DE19526962A1 - Flußsteuerungsmechanismus für eine Paket-geschaltete Computerverbindung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Austausch von Informationen zwischen Computern, die in einem Computernetz­ werk verbunden sind. Genauer gesagt bezieht sich die vorlie­ gende Erfindung auf ein Verfahren für eine Verbindungsfluß­ steuerung, die die Zuordnung von Verbindungspaketpufferbe­ triebsmitteln handhabt, um den Wirkungsgrad und die Zu­ griffsgerechtigkeit zwischen den Anwendern einer Verbindung in einem Computernetzwerk zu unterstützen.

Ein Problem, das den Austausch von Informationen zwischen Computern begrenzt, die in einem Computernetzwerk verbunden sind, besteht darin, daß die Verbindung nicht explizit gegen die Auswirkungen einer globalen Sättigung geschützt ist. Die Sättigung sollte nicht mit einer Blockade verwechselt wer­ den. Eine Blockade tritt auf, wenn eine Verbindung nicht fä­ hig ist, irgendeinen nach vorne gerichteten Fortschritt be­ züglich der Lieferung irgendwelcher Daten, die in der Ver­ bindung enthalten sind, zu machen. Per Definition ist eine Blockade eine permanente Bedingung. Eine Sättigung tritt auf, wenn das Verhalten der Verbindung, zum Beispiel die Meldungswartezeit oder die Bandbreite an einem Knoten, auf einen nicht annehmbaren Pegel abfällt.

Computerprogramme, die für Maschinen für einen einzelnen An­ wender und mit paralleler Computerarchitektur geschrieben sind, richten es typischerweise ein, daß unterschiedliche parallele Maschinenelemente bezüglich der Verwendung von Verbindungsbetriebsmitteln zusammenarbeiten. Sättigungsaus­ wirkungen stellen bei solchen Maschinen kein Hauptproblem dar, da die Sättigung typischerweise aus schlechten Pro­ grammierpraktiken für die bestimmte Maschinenarchitektur re­ sultiert.

Bei einer Multi-Computerumgebung für mehrere Anwender wird die Steuerung der Verbindungssättigungsauswirkungen wichti­ ger. Während eine Umgebung für einen einzelnen Anwender aus einem einzelnen Zusammenarbeitsprogramm besteht, das die Verbindungsbetriebsmittel gemeinsam verwendet, besteht eine Multi-Computerumgebung für mehrere Anwender aus einer Gruppe von nicht in Beziehung stehenden Prozessen, die fortwährend um die knappen Verbindungsbetriebsmittel konkurrieren. Folg­ lich wird das allgemeine Problem der Verbindungsflußsteue­ rung bei Computern, die auf der Konkurrenz bezüglich der Verbindungsverwendung basieren, gegenüber Computersystemen, die bei der Verbindungsverwendung zusammenarbeiten, ver­ schärft. Bei einem Zusammenarbeitssystem dann die Systemsoft­ ware sorgfältig entwickelt sein, um Situationen zu vermei­ den, die für einen Netzwerkschalter bzw. eine Netzwerkver­ mittlungsstelle Probleme hervorrufen. Bei Systemen, die auf einer Konkurrenz bezüglich der knappen Betriebsmittel basie­ ren, existiert keine Möglichkeit, Verbindungsverwendungsmu­ ster vorherzusagen.

Ein bekannter Ansatz für die Verbindungsbetriebsmittelhand­ habung schafft einen globalen Flußsteuerungsmechanismus auf der Hardwareebene. Das Problem dieses Ansatzes besteht dar­ in, daß die globale Flußsteuerung einen Austausch von Ver­ kehrsinformationen in einem globalen Maßstab impliziert. Es existieren erhebliche Netzwerkkosten, die mit der Ausführung und Handhabung einer solchen globalen Steuerung verbunden sind. Das Netzwerkverhalten wird zum Beispiel nachteilhaft beeinflußt, da der Austausch von Informationen Zeit und Ver­ bindungsbandbreite in Anspruch nimmt. Zusätzlich stellt ein Verbindungshandhabungsmechanismus, der den Austausch von globalen Verkehrsinformationen einschließt, keine gute Ska­ lierung dar. Das heißt, daß mit zunehmender Größe der Ver­ bindung die Verkehrsinformationen, die über die Verbindung geführt werden, zu dem Zeitpunkt, zu dem sie an einen sinn­ vollen Ort weitergeleitet werden, wahrscheinlich veraltet sind.

Die Paket-Schaltung bzw. Paket-Vermittlung ist ein Verfahren der Kommunikation, bei dem Meldungen zwischen Endgeräten, wie zum Beispiel Schaltern bzw. Vermittlungsstellen oder Computern, durch den Austausch einer Sequenz von Fragmenten der Meldung, die als Pakete bezeichnet werden, ausgetauscht werden. Paket-geschaltete Verbindungen für Computer sind ty­ pischerweise aus einer Ansammlung von einzelnen Schalter­ bzw. Vermittlungselementen aufgebaut, die zusammen eine Schalter- bzw. Vermittlungsvorrichtung bilden. Fig. 1 ist eine schematische Blockebenendarstellung einer möglichen Gittertopologie, die ein Computernetzwerk und die Computer­ netzwerkverbindung 10 zeigt. Fig. 2 ist eine schematische Blockebenendarstellung, die Netzwerkverbindungen mit einem Knoten in dem Computernetzwerk aus Fig. 1 zeigt.

Jeder Knoten ist ein Schalterelement, zum Beispiel diejeni­ gen Elemente, die durch die Bezugszeichen 11 und 12 bezeich­ net sind, das zwei oder mehr Paketpuffer enthält. Fig. 3 ist eine schematische Blockebenendarstellung, die eine Pufferan­ ordnung zeigt, die in dem Knoten aus Fig. 2 verwendet wird. Die Verwendung von Paketpuffern 31, 32, 33 ermöglicht es einem Schalterelement 11, mehrere Pakete, die an dem Schal­ ter empfangen wurden, zu einem benachbarten Schalterelement 12 über dieselbe Verbindung, über die die Pakete empfangen wurden, zu führen. In einem solchen Fall führt der Schalter eines der Pakete aus dem Schalter, während die restlichen Pakete innerhalb der Paketpuffer gespeichert sind. Wenn die erwünschte Verbindungsverbindung wieder frei wird, gibt das Schalterelement ein weiteres Paket über die Verbindung aus einem der Paketpuffer weiter. Der Prozeß wiederholt sich, bis alle Pakete, die in den Paketpuffern gespeichert sind, weitergegeben sind.

Die Paketpuffer stellen ein grundsätzliches Verbindungsbe­ triebsmittel dar. Wenn zu einem gegebenen Zeitpunkt mehr freie Puffer in der gesamten Netzwerkvorrichtung verfügbar sind, ist es wahrscheinlicher, daß die Netzwerkvorrichtung Pakete mit einer minimalen Verzögerung zu ihren Zielen füh­ ren kann. Unglücklicherweise kann bei bestimmten Verkehrs­ bedingungen der Vorrat an Puffern innerhalb eines Paket- Schalters aufgebraucht sein. Wenn dies auftritt, wird das Verhalten des Paket-Schalters derart verschlechtert, daß we­ nig, wenn überhaupt, nützliche Arbeit durch den Schalter durchgeführt wird.

Es sei ein Fall angenommen, in dem ein Senderklient Pakete schneller einfügt als ein Empfängerklient diese entfernt. Bei jedem Paket-Schalter entlang des Signalführungsweges (Route) von dem Senderklient zu dem Empfängerklient kommen Pakete schneller an, als sie weggehen. Über eine Zeitdauer verbraucht dies den Vorrat an Paketpuffern innerhalb jedes Schalters entlang des Signalführungsweges. Obwohl dieser Verbrauch der Zwischenschalterpuffer nicht notwendigerweise ein Problem für den bestimmten Senderklienten und den frag­ lichen Empfängerklienten darstellt, kann er Probleme für ir­ gendein anderes Sender/Empfänger-Klientenpaar verursachen, die versuchen, dieselben Paketschalter zu verwenden. Dieses Problem tritt auf, da die Betriebsmittel, die erforderlich sind, um die Pakete für die zweiten und die nachfolgenden kommunizierenden Klientenpaare weiterzugeben, vollständig durch das ursprüngliche Sender/Empfänger-Klientenpaar aufge­ braucht sind.

Ein bekanntes Verfahren zum Steuern des Verbindungsflusses besteht darin, Meldungen zu ignorieren, die aufgrund eines Mangels an Schalterbetriebsmitteln nicht zwischengespeichert werden können. Bei diesem Verfahren lehnt der Schalter jedes ankommende Paket ab, das er nicht zwischenspeichern kann, wenn die Verkehrsbelastung alle verfügbaren Paketpufferbe­ triebsmittel in einem Schalter aufbraucht.

Andere Schemata erfordern es, daß jedes einzelne Schalter­ element die Größe des verfügbaren Paketpufferraumes in be­ nachbarten Schalterelementen nachverfolgt. Pakete werden nicht aus einem Schalter weitergeleitet, es sei denn, daß bekannt ist, daß im benachbarten Schalter Pufferraum exi­ stiert. Dies stellt sicher, daß die Pakete nicht verworfen werden, aber es stellt nicht sicher, daß ein Sender/Emp­ fänger-Klientenpaar nicht alle Paket-Schalter-Puffer auf­ braucht.

Folglich lehrte die frühe Paket-Schalterforschung die Ver­ wendung eines strengen lokalen Wissens, um eine Verbindungs­ flußsteuerung zu erreichen. Die einzige Information, die ein Schalterelement für eine Flußsteuerung brauchte, war dieje­ nige Information, die anzeigte, ob dessen benachbarte Nach­ barschalter zu aktiv waren, um neue Pakete anzunehmen. Die­ ser Ansatz hat den Vorteil, daß diese Informationen schnell und billig ausgetauscht werden. Diese begrenzte Menge an In­ formationen ist ausreichend, um eine adaptive Signalführung um lokale Brennpunkte innerhalb der Netzwerkvorrichtung zu schaffen.

Eine globale Sättigung tritt bei der Verwendung dieses An­ satzes zumindest aufgrund der folgenden Gründe immer noch auf:
Senderklienten wird es ermöglicht, Pakete kontinuierlich in ein bereits verstopftes Netzwerkvorrichtungsgitter ein­ zubringen. Es ist möglich, daß ein einzelner sendender Klient die vollständige Verbindungsbandbreite und Puffer­ raum aufbrauchen kann.

Ein einzelner Senderklient, der Pakete an einen Knoten sendet, der die Entfernung der Pakete aus dem Netzwerk aus irgendeinem Grund, zum Beispiel aufgrund eines Fehlers oder da der Knoten besetzt ist, verweigert, kann bewirken, daß sich die Pakete innerhalb der Verbindung zurückstauen. Der sendende Knoten, obwohl dies nicht sein Fehler ist, kann nicht fähig sein, dies zu entdecken, bis alle in­ ternen Betriebsmittel der Verbindung bis unmittelbar zu­ rück zum Einbringungspunkt aufgebraucht sind.

Eine Gruppe von Senderklienten könnte zusammenkommen, um Meldungen an ein einzelnes Ziel zu senden. Da die maximale Rate, mit der ein einzelner Knoten Pakete von der Verbin­ dung entfernen kann, wesentlich niedriger ist als die mög­ liche Ansammlungsrate, mit der mehrere Senderklientenpa­ kete in die Verbindung in Richtung dieses einzelnen Kno­ tens Pakete einbringen können, würden sich die Verbin­ dungsbetriebsmittel erschöpfen.

Die vorangegangenen Probleme werden verschärft, wenn der Algorithmus, der verwendet wird, um die Pakete zwischen dem Senderklienten und dem Empfängerklienten zu führen, in sei­ ner Natur adaptiv ist, da es adaptive Algorithmen den Pake­ ten ermöglichen, sich in Richtungen zu bewegen, die zu kei­ ner konstanten Bewegung nach vorne führen, zum Beispiel um Pakete um Fehler oder Verstopfungsbereiche in der Schalter­ vorrichtung herumzuführen. Folglich kann ein bestimmtes Sen­ der/Empfänger-Klientenpaar ebenfalls die Netzwerkvorrich­ tungsbetriebsmittel in Bereichen der Netzwerkvorrichtung aufbrauchen, die nicht auf einem direkten Weg zwischen dem Senderklienten und dem Empfängerklienten sind.

Ein adaptiver Kreditsignalführungsmechanismus wurde zur Ver­ wendung bei der Begrenzung der globalen Verbindungssättigung vorgeschlagen. Dieser Ansatz begrenzt sowohl die Anzahl der Knoten als auch die Orte der Knoten, die durch einen be­ stimmten einzelnen Sender überflutet werden können. Der Satz von betroffenen Knoten entlang des Weges von dem Senderkli­ enten zu dem Empfängerklienten ist als Feder (plume) de­ finiert. Die Größe der Feder bezieht sich direkt auf die An­ zahl von Krediten, die an jedes Paket einer Meldung ausgege­ ben werden. Wenn folglich mehr Kredite an ein Paket ausgege­ ben werden, ergibt sich eine größere Feder; während eine Zu­ führung in der Reihenfolge, das heißt durch einen einzelnen Weg von dem Senderklienten zu dem Empfängerklienten, eine kleinere Feder erzeugt.

Das vorangegangene Verfahren erfordert keinen globalen Fluß­ steuerungsmechanismus und ist daher einfach und schnell. Zu­ sätzlich ermöglicht es der Verbindung, ein Paket um die Brennpunkte, die innerhalb dieses Abschnitts der Teilfeder, in dem eine Adaptierung ermöglicht ist, angeordnet ist, zu führen. Wenn ein Empfängerklient unaufmerksam oder überar­ beitet ist, werden unglücklicherweise die dazwischenliegen­ den Knoten innerhalb der Feder eventuell immer noch aufge­ braucht, was zu einer Federsättigung führt. Sogar wenn eine bestimmte Feder gesättigt ist, kann der Rest der Verbindung unbeeinflußt bleiben und für eine nützliche Arbeit verfügbar sein. Die gesättigte Feder würde jedoch mit dem Verkehr wechselwirken, der diese überqueren muß oder ein Ziel inner­ halb dieser erreichen muß.

Solche Verbindungsflußsteuerungsprobleme begrenzen die Be­ triebsmittel, die einem Netzwerkanwender zur Verfügung ste­ hen und vermeiden die effizienteste, gleichberechtigste und geordneteste Verwendung einer Netzwerkverbindung, insbeson­ dere wenn keine Mechanismus zum Zuordnen von Betriebsmitteln zu den vielen Netzwerkverwendern existiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Verbindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Flußsteuerung einer Pa­ ket-geschalteten Computerverbindung zu schaffen, die eine effiziente, gleichberechtigte und geordnete Verwendung einer Netzwerkverbindung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst.

Die vorliegende Erfindung basiert auf einem neuen Konzept, nämlich auf dem Konzept von in Beziehung stehenden Paketen. Pakete sind definiert, um miteinander in Beziehung zu stehen, wenn ein Grund existiert, die Gruppe der Pakete als einen Teil einer größeren Entität zu betrachten. Das Konzept des in Beziehung Stehens kann sich auf eine Vielzahl von Arten zeigen. Eine Gruppe von Paketen kann zum Beispiel als in Beziehung stehend betrachtet werden, wenn sie Unterteile einer einzelnen Meldung sind. Pakete könnten ebenfalls als in Beziehung stehend definiert werden, wenn sie von demsel­ ben Computer stammen oder sogar wenn sie von einem unter­ schiedlichen Computer stammen, aber alle auf denselben Ziel­ computer gerichtet sind.

Ein Paket wird angehalten, wenn es innerhalb eines Schalter­ paketpuffers, während es wartet weitergegeben zu werden, aufgrund der Nichtverfügbarkeit von geeigneten Ausgangstoren feststeckt. Wenn ein ankommendes Paket beginnt anzukommen, führt der Schalter eine Überprüfung durch, um festzustellen, ob seine internen Paketpuffer bereits ein in Beziehung stehendes Paket enthalten, das derzeitig angehalten ist. Wenn dies der Fall ist, weist der Schalter das ankommende Paket unmittelbar zurück. Das ankommende Paket wird nur an­ genommen, wenn keine in Beziehung stehenden Pakete innerhalb des Empfängers angehalten sind. Ein Schalter kann gleichzei­ tig verschiedene in Beziehung stehende Pakete enthalten, die in dem Prozeß der Weiterführung sind, aber er kann nie mehr als ein angehaltenes Paket enthalten. Einfach ausgedrückt heißt dies, wenn ein Schalter bereits eine Anfrage enthält, um etwas zu tun, was er derzeitig nicht tun kann, ermöglicht es die Erfindung nicht, daß der Schalter ein weiteres Paket, das eine identische Operation anfordert, annimmt. Folglich bleiben die anderen Puffer innerhalb des Schalters frei, um zugeordnet zu werden, um Dinge zu tun, die immer noch mög­ lich sein können, das heißt Querverkehr durch eine angehal­ tene Feder durchzuführen.

Sobald ein vorhergehend angehaltenes Paket beginnt, einen Schalter zu verlassen, bleibt dessen zugeordneter Puffer als angehalten markiert, bis der Senderklient weiß, daß der Emp­ fängerklient das Paket nicht aufgrund von Pufferzuordnungs­ problemen zurückweisen kann. Dies verhindert, daß der Sen­ derklient ein weiteres ähnliches Paket annimmt, bis er si­ cher ist, daß er tatsächlich fähig ist, das eine, das er be­ reits besitzt, weiterzuleiten. Folglich führt die Erfindung eine harte Begrenzung bezüglich der Anzahl von Paketpuffern ein, die irgendein gegebener in Beziehung stehender Daten­ strom innerhalb der Verbindung zuordnen kann. Die Ermög­ lichung eines einzelnen angehaltenen Puffers pro Zwischen­ schalter ist ausreichend, um sicherzustellen, daß die Ver­ haltensvorteile durch Pipeline-Auswirkungen nicht verloren gehen. Sobald eine Weitergabeoperation beendet ist, kann ein angehaltenes Paket weitergegeben werden und ein neues in Be­ ziehung stehendes Paket kann gleichzeitig angenommen werden, um das nächste angehaltene Paket zu werden.

Vom Standpunkt der Flußsteuerung aus beginnt die Erfindung den Senderklienten bei verstopften Bedingungen viel schnel­ ler zu drosseln als irgendein vorhergehendes Verfahren. Wenn eine Zuführung in der Reihenfolge verwendet wird, wirken die Verstopfungsauswirkungen zurück, um den Sender auf eine minimale Zeit zu drosseln.

Das Zuführungs- und Auswurfsverhalten wird durch die Erfin­ dung nicht kompromittiert, da ein Schalter innerhalb der Fehler lediglich Pakete zurückweist, wenn er bereits ange­ haltene Pakete enthält. Folglich füllt sich die Feder ge­ nauso schnell wie bei den ursprünglichen Verfahren. Bei Be­ dingungen unter leichter Last können die Zwischenschalter­ knoten fähig sein, mehrere gleichzeitige Weitergabeoperatio­ nen zu unterstützen, die die Feder schnell füllen. Zu einem Zeitpunkt können angehaltene Pakete beginnen in der Feder aufzutreten, die sich vom Ziel zurück zur Quelle fortsetzen. Wenn der Einbringungsschalter ein angehaltenes in Beziehung stehendes Paket enthält, verweigert er die Annahme weiterer in Beziehung stehender Pakete zur Einbringung in die Verbin­ dung, was den Einbringungsprozeß wirksam drosselt. Wenn der Zielknoten Pakete entfernt, stellt die Tatsache, daß jeder Knoten in der Feder bereits ein angehaltenes Paket enthalten kann, sicher, daß die Pipeline-Auswirkungen sofort beginnen, wie dies erforderlich ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Blockebenendarstellung einer diago­ nalen Gittertopologie, die ein Computernetzwerk und die Computernetzwerkverbindung zeigt;

Fig. 2 eine schematische Blockebenendarstellung, die Netz­ werkverbindungen mit einem Knoten in einem Computer­ netzwerk aus Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine schematische Blockebenendarstellung, die eine Pufferanordnung zeigt, die in dem Knoten aus Fig. 2 verwendet wird;

Fig. 4 eine schematische Blockebenendarstellung eines Fluß­ steuerungsmechanismus für eine Paket-geschaltete Com­ puternetzwerkverbindung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Blockebenendarstellung eines Schal­ terpaketpuffers für die Paket-geschaltete Computer­ netzwerkverbindung, die in Fig. 4 gezeigt ist; und

Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Flußsteuerungsmechanismus für eine Paket-geschaltete Computernetzwerkverbindung ge­ mäß der Erfindung.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Computernetzwerkver­ bindungsflußsteuerung, bei dem die Verbindungshardware die Menge von allgemeinen Verbindungsbetriebsmitteln beschränkt, die für einen gegebenen Verbindungsanwender verfügbar sind. Das Verfahren beschränkt die Adaptivität von Paketen, die sich durch die Schaltervorrichtung bewegen. Eine solche Adaptivität kann das Verbindungsverhalten bei bestimmten Verbindungsverkehrsmustern verbessern. Wenn eine solche Adaptivität jedoch unbeschränkt ist, können die Pakete weit von ihrem Ziel geführt werden. Diese karusselartige Paket­ führung beeinflußt den anderen Verkehr in der Netzwerkvor­ richtung. Im schlimmsten Fall ermöglicht es eine unbe­ schränkte Adaptivität, daß ein einzelnes Sender/Empfänger- Klientenpaar alle verfügbaren Paketpuffer in der Netzwerk­ vorrichtung aufbraucht. Ein Aspekt der Erfindung vermeidet das voranstehende Problem durch Begrenzen der Adaptivität, was hier als gedämpfte Adaptivität bezeichnet wird.

Eine gedämpfte adaptive Signalführungseinrichtung erfordert es, daß der Kopf jedes Pakets, das durch die Verbindung ge­ führt wird, ein Feld enthält, das als der adaptive Kredit­ zählstand bzw. -zählwert bezeichnet ist. Wenn ein Paket in die Vorrichtung zur Übertragung eingebracht wird, schreibt die Einbringungshardware oder -software einen numerischen Wert in den adaptiven Kreditzählstand, der dem anfänglichen Kredit entspricht. Wenn der Wert des Kreditzählstandes beim Eintreten in einen Paket-Schalter positiv ist, wird es dem Schalter ermöglicht, das Paket auf eine adaptive Weise wei­ terzugeben. Wenn das Feld Null ist, ist der Paket-Schalter darauf beschränkt, das Paket auf eine nicht-adaptive Art zu führen.

Der Kreditzählstand kann auf zumindest eine von zwei Arten erniedrigt werden, immer dann, wenn der Paket-Schalter ein Paket über eine adaptive Route weitergibt, oder immer dann, wenn ein Paket über irgendeine Route weitergegeben wird. In jedem Fall begrenzt die Auswahl des anfänglichen Wertes des Kreditzählstandes auf einen Wert, der niedriger als der maxi­ male Durchmesser der Schaltervorrichtung ist, die Anzahl und den Ort des Satzes von Paket-Schaltern, die möglicher­ weise durch Pakete von einem bestimmten Sender/Empfänger- Klientenpaar besucht werden könnten. Der Satz von Paket- Schaltern, der besucht werden könnte, wird als die "Feder" (plume) bezeichnet. Das Anordnen eines kleinen anfänglichen Wertes in dem adaptiven Zählstandsfeld bezüglich des Durch­ messers der Verbindung erzeugt eine kleinere Feder.

Durch Verwendung des adaptiven Kreditmechanismus kann ein einzelner Senderklient, der an einen einzelnen Empfänger­ klienten sendet, nicht mehr Verbindungsbetriebsmittel ver­ brauchen, als innerhalb der adaptiven Feder der Paket-Schal­ ter zwischen dem Senderklient und dem Empfängerklient ent­ halten sind. Sender/Empfänger-Klientenfedern, die sich nicht überlappen, können ohne Streitigkeiten kommunizieren. Es wird einem Senderklienten immer noch ermöglicht, alle Vor­ richtungsbetriebsmittel innerhalb der Feder aufzubrauchen. Dies ist nicht immer wünschenswert, da es wahrscheinlich ist, daß der Querverkehr eines weiteren Sender/Empfänger- Paares sich mit einer anderen Feder überlagern wird, und deshalb bezüglich der Betriebsmittel innerhalb des Bereichs, der durch den Schnittpunkt der zwei Federn beschrieben ist, in Konkurrenz stehen wird.

Um dieses Problem zu lösen beschränkt der Paket-Schalter der Erfindung die Anzahl von Paketpuffern, die innerhalb einer bestimmten Feder verfügbar sind. Die Erfindung schafft einen Mechanismus, bei dem ein Schalter, der ein Paket enthält, das dieser derzeitig nicht weitergeben kann, das heißt ein angehaltenes Paket, kein weiteres ankommendes Paket annehmen muß, das dieselbe Weitergabeoperation erfordert, zum Bei­ spiel für ein Paket, das irgendwie mit dem angehaltenen Pa­ ket in Beziehung steht. Dieser Mechanismus begrenzt die An­ zahl von Paketpuffern innerhalb eines Schalters, die Pakete derselben Feder halten können.

Fig. 4 ist eine schematische Blockebenendarstellung eines Flußsteuerungsmechanismus für eine Paket-geschaltete Com­ puternetzwerkverbindung gemäß der Erfindung. In der Figur ist ein Schalter gezeigt, der eine Anzahl von Verbindungen mit einem Netzwerk aufweist, die ihrerseits den Schalter mit anderen Knoten 12-17 in dem Netzwerk verbinden. Jede Netz­ werkverbindung ist mit einer Reihe von Schalterpaketpuffern 31-36 über einen Kreuzschienenschalter 38 verbunden. Eine Signalführungseinrichtung 40, die mit den Paketpuffern ver­ bunden ist, koordiniert den Empfang des Verkehrs und das Weitergeben des Verkehrs durch den Schalter derart, daß Pa­ kete an geeignete Ziele weitergegeben werden. Ein Inhalts­ adressierbarer Speicher (CAM = Content Addressable Memory) 50 ist angeordnet, um das Paketbeziehungs-Tag für jedes Pa­ ket in jedem Paketpuffer zu halten. Auf diese Art speichert ein Puffer, der ein angehaltenes Paket enthält, ein Paketbe­ ziehungs-Tag in dem CAM, was anzeigt, daß irgendein an­ kommendes Paket mit einem übereinstimmenden Tag durch den Schalter zurückgewiesen werden sollte.

Fig. 5 ist eine schematische Blockebenendarstellung eines Paket-Schalterpuffers der Paket-geschalteten Computernetz­ werkverbindung, die in Fig. 4 gezeigt ist. Jeder Paketpuffer 31, 36 schließt eine ausreichende Größe an Speicherkapazität ein, um ein Paket zu halten. Zusätzlich halten die Paketpuf­ fer das Paketbeziehungs-Tag und eine Flag, die den Paketpuf­ ferstatus anzeigt, das heißt besetzt, frei, angehalten/wei­ tergeleitet.

Folglich schafft die Erfindung ein Element, das Informatio­ nen bzgl. des Pakets erzeugt, die in den Paketpuffern ent­ halten sind, und schließt einen Mechanismus in dem Paket­ schalter ein, der die Informationen analysiert und dadurch den Fluß des ankommenden Paketverkehrs reguliert.

Die Erfindung schließt ebenfalls einen Mechanismus ein, der jedem Paketpuffer in einem Schalterelement Zustandsinforma­ tionen hinzufügt. Diese Informationen zeigen an, ob ein Pa­ ket innerhalb eines Puffers existiert oder nicht. Wenn ein Puffer ein Paket enthält, erzeugt der Mechanismus ebenfalls Zustandsinformationen, die anzeigen, ob das Paket derzeitig weitergegeben wird, oder ob es in dem Puffer angehalten ist und darauf wartet, weitergegeben zu werden.

Als nächstes ordnet der Mechanismus jedem Paketpuffer in einem Paket-Schalter ein Tag zu. Tatsächlich ist das Tag ein numerischer Wert. Die Werte, die dem Tagfeld zugeordnet sind, definieren die Beziehung zwischen Paketen, das bedeu­ tet, daß ähnliche Werte in Beziehung stehende Pakete dar­ stellen, während nicht-ähnliche Werte nicht in Beziehung stehende Pakete darstellen. Die tatsächlichen Werte, die ausgewählt sind, um die bestimmten Beziehungen auszuwählen, sind frei wählbar, außer daß eine beidseitige Übereinstim­ mung bezüglich der Werte durch verschiedene Anwender der Verbindung existieren sollte. Das Tag definiert den Bezie­ hungscode des Pakets in dem Puffer. Ein Tag kann zum Bei­ spiel auffolgende Grundlagen erstellt sein, ist aber nicht auf diese beschränkt:

• 1) die einzigartige Identifikation (ID) des Senders;
• 2) die einzigartige Identifikation (ID) des Senders in Verbindung mit der Identifikation (ID) des Empfängers;
• 3) die einzigartige Identifikation (ID) des Empfängers; oder
• 4) eine einzigartige Meldungsidentifikation, die einen in Beziehung stehenden Strom von Paketen als zur selben Meldung gehörend identifiziert.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung fügt ein spezielles Tagfeld innerhalb des Paketkopfes hinzu, der durch die Systemhardware oder -software aufgebaut wird, be­ vor das Paket anfänglich in die Schaltervorrichtung einge­ bracht wird.

Es ist wichtig zu beachten, daß in vielen Fällen ein Schal­ ter nicht fähig ist, die Konzepte zu verstehen, die verwen­ det werden, um Pakete aufeinander zu beziehen. Tatsächlich besteht kein Bedarf, daß der Schalter irgendwann irgendetwas verstehen muß, außer den Regeln, die sich auf die Bewegung von Daten in der Verbindung beziehen. Alles was der Schalter tatsächlich benötigt ist ein Verfahren zum Vergleichen von Beziehungs-Tags, die in den Paketen enthalten sind, um fest­ zustellen, ob diese gleich sind. Dies ist der Grund dafür, daß ein spezielles Tagfeld bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung eingeschlossen ist.

Ein zusätzliches Ausführungsbeispiel der Erfindung teilt das Tagfeld in zwei oder mehr kleinere Tag-Teilfelder. Diese Teilfelder sind auf dieselbe Art wirksam wie das große ein­ zelne Feldtag, außer daß die Übereinstimmungsausgaben der Tag-Teilvergleiche logisch durch UND oder ODER verknüpft werden können, um kompliziertere Vergleiche zu ermöglichen. Wenn die Teilfelder durch eine UND-Verknüpfung verknüpft sind, führt das Ergebnis dazu, daß die Gesamtmöglichkeit der Verbindung weniger restriktiv ist. Wenn die Teilfelder durch eine ODER-Verknüpfung verknüpft sind, wird die Möglichkeit der Übereinstimmung restriktiver.

Um das Vorangegangene darzustellen, sei Folgendes angenom­ men: ein Tag-Feld wird verwendet, um verschiedene Verkehrs­ typen, zum Beispiel Prioritätsebene: hoch, mittel oder nie­ drig, zu definieren, und das andere Tagfeld wird auf eine der oben beschriebenen Arten verwendet. Wenn die Überein­ stimmungen der Tag-Teilfelder durch eine UND-Verknüpfung verknüpft sind, um ein abschließendes Übereinstimmungssignal zu erzeugen, würde die abschließende Übereinstimmung wirksam erfordern, daß Pakete auf eine Art aufeinander bezogen sind, die durch das zweite Tag-Feld bestimmt ist, UND (im Sinn einer UND-Verknüpfung), daß sie dieselbe Prioritätsebene ha­ ben. Wenn eine ODER-Operation bezüglich der Tag-Teilfelder durchgeführt wird, würde der Schalter jedes Paket zurückwei­ sen, das zum selben Verkehrstyp gehört. Bei dem Beispiel be­ züglich der Verkehrstypen stellt eine ODER-Operation sicher, daß ein Schalter niemals alle seiner Puffer einem einzelnen Verkehrstyp widmet.

In jedem Fall stellen die Tags eine Einrichtung zum Gruppie­ ren von Paketen, die normalerweise als getrennte Entitäten betrachtet werden, in einen Satz von zusammengehörenden Pa­ keten dar, um eine Flußsteuerung zu erreichen. Der Tag-Er­ zeugungs- und -Überprüfungs-Mechanismus sind bekannt und werden daher hier nicht im Detail beschrieben. Die grund­ sätzlichen Elemente der Erfindung schließen ein:

• 1) Die Schalterpaketköpfe müssen Informationen enthalten, die der Schalter verwenden könnte, um ein Tag herzu­ stellen, oder um ein bestimmtes Tag durch eine externe Einrichtung herzustellen.
• 2) Die Schalterpaketpuffer benötigen eine Flag, die diese als angehalten oder als weitergeleitet markieren.
• 3) Der Schalter muß einen CAM (Inhalts-adressierbarer Spei­ cher) enthalten, der einen Eintrag für jeden Paketpuffer aufweist. Die Daten, die in dem CAM gespeichert sind, entsprechen den Tag-Informationen, die in dem Kopf ent­ halten sind. Der CAM muß eine schnelle Überprüfung der angehaltenen Paketpuffer ermöglichen, um zu bestimmen, ob das fragliche Tag bereits existiert. Die Größe des CAM ist minimal, da er lediglich Platz für einen Eintrag pro Paketpuffer benötigt.

Ein empfangender Schalter muß eine Art einer nicht-zerstö­ renden Einrichtung zum Zurückweisen von ankommendem Paket­ verkehr unterstützen. Dies bedeutet, daß, wenn der sendende Schalter eine Paketübertragung hat, die durch den empfangen­ den Schalter zurückgewiesen wurde, der Sender die ursprüng­ lichen Paketdaten zurückbehält, so daß er es zu einem spä­ teren Zeitpunkt wiederum versuchen kann.

Fig. 6 ist ein Flußdiagramm für einen Flußsteuerungsmecha­ nismus für eine Paket-geschaltete Computernetzwerkverbindung gemäß der Erfindung. Der erfindungsgemäße Verstopfungssteue­ rungsmechanismus arbeitet wie folgt: wenn ein Paket ankommt (100) durchsucht der empfangende Schalter den Satz aller seiner Paketpuffer, die derzeitig ein angehaltenes Paket enthalten (102). Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Er­ findung verwendet einen B-Wort auf T-Bit Inhalts adressier­ baren Speicher (CAM), wobei B die Anzahl von Puffern in dem Schalter ist, und T die Anzahl von Bits in dem Tag ist. Wenn keine Puffer mit angehaltenen Paketen existieren (104), oder wenn diejenigen Puffer, die angehaltene Pakete enthalten, nicht mit dem Tag des ankommenden Pakets übereinstimmen (106), nimmt der Paket-Schalter das ankommende Paket an (108) und versucht das Paket an sein Ziel weiterzugeben (110). Wenn ein Paketpuffer existiert, der ein angehaltenes Paket mit einem Tag enthält, das mit dem Tag des ankommenden Pakets übereinstimmt, verweigert der Paketschalter die An­ nahme des ankommenden Pakets (112). Das Paket wird durch den Sender nicht fallen gelassen, sondern es wird durch den Emp­ fängerschalter nur nicht angenommen, was wahrscheinlich be­ wirkt, daß das Paket im Sender angehalten wird.

Durch Verweigern der Annahme des Pakets bewirkt der Schal­ ter, daß sich eine Feder bildet, da nachfolgende Pakete be­ ginnen, sich innerhalb einiger der signalflußmäßig vor die­ sem Schalter liegenden Schalter zu stauen. Wenn die Bedin­ gung lange genug besteht, daß alle Pakete zurück bis zum Einbringungspunkt angehalten sind, kann der Schalter am Ein­ bringungspunkt denselben Mechanismus verwenden, um die An­ nahme von Einbringungspaketen zu verweigern. Dies wirkt als ein Staudrucksignal für den Gesamtflußsteuerungsmechanismus.

Einer der Vorteile, der durch die Erfindung gegenüber dem Stand der Technik geschaffen wird, besteht darin, daß der Mechanismus es nicht erfordert, Pakete fallen zu lassen, wenn die Verbindung besetzt ist. Wenn die Vorrichtung schwer belastet ist, vermeidet der Staudruck des Flußsteuerungs­ systems, daß Verkehr in die Vorrichtung eintritt. Dies ver­ bessert das Verhalten durch Zurückhalten des Verkehrs, der nicht aus der Vorrichtung geführt werden kann, wodurch es mehreren Verbindungsbetriebsmitteln ermöglicht wird, verwen­ det zu werden, um Pakete auf eine nützliche Art weiterzu­ geben.

Ein Vorteil der Erfindung gegenüber den kreditbasierten Schemata, die oben beschrieben wurden, ermöglicht der Ver­ bindung ein feinkörniges Verfahren zum Zuordnen seiner Pa­ ketpufferbetriebsmittel, da das beschriebene Paket-Tag-Feld ein extrem flexibles Verfahren zum Definieren der Arten des Verbindungspaketverkehrs darstellt, der durch ein Schalter­ element als Teil desselben Stücks von Metaverkehr in Be­ tracht gezogen werden soll. Kreditbasierte Schemata können lediglich ein Verfahren zum Bestimmen, ob die grundsätz­ lichen Pufferbetriebsmittel bei ihren Nachbarn existieren oder nicht, schaffen.

Die Erfindung ermöglicht es einem Verbindungsentwickler ebenfalls, den Flußsteuerungsmechanismus für die Verkehrsbe­ lastungen abzustimmen. Die Größe der Feder kann mittels dem adaptiven Kreditzählstand eingestellt werden. Größere Federn bedeuten eine größere Adaptivität, aber eine längere Zeit, bevor das Staudrucksignal sich zurück zum Einbringungspunkt bewegt. Das Auswählen von geeigneten Tags, um die Beziehung zwischen Paketen zu definieren, bestimmt eine Grenze der Menge von Pufferbetriebsmitteln, die irgendein gegebener Schalter bei irgendeinem anderen gegebenen Schalter verwen­ den kann. Eine bestimmte Definition der Beziehung zwischen den verschiedenen Paketen ermöglicht es, daß mehr Betriebs­ mittel in anderen Schaltern verbraucht werden. Folglich kann ein Verbindungsentwickler die Parameter abstimmen, um den erwarteten Verkehrsbelastungen am besten zu entsprechen.

Einige Überlegungen bezüglich der Feinabstimmung der ausge­ wählten Implementierung der Erfindung schließen ein:
wenn jedes Paket, das in die Verbindungsvorrichtung einge­ bracht wird, ein einzigartiges Tag enthält, haben die Tags niemals irgendwelche Flußsteuerungsauswirkungen und die Vorrichtung ist auf dieselbe Art wie eine herkömmliche Verbindung, mit denselben Problemen, wirksam.

Das restriktivste Tag-Schema schafft ein Tag, das immer daßelbe ist, wenn ein Paket irgendwo in der Vorrichtung eingebracht wird. In diesem Fall kann ein Schalter nicht mehr als ein angehaltenes Paket und ein weiterzugebendes Paket enthalten.
Bei realistischeren Anwendungen der Erfindung werden Tags derart ausgewählt, daß die Anzahl von einzigartigen Tags, die einen Satz von Paketen beschreibt, die sich in der Vorrichtung bewegen, etwa dieselbe ist wie die gesamte An­ zahl von Puffern in der Vorrichtung geteilt durch 2, da jedes Tag zwei Puffer verbrauchen kann, das heißt, ein an­ gehaltener Puffer und ein weitergebender Puffer. Bei der tatsächlichen Umsetzung in die Praxis ist es nützlich, etwas mehr Tags zuzulassen, als gleichzeitig in Verwendung sind, da es vorteilhaft sein kann, vorübergehende Ver­ kehrsüberlastungen zuzulassen. Wenn die Überlastung an­ hält, schaltet der hier beschriebene Flußsteuerungsmecha­ nismus diese eventuell ab.

Der Wert der Erfindung ist offensichtlich, wenn gesehen wird, wie gut die Erfindung die verschiedenen Ursachen einer Netzwerksättigung löst. Es seien die folgenden Probleme an­ genommen:

• 1) Die Sender bringen Pakete in ein bereits verstopftes Gitter ein:
  Verbesserung: solange der Schalter am Punkt der Einbrin­ gung fähig ist, Pakete, die für ein bestimmtes Ziel ein­ gebracht werden, weiterzugeben, läßt der Schalter die einzubringenden Pakete zu. Wenn der Schalter fähig ist, die Pakete weiterzugeben, ist er per Definition nicht verstopft. Sobald der Schalter ein Paket von einer Mel­ dung enthält, die angehalten wird, wird eine weitere Einbringung gedrosselt.
• 2) Ein einzelner Sender ist fähig, die gesamten Verbin­ dungsbetriebsmittel aufzubrauchen:
  Lösung: die Erfindung ermöglicht das Einstellen von har­ ten Grenzen bezüglich der Anzahl von Verbindungsbe­ triebsmitteln, auf die ein einzelner Sender zugreifen kann.
• 3) Ein einzelner Sender sendet an einen langsamen Empfän­ ger:
  Große Verbesserung: eine wesentlich niedrigere Menge von Verbindungspuffern werden eingebunden, bevor die Ver­ stopfung eine Drosselung des Senders bewirkt. Im Fall einer Paketzuführung in der Reihenfolge wird eine mini­ male Anzahl von Puffern eingebunden.
• 4) Mehrere Sender senden an ein einzelnes Ziel:
  Verbesserung: im schlimmsten Fall, wenn genug Sender an genug Stellen in der Verbindung existieren, können deren Federn an genug wechselwirkenden Knoten überlappt wer­ den, um eine Sättigung dieser Knoten zu bewirken. Im wahrscheinlicheren Fall überlappen sich die Federn nicht ausreichend, um eine vollständige Sättigung zu bewirken.

In einem allgemeinen Fall, in dem mehrere Sender eine vorhergehende Kenntnis besitzen, daß die Daten an einen einzelnen Empfänger senden müssen, wird die Situation sogar noch mehr verbessert. In diesem Fall wird, wenn die Sender angeordnet sind, um ein gemeinsames Tag für alle ihre einzelnen Antworten zu verwenden, der Satz von Paketen, die auf den Empfänger zugehen, als in Beziehung stehend behandelt, obwohl die Pakete von unterschied­ lichen Sendern kamen. Zusätzlich überlappen sich die Fe­ dern nicht, aber verbinden sich tatsächlich, wodurch die Gesamtflußsteuerungsauswirkung der Erfindung verbessert wird.

Claims (8)

1. Flußsteuerungsvorrichtung für eine Paket-geschaltete Computerverbindung (10) mit:
einem Paketidentifikations-Tag, das jedem Paket zuge­ ordnet ist, das eine gemeinsame Beziehung zwischen einer Reihe von Paketen definiert; und
einer Einrichtung (50), die jedem Paket-Schalter (12-17) in der Computerverbindung (10) zugeordnet ist, um irgendein ankommendes Paket mit einem Paketpuffer zu­ rückzuweisen, der ein angehaltenes Paket enthält, das ein Paketidentifikations-Tag hat, das mit dem Paket­ identifikations-Tag des ankommenden Pakets überein­ stimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zurückwei­ sungseinrichtung ferner folgende Merkmale aufweist:
einen Inhalts-adressierbaren Speicher (50), der jedem Paket-Schalter zugeordnet ist, der das Paketidentifi­ kations-Tag jedes Pakets für jeden Paketpuffer bei je­ dem Paket-Schalter enthält;
eine Paketpufferzustandsflag, die diejenigen Paketpuf­ fer identifiziert, die angehaltene Pakete enthalten; und
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Übereinstimmung des Paketidentifikations-Tags von Paketen, die inner­ halb der Paketpuffer angehalten sind, mit dem Paket­ identifikations-Tag von ankommenden Paketen, um zu be­ stimmen, ob die ankommenden Pakete zur Weiterleitung angenommen werden sollten oder zurückgewiesen werden sollten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Paket­ identifikations-Tag eine Senderklientidentifikation, eine Empfängerklientidentifikation, eine Senderklient- und Empfängerklientidentifikation, eine Paketstrom­ identifikation oder ein ansonsten definiertes, extern erzeugtes Tag umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die fer­ ner folgendes Merkmal aufweist:
ein adaptives Kreditzählstandsfeld, das jedem Paket zu­ geordnet ist, wobei das adaptive Kreditzählzustandsfeld einen anfänglichen Kredit einschließt, der kleiner ist als der maximale Durchmesser einer Verbindungsvorrich­ tung, und der angepaßt ist, um die Anzahl von Puffern zu beschränken, die für eine Paketfeder verfügbar sind, wobei ein positiver Kredit eine adaptive Paketweiter­ leitung ermöglicht, und wobei ein negativer oder ein Nullkredit eine direkte Paketweiterleitung ermöglicht.

5. Flußsteuerungsverfahren für eine Paket-geschaltete Com­ puterverbindung (10), mit folgenden Schritten:
Definieren einer gemeinsamen Beziehung zwischen einer Reihe von Paketen mittels eines Paketidentifikations- Tags, das jedem Paket zugeordnet ist; und
Zurückweisen jedes ankommenden Pakets mit einem Paket­ puffer, der ein angehaltenes Paket enthält, das ein Pa­ ketidentifikations-Tag hat, das mit dem Paketidentifi­ kations-Tag des ankommenden Pakets übereinstimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Zurückweisungs­ schritt ferner folgenden Schritt aufweist:
Bestimmen der Übereinstimmung des Paketidentifika­ tions-Tags von Paketen, die innerhalb von Paketpuffern angehalten sind, mit dem Paketidentifikations-Tag von ankommenden Paketen, um zu bestimmen, ob die ankommen­ den Pakete zur Weitergabe angenommen werden sollten oder zurückgewiesen werden sollten, mit einem Inhalts­ adressierbaren Speicher (50), der jedem Paket-Schalter zugeordnet ist, der das Paketidentifikations-Tag jedes Pakets für jeden Paketpuffer bei jedem Paket-Schalter enthält, und eine Paketpufferzustandsflag, die die­ jenigen Paketpuffer identifiziert, die angehaltene Pa­ kete enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Paket­ identifikations-Tag eine Senderklientidentifikation, eine Empfängerklientidentifikation, eine Senderklient- und Empfängerklientidentifikation, eine Paketstromiden­ tifikation oder ein anders definiertes, extern erzeug­ tes Tag umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das ferner folgenden Schritt aufweist:
Beschränken der Anzahl von Puffern, die für eine Paket­ feder verfügbar sind, durch ein adaptives Kreditzähl­ standsfeld, das jedem Paket zugeordnet ist, wobei das adaptive Kreditzählstandsfeld einen anfänglichen Kredit einschließt, der kleiner als der maximale Durchmesser einer Verbindungsvorrichtung ist, und das angepaßt ist, um bei einem positiven Kredit eine adaptiver Paketwei­ terleitung zu ermöglichen, und um bei einem negativen oder Nullkredit eine direkte Paketweiterleitung zu er­ möglichen.