine empfangende Anwenderzugangsstation (UAS2) zum Senden und Empfangen von Paketen im dynamischen Paketschaltnetzwerk; eine Vielzahl von Netzwerkschaltern (Sj) zwischen den sendenden und empfangenden Anwenderzugangsstationen, wobei die Schalter wenigstens zwei Übertragungspfade (PA, PB) zwischen den sendenden und empfangenden Anwenderzugangsstationen verbinden können, aber nur einen Übertragungspfad zwischen den sendenden und empfangenden Anwenderzugangsstationen zum Senden von Paketen zu einem Zeitpunkt verwendet wird, und wobei die Schalter zum Ändern der Kommunikationsverbindungen für die Übertragungspfade durch das Netzwerk betätigbar sind; einen Sendepuffer (RB1) in der sendenden Anwenderzugangsstation und einen Empfangspuffer (RB2) in der empfangenden Anwenderzugangsstation zum Puffern von Paketen, und eine Steuereinrichtung (CS) mit Verbindungen zu den Netzwerkschaltern zum Steuern der Netzwerkschalter, um die Übertragungspfade zu definieren, und zu den Anwenderzugangsstationen zum Steuern der Puffereinrichtungen in den Anwenderzugangsstationen, wobei die Steuereinrichtung die Empfangspuffereinrichtung steuert, um Pakete zu Puffern, die bei der empfangenden Anwenderzugangsstation empfangen werden, zum Entzerren einer Paketverzögerung durch das Netzwerk auf eine Änderung von einem Übertragungspfad zu einem anderen Übertragungspfad durch das Netzwerk hin, wobei die Pakete für eine Zeitperiode gleich der Verzögerungszeit, die zu dem Übertragungspfad mit der maximalen Verzögerungszeit gehört, verzögert werden, und wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass die Steuereinrichtung den Sendepuffer steuert, um Pakete, die von der sendenden Anwenderzugangsstation gesendet werden, zu Puffern, um eine Paketverdoppelung daraufhin zu eliminieren, dass sich das Netzwerk von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad ändert, wobei die Paketübertragung für eine Zeitperiode gleich der Differenz bezüglich einer Verzögerungszeit zwischen einer längeren Pfadverzögerung, die zu dem längeren Übertragungspfad gehört, und einer kürzeren Übertragungspfadverzögerung, die zu dem kürzeren Übertragungspfad gehört, verzögert wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung den Sendepuffer steuert, um ein erstes Ausmaß einer Pufferung bei der sendenden Anwenderzugangsstation direkt auf die Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netzwerk zur Verfügung zu stellen, und das erste Ausmaß an Pufferung während einer ersten Zeitperiode nach der Änderung von dem längeren Übertragungspfad zu dem kürzeren Übertragungspfad nach und nach vom Sendepuffer zum Empfangspuffer verschiebt.
System nach Anspruch 2, wobei der kürzere Übertragungspfad für eine zweite Zeitperiode verwendet wird, wobei die erste Zeitperiode kürzer als die zweite Zeitperiode ist.
Verfahren zum Entzerren einer Verzögerung in einem dynamischen Paketschaltnetzwerk, in welchem Kommunikationsverbindungen zwischen den Netzwerkschaltern für begrenzte Zeitperioden entstehen und nicht weiterbestehen, wobei das Netzwerk eine sendende Anwenderzugangsstation (UAS1) mit einem Sendepuffer und eine empfangende Anwenderzugangsstation (UAS2) mit einem Empfangspuffer und eine Vielzahl von Schaltern (Sj), die in wenigstens zwei Übertragungspfade konfigurierbar sind, die die Sende- und die Empfangs-Anwenderzugangsstation miteinander verbinden, wobei aber nur ein Übertragungspfad die sendende und die empfangende Anwenderzugangsstation miteinander verbindet, die zum Übertragen von Paketen zu einer Zeit verwendet werden, enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Einrichten und Ändern von Übertragungspfaden zwischen den sendenden und empfangenden Anwenderstationen durch die Schalter; Bestimmen von Übertragungsverzögerungszeiten für Übertragungspfade zwischen den sendenden und empfangenden Anwenderzugangsstationen; Steuern des Empfangspuffers, um eine Paketübertragungsverzögerung durch das Netzwerk für alle Übertragungspfade zu entzerren, wobei die Paketübertragung für eine variable Zeitperiode durch den Empfangspuffer in Abhängigkeit von der Übertragungsverzögerungszeit verzögert wird, die für den Übertragungspfad mit der längsten Übertragungsverzögerungszeit bestimmt ist und auf relativen Übertragungsverzögerungszeiten unter sich ändernden Übertragungspfaden basiert, und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es weiterhin den Schritt zum Steuern des Sendepuffers aufweist, um eine Paketratenverdopplung zu eliminieren, wenn eine Änderung von einem längeren Übertragungspfad zu einem kürzeren Übertragungspfad durch das Netzwerk durchgeführt wird, wobei die Paketübertragung für eine Zeitperiode gleich der Differenz bezüglich einer Verzögerungszeit zwischen einer längeren Übertragungsverzögerungszeit, die zu dem längeren Übertragungspfad gehört, und einer kürzeren Übertragungsverzögerungszeit, die zu dem kürzeren Übertragungspfad gehört, verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, das weiterhin den Schritt zum Verschieben einer Pufferung vom Sendepuffer zum Empfangspuffer aufweist, nachdem der erste Pfad durch das Netzwerk zu einem zweiten Pfad durch das Netzwerk, der kürzer als der erste Pfad ist, geändert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin den Schritt zum Steuern des Empfangspuffers zum Verzögern von Paketen, die von der sendenden Anwenderzugangsstation empfangen sind, für eine ausreichende Zeit aufweist, um eine gesamte Übertragungsverzögerung für jeden Übertragungspfad gleich der Übertragungsverzögerungszeit des längsten der Übertragungspfade zu verursachen.