Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermittlung einer Mehrzahl von paket-orientierten Signalen.

Bei solchen Datennetzwerken ist es erforderlich, die Daten in Form von Datenpaketen von einer Quelle zu einem Ziel zu füh- ren. Dazu ist ein entsprechendes Vermittlungssystem erforder- lich. In den letzten Jahren ist die Übertragungskapazität bzw. die Datenübertragungsrate in Netzwerken stark angestie- gen, so dass auch die Anforderungen an diese Vermittlungssys- teme stetig stiegen. Dies führte zur Notwendigkeit, Vermitt- lungseinrichtungen, insbesondere Switches und Router, zu ent- wickeln, die einen Datendurchsatz im Multi-Gigabit-bzw. so- gar Terabit-Bereich aufweisen. Bei derart hohen Übertragungs- geschwindigkeiten lassen sich die erforderlichen Netzwerkpro- tokolle nur noch als Hardware realisieren, um die notwendigen Antwortzeiten realisieren zu können.

Vermittlungseinrichtungen für diese hohen Übertragungsge- schwindigkeiten werden nach einer Möglichkeit unter Verwen- dung einer aktiven Backplane realisiert. Hier werden vor al- lem Crossbar-Architekturen eingesetzt, die vollständig paral- lel arbeiten, so dass der Durchsatz derartiger Einrichtungen von der Geschwindigkeit der Schaltvorgänge des Crossbar, der Anzahl der einzelnen Ports und dem intern verwendeten Kom- munikationsprotokoll begrenzt ist.

Crossbar-Architekturen arbeiten üblicherweise mit mehreren Port-Chips zusammen, die über Interfaces mit einem zentralen Crossbar-Chip verbunden sind. Bekannte Crossbar-Chips bein- halten üblicherweise Pufferspeicher, um bei auftretenden Kol- lisionen Pakete oder Zellen zwischenzuspeichern.

Weitere Bestandteile der Vermittlungseinrichtungen sind Con- tention-Resolution-Einheiten (Zellkonflikt-Auflösungsein- heiten), die den Verkehr zwischen den einzelnen Ports regeln, falls ein Port von mehreren anderen Ports Daten empfangen soll. Aus den Druckschriften 19935127.9 und 19935126.0, sowie ihren Verweisen, kann entnommen werden, wie solche Zellkon- flikte aufgelöst werden können.

Ein weiterer Bestandteil von Vermittlungssystemen sind Puf- ferspeicher, die erforderlich sind, um Spitzen in der Über- tragungsrate bei Systemen mit variabler Datenübertragungsrate - beispielsweise Systemen, bei denen verschiedene Dienste auf denselben Leitungen übertragen werden-abfangen zu können.

Weiterhin arbeiten Protokollverarbeitungseinheiten bzw. ent- sprechende Chips auf diesem Pufferspeicher, die den nächsten Port ermitteln, an den das Informationspaket bzw. die Zelle zu übermitteln ist. Die Protokollverarbeitungseinheiten bestimmen anhand des Headers und entsprechender Tabellen, an wen das Paket bzw. die Zelle weitergeleitet werden muss. So kann es für eine Multiprotokollumgebung mehrere Tabellen ge- ben, die für die Verarbeitung von z. B. ATM, MPLS und IP Pro- tokolle herangezogen werden müssen.

Nachteilig bei diesen bekannten Systemen ist der relativ hohe Realisierungsaufwand, da praktisch die gesamten Protokollme- chanismen wegen der hohen Übertragungsgeschwindigkeit als Hardware realisiert werden müssen. Insbesondere das Vorsehen von Pufferspeichern und zugehörigen Hochgeschwindigkeitsüber- tragungswegen für die interne Datenübertragung von und zu den Pufferspeichern führt zu einem beträchtlichen Teil des Ge- samtaufwands bei der Realisierung von derartigen Vermitt- lungseinrichtungen.

Die meisten der auf dem Markt erhältlichen Vermittlungssyste- me für Paketnetze und deren Elemente basieren auf einer hop- by-hop Weiterleitung der Pakete durch die Vermittlungssysteme. Dabei wird umso höherer Verarbeitungs- aufwand induziert, je höher die Protokollschicht und deren

Komplexität ist, auf der die Entscheidung getroffen wird. In der Regel wird eine Entscheidung auf der Schicht 1 oder Schicht 2 bzw. Layer der Kommunikationsschichten getroffen.

Diese Schichten sind in der Regel jedoch abhängig von der speziellen Netzwerktopologie, welche die Vermittlungseinheit miteinander verknüpft. Sie umfassen in der Regel nicht über- greifende Topologien.

Daher wurden in der Vergangenheit vereinfachte Paketweiter- leitungsverfahren entwickelt wie MPLS, ATM (siehe entspre- chende RFCs) etc., die z. T. auch Topologie übergreifend ein- gesetzt werden können.

Aufgrund der limitierten Memory-Bandbreiten bestehen die grö- ßeren Vermittlungseinheiten aus mehreren Protokollverarbei- tungseinheiten, die über Koppeleinheiten (z. B. den oben er- wähnten aktiven Crossbar-Backplanes) zusammengebunden werden (vgl. z. B. DE 19935126.0). Die hierzu verwendeten Koppelein- heiten haben aufgrund ihrer einfachen Struktur und der gerin- gen Memory-Größenanforderungen (ermöglicht durch eine Koordi- nierung der über die Koppeleinheiten laufenden Paketströme) eine sehr hohe Leistungsfähigkeit, die bis in den Terrabit- Bereich geht. Ein entsprechender Aufbau einer Vermittlungs- stelle, die eine sehr hohe Leistungsfähigkeit besitzt, ist <BR> <BR> aus der Druckschrift J Chao : "Saturn : A Terabit Packet Switch Using Dual Round Robin"in IEEE Communications Magazine, Dez.

2000,5. 78-84 zu entnehmen. Dieser Druckschrift ist ein Round-Robin-Verfahren zu entnehmen, nach dem den Ein- gangsports entsprechende Ausgangsports zugeordnet werden.

Ein wichtiger Grund für die Entwicklung vereinfachter Proto- kolle wie ATM, MPLS war, die Wegeentscheidung in den Proto- kollverarbeitungseinheiten zu vereinfachen und abzukürzen.

Beim Stand der Technik durchlaufen jedoch bisher die Pakete immer noch dieselben Verarbeitungseinheiten mit der gleichen Anzahl von Protokollverarbeitungseinheiten. In den Protokoll- verarbeitungseinheiten erfahren unterschiedliche Pakettypen eine unterschiedliche Bearbeitung. In der Regel wird eine Un- terscheidung nach Art der Protokolle vorgenommen.

Die begrenzte Bandbreite der Paketpufferspeicher in den Pro- tokollverarbeitungseinheiten begrenzt jedoch weiterhin den Gesamtpaketdurchsatz pro Protokollverarbeitungseinheit. Die entsprechende (in 1. Erwähnte) Zusammenschaltung der Proto- kollverarbeitungseinheit muss im Bereich der Speicherverwal- tung durch ein entsprechendes Zusatzprotokoll zwischen den Bausteinen koordiniert werden (d. h. im Prinzip wird damit ein großer, verteilter, virtueller Gesamtpaketpuffer gebil- det, vgl. DE 19935127.9). Dies führt jedoch einerseits zu ei- nem großen Bandbreitenbedarf für diesen zusätzlichen Proto- koll-Overhead und andererseits zur Notwendigkeit, in die Pro- tokollverarbeitungseinheit zusätzliche Kommunikationseinhei- ten für die entsprechenden verteilten Speicherkoordinierungs- protokolle zu integrieren.

Auf der anderen Seite werden die Koppeleinheiten bisher zwar immer leistungsfähiger, aber es existieren nur interne Schnittstellen zu den jeweiligen-Protokollverarbeitungsein- heiten, in denen jedes Packet eine vollwertige und aufwendige Verarbeitung erfährt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine schnelle und kostengünsti- gere Vermittlungseinheit bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung und ein Ver- fahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Ausführungsformen und ihre Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Durchführung ei- ner mindestens zweistufigen Protokollverarbeitung. So weist jeder Port einer Koppeleinheit mindestens eine Protokollein- heit auf, die in der Lage ist, eine einfache Klassifizierung der ankommenden Pakete durchzuführen und einfache Protokolle schnell zu verarbeiten. Weiterhin sind Anschlüsse der Koppel- einheiten vorgesehen, die über ein Netzwerk innerhalb oder außerhalb der Vermittlungseinheit mit einer weiteren Proto- kolleinheit verbunden sind, die komplexere Analysen für kom-

plexere Protokolle durchführen kann. So werden Pakete, die vereinfachten Protokollkonzepten entsprechen, wie ATM und MPLS, direkt in der Koppeleinheit verarbeitet und sofort wie- tergeleitet. Zu den komplexeren Protokollverarbeitungseinhei- ten werden nun nur noch diejenigen Pakete bzw. Informationen über die Pakete über das Netzwerk geleitet, die dort auf den höheren Protokollschichten verarbeitet werden müssen ; die entsprechende Paketweiterleitung erfolgt dann mittels der Koppeleinheiten. Die Koppeleinheiten übernehmen auch das Wie- terleiten des Paketes, nach dem der Ausgangsport bzw. Ziel- port durch die Protokolleinheit für komplexe Protokolle fest- gestellt wurde. Moderne vereinfachte Protokollkonzepte weisen eine strenge Teilung zwischen Steuerung/Signalisierung und Daten-Transport auf (z. B. MPLS mit LPD/RSVP-TE (Internet Draft), (Verfahren zur Initialisierung von MPLS-Pfaden), (I- <BR> <BR> PoverWDM-Konzepte, vgl. z. B. RFC3031/3032/3034/3035) ). Durch die vorliegende Erfindung wird der Daten-Transportaufwand sehr einfach gehalten, der Pufferungsaufwand (Memory und Me- mory Speed) wird sehr stark limitiert und der Koordinierungs- aufwand zwischen verteilten Puffern sehr stark reduziert (mittels Traffic Engineering und Verbindungsannahme/aufbau).

Der Steuerungs-/Signalisierungsverkehr kann somit unter- schiedlich komplex und im Verarbeitungsaufwand auch von der Lastsituation (Verbindungshaltedauer) abhängig stark variie- ren und kann trotzdem dynamisch und flexibel behandelt wer- den.

Aufgrund der neueren Strukturen der Netzwerke erfolgt der Großteil der Paketverarbeitung nicht mehr in den klassischen Protokollverarbeitungseinheiten, sondern es finden zunächst nur noch eine stark vereinfachte, schnelle Klassifizierung und Identifizierung in den internen Koppeleinheiten statt, die sowohl elektrischer als auch optischer Natur sein können.

Die bekannten Vermittlungseinheiten werden nur noch in Aus- nahmefällen eingesetzt. Somit müssen die Protokollverarbei- tungseinheiten nur noch diejenigen Pakete bearbeiten, die für die Signalisierung nötig sind (z. B. Steuerungspakete) und in den Fällen, bei denen eine Bearbeitung auf höherer Ebene nö-

tig ist. Die Koppelmatrix trägt nun den Hauptaufwand der Pa- ketweiterleitung und ist über in der Regel einfachste und standardisierte Interfaces (Point to Point) mit dem Netz ver- bunden. Hierzu kommen vor allem HDLC ähnliche Protokolle in Frage, wie z. B. das Simple Data Link Protocol (SDL, vgl : Doshi, B. et al. :"A Simple Data Link Protocol for High Speed Packet Networks", Bell Labs Technical Journal, pp. 85- 104, Vol. 4 Nr. 1).

In einer weiteren Ausführungsform sind die Ports mit opti- schen Leitern verbunden. Bei einem möglichen mehrstufigen Verfahren sind rein optische Lambda-Cross-Connectoren mit/ohne Wellenlängenkonversion mit MPLS/ATM-Kopplern und IP- Router-Engines verbunden. In zukünftigen Ausführungsformen werden für das Routing Netzwerkprozessoren verwendet, die ü- ber entsprechende Softwarelösungen an zukünftige komplexere Protokolle anpassbar sind.

Insgesamt führt die Lehre der Erfindung zu geringeren Anfor- derungen an die Paketverarbeitungsleistung der Gesamtarchi- tektur. Auf den Gesamtdurchsatz bezogen, wird die vollständi- ge, d. h. auf komplexe Protokolle bezogene, Protokollbearbei- tung eine reine Ausnahmebehandlung. Eine flexible Anzahl der Protokollbausteine kann entsprechend den Anforderungen ange- schlossen werden. Der Gesamtdurchsatz wird im größeren Maße durch die Koppeleinheiten selbst bestimmt, was zu einer Leis- tungssteigerung führen kann.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein vollständig neues Design von Vermittlungseinrichtungen bereitgestellt.

Die Koppelbausteine weisen Anschlüsse auf, die die Verbindung zu einem externen Netzwerk ermöglichen, und besitzen an ihren Eingängen Einheiten für eine schnelle Klassifizierung der Da- tenpakete in solche, die in der Koppeleinheit selbst voll- ständig weiterverarbeitet werden, und solche, die an die Pro- tokollverarbeitungsbausteine weiterzuleiten sind. Dieses Netzwerk ist lediglich zuständig für die Kommunikation mit den Protokolleinheiten. Es erfolgt somit eine strenge Tren-

nung zwischen Control und Transportdatenverkehr auf der Ebene der Einheiten und Baugruppen.

Die Koppeleinheiten werden mit einer zusätzlichen Logik ver- sehen, die einen Großteil der Entscheidungen übernimmt, die in der Vergangenheit durch Protokolleinheiten übernommen wur- den. Lediglich der Fluss von Informationen, die durch komple- xere Protokolle gesandt werden, wird durch die bekannten Pro- tokolleinheiten gesteuert. Hierdurch erfolgt ein Verzicht auf die Bearbeitung eines Großteils der Pakete in den Protokoll- bausteinen. Der Großteil der Paketlast wird bereits auf nied- rigster Protokollebene verarbeitet.

Im Folgenden wird anhand von Figuren der mögliche Aufbau ei- ner erfindungsgemäßen Vermittlungseinheit beschrieben. Es zeigt : Figur 1 einen detaillierten Aufbau einer Vermittlungseinheit, deren Koppeleinheit über Ports zum externen Netz ver- fügt, wobei in jedem Port der Koppeleinheit eine Pro- tokolleinheit für weniger komplexe Protokolle imple- mentiert ist, und die Protokollbausteine für komple- xere Protokolle, die mit der Koppeleinheit verbunden sind ; Figur 2 einen detaillierten Aufbau zweier Vermittlungseinhei- ten, wie sie in Figur 1 dargestellt sind, wobei diese über einen optischen Cross Connector und E/0- Konverter mit einem optischen Netz verbunden sind.

Figur 1 zeigt eine rein elektrische Ausführung der vorliegen- den Erfindung. Porteinheiten 14, auch Koppeleinheiten ge- nannt, sind durch 10-Gigabit-Interfaces bzw. Ports 15 mit der Außenwelt, d. h. einem externen Netzwerk 18, direkt verbun- den. Innerhalb dieser Porteinheiten wird bereits ein Großteil der Pakete gemäß MPLS weitergeleitet. Die Bearbeitung der Pa- kete erfolgt durch Protokolleinheiten 17 für weniger komplexe Protokolle. Pakete bzw. ihre Header-Informationen, die eines IP-Routings bedürfen, werden in angeschlossenen Protokollbau-

steinen 12 bearbeitet und dann erst durch die Koppeleinheiten bzw. Porteinheiten 14 weitergeleitet. Die Verbindung zwischen den einzelnen Protokolleinheiten 12 und 17 wird durch ein Netzwerk 13 sichergestellt, das lediglich zum Austausch von Kontröllinformationen dient. Hier werden Routing-Tabellen und MPLS-Tabellen ausgetauscht. Weiterhin erfolgt eine Kommunika- tion mit Hilfe der bereits oben beschriebenen Protokolle. In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich hierbei um ein hierarchisches Netzwerk, das in Abhängigkeit der zu erwarten- den Protokolllast unterschiedliche Ebenen aufweist mit unter- schiedlich vielen Protokolleinheiten, die für die entspre- chenden Protokolle verantwortlich sind. Die einzelnen Ebenen sind in einem unterschiedlichen Abstand zu den Porteinheiten angeordnet. Die Ebene mit den meisten Protokolleinheiten ist unmittelbar benachbart zu den Porteinheiten angeordnet.

Die Figur 2 zeigt eine Ausführung, die zusätzlich noch auf der Datenweiterleitung durch einen optischen Cross Connect mit Wellenlängen-Konversion (und zusätzlichen wellenlängenab- hängigen Splittern Combinern) basiert. Gemäß der Grundkonzep- te für das sogenannte Multi-Protocol-Lambda-Switching (vgl.

D. Awduche et al. : "Multi-Protocol Lambda Switching : Combi- ning MPLS Traffic Engineering with Optical Cross Connects", Internet Draft, draft-awduche-mpls-te-optical-0 1. txt) wer- den länger bestehende und bandbreitenintensive MPLS-Pfade auf eigene Wellenlängen abgebildet, die dann allein im Cross Con- nector 10 weitergeleitet werden. Einige Wellenlängen sind wie bisher für den klassischen Paketverkehr reserviert. Ihre Bit- ströme werden optisch-elektrisch gewandelt und dann wie in Figur 1 im MPLS-fähigen Crossbar (und evtl. in den Protokoll- bausteinen) weiterbearbeitet. Die Verbindung zu den Portein- heiten 14 erfolgt durch einen E/O-Konverter 11.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform wird eine spezielle Analyseeinheit eingesetzt, die die Signale bzw. Informationspakete bereits im Vorfeld analysiert, um festzustellen, um welche Protokolle es sich handelt. Nach

dieser Feststellung wird das entsprechende Paket an die ent- sprechende Protokolleinheit weitergeleitet. In einer besonde- ren Ausführungsform ist in dieser Analyseeinheit sofort eine Protokolleinheit integriert, die vorzugsweise einfache Proto- kolle, wie MPLS oder ATM, bearbeiten kann. Hierdurch wird si- chergestellt, dass gleichzeitig mit dem Analyseprozess die Informationen gelesen und ausgewertet werden, ohne dass sie ein zweites Mal gelesen werden müssen.