DE69935587T2

DE69935587T2 - Verfahren und vorrichtung zur weiterleitung von paketen von einer mehrzahl konkurrierender warteschlangen zu einem ausgang

Info

Publication number: DE69935587T2
Application number: DE69935587T
Authority: DE
Inventors: Deepak J. Cupertino AATRESH
Original assignee: Riverstone Networks Inc
Current assignee: Riverstone Networks Inc
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: EP1080560A1; EP1080560A4; CA2329019A1; US6067301A; WO1999063712A1; CA2329019C; AU746167B2; DE69935587D1; AU3988999A; EP1080560B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein einen Mehrport-Switch mit hoher Bandbreite zum Beispiel zur Verwendung in Gigabit-Ethernet-Netzwerken. Insbesondere betrifft die Erfindung das Puffern von Paketen in einem Switch und das Aufrechterhalten von Dienstqualität (QoS) in dem gesamten Switch.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Netzwerke dienen zum Transfer von Voice, Video und Daten zwischen verschiedenen Netzwerkeinrichtungen. In Netzwerken befinden sich Netzwerkeinrichtungen wie etwa Switch zum Anleiten des Transfers von Netzwerkverkehr zwischen den verschiedenen Netzwerkeinrichtungen. Netzwerkverkehr ist in der Regel Burst-artig, und um Netzwerkverkehr-Bursts zu kompensieren, wurden Speicherpuffer in Switch-Entwürfe integriert. Speicherpuffer erlauben es einem Switch, Pakete vorübergehend zu speichern, wenn eine ankommende Datenrate höher als eine abgehende Datenrate ist. Wenn mehr als ein Puffer Pakete aufweist, die um denselben Ausgang konkurrieren, müssen bestimmte Pakte in den Puffern warten, und es wird ein bestimmter Mechanismus benötigt, um zu bestimmen, wie Paketwettbewerb aufgelöst wird.
Um Wettbewerb aufzulösen und einem Netzwerk-Switch höhere QoS zu geben, sind zwei verschiedene Pufferverwaltungsverfahren bekannt, Prioritäts-Warteschlangen und gewichtete faire Warteschlangen. Bei dem Prioritäts-Warteschlangenverfahren werden konkurrierenden Warteschlangen verschiedene Prioritäten zugewiesen, und Pakete werden aus den Warteschlangen in strikter Prioritätsreihenfolge weitergeleitet. Zum Beispiel puffern mit Bezug auf 1 vier Warteschlangen A, B, C und D Pakete, die um denselben Ausgang 20 konkurrieren, der eine endliche Bandbreite aufweist. Um den Wettbewerb aufzulösen, werden den Warteschlangen verschiedene Prioritäten zugewiesen, wie zum Beispiel eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Priorität. Pakete werden ähnlich priorisiert und gemäß ihrer Priorität in Warteschlangen eingereiht. Die in Warteschlangen eingereihten Pakete werden in Prioritätsreihenfolge zu dem Ausgang weitergeleitet, so daß alle Pakete aus Warteschlangen höherer Priorität vor jeglichen Paketen aus Warteschlangen niedriger Priorität weitergeleitet werden. Obwohl Prioritäts-Warteschlangen gut funktionieren, wenn Wettbewerb zwischen Warteschlangen besteht, werden die Pakete höherer Priorität auf Kosten von Paketen niedriger Priorität wietergeleitet. Wenn Pakete höherer Priorität den größten Teil der endlichen Ausgangsbandbreite aufbrauchen, wird den Paketen niedriger Priorität Bandbreite versagt und sie können sich in der gesamten Switch-Architektur anstauen, wodurch potentiell die Latenz bis zu einem Punkt vergrößert wird, an dem Pakete fallen gelassen werden. Einige wenige Pakete aus einem Transfer fallen zu lassen, kann erfordern, einen gesamten Strom von Paketen neu zu senden, wodurch praktisch die Nachteile verloren gehen, die durch die Priorisierung der konkurrierenden Warteschlangen an erster Stelle erhalten wurden.
Bei dem gewichteten fairen Warteschlangenverfahren werden konkurrierenden Warteschlangen Gewichte zugewiesen, und Pakete werden proportional zu den jeder Warteschlange zugewiesenen Gewichten aus den Warteschlangen weitergeleitet. Zum Beispiel puffern mit Bezug auf 2 vier Warteschlangen A, B, C und D Pakete, die um denselben Ausgang 30 mit endlicher Bandbreite konkurrieren. Um Konkurrenz aufzulösen, wird jeder Warteschlange ein Prozentsatz oder ein Gewicht zugewiesen, der bzw. das die Menge der für diese Warteschlange reservierten Bandbreite repräsentiert. Betrüge die gesamte verfügbare Bandbreite des Ausgangs 100 Byte pro Sekunde, dann würde mit als 20%, 25%, 15% und 40% zugewiesenen Warteschlangengewichten Warteschlange A 20 Byte pro Sekunde an den Ausgang weiterleiten, Warteschlange B 25 Byte pro Sekunde an den Ausgang weiterleiten, Warteschlange C würde 15 Byte pro Sekunde an den Ausgang weiterleiten und Warteschlange D würde 40 Byte pro Sekunde an den Ausgang weiterleiten, wobei jeder Anteil jede Sekunde weitergeleitet wird.
Obwohl das gewichtete faire Warteschlangenverfahren gut dafür funktioniert, das Problem des Verhungerns zu verhindern, das bei Prioritäts-Warteschlangen auftritt und eine maximale Flußrate für jede Warteschlange herzustellen, wird häufig Ausgangsbandbreite verschwendet, wenn eine der Warteschlangen keine zu dem Ausgang weiterzuleitenden Pakete enthält. Bandbreite wird verschwendet, weil der Prozentsatz der Ausgangsbandbreite, der für die bestimmte Warteschlange reserviert ist, reserviert wird, ob Pakete warten oder nicht. Wenn versucht wird, die übrige Bandbreite bei dem Verfahren der gewichteten fairen Warteschlangen zu verteilen, besteht keine offensichtliche Verfahrensweise zum Verteilen der übrigen Bandbreite zwischen den Warteschlangen, weil den Warteschlangen keine Priorität relativ zueinander zugewiesen ist.
Ein zusätzlicher Nachteil der gewichteten fairen Warteschlangen besteht darin, daß die Bandbreitengrenzen nicht flexibel sind und sie sich deshalb nicht an Schwankungen von Verkehrsmustern anpassen. Es ist schwer, vorherzusagen, an welche Stelle die strengen Bandbreitengrenzen für optimale Netzwerkleistungsfähigkeit gesetzt werden sollen, insbesondere wenn sich Verkehrsmuster dauernd ändern. Außerdem erfordert das Setzen von Bandbreitengrenzen eine präzise Abstimmung durch einen Netzwerkadministrator.
Zusätzlich zu den Nachteilen des Warteschlangenverhungerns und der verschwendeten Bandbreite, die sich aus den Prioritäts- und gewichteten fairen Warteschlangen ergeben, implementieren vorbekannte Switches die Prio ritäts- und gewichteten fairen Warteschlangenverfahren unter Verwendung von Vielzweck-Zentralverarbeitungseinheiten (CPU) in Verbindung mit anwendungsspezifischer Software. Obwohl Softwareanwendungen im allgemeinen leichter zu entwickeln und flexibler zu aktualisieren sind als in anwendungsspezifisch integrierte Schaltungen (ASIC) eingebettete Logik, nehmen in Software durchgeführte Operationen in der Regel mehr Zeit in Anspruch und weisen relativ zu in ASICs eingebetteter Logik ein größeres Overhead auf. Mit zunehmenden Bandbreitenanforderungen für Netzwerke wird die Geschwindigkeit, mit der konkurrierende Pakete aus Puffern freigegeben werden, von größerer Wichtigkeit.
Im Bezug auf die oben angegebenen Nachteile des Stands der Technik wird eine Möglichkeit benötigt, das Verhungern von priorisierten Warteschlangen zu vermeiden, während unbenutzte Bandbreite mit Geschwindigkeiten, die zum Beispiel von Gigabit-Ethernet-Netzwerken erfordert werden, logisch verteilt wird.
Aus der Schrift EP-A-0 648 062, AT&T, ist ein Verfahren zur adaptiven Steuerung von Fenstern und Raten in Netzwerken bekannt, in denen ein periodisches Ein-Bit-Rückkopplungssignal mit systematischer Dämpfung und Steuerung des Verstärkungssignals kombiniert wird, um eine Minimalbandbreite und einen fairen Anteil übriger verfügbarer Bandbreite unter virtuellen Leitungen in dem Netzwerk auf rechtzeitige Weise zu erzielen. Bei diesem Verfahren erfolgt die Verteilung der unbenutzten Bandbreite "proportional zu den CIR (vereinbarte Informationsrate) jeder aktiven virtuellen Leitung.
Aus der Schrift US-5748629 = D2 (Fujitsu Network Communication) ist ein System und ein Verfahren bekannt, bei dem zusätzliche Bandbreite teilweise im garantierten Verfahren und teilweise im Reigenverfahren verteilt wird. Gemäß D2 wird die Bandbreite, die zu einem Ausgang verteilt wird, entweder als zugeteilte Bandbreite oder als dynamische Bandbreite definiert. Zugeteilte Bandbreite bedeutet Bandbreite, die einem bestimmten Verkehr "spezifisch zugewiesen" ist, und dynamische Bandbreite bedeutet Bandbreite, die zugeteilt, aber unbenutzt ist, oder Bandbreite, die nicht zugeteilt ist.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden in den unabhängigen Ansprüchen definiert, auf die der Leser nun verwiesen wird. Bevorzugte Merkmale werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Weiterleiten von Paketen aus konkurrierenden Warteschlangen zu einem Ausgang mit einer endlichen Bandbreite umfassen: Priorisieren jeder Warteschlange der mehreren Warteschlangen mit einer Priorität, die relativ zu den anderen Warteschlangen der mehreren Warteschlangen fest ist, wodurch ein fester Priorisierungsbereich definiert wird, der eine Warteschlange höchster Priorität und eine Warteschlange niedrigster Priorität enthält; Vergeben eines Anteils der Bandbreite des Ausgangs an jede der Warteschlangen; Aufbrauchen mindestens eines Teils der Bandbreite des Ausgangs mit Paketen aus den Warteschlangen gemäß den vergebenen Anteilen, wodurch ein unverbrauchter Teil übrig bleibt, wenn mindestens eine der Warteschlangen den vergebenen Anteil der mindestens einen Warteschlange nicht ausschöpft; und Verteilen von einhundert Prozent des unverbrauchten Teils der Bandbreite an die Warteschlangen auf Festprioritätsbasis, wobei einhundert Prozent des unverbrauchten Teils der Bandbreite zuerst der Warteschlange der höchsten Priorität und dann einhundert Prozent eines etwaigen übrigen Teils des unverbrauchten Teils der Bandbreite Warteschlangen niedrigerer Priorität warteschlangenweise gemäß dem festen Priorisierungsbereich angeboten werden, bis die gesamte Bandbreite verbraucht ist oder keine weiteren Pakete in Warteschlangen vorliegen. Ferner wird bei einer bevorzugten Ausführungsform die Logik zur Durchführung des Warteschlangenmanagements in eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung eingebettet.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung werden vorzugsweise in einem Mehrport-Switch mit hoher Bandbreite implementiert, in dem Pakete gepuffert werden, bevor sie aus dem Switch ausgegeben werden. Die Architektur des Mehrport-Switch enthält Datenstrecken, die mit Eingangs-/Ausgangssteuerungen verbunden sind, die mit einem Koppelfeld verbunden sind. Die Datenstrecken stellen die Datenwege zwischen anderen Einrichtungen in dem Netzwerk und dem Mehrport-Switch bereit. Es können mehrere Datenstrecken verschiedener Typen und Kapazitäten vorliegen, die mit dem Mehrport-Switch verbunden sind. Vorzugsweise sind die Datenstrecken verdrillte Doppelleitungen und optische Fasern, die Pakete variabler Länge gemäß dem Ethernet-Protokoll mit 10, 100 und 1000 Mbps führen.
Die Eingangs-/Ausgangssteuerungen sind zwischen die Strecken der Daten 35 und das Koppelfeld geschaltet, um Paketsteuerung zwischen den Datenstrecken und dem Koppelfeld bereitzustellen. Zu Paketsteuerfunktionen gehört das Senden und Empfangen von und zu den Datenstrecken und das Puffern ankommender und/oder abgehender Pakete, um Fluktuationen der Netzwerkverkehrsraten zu berücksichtigen.
Die Eingangs-/Ausgangssteuerungen führen dem Koppelfeld außerdem durch das Koppelfeld zu verarbeitende Pakete zu.
Das Koppelfeld stellt die physischen Datenwege zur Verbindung verschiedener Datenstrecken des Switch bereit. Zusätzlich teilt das Koppelfeld durch das Koppelfeld zu übertragende Pakete auf eine Weise ein, die die Bandbreite des Koppelfelds maximiert.
Da Wettbewerb auftritt, wenn auf verschiedenen Datenstrecken ankommende Pakete auf derselben Datenstrecke ausgegeben werden sollen, enthält die Eingangs-/Ausgangssteuerungsarchitektur Eingangspaketpufferungs- und Warteschlangenmanagementfunktionen, die bei der Minimierung von Paketverlusten helfen. Da das Koppelfeld in der Lage sein kann, Pakete einer Ausgangsdatenstrecke schneller zuzuführen, als die Datenstrecke, die Pakete empfangen kann, enthält Eingangs-/Ausgangssteuerungsarchitektur zusätzlich Ausgangspufferung und Warteschlangenmanagement. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf Ausgangspaketpufferung und Warteschlangenmanagement beschrieben, obwohl die Erfindung gleichermaßen auf Eingangspaketpufferung und -warteschlangenmanagement anwendbar ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform enthalten die Eingangs-/Ausgangssteuerungen Ausgangswarteschlangenmanager, die eingebettete Logik benutzen, um Paketwarteschlangen zu verwalten, die Datenpakete repräsentieren, die in einem Ausgangspuffer gespeichert sind. Der Puffer kann eine integrierte Schaltung eines dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) sein und die Warteschlangen in dem Ausgangswarteschlangenmanager repräsentieren die in dem Puffer gespeicherten Pakete. Die Ausgangspuffer können in die E/A-Steuerungen integriert oder extern dieser angeordnet sein. Bei der bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Ausgangspuffer neben den E/A-Steuerungen und sind nicht auf dieselben Schaltungen wie die E/A-Steuerungen integriert. Die Ausgangswartschlangenmanager sind integrierte Schaltungen, die anwendungsspezifische Einrichtungen enthalten, wie zum Beispiel Zähler und Komparatoren, um die Logik zu erzeugen, die das Warteschlangenmanagement ausführt. Die Ausgangswarteschlangenmanager sind durch eine Programmierschnittstelle einstellbar und können zum Beispiel durch einen Netzwerkadministrator gesteuert werden. Die Programmierschnittstelle ermöglich warteschlangenspezifische Einstellbarkeit, die während des Betriebes des Switch manipuliert werden kann, um eine spezifizierte QoS bereitzustellen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Pakete variabler Länge auf der Basis bestimmter Eigenschaften der Pakete in vier Kategorien priorisiert. Die für die Priorisierung interessierenden Paketeigenschaften umfassen Quelle und/oder Ziel des Pakets, die Art der in dem Paket geführten Informationen oder das Alter des Pakets. Ein Paket, das Videokonferenzdaten führt, kann zum Beispiel eine höhere Priorität aufweisen, als ein Paket, das E-Mail führt, weil die Qualität der Videokonferenz beeinträchtigt wird, wenn Pakete verzögert werden, während ein E-Mail-Transfer gegenüber Paketverzögerungen toleranter ist. Mit jedem Port einer Eingangs-/Ausgangssteuerung sind vier Warteschlangen assoziiert, die die eingerichteten Paketprioritätskategorien verfolgen. Die vier Warteschlangen verfolgen die vier Prioritätskategorien, und sowohl die Paketals auch die Warteschlangenprioritäten werden für Beschreibungszwecke als Steuerung (CTRL), hoch (HI), mittel (MED) und niedrig (LO) bezeichnet, wobei Steuerung die höchste Priorität und niedrig die niedrigste Priorität ist. Das Warteschlangenverfahren ist nicht auf vier Warteschlangen beschränkt und kann herauf- oder herabskaliert werden.
Die Eingangs-/Ausgangssteuerungen empfangen Pakete von dem Koppelfeld, und wenn die Pakete nicht unmittelbar zu einer Datenstrecke weitergeleitet werden, werden die Pakete in Speicher gepuffert, und die entsprechende Warteschlange in dem Warteschlangenmanager wird mit Informationen bezüglich des gepufferten Pakets aktualisiert. Wenn Prioritäts-Warteschlangen das einzige benutzte Warteschlangenmanagementverfahren ist, werden alle Pakete einer höheren Priorität aus den priorisierten Warteschlangen vor jeglichen Paketen einer niedrigeren Priorität weitergeleitet. Zum Beispiel werden jegliche Pakete in der Steuerwarteschlange vor Paketen aus den Warteschlangen für hoch, mittel oder niedrig zu einer assoziierten Datenstrecke weitergeleitet. Bei dem Warteschlangenmanagementverfahren der Erfindung werden gewichtete faire Warteschlangen in Verbindung mit Prioritäts-Warteschlangen implementiert, um die endliche Bandbreite eines Ausgangs besser auszunutzen.
Im Betrieb wird jeder der vier Prioritäts-Warteschlangen ein jeweiliger Anteil der gesamten Ausgangsdatenstreckenbandbreite zugeteilt, die über einen designierten Zeitraum verbraucht werden soll. Während jedes designierten Zeitraums werden Pakete in Prioritätsreihenfolge gemäß ihren zugeteilten Anteilen aus den Warteschlangen an die assoziierte Datenstrecke freigegeben, so daß die zugeteilten Pakete in der Steuerwarteschlange vor den zugeteilten Paketen in der Hoch-Warteschlange freigegeben werden usw. Der Schlüssel für das Warteschlangenmanagementverfahren der Erfindung besteht darin, daß, wenn eine Warteschlange während eines designierten Zeitintervalls nicht ihre gesamte zugeteilte Bandbreite verbraucht, die übrige Bandbreite auf Prioritätsbasis den anderen Warteschlangen zugeteilt wird. Das heißt, übrige Bandbreite wird zuerst der Steuerwarteschlange angeboten, und wenn in der Steuerwarteschlange genug Pakete warten, verbraucht die Steuerwarteschlange die gesamte übrige Bandbreite. Wenn dagegen die Steuerwarteschlange nicht die gesamte übrige Bandbreite verbraucht hat, wird die übrige Bandbreite der Warteschlange mit der nächst niedrigeren Priorität angeboten usw., bis alle verfügbare Ausgangsbandbreite verbraucht ist oder bis keine Pakete in dem Ausgangspuffer bleiben.
Einer der Hauptbetriebsgesichtspunkte des gewichteten Prioritätswarteschlangenverfahrens der Erfindung ist der Ausgleich zwischen Latenz und Fehler. Das Problem des Ausgleich von Latenz und Fehler erschwert sich durch den Umstand, daß Paketlängen über einen großen Umfang variieren können. Im Kontext der Erfindung ist Latenz die Zeitdauer, die zwischen dem Eintritt eines ersten Pakets aus einer bestimmten Warteschlange in eine assoziierte Ausgangsdatenstrecke und dem Eintritt des nächsten Pakets aus derselben Warteschlange in dieselbe Ausgangsdatenstrecke, nachdem alle anderen Prioritätswarteschlangen ihre zugeteilte Bandbreite angeboten bekommen haben, abläuft. Fehler ist ein Maß dafür, wie nahe der tatsächliche Bandbreitenverbrauch einer bestimmten Ausgangsdatenstrecke den hergestellten Bandbreitenzuteilungsanteilen für die Datenstrecke kommt. Fehler wird verursacht, weil, nachdem ein Paket mit dem Senden aus einem Puffer auf eine Datenstrecke beginnt, das Paket weiter gesendet wird, bis die Übertragung abgeschlossen ist. Wenn das Senden eines Pakets länger als das warteschlangenspezifische Zeitintervall dauert, das für die bestimmte Warteschlange zugeteilt ist, wird die Paketübertragung fortgesetzt und der Fehler wächst proportional zu der verbrauchten Überschußzeit. Beim Ausgleich von Latenz und Fehler erzeugt eine relativ lange Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit eine hohe Paketlatenz, aber eine niedrige Fehlerrate, und wenn die Latenz zu hoch ist, können Warteschlangen praktisch zwischen Zykluszeiten verhungern und Pakete können anfangen, fallen gelassen zu werden. Eine relativ kurze Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit erzeugt dagegen eine niedrige Paketlatenz, aber eine hohe Fehlerrate, da mehr Pakete die relativ kurzen warteschlangenspezifischen Zeitintervalle überschreiten, die für Paketübertragung zugeteilt sind.
Vorteile der Erfindung sind zum Beispiel, daß das Warteschlangenmanagementverfahren das unnötige Fallenlassen von Paketen vermeidet, indem jeder Warteschlange Bandbreite zugeteilt wird und es sich automatisch an Änderungen der Netzwerkverkehrsmuster anpaßt, indem unverbrauchte Bandbreite in Prioritätsreihenfolge verteilt wird. Zusätzlich ist das Warteschlangenmanagementverfahren flexibel, weil die im Voraus festgelegten Bandbreitenzuteilungen automatisch eingestellt werden, wenn Warteschlangen mehr Bandbreite als notwendig zugeteilt ist. Da die Logik für das gewichtete Prioritätswarteschlangenverfahren in anwendungsspezifisch integrierte Schaltungen eingebettet ist, kann das Verfahren ferner leicht in einem Switch mit hoher Bandbreite, wie zum Beispiel einem Gigabit-Ethernet-Switch verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Abbildung eines vorbekannten Warteschlangenverfahrens gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine Abbildung eines gewichteten fairen Warteschlangenverfahrens gemäß dem Stand der Technik.
3 ist eine Abbildung der grundlegenden Switch-Architektur der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine erweiterte Abbildung einer bevorzugten Architektur einer Eingangs-/Ausgangssteuerung mit einer Datenstrecke gemäß der Erfindung.
5 ist eine erweiterte Abbildung einer bevorzugten Architektur einer Eingangs-/Ausgangssteuerung mit zwei Datenstrecken gemäß der Erfindung.
6 ist eine Abbildung des gewichteten Prioritätswarteschlangenverfahrens gemäß der Erfindung.
7 ist ein Prozeßflußdiagramm zum Weiterleiten von Paketen gemäß der Erfindung.
8 ist eine Abbildung der grundlegenden Hardwarearchitektur zur Durchführung von gewichteten Prioritäts-Warteschlangenverfahren gemäß der Erfindung.
9 ist eine Abbildung von zur Zuteilung von Bandbreite zwischen vier Prioritäts-Warteschlangen verwendeten internen Registerwerten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
3 ist eine Abbildung der grundlegenden Architektur eines Switch 38 zum Weiterleiten von Paketen variabler Länge, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält. Obwohl für Beschreibungszwecke ein vierkanaliger Switch gezeigt ist, kann der Switch weniger Kanäle aufweisen, vorzugsweise aber mehr. Die bevorzugte Architektur enthält Datenstrecken 52, 54, 56 und 58, die mit Eingangs-/Ausgangs-(E/A-)Steuerungen 42, 44, 46 und 48 verbunden sind, die mit einem Koppelfeld 40 verbunden sind.
Die mit den E/A-Steuerungen 42-48 verbundenen Datenstrecken 52-58 stellen das Medium zum Transferieren von Datenpaketen in und aus dem Switch 38 bereit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Anzahl der mit jeder E/A-Steuerung verbundenen Datenstrecken auf der Bandbreitenkapazität der Datenstrecke. Zum Beispiel repräsentieren in 3 die Einfach- und Doppeldatenstrecken, 52, 54 und 56 Verbindungen mit 1000 Megabit pro Sekunde (Mbps), und die acht Datenstrecken 58 repräsentieren Verbindungen mit 10 und/oder 100 Mbps, obwohl diese Verbindungsbandbreiten größer oder kleiner sein können und die Anzahl der Datenstrecken pro E/A-Steuerungen größer oder kleiner sein kann. Außerdem besteht der physische Aufbau der Datenstrecken vorzugsweise aus verdrillten Doppelleitungen und/oder optischen Einmodenfasern, obwohl andere Datenstrecken möglich sind, wie zum Beispiel Koaxialkabel, optische Mehrmodenfaser, Infrarot- und/oder Hochfreugenzstrecke.
Die E/A-Steuerungen 42-48 sind direkt mit den Datenstrecken 52-58 und durch Eingangsverbindungen 62, 64, 66 und 68 und durch Ausgangsverbindungen 72, 74, 76 und 78 mit dem Koppelfeld 40 verbunden. Die E/A-Steuerungen stellen Paketsteuerung zwischen den Datenstrecken und dem Koppelfeld bereit. Die E/A-Steuerungen empfangen ankommende Pakete aus den Datenstrecken und transformieren die Pakete in digitale Datenpakte, die mit dem Switch 38 kompatibel sind. Die E/A-Steuerungen senden außerdem abgehende Daten auf die Datenstrecken. Die E/A-Steuerungen puffern ankommende und/oder abgehende Pakete, und die E/A-Steuerungen können bestimmte Netzwerkverkehrssteuerung durchführen. Schließlich liefern die E/A-Steuerungen dem Koppelfeld Pakete zur Verarbeitung durch das Koppelfeld. Das Puffern von Paketen und das Verwalten der gepufferten Warteschlangen steht im Brennpunkt der Erfindung, die nachfolgend ausführlich beschrieben wird.
Das Koppelfeld 40 stellt die physischen Datenwege zum Verbinden der verschiedenen Switch-Kanäle und letztendlich der Datenstrecken 52-58 des Switch 38 bereit. Das Koppelfeld teilt außerdem Pakete für den Fluß durch das Koppelfeld dergestalt ein, daß die Bandbreite des Koppelfelds maximiert wird. Vorzugsweise ist das Koppelfeld eine integrierte Schaltung, die Pakete mit Raten weiterleiten kann, die jede einzelne Datenstrecke übersteigen.
Da Wettbewerb auftritt, wenn auf verschiedenen Datenstrecken ankommende Pakete auf derselben Datenstrecke ausgegeben werden sollen, enthält die E/A-Steuerungsarchitektur Eingangspaketpufferungs- und Warteschlangenmanagementfunktionen, die dabei helfen, Paketverluste zu minimieren. Da das Koppelfeld Pakete einer Ausgangsdatenstrecke schneller zuführen kann, als die Datenstrecke die Pakete empfangen kann, enthält die E/A-Steuerungsarchitektur zusätzlich Ausgangspaketpufferung und -warteschlangenmanagement. Die bevorzugte Ausfüh rungsform der Erfindung wird mit Bezug auf Ausgangspaketpufferung und -warteschlangenmanagement beschrieben, obwohl die Erfindung gleichermaßen auf Eingangspaketpufferung und -warteschlangenmanagement anwendbar ist.
4 ist eine ausführlichere Abbildung einer bevorzugten Architektur einer E/A-Steuerung 42 von 3, die eine einzige Datenstrecke 52 aufweist. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält die E/A-Steuerung einen Ausgangswarteschlangenmanager 82, der eine Paketwarteschlange verwaltet, die Datenpakete repräsentiert, die in einem Ausgangspuffer gespeichert sind. Der Ausgangswarteschlangenmanager ist während des Betriebs des Switch durch eine Programmierschnittstelle völlig einstellbar. Die Programmierschnittstelle stellt die warteschlangenspezifische Einstellbarkeit bereit, die manipuliert werden kann, während der Switch in Betrieb ist, um eine spezifizierte QoS bereitzustellen. Der Puffer ist eine integrierte Schaltung aus dynamischem Direktzugriffsspeicher (DRAM), in dem die Pakete gespeichert werden, und die Warteschlangen 84, 86, 88 und 90 in dem Ausgangswarteschlangenmanager repräsentieren die in dem Puffer gespeicherten Pakete. Der Ausgangspuffer kann in die E/A-Steuerung integriert oder außerhalb der E/A-Steuerung angeordnet sein, und bei der bevorzugten Ausführungsform befindet sich der Ausgangspuffer neben der E/A-Steuerung und ist nicht auf dieselbe Schaltung wie die E/A-Steuerung integriert, obwohl dies für die Erfindung nicht kritisch ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Pakete auf der Basis bestimmter Eigenschaften der Pakete priorisiert. Die für die Priorisierung interessierenden Paketeigenschaften umfassen Quelle und/oder Ziel des Pakets, die Art der in dem Paket geführten Informationen oder das Alter des Pakets. Ein Paket, das Videokonferenzdaten führt, kann zum Beispiel eine höhere Priorität aufweisen, als ein Paket, das E-Mail führt, weil die Qualität der Videokonferenz beeinträchtigt wird, wenn Pakete verzögert werden, während ein E-Mail-Transfer gegenüber Paketverzögerungen toleranter ist. Die vier Warteschlangen 84-90 in 4 verfolgen die vier Prioritätskategorien, und sowohl die Paket- als auch die Warteschlangenprioritäten werden für Beschreibungszwecke als Steuerung (CTRL), hoch (HI), mittel (MED) und niedrig (LO) bezeichnet, wobei Steuerung die höchste Priorität und niedrig die niedrigste Priorität ist. Jede der vier priorisierten Warteschlangen ist als acht Register in bezug auf acht Pakete enthaltend abgebildet, obwohl die genaue Anzahl für die Erfindung nicht kritisch ist. Die Kapazität der Warteschlangen kann auch durch eine Programmierschnittstelle geändert werden. Die E/A-Steuerung von 4 empfängt Pakete durch die Eingangsverbindung 72 aus dem Koppelfeld, und wenn das Paket nicht unmittelbar für die Ausgabe auf der Datenstrecke 52 weitergeleitet wird, wird das Paket im Speicher gepuffert und die entsprechende Warteschlange in dem Warteschlangenmanager wird mit Informationen bezüglich des gepufferten Pakets aktualisiert. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Designierung von Paket- und/oder Warteschlangenprioritäten während des Betriebes oder im Verlauf durch eine Programmierschnittstelle änderbar.
5 ist eine ausführlichere Abbildung einer E/A-Steuerung 46 von 3, die zwei Datenstrecken 56 und 56a aufweist. Die mit den beiden Datenstrecken verbundene E/A-Steuerung enthält separate Ausgangswarteschlangenmanager 94 und 96 für jede der Datenstrecken. Wie bei der E/A-Steuerung von 6 besitzen die beiden Warteschlangenmanager von 5 vier Prioritäts-Warteschlangen 100, 102, 104, 106 bzw. 110, 112, 114, 116, wobei jede Warteschlange acht Register in bezug auf acht Pakete enthält. Die Ausgangswarteschlangenmanager stehen eindeutig mit den beiden mit der E/A-Steuerung verbundenen Datenstrecken in Beziehung und beide Ausgangswarteschlangenmanager empfangen Pakete von dem Koppelfeld durch dieselbe Eingangsverbindung 76. Obwohl sie nicht in ausführlicher Ansicht abgebildet ist, besitzt eine E/A-Steuerung 48 aus 3, die acht Datenstrecken 58 aufweist, acht Ausgangswarteschlangenmanager in eindeutiger Entsprechung mit den acht Datenstrecken.
6 ist eine Abbildung von vier Warteschlangen 130, 132, 134 und 136 in bezug auf einen einzigen Ausgangswarteschlangenmanager (siehe 4), mit dem das bevorzugte Ausgangswarteschlangenmanagementverfahren beschrieben wird. Wie oben beschrieben, werden, wenn herkömmliche Prioritäts-Warteschlangen das einzige verwendete Warteschlangenmanagementverfahren sind, alle Pakete einer höheren Priorität vor jeglichen Paketen einer niedrigeren Priorität weitergeleitet. Wenn zum Beispiel bei Prioritäts-Warteschlangen etwaige Pakete in der Steuerwarteschlange 130 von 6 vorliegen, werden diese Pakete vor Paketen aus der Hoch-, der Mittel- oder der Niedrig-Warteschlange über den Ausgangsbus 142 zu der Datenstrecke 140 weitergeleitet. Bei dem Warteschlangenmanagementverfahren der Erfindung wird ein faires Warteschlangenverfahren in Verbindung mit einem Prioritätswarteschlangenverfahren implementiert, um die endliche Bandbreite des Ausgangs besser auszunutzen.
6 zeigt die Paketpriorität in bezug auf jede Warteschlange 130-136 zusätzlich zu alternativen Beispielen dafür, wie die gesamte Datenstreckenbandbreite auf die vier Warteschlangen aufgeteilt werden kann. In Beispiel 1 werden der Steuerprioritätswarteschlange 130 10% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt, der Hoch-Prioritätswarteschlange 132 werden 30% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt, der Mittel-Prioritätswarteschlange 134 werden 15% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt und der Niedrig-Prioritätswarteschlange 136 werden 45% der gesamten Daten streckenbandbreite zugeteilt. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Bandbreitenzuteilung während des Betriebs des Netzwerk-Switch völlig einstellbar (Laufzeit-programmierbar) und wird durch eine Programmierschnittstelle durchgeführt.
Im Betrieb wird jeder Warteschlange ihr jeweiliger Anteil oder Prozentsatz der Gesamtbandbreite über einen designierten Zeitraum zugeteilt. Während jedes designierten Zeitraums werden Pakete in Prioritätsreihenfolge auf die Datenstrecke 140 freigegeben, so daß die Pakete in der Steuerwarteschlange 130 vor den Paketen in der Hoch-Warteschlange 132 freigegeben werden usw. Der Schlüssel für das Warteschlangenmanagementverfahren der Erfindung besteht darin, daß, wenn eine Warteschlange ihre gesamte zugeteilte Bandbreite während eines designierten zeitlichen Intervalls nicht verbraucht, die übrige Bandbreite auf Prioritätsbasis den anderen Warteschlangen zugeteilt wird. Das heißt, übrige Bandbreite wird zuerst der Steuerwarteschlange angeboten, und wenn die Steuerwarteschlange genug wartende Pakete aufweist, wird die gesamte übrige Bandbreite durch die Steuerwarteschlange verbraucht. Wenn dagegen die Steuerwarteschlange die übrige Bandbreite nicht ganz aufbraucht, wird die übrige Bandbreite der Warteschlange mit der nächst niedrigeren Priorität angeboten usw., bis alle verfügbare Ausgangsbandbreite verbraucht ist oder keine Pakete in dem kombinierten Ausgangspuffer übrigbleiben.
Als Beispiel für die Funktionsweise beziehe man sich wieder auf Beispiel 1 von 6. Während eines designierten Zeitraums werden 10% der gesamten Datenstreckenbandbreite der Steuerprioritätswarteschlange 130 angeboten und man nehme beispielsweise an, daß die Steuerprioritätswarteschlange mehr als genug Pakete aufweist, um 10% der Datenstreckenbandbreite zu verbrauchen, und somit werden die 10% der Bandbreite verbraucht. Als nächstes werden der Hoch-Prioritäts- warteschlange 132 30% der Bandbreite angeboten, und man nehme beispielsweise an, daß die Hoch-Prioritätswarteschlange mehr als genug Pakete aufweist, um ihre 30% der Bandbreite zu verbrauchen, und somit werden die 30% der Bandbreite verbraucht. Als nächstes werden der Mittel-Prioritätswarteschlange 134 15% der Bandbreite angeboten, und man nehme beispielsweise an, daß die Mittel-Prioritätswarteschlange keine auf Weiterleitung wartende Pakete aufweist. Um eine Verschwendung der zugeteilten Bandbreite zu vermeiden und die Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite der Datenstrecke zu maximieren, werden die 15% der Datenstreckenbandbreite, die der Mittel-Prioritätswarteschlange für das vorliegende Zeitintervall zugeteilt sind, in Prioritätsreihenfolge den Warteschlangen höherer Prioritäten angeboten. Das heißt, die 15% der zugeteilten Datenstreckenbandbreite aus der Mittel-Prioritätswarteschlange werden zuerst vollständig der Steuerprioritätswarteschlange angeboten. Wenn in der Steuerprioritätswarteschlange genug Pakete warten, verbraucht sie alle übrige Bandbreite, oder wenn die Steuerprioritätswarteschlange nicht alle übrige Bandbreite verbraucht, wird die verbleibende übrige Bandbreite der Hoch-Prioritätswarteschlange angeboten. Wenn ferner die Hoch-Prioritätswarteschlange die übrige Bandbreite nicht verbraucht, wird die übrige Bandbreite der Niedrig-Prioritätswarteschlange 136 angeboten. Unter dieser priorisierten Verteilung übriger Bandbreite wird niemals übrige Bandbreite verschwendet, solang gepufferte Pakete vorliegen.
Zugeteilte Bandbreite kann bei dem gewichteten Prioritätswarteschlangenverfahren durch die Programmierschnittstelle eingestellt werden, um eine bestimmte QoS zu spezifizieren und um verschiedene Verkehrsmuster zu erzeugen. Zum Beispiel werden mit Bezug auf das Beispiel 2 von 6 der Steuerprioritätswarteschlange 130 30% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt, der Hoch-Prioritätswarteschlange 132 werden 0% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt, der Mittel- Prioritätswarteschlange 134 werden 50% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt und der Niedrig-Prioritätswarteschlange 136 werden 20% der gesamten Datenstreckenbandbreite zugeteilt. Wenn einer Warteschlange, wie zum Beispiel der Hoch-Prioritätswarteschlange 0% der Bandbreite zugeteilt werden, teilen sich effektiv die Warteschlange mit 0% zugeteilter Bandbreite und die Warteschlange nächsthöherer Priorität übrige Bandbreite gemäß einem reinen Prioritätsschema. In Beispiel 2 wird etwaige übrige Bandbreite aus der Steuerprioritätswarteschlange zuerst der Hoch-Prioritätswarteschlange angeboten, obwohl der Hoch-Prioritätswarteschlange 0% der Bandbreite zugeteilt sind. In Beispiel 3 wird etwaige der Hoch-Prioritätswarteschlange angebotene übrige Bandbreite gemäß einem reinen Prioritätsschema gemeinsam zwischen der Hoch-Prioritätswarteschlange und der Mittel-Prioritätswarteschlange benutzt, obwohl der Mittel-Prioritätswarteschlange 0% der Bandbreite zugeteilt sind.
Einer der Hauptbetriebsaspekte des gewichteten Prioritätswarteschlangenverfahrens der Erfindung ist der Ausgleich zwischen Latenz und Fehler. Im Kontext der Erfindung ist Latenz die Zeitdauer, die zwischen dem Eintritt eines ersten Pakets aus einer bestimmten Warteschlange in eine Ausgangsdatenstrecke und dem Eintritt des nächsten Pakets aus derselben Warteschlange in dieselbe Ausgangsdatenstrecke, nachdem allen anderen Prioritätswarteschlangen ihre zugeteilte Bandbreite angeboten wurde, abläuft. Zum Beispiel ist mit Bezug auf Beispiel 1 von 6 Latenz der Zeitraum, der beginnt, wenn ein erstes Paket aus der Steuerprioritätswarteschlange ausgegeben wird, und dann endet, wenn alle anderen Prioritätswarteschlangen ihre zugeteilte Bandbreite verbraucht haben und während eines neuen Zuteilungszyklus ein zweites Paket aus der Steuerprioritätswarteschlange 130 ausgegeben wird. Die Latenz von Paketen steht direkt mit der gewählten Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit in Beziehung, wobei die Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit das Gesamtzeitintervall für einen Bandbreitenzuteilungszyklus ist. Wenn zum Beispiel die Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit für die Warteschlangen von 6 eine Millisekunde (ms) beträgt, erhält die Steuerprioritätswarteschlange alle eins ms 0,10 ms der Gesamtbandbreite, die Hoch-Prioritätswarteschlange 132 erhält alle eins ms 0,30 ms der Gesamtbandbreite, die Mittel-Prioritätswarteschlange 134 erhält alle eins ms 0,15 ms der Gesamtbandbreite und die Niedrig-Prioritätswarteschlange 136 erhält alle eins ms 0,45 ms der Gesamtbandbreite. Die Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit ist voll programmierbar, und Paketlatenz wird unter Verwendung von Paketgrößen gemessen, die in einem Zeitintervall, das einer spezifischen Warteschlange zugeteilt wird, vollständig weitergeleitet werden können.
Der Fehler ist ein Maß dafür, wie nahe der tatsächliche Bandbreitenverbrauch einer Zielausgangsdatenstrecke den festgelegten Bandbreitenzuteilungsanteilen kommt. Der Fehler wird verursacht, weil, nachdem ein Paket mit dem Senden aus einem Puffer auf eine Datenstrecke beginnt, das Paket weiter gesendet wird, bis die Übertragung abgeschlossen ist. Wenn das Senden eines Pakets länger als das warteschlangenspezifische Zeitintervall (Zeitschlitz) dauert, das für die bestimmte Warteschlange zugeteilt ist, wird die Paketübertragung fortgesetzt und der Fehler wächst proportional zu der verbrauchten Überschußzeit. Der Fehler tritt am stärksten in Übertragungsprotokollen auf, die Pakete variabler Länge zulassen, weil die Größe des auf Transfer wartenden Pakets unvorhersehbar ist. Wenn zum Beispiel der Steuerprioritätswarteschlange alle eins ms 0,10 ms der Datenstreckenbandbreite erlaubt sind und ein Steuerprioritätspaket 0,15 ms braucht, um vollständig von einem Puffer zu der Ausgangsdatenstrecke gesendet zu werden, dann werden für den aktuellen Bandbreitezutei lungszyklus 0,05 ms unzugeteilter Übertragungszeit von der Steuerprioritätswarteschlange benutzt und deshalb müssen die 0,05 ms aus der den Warteschlangen niedrigerer Priorität verfügbaren Übertragungszeit eliminiert werden.
Beim Ausgleich von Latenz und Fehler zur Bereitstellung einer spezifizierten QoS erzeugt eine relativ lange Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit eine höhere Paketlatenz, aber eine niedrige Fehlerrate. Wenn die Latenz zu hoch ist, können Warteschlangen praktisch zwischen Zykluszeiten verhungern und Pakete fangen an, fallengelassen zu werden. Andererseits erzeugt eine relativ kurze Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit eine relativ niedrige Paketlatenz, aber eine hohe Fehlerrate, da mehr Pakete die relativ kurzen warteschlangenspezifischen Zeitintervalle überschreiten, die für Paketübertragung zugeteilt werden. Bei Implementierung von gewichteten Prioritätswarteschlangen in einem Ethernet-Netzwerk mit 100 Mbps, bei dem Paketgrößen im Bereich von 64 Byte bis 1500 Byte liegen, weist eine Bandbreitenzuteilungs-Zykluszeit oder Latenz von 1,28 ms einen Fehler von ungefähr 9,38% auf, und eine Latenz von 163,84 ms einen Fehler von ungefähr 0,7%. Die Fehlerverteilung skaliert sich mit anderen Datenraten.
7 ist ein Prozeßflußdiagramm zum Weiterleiten von Paketen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Schritt 150 wird eine Gruppe konkurrierender Warteschlangen relativ zueinander von einer Warteschlange höchster Priorität bis zu einer Warteschlange niedrigster Priorität priorisiert. In einem nächsten Schritt 152 werden der Gruppe priorisierter Warteschlangen Teile der Bandbreite eines Ausgangs zugeteilt. In einem nächsten Schritt 154 wird die Bandbreite des Ausgangs von Paketen aus den priorisierten Warteschlangen gemäß den jeder Warteschlange zugeteilten Teilen der Bandbreite verbraucht. In einem nächsten Schritt 156 wird die Bandbreite, die nicht gemäß dem zugeteilten Teil durch die Warteschlangen verbraucht wird, auf Prioritätsbasis an die Warteschlangen verteilt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die unverbrauchte Bandbreite vor allen anderen Warteschlangen erst der Warteschlange mit der höchsten Priorität angeboten, und die unverbrauchte Bandbreite wird erst dann der niedrigsten Priorität angeboten, nachdem die Bandbreite allen Warteschlangen höherer Priorität angeboten wurde.
8 ist eine Abbildung der grundlegenden Architektur einer Hardwareimplementierung des bevorzugten gewichteten Prioritätswarteschlangenverfahrens. Die bevorzugte Hardware enthält vier priorisierte Warteschlangen 180, 182, 184 und 186, einen Multiplexer 190, Prioritätslogik 194 und Logik 198 für gewichtete faire Warteschlangen, in einen ASIC eingebettet. Die Logik für gewichtete faire Warteschlangen enthält Register 200, 202, 204, 206 und 208, einen Zähler 210 und Komparatoren 220, 222, 224 und 226. Die Register dienen zum Festlegen der Bandbreitenzuteilungsanteile der Warteschlangen. Der Zähler wird in regelmäßigen Zeitintervallen nach Vorschrift durch einen Systemtakt von einem Maximalwert dekrementiert. Die Komparatoren vergleichen den Zählerwert mit den Registerwerten, um zu bestimmen, welche Prioritätswarteschlange Zugang zu dem Ausgang 230 erhalten soll. Wenn der Zählerwert unter einen der Registerwerte abfällt, wird der jeweilige Komparator ausgelöst und es wird ein Auswahlsignal von dem Komparator zu der Prioritätslogik gesendet. Das Auswahlsignal identifiziert der Prioritätslogik, welcher zugeteilte Teil der Bandbreite aktiv ist. Die Prioritätslogik leitet das Signal zu dem Multiplexer und der Multiplexer überwacht die Warteschlangen, um zu bestimmen, ob Pakete in der gewählten Warteschlange warten. Wenn das Überwachen bestimmt, daß Pakete in der gewählten Warteschlange warten, werden die Pakete zu dem Ausgang weitergeleitet, bis der Zählerwert die nächste Prioritätswarteschlange auslöst. Wenn dagegen nicht genug Pakete vorliegen, um die gesamte Zuteilung von Bandbreite zu verbrauchen, wird die Prioritätslogik aufgerufen, um die unverbrauchte Bandbreite in strikter Prioritätsreihenfolge zu verteilen.
9 zeigt die fünf Registerwerte, die die vier warteschlangenspezifischen Zeitintervalle (Zeitschlitze) entsprechend den Bandbreitenzuteilungen von Beispiel 1 von 6 repräsentieren. Während jedes Bandbreitenzuteilungszyklus zählt der 14-Bit-Zähler von dem Maximalwert von 16384 (2¹⁴) herunter und der Zählerwert wird mit den vier kleineren Registerwerten verglichen. Bandbreite wird den jeweiligen Warteschlangen zugeteilt, wenn der Zählerwert in einem warteschlangenspezifischen Zeitintervall (Zeitschlitz) liegt, das durch die Registerwerte festgelegt wird.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt der Zähler 16 Bit, obwohl nicht unbedingt alle 16 Bit benutzt werden. Tabelle 1 gibt die Beziehung zwischen der gewählten Auflösung des Zählers und der Latenz und dem Fehler eines Systems, das 32-Byte-Zellen mit 100 Mbps sendet, an.
Der Flexibilität halber kann der Betrieb des Switch als ein reiner Prioritätswarteschlangenmodus gewählt werden, oder der Betrieb des Switch kann als gewichteter Prioritätswarteschlangenmodus gewählt werden, auf den sich die Erfindung konzentriert.
TABELLE 1 BITAUFLÖSUNG IM VERGLEICH ZU LATENZ UND FEHLER

Claims

Verfahren zum Weiterleiten von Paketen von einer Mehrzahl konkurrierender Warteschlangen (84, 86, 88, 90) zu einem Ausgang mit endlicher Bandbreite, mit den folgenden Schritten: Priorisieren (150) jeder Warteschlange der mehreren Warteschlangen mit einer Priorität, die relativ zu den anderen Warteschlangen der mehreren Warteschlangen fest ist, wodurch ein fester Priorisierungsbereich definiert wird, der eine Warteschlange höchster Priorität und eine Warteschlange niedrigster Priorität enthält; Vergeben (152) eines Anteils der Bandbreite des Ausgangs an jede der Warteschlangen (84, 86, 88, 90) ; Aufbrauchen (154) mindestens eines Teils der Bandbreite des Ausgangs mit Paketen aus den Warteschlangen (84, 86, 88, 90) gemäß den vergebenen Anteilen, wodurch ein unverbrauchter Teil übrig bleibt, wenn mindestens eine der Warteschlangen (84, 86, 88, 90) den vergebenen Anteil der mindestens einen Warteschlange nicht ausschöpft; und Verteilen (156) von einhundert Prozent des unverbrauchten Teils der Bandbreite an die Warteschlangen (84, 86, 88, 90) auf Festprioritätsbasis, wobei einhundert Prozent des unverbrauchten Teils der Bandbreite zuerst der Warteschlange der höchsten Priorität angeboten und dann einhundert Prozent eines etwaigen übrigen Teils des unverbrauchten Teils der Bandbreite Warteschlangen (84, 86, 88, 90) niedrigerer Priorität warteschlangenweise gemäß dem festen Priorisierungsbereich angeboten wird, bis die gesamte Bandbreite aufgebraucht ist oder keine weiteren Pakete in Warteschlangen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Priorisierens der mehreren Warteschlangen (84, 86, 88, 90) einen Schritt des Priorisierens jeder der Warteschlangen (84, 86, 88, 90) mit einer verschiedenen Priorität relativ zu den anderen Warteschlangen der Warteschlangen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner mit einem Schritt des Priorisierens der Pakete in einen Priorisierungsbereich, der direkt mit dem Priorisierungsbereich der Warteschlangen (84, 86, 88, 90) in Beziehung steht.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Verteilens des unverbrauchten Teils der Bandbreite die folgenden Schritte umfaßt: Anbieten des unverbrauchten Teils an die Warteschlange der höchsten Priorität vor allen anderen der Warteschlangen (84, 86, 88, 90); und Anbieten des unverbrauchten Teils an die Warteschlange der niedrigsten Priorität erst nachdem der unverbrauchte Teil Warteschlangen höherer Priorität der Warteschlangen (84, 86, 88, 90) angeboten wurde.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Aufbrauchens der Bandbreite einen Schritt des Weiterleitens der Pakete an einen Ausgangsport (230) eines Mehrport-Switch (38) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Vergebens von Anteilen der Bandbreite den Schritt des Benutzens einer Programmierschnittstelle zum Setzen von Registerwerten in Schaltkreisen, die den unvergebenen Anteilen der Bandbreite entsprechen, umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Aufbrauchens (154) von Bandbreite die folgenden Schritte umfaßt: Ändern eines Taktzählerwerts in bezug auf einen Systemtakt; und Vergleichen des Taktzählerwerts mit den Registerwerten, um Bandbreitenverbrauch zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Vergleichens einen Schritt des Eingebens des Zählerwerts und eines der Registerwerte in eine Komparatorschaltung umfaßt.
Anwendungsspezifische integrierte Schaltung „ASIC" mit mehreren Warteschlangen (84, 86, 88, 90) in bezug auf um denselben Ausgang konkurrierende Pakete, wobei der Ausgang eine Bandbreitenkapazität aufweist, umfassend: ein Mittel zum Identifizieren einer festen Prioritätsreihenfolge unter den mehreren Warteschlangen (84, 86, 88, 90), wobei eine Warteschlange unter den Warteschlangen (84, 86, 88, 90) eine höchste Priorität aufweist und eine andere Warteschlange unter den Warteschlangen (84, 86, 88, 90) eine niedrigste Priorität aufweist; ein Mittel zum Vergeben eines Prozentsatzes (200, 202, 204, 206, 208) der Bandbreitenkapazität des Ausgangs an jede der Warteschlangen (84, 86, 88, 90); ein Mittel zum Weiterleiten von Paketen zu dem Ausgang gemäß den vergebenen Prozentsätzen; und ein Mittel zum Verteilen von einhundert Prozent einer etwaigen unbenutzten Bandbreitenkapazität an die mehreren Warteschlangen (84, 86, 88, 90) gemäß der festen Prioritätsreihenfolge dergestalt, daß die Warteschlange mit der höchsten Priorität zuerst einhundert Prozent der unbenutzten Bandbreitenkapazität angeboten bekommt und dann Warteschlangen niedriger Priorität einhundert Prozent einer etwaigen übrigen unbenutzten Bandbreite warteschlangenweise gemäß der festen Prioritätsreihenfolge von höchster Priorität zu niedrigster Priorität angeboten bekommen, bis alle Bandbreitenkapazität verteilt ist oder bis keine Pakete weiterzuleiten bleiben.
ASIC nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Vergeben in für die Warteschlangenvermittlung spezifischen Schaltkreisen ausgebildet wird.
ASIC nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Vergeben laufzeitprogrammierbare Register (200, 202, 204, 206, 208) enthält, die auf Registerwerte gesetzt werden, die Zeitintervalle definieren.
ASIC nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Weiterleiten einen Taktzähler enthält, der Zählerwerte erzeugt.
ASIC nach Anspruch 12, wobei das Mittel zum Weeterleiten von Paketen mehrere Komparatoren enthält, wobei jeder Komparator einen ersten Eingang zum Empfangen eines der Zählerwerte und einen zweiten Eingang zum Empfangen eines der Registerwerte aufweist.
Mehrport-Switch (38) mit Eingangsports (72) zum Empfangen von Paketen, Ausgangsports (62) zum Senden von Paketen und einem Koppelfeld zum Lenken von Paketen von den Eingangsports zu den Ausgangsports, wobei der Mehrport-Switch ferner den ASIC von Anspruch 9 umfaßt.
Mehrport-Switch (38) nach Anspruch 14, wobei der ASIC mit Speicher verbunden ist, der Pakete in dem Mehrport-Switch (38) speichert, die bereits durch das Koppelfeld weitergeleitet wurden.
Verfahren zum Weiterleiten von Paketen variabler Länge von einem Ausgangspuffer zu einem Ausgangsport eines Mehrport-Switch, mit den folgenden Schritten: Priorisieren (150) von Ausgangswarteschlangen (84, 86, 88, 90), die Informationen speichern, die die konkurrierenden Pakete variabler Länge repräsentieren, so daß jede Ausgangswarteschlange in bezug auf die anderen der Ausgangswarteschlangen (84, 86, 88, 90) eine unterschiedliche feste Priorität aufweist; Vergeben (152) von Bandbreite des Ausgangsports unter den priorisierten Ausgangswarteschlangen (84, 86, 88, 90) dergestalt, daß die priorisierten Ausgangswarteschlangen vergebene Anteile der Bandbreite besitzen; Weiterleiten (154) von konkurrierenden Paketen variabler Länge, die durch die in den priorisierten Ausgangswarteschlangen gespeicherten Informationen repräsentiert werden, von dem Ausgangspuffer zu dem Ausgangsport gemäß den Bandbreitenvergaben; Überwachen (156) des Weiterleitens der konkurrierenden Pakete variabler Länge, um Bandbreitenvergaben zu erkennen, die durch die konkurrierenden Pakete variabler Länge verbrauchte Bandbreite übersteigen; Anbieten von einhundert Prozent etwaiger übriger Bandbreitenzuteilungen, die durch das Überwachen erkannt werden, an eine Ausgangswarteschlange der höchsten Priorität der priorisierten Ausgangswarteschlangen (84, 86, 88, 90), die ein zu dem Ausgangsport des Mehrport-Switch weiterzuleitendes Paket variabler Länge enthält; und Anbieten von einhundert Prozent etwaiger übriger Teile der übrigen Bandbreitenvergaben an Ausgangswarteschlangen niedrigerer Priorität warteschlangenweise, bis alle übrigen Teile der übrigen Bandbreitenvergaben aufgebraucht sind, wobei die übrigen Teile der übrigen Bandbreitenvergaben in Prioritätsreihenfolge von höchster Priorität zu niedrigster Priorität den priorisierten Ausgangswarteschlangen angeboten werden.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Speicherns die folgenden Schritte umfaßt: Priorisieren (150) der konkurrierenden Pakete variabler Länge; und Speichern der priorisierten konkurrierenden Pakete variabler Länge in ähnlich priorisierten Warteschlangen (84, 86, 88, 90) der priorisierten Ausgangswarteschlangen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Vergebens (152) von Bandbreite einen Schritt des Setzens von Zeitintervalle repräsentierenden Registerwerten in einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung auf Warteschlangen spezifischer Basis umfaßt, während der Mehrport-Switch Pakete weiterleitet.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner mit einem Schritt des Benutzens einer Programmierschnittstelle zum Übersteuern des Schritts des Anbietens von übrigen Bandbreitenvergaben an die Ausgangswarteschlange der höchsten Priorität, wodurch Bandbreite auf reiner Prioritätsbasis verteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner mit einem Schritt des Justierens eines warteschlangenspezifischen Zeitintervalls, um eine Paketlatenzkenngröße des Mehrport-Switch zu ändern.