用于数据业务量平滑的方法和设备的制作方法

专利名称：用于数据业务量平滑的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于 业务量平滑的方法和设备。
在现有技术中，已经公知用于f^业务量平滑(DatenverkehrsgEttung)或'业 务量整形(traffic shaping)"的方法和设备。这样的方法的目的是调节数据传输 速率，以便实现无损失的尽可能连续的数据传输。
这种用于数据业务量平滑的方法适合在通过网络元件(例如路由器)传递 数据分组时使用。在以可变的数据传输速率到达这种网络元件的输入端的数据 分组在这种情况下这样转至股备的输出端，使得在理想情况下输出侧的数据传 ^il率是恒定的，但是至少向上受限。
在这种网络元件中，经常出现这种情况在输入侧到达的数据分组以高数 据传输速率到达，而在输出侧仅能够实现或者仅允许较低的数据传输速率。在 这种情况下该网络元件具有缓冲存储器，用于缓存数据分组，直到其被传递。
输出侧需要的较低的娜传输速率例如可以M31与该网络元件连接的传输 元ft^供，其仅能 1受限的 传输速率。
用于数据业务量平滑的一种公知的方法是令牌桶(Token-Bucket)方法。 为借助相应的软件实现该种方法，周期性地产生"令牌"，其形象地落入桶 ("Buck改")中。该方法规定，对于位于桶内的令牌，确定数目的数据分组允许 通过该设备，其中预定数目的数据分组通过情况下的令牌被册'J除或者从桶内去 除。该设备对于每一令牌允许通过的数据分组的数目对应于数据分组传输速率。 该数据分组传输速率通常可以Mil改变新产生的令牌的时间周期而予以调整。
迄今已知的用于在网络元件处业务量平滑的措施此外具有如下的问题，对 于所有的 分组长度而言，对繊分组传输速率的调整不是最佳的。
该问Mil考察开始时提至啲、与网络元件连接的仅能处理受限的 传 输速率的传输元件变得更直观。劍蹄,如通过在传输元件的输出端处要求的 受限的数据传输速率来得出，因此所述数据传输速率也反作用于该传输元件与 网络元件连接的输入端。如果到达的数据传输速剩每要超过允许的输出侧数据 传输速率，则这种传输元件将拒绝数据分组。在这种情况下被拒绝的数据分组不被传递到输出端，而代之为被删除。
如果在传输元件中执衍办议转换，则被接收的翻分组以已知的方式在其
被传递前配备另一数据管理部分，其在本技术领域也称为"开销(Overhead)"。 在这种情况下协议转换的组成部分此外可以是传输方式的另切换。例如， 到达传输元件的可变数据分组长度的数据分组的要与该数据分组一起传输的有 用信息可以如此重组，使得在传输元件的输出端处仅提供具有恒定数据分组长 度的娜分组。而对于其长度小于基于恒定长度的数据分组的至哒的娜分组， 用任意的填充位填充，这些填充位不包含信息。该填充过程在本技术领域也称 为"填充(Padding)"。所述填充位也是数据管理部分，因此相对于要与数据分 组一起传输的有用信息是开销。数据分组的有用信息在本技术领域也称为"有效 载荷(Payload)"。
亦即在传输元件中附加至徴据分组上的数据管理部分、例如填充位、头或 者尾弓胞输出侧的 传输速率，该数据传输速率由于数据分组的不同的长度
与在网络元件处可调整的 分组传输速率不成比例。
由此可以理解开始时提至啲问题，对娜分组传输速率的调整对于所有的 数据分组长度不是最佳的。在网络元件的给定的数据分组传输速率下，在该传 输元件中为短的数据分组长度所产生的开销比为较长的数据分组长度所产生的 开销大。数据分组传输速率的"小心的"小的调整(其从具有短的数据分组长度 的数据分组预期规律性的高收益，或者还有不规律出现的尖峰)在具有大的数 据分组长度的数据分组的情况下将导致数据吞吐量的效率低的满载 (Auslastung)。反之，育,为ltt数据分组长度的数据分组在网络元件处调整较 高的数据分组传输速率，而该同一数据分组传输速率在短的数据分组长度的情 况下将导致 分组被拒绝。
本发明的任务是说明一种方法，利用所述方法可以用简单的装置实现有效 的 业务量平滑，其不 被传递的 分组的数据分组长度。
ffl31具有权利要求1的特征的方法解决该任务。
本发明如下M用于数据业务量平滑的已知方法，即考虑形式为管理信息 的开销，M后来执行的协议转换中附在数据分组上。
本发明的装置被构造所基于的方法规定，根据等待队列方法缓存和传递到 达的 分组。这样的等待队列方法例如根据FIFO ("先进先出(First In FirstOut)")的原理设计，并且按照可预先给定的数据分组传输速率设置对数据分 组的受控的传递。在这种情况下数据分组传输速率对应于每一时间单元被传递 的 分组的数目。
该方法的根据本发明的改进如下解决不同数据分组长度的问题，即在传递 数据分组前确定，在协议转换过程中在附加管理信息后该数据分组具有何种数 据分组长度。该协议转换在稍后的时刻、亦即在其被传递后例如由在被观察的 网络元件后设置的传输元件进行。该数据分组的传递根据本发明根据所确定的
预期娜分组长^iS行。
这例如意味着，具有短的数据分组长度的多个数据分组由于预期的较高开 销而不像按照从现有技术中已知的用于数据业务量平滑的方法所预期的一样快 地被传递。由此预防数据丢失。
反之，可以用本发明的装置把具有长的数据分组长度的 分组由于上面 说明的预期的较低的开销正像按照从现有技术中已知的用于数据业务量平滑的 方法所预期的一样快地或者甚至更快地传递。
亦即本发明的方法基于这样的思想，要调整的准则不是从执行数据业务量 平滑的网络元件的角度所测量的数据传输速率，而是在协议转换后所测量的数 据传输速率。为调整这样的数据传输速率，保留并且根据本发明通过把数据分 组长度一起考虑至鹏后的协议转换中来精化用于繊业务量平滑的已知體。
该任务以类似方式舰4顿具有并列权利要求6的特征的设备来解决。
本发明的装置的重要优点在于，要达到的数据吞吐量不依赖数据分组大小 地被改善。使用迄今知晓的方法为避免数据分组丢失必须"小心败'微小调M 据分组传输速率，所述调整从具有短的数据分组长度的数据分组预期规律性的 高收益，或者还有不规律出现的尖峰。而在具有大的数据分组长度的数据分组 盼瞎况下对数据分组传输速率的这种微小调整将导致数据吞吐量的效率低的满 载。
本发明的装置的另一重要的优点在于，通过^ffl所述装置在具有短的数据
分组长度的娜分组的高收益盼瞎况下排除M分组被拒绝。
本发明的另夕卜的扩展是从属权利要求的主题。
本发明的扩展方案涉及例如按照已知的令牌桶方法基于周期性产生的令牌 实现已知的等待队列方法。令牌在传递可调 目的在等待队列中等待的数据分组后被删除。可替代地，令牌在传递可调整的 量后被删除，例如在传递1 千字节的情况下。周期性产生的令牌在小的数据吞吐量的情况下为在增长的数
据吞吐量,兄下的 分组传输速率形成'库存(Vomt)"。
本发明的有利的扩展涉及确定被附加的管理信息并从而确定数据分组长 度，该数据分组长度为该数据分组在协议转换过程中附加管理信息后所具有。 根据本发明的改进，至少一个参数可被调整。这里必须注意，预期的所附加的 管理信息的规模不是固定的大小，而是如上述是原来的数据分组长度的函数。 虽然该函数通常是线性的，然而不一定与原来的数据分组长度成比例。除比例 部分外，对于该函数还包括恒定参数，该恒定参数从在被变换的数据分组的开 始或者末尾处所附加的管理信息得出。在开始侧或者在末尾侧所布置的这种管
理信息也经常称为头(Header)或者尾(Trailer),并且此外可以包含用于该数 据分组的数据完整性的可核对性的检验和。按照本发明的另一扩展，由后继的 单元、亦即例如传输单元来传输参数。因为那里的协议转换的方式通常在较长 的时间间隔保持不变，所以通常不需要定期询问。
本发明的物的扩展提供一种用于执行本发明的方法的网络元件，所述网络 元州乍为路由器来构造，用于把计算m^接在宽带连接或者DSL连接上。在这 种情况下传输元件例如是单独的DSL调制解调器，其可替代地与路由器构成一 个单元。
下面根据附图详细说明本发明的具有另夕卜的优点和扩展的实施例。 在此
图l示出结构图，用于示意表示计算机M31网络元件与传输元件的连接； 图2示出结构图，用于示意表示数据分组的多个协议转换； 图3示出结构图，用于示意表示在具有不同 分组长度的数据分组处附
加的管理信息的不同作用；和
图4示出根据本发明修改后的令牌桶方法的图解表示。 下面例如根据DSL (数字用户线(Digital Subscriber Line))连接表示本发
明的方法。这种类型的宽带连接也在家庭领域中越来越多地除了数据通信之外
还被用于语音通信。ilil面向分组的数据网络的语音通信经常也称为VoIP或者
"因特网协iZi:的i吾音(Voice Over Internet Protocol)"。
对于面向分组的语音通信一般必须以较高的优先级在计穀几或者电话机和所连接的数据网络之间交换包含语音信息的数据分组作为用于 通信的数据 分组。虽然在现有技术中已知以下装置，利用该装置将语音通信的数据分组表 征为时间临界的，其方式是所述数据分组包含相应的标识符，但是业务类(语 音通信或者 通信)的这种差别迄今未在所有的通信部件中实现。


图1示出计算机PC，它通过第一连接1与路由器ROU连接。路由器ROU Mil第二连接2与调制解调器MOD连接，后者在其自身侧iiil第三连接3与 面向分组的网络NW连接。路由器ROU相应于前面叙述的意义上的网络元件。
第二连接2通常作为快速以太网来构造，通过，二连接2将路由器ROU 与调审摘早调器MOD连接。这样的连接方式或者助、议保证100MBit/s的最大M 传输速率。位于调制解调器MOD和面向分组的网络NW之间的第三DSL连接 的 传输速率根据连接3的构造保持小若干倍。因此该带宽在下面也称为瓶 颈或荐'Bottleneck (并股员)"带宽，因为它在DSL连接中是翻通信柳蹄咽子。
在舰了由第三连接3所限制的翻传输速率的在第二连接2上的鋼分 组因此在调制解调器MOD中被拒绝，亦即被删除。为避免这种繊丢失，在 路由器ROU中、亦即在本发明的意义上的网络元件中执行用于数据业务量平滑 的方法，所述方法在所连接的传输元件、亦即调制解调器MOD的方向上P蹄iJ
数据分组传输速率。对包含语音通信的数据分组的上述i^同样导致数据业务
量平滑的必要性。
通常在路由器ROU中实现的用于 业务量平滑或者业务量整形的方法 提供令牌桶算法的实现。在这种情况下在路由器ROU处调整固定的数据分组传 输速率，其中可以以该固定的f[^分组传输速率向调制解调器MOD发送 分组。在这种情况下已经表明，不存在任何固定要调整的数据分组传输速率， 其对于所有数据分组长度同样适合。在具有大的数据分组长度的数据分组的情 况下另外附加的管理信息(开销)的作用不像在具有短的数据分组长度的数据 分组的情况下那样强。因ltm于具有长的数据分组长度的数据分组允许较高的 数据分组速率，而在具有短的数据分组长度的数据分组的情况下同一数据分组 传输速率在调制解调器MOD中导致娜分组丢失。
下面根据图3示出该种效果。图3示出第一数据分组P1.1，具有有用数据 部分PL ("有效载荷")。该繊分组Pl.l经历协议转换。协议转换后产生的数 据分组PL2具有附加的(用影线表示的)消息头项或者头HD1.2。头HDU通过相应的协议转换附加在原来的,分组Pl.l上。
另外示出两个第二娜分组P2.1 ，它们在其娜分组长度方面比第一娜
分组P1.1小若干倍。相应的协议转换导致附力碟二头HD2.2，所述第二头在其 大小方面与第一头HDU—致。全部管理信息(这里是所附加的头HD2.2)在 短的 分组的情况下超31在长的数据分组时的管理信息的相关部分。
下面继续参考上述各图的功能单元详细说明协议转换。
图2示出多个协议转换，其对第一娜分组1被执行。第一数据分组1由 1452字节长的有用数据部分PL和20字节长的第一头HD1组成。第一头HD1 fflil协议TCP ("传输控制协议(Transmission Control Protocol)")被插入。
在第二步骤2中插入20字节规模的第二头HD2。 i亥第二头HD2在协议转 换过程中被添加到协议IP ("因特网协议")中。
在继续的第三协议转换3中插入第三头HD3 ，对应于5字节规模的PPP(点 对点协议(Point to Point Protocol))。另外在该协议中插入第三尾TR3。尾是附 加在 分组的末尾的数据管理部分。尾通常包括用于识别和修正传输误差的 信息。这样的信息例如支持循环冗余校验或CRC， "Cyclic Redundancy Check (循 环冗余校验)，，。
在第四协议转换4中插入14字节规模的第四头HD4。此外在该数据分组 的末尾处附加4字节规模的第四尾TR4。相应的协议转换产生以太网帧。
第五协议转换5产生ATM协议(异步传输方式(Asynchronous Transfer Mode))，其中该 分组被分成具有53字节固定长度的多个信元(Zelle)。具 有在宽范围中可变的长度的原先的数据分组的PL的有用数据部分被分成具有 48字节固定长度的多个有用数据部分PL。在此把5字节规模的头标HD5置于 每一 48字节的有用数据部分PL前面。具有规定长度的数据分组通常称为帧。 在最后帧的末尾还附加尾，其在图中未示出。
ATM协iM应于这样一种协议，其在从图1中所说明的第三连接3上以所 谓的"AAL 5"运行。AAL (异步传输方式适配层(Asynchronous Transfer Mode Adaption Layer))表示用于 传输的服务类。第五服务类AAL 5被用于M ATM网纟别专输 分组。例如DSL调制解调器MOD借助AAL5向DSLAM 传输薩。
ffi31协议转换所添加的头的部分以基本成比例的方式增加数据分组相对原来的娜长度所领懂的长度。与此相对，附加的尾基本上引起添加对每一数据 分组恒定的部分，使得不同大小的数据分组延长了恒定的部分。
亦即在调制解调器MOD中所执行的向ATM协议的协议转换既弓胞与数 据分组长度无关的恒定部分，也弓胞成比例繊繊分组长度的部分。
在图1的例子中在路由器ROU中执行的本发明方法现在确定，等待队列 中的各数据分组在M31调制解调器MOD后包括在该数据分组上所附加的管理 信息在内将具有何种数据分组长度。在这种情况下该管理信息由通过AIM层3 头弓胞的恒定部分和通过层2头弓胞的比例部分组成。
根据本发明，在路由器ROU中在向调制解调器MOD传递 分组前确 定，,分组在协议转换过程中在添加了管理信息后具有何种M分组长度。
所添加的管理信息的长度的确定，例如根据至少一个可调整的和/或可传输 的参数进行。该参数例如在计算规定中被使用，该计算规定根据原来的数据分 组长度提供ilil协议转换预期的开销。
在足够的准确度的情况下例如两个参数可被调整，其中第一参数表征管理 信息长度的恒定部分，第二参数表征比例部分，其中，后者依赖于原来的数据 分组长度。
对于调整的可替代地，从调制解调器MOD向路由器ROU传输至少一个 参数是有利的。
接着，对于每一个数据分组确定相对开销，其由所计算的管理信息与所计 算的在协议转换后的数据分组长度之商产生。
使用如此计算的数据分组长度，为在路由器ROU中进行数据业务量平滑 而修改等待队列方法，该方法例如按照已知的令牌桶方法来构造。
图4示出根据本发明修改的令牌桶方法的形象化的表示。为了借助相应的 软件实现该方法，ffi31形象化的产生单元GE周期地产生令牌TK，其中令牌在 其产生后落入形象的桶BU内，并且因I1W于另外不进行数据分组的传递的情 况形鹏存。
迄今已知的令牌桶方法规定，对于位于桶BU中的令牌TK允许确定数目 的数字字节M该设备，其中规定数据字节数M:情况下的令牌TK被删除， 即从桶BU中去除。每一令牌允许 1该设备的数据字节数对应于 传输速 率。根据本发明该方法如下改善，在数据分组P1到达路由器ROU的未图示的 输A^时，根据战计算，该翻分组P1在经过后继的调制解调器M0D后包 括所有管理信息在内将具有何种长度。该长度在在桶右侧的形象化的第二数据 分组P2中表示，其中管理信息用虚线表示。第二数据分组P2就这点而言是虚 构的，因为它仅作为相对于整个数据分组长度的在计算上的大小被处理，并且 仅在协议转换后才在调制解调器MOD中以该翻分组长度存在。相反，第一 数据分组P1作为真实的、要传递的数据分组P1在路由器ROU中存在。
该虚构的第二数据分组P2形象地用令牌TK"填充"。ilil这种形象4tt示 用符号表示，通过删除与娜分组P2的预期长度相应的令牌TK，根据先前所 确定的数据分组长度 行数据分组Pl的传递。
如果虚构的第二i^分组P2的数据分组长度^31桶BU的剩余内容，则仅 当桶BU具有足够数目的令牌TK时才发送翻分组Pl 。在其他情况下发送数 据分组P1并且从令牌桶的内容中减去虚构的第二数据分组P2的数据分组长度。 该减去后的数据分组长度在附图中通过填充第二 分组P2的令牌TK用符号
表不o
本发明的方法具有特别的优点，无论对于短的还是对于长的 分组长度 都保证服务质量，并且无论对于短的还是对于长的数据分组长度都可完全^ffi
DSL连接的全带宽。
权利要求
1用于为多个要传递的数据分组进行数据业务量平滑的方法，包括下述步骤a1)缓存到达的数据分组，b)根据用于数据业务量平滑的等待队列方法传递缓存的数据分组，其特征在于，a2)在传递数据分组前确定，在协议转换过程中在添加管理信息后所传递的数据分组具有何种数据分组长度，a3)根据按照步骤a2)所确定的数据分组长度进行数据分组的传递。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，等待队列方法按照步骤b)根据周期性产生的令牌工作，其中在传递可调整 数目的数据分组或者可调整的数据量后删除令牌。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于， 等待队列方法按照步骤b滩据已知的令牌桶方法来构造。
4. 根据战权利要求之一所述的方法，其特征在于， 所添加的管理信息的规模的确定根据至少一个可调整的和/或可传输的参数进行。
5. 根据±^*又利要求之一所述的方法，其特征在于， 由与网络元件相连接的传输元俗菌入管理信息。
6. 具有用于缓存到达的数据分组和用于根据用于数据业务量平滑的等待 队列方法传递缓存的数据分组的等待队列管理装置的网络元件，其特征在于，用于确定所传递的数据分组在协议转换过程中在添加管理信息后的翻分 组长度的装置；用于根据确定的数据分组长度控制数据分组的传递的装置。
7. 根据权利要求6所述的网络元件，其特征在于，在周斯性产生的令牌的基础上构造等待队列管理装置，其中在传递可调整 数目的数据分组或者可调整的 量后册1滁令牌。
8. 根据权利要求6到7之一所述的网络元件，其特征在于， 作为路由器的构造。
9. 根据权利要求8所述的路由器，具有用于连接DSL调制解调器的體。
10.根据权利要求8所述的路由器，具有集成的DSL调制解调器。
全文摘要
本发明改进用于数据业务量平滑的方法，其中通过考虑管理信息的开销，对到达的数据分组进行缓存和传递，所述管理信息在后来执行的协议转换中附加在该数据分组上。本发明以下述方式解决不同数据分组长度的问题，即在传递数据分组前通过路由器确定在协议转换过程中在添加管理信息后该数据分组具有何种数据分组长度。该协议转换在稍后的时刻例如由DSL调制解调器进行。亦即本发明的方法基于思想要调整的准则不是从执行数据业务量平滑的网络元件的角度所测量的数据传输速率，而是在协议转换后的数据传输速率。本发明方法尤其具有优点无论对于短的还是长的数据分组长度都保证服务质量，因此无论对于VoIP还是数据传输都可完全使用DSL连接的带宽。
文档编号H04L12/56GK101427529SQ200780011748
公开日2009年5月6日 申请日期2007年1月10日 优先权日2006年3月31日
发明者O·维茨 申请人:西门子企业通讯有限责任两合公司