Systemkomponenten für Breitband- Universalnetze mit Dienstgütegarantie
Authors: Schoenen, Rainer
: Rainer Schoenen
Shaker Verlag, Aachen, ISBN: 3-8265-8389-2
, 2000.
Publication Date: Aug, 2000
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ISBN: 3-8265-8389-2
Abstract Die stark steigende Nachfrage nach Bandbreite im Kommunikationsmarkt erfordert Netze mit h¨ochstratigen Switch-Vermittlungsstellen. Die Unterst¨utzung von individuellen Dienstg¨uten, wie sie beim gemeinsamen Transport von Sprach- Video- und Datenverkehr erforderlich ist, muß an jeder Stelle im Netz von Switches unterst¨utzt werden. Die ATM-Technologie bietet dazu die Grundlage. Die letzten Jahre brachten Konzepte hervor, die eine Integration des IP-Standards in ATM-Netze oder nicht-ATM-basierte Switches erm¨oglichen. Der Kern jedes Switches ist jedoch unabh¨angig von der Wahl des Transportprotokolls. Die Unterst¨utzung unterschiedlicher Dienstklassen und Dienstg¨uten muß in diesem Kern schon vorhanden sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nun nach der Definition der Systemrandbedingungen und dem Stand der Technik das zu entwerfende Switchsystem vorgestellt. Die Arbeit konzentriert sich dabei auf die die unteren Schichten des ISO-OSI Modells, insbesondere die Verkehrsmanagementmechanismen in der ATM-Schicht bzw. vergleichbarer Schichten eines dienstg¨uteunterst¨utzenden Switches. Da die Leistungsf¨ahigkeit von Netzknoten in einer stochastischen Umgebung von der Art und Intensit¨at des Verkehrs abh¨angt, nimmt die Systemmodellierung mit dem Ziel analytischer und simulativer Ergebnisse einen wichtigen Platz ein. Insbesondere die Eigenschaften deterministischer und stochastischer Petri-Netze haben sich in dieser Arbeit als n¨utzlich erwiesen. Ein Netzknoten ist am Entwicklungsaufwand gemessen ein sehr komplexes Ger¨at. Um so wichtiger ist ein sorgf¨altiger Systementwurf, um in einem fr¨uhem Stadium des Entwurfsflusses algorithmische und architekturelle Alternativen zu explorieren. Dabei treten in einer hierarchischen Sichtweise die vier Hauptkomponenten auf: Die zentrale Switchfabrik, der zentrale Arbiter, die Software-Steuerungseinheit und die lokalen Ein-/Ausgangsmodule. Letztere zergliedern sich in weitere Subkomponenten, die in dieser Arbeit behandelt werden. Um hochratige Switches realisieren zu k¨onnen ist eine effiziente Ausnutzung der Engp¨asse erforderlich, die in der zentralen Fabrik und den Zellspeichern liegen. Die Architektur der Virtuellen Ausgangspufferung (VOQ) erfordert die geringste Rate dieser Komponenten und erlaubt deren vollst¨andige Auslastung, was mit anderen Architekturen nicht m¨oglich ist. Zur zentralen Steuerung der Fabrik ben¨otigt VOQ einen geeigneten Arbitrierungsmechanismus. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der m¨oglichen Varianten f¨ur die Arbitrierung. Ausgehend von der Formulierung als gewichtete Korrespondenz eines Graphen kommt man auf die Klassen der statischen und dynamischen Arbitrierung. Die statische Arbitrierung bietet durch das Prinzip der zeitlichen Allokation von Verbindungszuordnungen die M¨oglichkeit der individuellen und unabh¨angigen Abfertigung des behandelten Verkehrsstroms. Wegen der bei ratenbegrenztem Verkehr m¨oglichen Qualit¨atsgarantien eignet sich dieses Verfahren insbesondere f¨ur Echtzeitverkehr. Durch eine fr¨uhzeitige Verkehrsformung im Netz verbessern sich die anfangs hohen Verz¨ogerungen beim Durchlaufen aufeinanderfolgender Switches bis zum Endger¨at erheblich. Komplement¨ar dazu arbeitet die dynamische Arbitrierung in Echtzeit an der Entscheidung, die aufgrund von Zustandsinformationen der Portmodule getroffen wird. In diesem Gebiet wurden in letzter Zeit einige Algorithmen vorgeschlagen, die in dieser Arbeit mit neu entwickelten Algorithmen verglichen werden. Dabei wurde der Entwurfsraum der Dimensionen Komplexit¨at und Zellver¨ogerung exploriert. Insbesondere gewichtete Korrespondenzverfahren sind dabei als einzige Methode in allen Lastsituationen geeignet. Unter Einsatz des entwickelten Arbitrierungsalgorithmus k¨onnen Erweiterungen vorgenommen werden, die eine priorit¨atsunterst¨utzte Abfertigung bei gleichzeitiger Beschr¨ankung der Wortbreite der Statusinformationen erm¨oglicht. Ein Kompandierungsmechanismus und geeignete Bitmanimulationen erlauben so die effiziente Unterst¨utzung von Dienstklassen in der VOQ Architektur. Das Verfahren wird anhand einiger Szenarien analysiert. Eine analytische Approximation ist f¨ur die weitere Betrachtung von Bedeutung. Der Algorithmus ist desweiteren besonders effizient implementierbar. An zweiter Stelle der Verkehrsmanagementalgorithmen ist die Ablaufplanung (Scheduling) von besonderer Bedeutung. Ihrer Bestimmung nach f¨uhren diese Algorithmen lokale Entscheidungen in den Ports aus. Nach einer Klassifikation in raten- und terminorientierte Verfahren und der bewertenden Einordnung verschiedener Algorithmen ist die Frage der Leistungsbewertung f¨ur Echtzeitverkehr von Bedeutung. In dieser Arbeit findet dazu die Bewertung anhand eines heterogenen Szenarios statt, das danach zum Vergleich der VOQ-Architektur mit dem traditionellen ausgangsgepufferten Switch dient. Es hat sich herausgestellt, daß qualitativ keine Unterschiede aus der Architektur resultieren, sondern quantitative Unterschiede allein auf die Verz¨ogerungscharakteristik des Arbitrierungsverfahrens zur¨uckzuf¨uhren sind. Bedingt durch die bevorzugte Behandlung von Echtzeitverkehr bleibt dem Datenverkehr der Klasse ABR nur noch eine Restbandbreite ¨ubrig, die starken Schwankungen in jedem Zeitmaßstab unterworfen ist. Die hohen Anforderungen an verschwindend geringe Zellverluste sind jedoch nur dann erf¨ullbar, wenn eine geeignete Flußkontrolle den U¨ berlauf von Pufferspeicher vor Engpa¨ssen vo¨llig verhindert. Das wirksamste Verfahren einer guthabenbasierten Flußkontrolle wird in dieser Arbeit mit dem analytischen Werkzeug der Petri-Netze behandelt. Daraus lassen sich wichtige Eigenschaften beweisen, die den Betrieb maßgeblich beeinflussen. Die vor Zellverlust geschu¨tzte U¨ bertragung wird genauso sichergestellt wie der Zugriff auf die gesamte freie Datenrate einer Leitung. Unter Ber¨ucksichtigung spezieller Effekte kommt man zu einer Dimensionierungsvorschrift, die zeigt, daß ein Einsatz auch f¨ur Netzsegmente mit hohem Bandbreiten-Verz¨ogerungsprodukt noch gut m¨oglich ist. Der Bedarf an Zellspeicher ist mit handels¨ublichen Komponenten zu decken. Die als externes Protokoll definierte Flußkontrolle muß sich in der internen Struktur des Switches wiederfinden. Die dabei auftretenden Probleme bei der Wahl der Kopplungspunkte der jeweiligen Flußkontrollschleifen werden bei der Analyse der ¨aquivalenten Petri-Netz Modelle deutlich. Hieraus resultieren die Eigenschaften verschiedener Verfahren zur internen Flußkontrolle, die hier untersucht werden. Aufgrund bestehender Standardisierungen ist eine geeignete Kopplung der guthabenbasierten mit der ratenbasierten Flußkontrolle von Bedeutung. Aus dem vorgeschlagenen Modell resultiert ein Integrationskonzept und die Einsicht in die Grenzen des jeweiligen Verfahrens. Durch die Zusammenschaltung der Vermittlungsstellen entsteht ein Netz, in dem die Eigenschaften der behandelten Verfahren in einem gr¨oßeren Gesamtkontext aufgehen. Im Gegensatz zur dynamischen Arbitrierung zeigt die statische als charakteristisches Merkmal einen starken Unterschied zwischen der Zellverz ¨ogerung im ersten und den weiteren Switches. Die Dienstg¨ute kann dadurch in geeigneter Weise von Ende zu Ende im Rahmen der Anforderungen bleiben. Der durch Flußkontrolle gesch¨utzte ABR-Zellstrom paßt sich im Netz genau der verf¨ugbaren Bandbreite an, so daß Leitungsengp¨asse zu 100% ausgelastet werden. Global wird so die gr¨oßtm¨ogliche Effizienz des Netzes erreicht. Insgesamt hat sich so gezeigt, daß eine Vermittlungsstelle trotz extrem unterschiedlicher Anforderungen realisierbar ist. Die VOQ-Architektur mit den geeigneten Arbitrierungs- und Schedulingverfahren, erg¨anzt durch eine guthabenbasierte Flußkontrolle, erm¨oglicht die effiziente Realisierung dieses Systems.
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