帧中继网络中过载情况的控制 本发明涉及在帧中继网络中用于拥挤管理的根据权利要求1前序部分的方法和根据权利要求7前序部分的系统。
拥挤是指这样一种情况：在特定时间，在某网络点(称为瓶颈资源)处传输请求数超过传输容量。拥挤通常导致过载状态，其结果是，例如缓冲器溢出，因此网络或者用户将重新传输包。拥挤管理(CM)的功能是维持传输请求与传输容量之间的平衡，使得瓶颈资源在最优级上工作，并且以确保公正的方式向用户提供服务。
拥挤管理可以分为拥挤避免(CA)和拥挤恢复(CR)。拥挤避免方法的目的在于：通过根据网络拥挤状态动态调节用户的带宽，并且/或者通过向网络路由报警，使得瓶颈资源地部分通信负载转移到空闲资源上，来防止网络中产生拥挤。而恢复方法的目的是：如果避免方法已经不能防止产生拥挤，则将瓶颈资源的工作恢复到最优级。
帧中继(frame relay FR)技术是一种取代当前所用的包交换网络连接的用于传输变长帧的包交换网络技术。当前包交换网络中广泛采用的协议(X.25)需要足够的处理，并且传输设备昂贵，其结果是速度也低。这些情况是因为这一事实：X.25标准是在所用的传输连接仍然非常容易出现传输错误时开发的。帧中继技术的出发点是相当低的传输线路错误概率。因此已经能够放弃帧中继技术中的某些不必要的功能，这使帧传递迅速且有效。帧方式载体服务(Frame Mode Bearer Service)一般在CCITT荐议I.233(参考文献1)和荐议Q.922(参考文献2)中相关的协议中描述。FR网络中的拥挤和拥挤管理机制在CCITT荐议I.370(参考文献3)中描述。为了更详细地描述FR技术，请参考1991年4月McGrawHill公司的Datapro Management of Data Commumications的An Overview of Frame Relay Technology(参考文献4)以及上述荐议。
在当前所用的FR网络分级结构中，节点具有仅与物理通道相应的接收和发送缓冲器，即，几个不同虚拟通道的通信和应用经过相同的缓冲器。对来自节点的链路输出，尽可能地排空缓冲器，而不考虑网络中总的拥挤程度。因此，尽可能多地加载来自节点的链路输出，即使在较接近网络中心(在拥挤节点处)时将可能放弃该帧。除了浪费网络资源之外，在网络中继节点处放弃帧影响以较长吞吐量延迟的形式利用网络的应用系统(虚拟通道是指具有一条传输链路长度的虚拟连接部分，而虚拟连接是实际的包交换端对端FR连接)。
即使在用户连接处根据通用服务参数Bc、Be和CIR对自虚拟通道所接收的通信进行监测，当从用户节点传送帧时，该监测也不起作用。[参数Bc(提交的脉冲串大小)代表在某时隙Tc(一般Tc＝1秒)内在网络上用户能够传输的最大数据量；参数Be(剩余脉冲串大小)代表在时隙Tc内用户能够超过值Bc的数据量；而参数CIR(提交的信息率)代表网络在正常状态下所保证的数据传输率，CIR＝Bc/Tc。这些参数在参考文献3中定义。]帧被从接收缓冲器按选定路线送到正确的通道专用的传输缓冲器。到达节点的帧从而根据FIFO原则经过整个节点。由于帧中继网络中通信的突发性，从上述经常可以推定一条虚拟通道占用一个节点的缓冲和中继容量的主要部分。这影响了向该节点提供通信的具有更长吞吐量延迟和更高帧丢失概率的其他虚拟通道。甚至一个具有高突发性或不可满足性的虚拟通道可能使该连接的其他虚拟通道的服务水平下降很大。
本发明的目的是避免上述缺陷，并提供FR网络中的一种新型的拥挤管理方法，以允许比以前更公正地和更有效地利用网络资源。这是通过本发明的方法实现的，其特征在于权利要求1的特征部分中所公开的内容。本发明的系统的特征在于权利要求7的特征部分中所公开的内容。
本发明的构思是，将拥挤通知从网络节点传输到其帧在该节点接收的虚拟通道的用户节点，并例如根据这些拥挤通知所指示的网络中的拥挤等级，在用户节点的虚拟通道专用缓冲器中控制由每条虚拟通道从用户节点向网络提供的通信量。
本发明的方法允许在所有用户之间公正划分单个节点，以及最终整个网络的中继容量。
下面，将参照附图中所示的例子更详细地描述本发明及其最佳实施方式，其中
图1示出根据本发明的方法的典型工作环境，
图2示出根据本发明的FR网络用户节点，
图3示出FR网络中待传送的帧的格式，
图4示出网络中拥挤通知的传递，
图5a示出在第一示例情形下根据拥挤通知改变带宽，
图5b示出在第二示例情形下根据拥挤通知改变带宽，以及
图6示出根据本发明的FR网络中继节点。
帧中继网络能够由几种不同的应用系统使用，它们不需要类似的服务。因此，考虑到两个最重要的参数(帧丢失概率和延迟)，在根据应用系统将服务分为不同种类的网络中，采用本发明的方法是有利的。这样一种解决方案公开在芬兰专利申请第925671号中。在该申请中，提出将服务分为以下三类：
-第一服务类(种类1)提供交互式服务，延迟短，
-第二服务类(种类2)提供低的帧丢失概率，没有任何明显察觉的延迟，
-第三服务类(种类3)既提供短的延迟又提供低的帧丢失概率。
以这种方式实现的网络的每个中继连接具有服务种类专用的缓冲器，每个服务种类一个。而一个用户节点在用户连接侧具有虚拟通道专用的缓冲器。下面将更详细地描述这些解决方案；另外请参照以上所引用的芬兰专利申请。
图1示出提供公众网络服务的FR网络，即对单个公司或多个公司的不同办公室A…E的局域网络11进行互连的帧中继网络12。每个办公室的局域网络11经过一个局域网桥13和分别由标号14a…14e所指的数据链路使用FR服务。在FR用户A…E与FR网络节点N之间的连接自身是公知的，因此在此不做更详细地描述。有关在互连中所用的局域网络和桥的更详细的信息可见如1991年2月《电信》中Michael Grimshaw LAN InterconnectionsTechnology的文章，并且见1991年的Lhiverkko-opas，LeenaJaakonmaki，Suomen ATK-kustannus Oy，在此将它们作为参考文献。
FR网络的已知节点结构的一般特征是对所有帧使用相同缓冲器，假定它们被按选定路线送到相同的物理连接。相反，根据本发明，在所有网络节点的输出边界和具有中继连接的输入边界设置与上述服务种类相应的缓冲器。图2示出在网络中一个中继节点处的这类解决方案。该节点接收在用户连接的桥13(图1)中所原始装配的FR帧。在桥13中，用户LAN11的帧插到FR帧的信息域中(时序位和其他类似位例外)。图3示出在FR帧39的信息域中插入LAN帧38。也示出一种一般FR网络帧格式，在信息域之前的地址域包括两个八位字节(位1至8)。第一个八位字节的位3至8和第二个八位字节的位5至8构成一个数据链路连接标识符DLCI，它向节点指示例如一个特定帧所属的虚拟连接和虚拟通道。虚拟通道通过数据链路连接标识符相互区分。然而，数据链路连接标识符仅在单个虚拟通道上是非歧义性的，在到下一虚拟通道的转变中，它在节点中可能改变。第二地址域八位字节的第2位，称为DE位(放弃合格指示符)，对于帧的放弃也是重要的。根据CCITT荐议，例如在拥挤状态下，如果一个帧的DE位已被置为1，则允许放弃该帧。因为FR帧中的其他位与本发明无关，所以在此不对它们做更详细的说明。为了更详细地描述，参考上述参考文献2和4。
在网络外围的用户节点(图2)处，用户连接14a、14b等(在图2所示的例子中，它们连接到同一节点)，首先连接到一个标识部件61，该部件接收在桥13(图1)中所形成的FR帧。该标识部件61从帧的地址域中读数据链路连接标识符DLCI，并将该帧送到与标识符所指示的虚拟连接相应的输入缓冲器621…62n。每条数据链路具有一个专用选择器S3，它从每个虚拟通道的输入缓冲器中选择帧，并将帧送到集中式路由器16，该路由器又将帧送到正确数据链路(图中只示出一条输出数据链路)的分类部件43。分类部件43从帧的地址域中读标识符DLCI，并从表T中选择与标识符所指的虚拟通道相应的服务种类。在分类已经完成的基础上，分类部件43将每个帧加到与该帧的服务种类相应的输出缓冲器64a、64b或64c。每条输出数据链路因此具有三个输出缓冲器，每个服务种类一个。选择器S4从这些服务种类专用的缓冲器选择帧，并将帧送到中继连接。
由用户在FR网络上传输的通信如此在每条虚拟连接专用的用户节点的输入侧得以缓冲。输入帧39在每条虚拟连接上动态地链接起来。根据虚拟连接的服务种类，链长度具有预定的可允许最大值；在服务种类1和3时该值较小，而在服务种类2时该值较大。选择器S3读例如与分配给它们的通信量成比例的缓冲器621…62n等，从而满足公正原则。
根据本发明，由每条虚拟通道提供到网络12的通信量在虚拟通道专用的缓冲器621…62n中受到调节，使得通信量根据网络中拥挤的等级围绕分配给该通道的基值而变化。因此，提供给网络内部的通信总量是以分配给虚拟通道的服务等级、带宽和网络中总的拥挤等级为基础的，其中，服务等级和带宽确定某个基值，围绕该值，根据网络中总的拥挤等级调节通信量。该调节是通过从网络向其帧被收到的虚拟通道的用户节点传输拥挤通知来执行的；在预定长度的给定时间间隔内，从与该虚拟通道相应的用户节点缓冲器向网络提供的通信量，根据在该间隔内从网络收到的拥挤通知的内容受到控制。图2中由标号M所指的拥挤通知连接到用户节点中控制选择器S3的控制部件65，所述控制部件根据拥挤通知的内容控制从每条虚拟通道专用的缓冲器所读的数据的量。每个缓冲器因而根据其自身参数和其自身拥挤通知而排空。
对于用户节点，本发明的方法能够比为闸门：每条虚拟通道专用的缓冲器允许将向网络发送的通信，由起闸门作用的系统控制(通过控制部件65)，该系统限制从缓冲器读的数据量，即调节虚拟通道的带宽。
该闸门是与上述服务参数Bc相联的系统，在某个时间周期内，它只允许从虚拟通道专用的缓冲器向网络传输某些量的数据送到网络。至于监测虚拟通道带宽的方案，能够使用具有例如Tc/3(Tc具有经常为1秒的长度)长度的时间间隔。在具有Tc/3长度的每个间隔期间，将缓冲器向朝向网络的输出连接排空，其量为闸门高度所允许的量。剩余的帧留在缓冲器中，等待下一Tc/3的间隔。
根据本发明，网络的节点在向后的方向上将上述拥挤通知M传输给用户节点。这些拥挤通知指示在该节点处缓中器的填充率。这种机制示于图4。网络的节点由标号N1…N4指示，用户由标号S指示。当在网络节点(例如图2中的节点N1)服务种类专用的缓冲器超过某填充率，例如20％，则该节点在向后的方向上将一个拥挤通知传输给其帧被收到的虚拟通道的用户节点(图4中的N2)。节点(N1)如上所述利用数据链路连接标识符DLCI标识正确的虚拟通道。
在用户节点确定每条虚拟通道专用缓冲器的排空率的闸门高度(即提供给虚拟通道的带宽)根据在所述虚拟通道上从网络接收的拥挤通知的内容以这样一种方式得到调节，使得较高的负载对应较小的带宽。在间隔Tc/3期间对带宽的调节最好是根据在所述间隔期间所收到的最严重的拥挤通知执行的。如果虚拟通道在间隔Tc/3期间内未收到任何拥挤通知，则根据本发明，在下一间隔开始时，自动增大该通道的带度。该增大可以确定为例如10％。带宽的初值是为该通道分配的值Bc＋Be，即在任何情况下都不允许超出的最大通信量。
通过拥挤通知，能够指示例如三种不同等级的拥挤，从而与它们相应的带宽的改变(都根据最大值计算)，例如可以与下表中所指的类似。
拥挤通知的严重程度带宽的改变 1 -10％ 2 -15％ 3 -20％
为说明上述原理，图5a和5b示出根据本发明的调节的两个不同例子。纵轴代表闸门高度(即带宽)，而横轴代表时间，由长度为Tc/3的连续间隔组成。在图5a所示的情形下，首先收到严重度为1的拥挤通知M，从而立即降低带度。之后收到严重度为2的第二个拥挤通知M，从而再次立即降低带度。最后，在间隔Tc/3期间收到具有严重度为3的第三个拥挤通知M，从而又立即降低带宽(于是具有最低可能值)。因为在随后的间隔Tc/3期间未收到拥挤通知，所以在该间隔之后(在随后间隔Tc/3的开始处)，通道的带宽自动增大(时刻T2)。
在图5b所示的情形下，在时域内拥挤通知的次序相反。首先收到严重度为3的拥挤通知，从而立即将带宽降到最低可能值。在其他间隔期间收到的拥挤通知不再改变带宽，而不管其严重度如何。如果首先收到严重度为2的拥挤通知，则只有严重度为3的拥挤通知造成进一步降低带宽。
根据本发明，当在当前间隔期间内收到目前最严重的拥挤通知后，立即降低带宽，但是只有在间隔Tc/3期间未收到拥挤通知时，带宽才会增加。在该情形下，在当前间隔已经结束后开始增加。
如果带宽已经超出值Bc，则在收到第一个拥挤通知后，根据本发明的一个最佳实施方式，它立即降至值Bc，因而在该特定情形下，不遵循为改变设定的上述限制。这保证最终对瞬时拥挤进行快速反应。然而，在所有情形下，带宽是如上所述向上调节的。
与位于网络节点的缓冲器的填充率相关的拥挤通知的严重性的每个程度，可以设定为例如与下表所给的填充率限制相应：
总缓冲容量上所计算的填充率拥挤严重度 20…39％ 1 40…59％ 2 60…100％ 3
网络的每个节点连续监测服务种类专用缓冲器的填充率。当在拥挤节点收到一个新帧时，该节点在该帧接收方向上向当前虚拟通道的用户节点发送一个拥挤通知M。如果缓冲器的填充率小于20％，则输入帧并不导致发送拥挤通知。在发送拥挤通知的同时，在该节点由一个定时器设置预定长度的间隔T1；在该间隔期间，不向所涉及的虚拟通道发送新的拥挤通知。间隔T1的长度例如可以是100ms(即大约是间隔的三分之一Tc/3)。以这种方式，确保在该虚拟通道上产生突发串时不徒劳地发送几个拥挤通知。当定时器计时结束时，如果必要，则可能再次向虚拟通道发送拥挤通知。
拥挤通知M应极快地传送到出口节点，以使能够对拥挤做出快速反应。根据本发明最佳实施方式，这些拥挤通知形成一个单独的第四服务种类，为此在节点处设置单独的服务种类专用的缓冲器。对于用户节点，这意味着节点输出侧设置有第四输出缓冲器，在图2中标以虚线和标号64d。
对于网络的中继节点，该实施方式标示图5，其中与拥挤通知的服务种类相应的缓冲器44d和45d由虚线指示。在中继节点，上述格式的FR帧39首先连接到每条数据链路专用的分类部件43。分类部件43从该帧的地址域读数据链路连接标识符，并且选择与该标识符所指的虚拟通道相应的服务种类。虚拟通道和各服务种类存储在表T中。在已经完成的分类的基础上，分类部件43将每个帧加到与帧的服务种类相应的输入缓冲器中。每条输入数据链路因而具有四个输入缓冲器，每个服务种类1至3一个，并且拥挤通知有一个。每条数据链路具有一个专用的选择器S1，它从服务种类专用的缓冲器中选择帧，并将它们送到节点内。在中继节点的输出侧，将帧连接到与其自身数据链路相应的接口。在此接口，根据在节点输入侧所选择的服务种类，将它们提供到服务种类专用的输出缓冲器之一，从这里，选择器S2又将帧读到中继连接中。因而每输出数据链路有四个输出缓冲器，每个服务种类1至3一个并且拥挤通知有一个。另一方案是，可以为每条数据链路，甚至在节点的输出侧，单独设置分类部件，在此情形下，不必在节点内传送分类数据。
上述通信控制允许单个节点(最终是整个网络)的中继容量在不同用户之间得以合理划分。即使通信的突发性引起瞬时拥挤，本发明的方法也允许通过对发送突发串的通道所发送的另外通信进行缓冲而有效地控制通信。这样，在所承担的通信的限度内工作的通道仍使其通信经过短的延迟而通过网络。从而在每条虚拟通道上的通信围绕值Bc变化。
在连续拥挤时，过程是类似的，只是当虚拟通道专用的缓冲器溢出时必须放弃超过网络中继容量的通信。甚至在这样的情形下，放弃通信影响使网络过载的虚拟通道；其他通道的通信几乎根本不必减慢。为了放弃帧，使用在共同未决的芬兰专利申请No.93xxxx中所公开的方法是有利的，根据该方法，当在已满的缓冲器中接收一个帧时，放弃缓冲器的全部内容。为更详细地描述该方法，参阅上述共同未决专利申请。
如果在网络中有空闲中继容量，则不发送拥挤通知，从而通道带宽可以增至为其设置的最大值Bc＋Be。在该情形下，承担的通信和超量的通信两者都被从缓冲器读到网络内部。从而即使在静态时刻，也将利用网络的容量，并且正确地处理另外的通信。
尽管已经参照附图中所示的例子描述了本发明，但是显然，本发明并不限于这些例子是明显的，而是可以在以上所公开的发明构思和后附权利要求的范围内进行修改。具体地说，例如，节点的内部结构可以以许多方式改变，即使根据本发明的思想进行基于拥挤通知的调节。例如，在间隔Tc/3内，选择器S3能够对每个虚拟通道专用的缓冲器读一次或几次。拥挤通知的严重度也可以与其拥挤等级受到连续监控的任何资源有关。在这种情形下，例如，能够采用在芬兰专利申请No.925670中所公开的方法，根据该方法，对网络的一个资源确定拥挤等级，拥挤等级的值与服务等级具有某种关系。