Beschreibung

Verfahren zur Ermittlung eines Pfaddistanzwertes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Pfaddistanzwertes sowie einen Netzwerkknoten.

Ein Netzwerk ermöglicht das übermitteln von Nachrichten zwischen seinen Knoten. In einem Netzwerk sind nicht alle Knoten des Netzwerks mit allen weiteren Knoten direkt verbunden. Eine Nachricht von einem sendenden Knoten zu einem empfangenden Knoten muss daher oftmals über einen oder mehrere Zwischenknoten weitergeleitet werden, um vom sendenden Knoten zum empfangenden Knoten zu gelangen. Der Weg vom sendenden Knoten über die Zwischenknoten zum empfangenden Knoten wird dabei als Pfad oder Route bezeichnet.

Um aus einer großen Menge von theoretisch möglichen Pfaden im Netzwerk für eine Nachricht einen geeigneten Pfad auszuwah- len, kommt ein Routing-Verfahren zum Einsatz. Das Routing- Verfahren ermittelt zuerst wenigstens einen, zweckmäßig aber eine Mehrzahl von Pfadkandidaten, entlang derer die Nachricht übermittelt werden konnte. Im Folgenden wird den Pfadkandidaten jeweils ein Pfaddistanzwert, eine sog. Routen-Metrik, zu- geordnet. Der Pfaddistanzwert ist ein Maß für die Qualität eines Pfadkandidaten. Der Pfaddistanzwert wiederum wird üblicherweise aus Linkdistanzwerten bestimmt, die wiederum ein Maß für die Qualität von einzelnen Links des jeweiligen Pfadkandidaten sind. Als Link wird hierbei die direkte Verbindung zweier Knoten des Netzwerks bezeichnet.

In den Pfaddistanzwert können beispielsweise Nutzungskosten für einen Link des Pfades oder die Anzahl der Links eines Pfades eingehen. Weiterhin ist es möglich, dass Werte für ei- ne Ubertragungsqualitat entlang des Pfadkandidaten oder eines Links des Pfadkandidaten oder Werte für die Ubertragungsge- schwindigkeit des Pfadkandidaten oder eines Links des Pfadkandidaten eingehen. Der Pfadkandidat mit dem optimalen Pfad-

distanzwert wird in der Folge als Pfad ausgewählt. Die Nachricht kann nun entlang dieses Pfades übermittelt werden.

Die Verfahren zur Ermittlung des Pfaddistanzwertes werden als Routing-Metriken bezeichnet. Eine bekannte Routing-Metrik ist ETX (Expected Transmission Count) . Mit der Routing-Metrik ETX wird derjenige Pfad ausgewählt, bei dem die zu erwartende Anzahl an übertragungen am geringsten ist. Unter übertragungen sind hierbei sowohl Erstubertragungen (Transmissions) als auch wiederholte übertragungen (Retransmissions) zu verstehen. Eine erste übertragung ist die übertragung eines Pakets über einen Link. Eine wiederholte übertragung findet statt, wenn die erste übertragung nicht erfolgreich war. Die ersten übertragungen und die wiederholten übertragungen werden bei ETX gleich behandelt.

Wiederholte übertragungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie mehr Zeit erfordern können, als erste übertragungen. Daher weist ETX den Nachteil auf, für bestimmte Arten von Da- tenubertragungen in bestimmten Szenarien nicht den optimalen Pfad zu ermitteln. Solche Datenübertragungen können beispielsweise Voice over IP (VoIP) oder Videotelefonie sein. Andere Beispiele für solche Arten von Datenübertragungen sind alle Arten von zeitkritischen Datenübertragungen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Ermittlung eines Pfaddistanzwertes sowie einen Netzwerkknoten anzugeben, die eine verbesserte Pfadauswahl für zeitkritische Datenübertragungen erlaubt bzw. durchfuhren kann.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und hinsichtlich des Netzwerkknotens durch einen Netzwerkknoten gemäß Anspruch 10 gelost. Die wei- teren Ansprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens und des Netzwerkknotens sowie ein auf dem erfindungs- gemaßen Netzwerkknoten beruhendes Netzwerk.

Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren zur Ermittlung eines Pfaddistanzwertes für einen Pfad wird der Pfaddistanzwert basierend auf einer ersten Wahrscheinlichkeit ermittelt. Die erste Wahrscheinlichkeit gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass ein Datenpaket bei einer übertragung entlang des Pfades bei wenigstens einem Link des Pfades mehrfach übertragen werden muss. Das bedeutet, dass die erste Wahrscheinlichkeit die Wahrscheinlichkeit angibt, dass bei wenigstens einem Link eine wiederholte übertragung notwendig ist. Die mit dem Verfah- ren ermittelte Metrik weist den Vorteil auf, eine bessere

Pfadauswahl zu ermöglichen für zeitkritische Datenübertragungen .

Es ist zweckmäßig, wenn bei dem Verfahren folgende Schritte durchgeführt werden:

- Ermittlung von jeweils einem in die erste Wahrscheinlichkeit eingehenden Linkdistanzwert für wenigstens einen Link des Pfades;

- Ermittlung des Pfaddistanzwertes aus dem Linkdistanzwert.

Zweckmäßig wird dabei für wenigstens zwei Links des Pfades, bevorzugt für jeden Link des Pfades, jeweils ein Linkdistanzwert ermittelt. Weiterhin ist es zweckmäßig, aus wenigstens zwei der so ermittelten Linkdistanzwerte, besonders bevorzugt aus allen so ermittelten Linkdistanzwerten, den Pfaddistanzwert zu ermitteln.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird bei der Ermittlung des Pfaddistanzwertes zu- satzlich eine Anzahl von Links des Pfades berücksichtigt.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass kürzere Pfade bevorzugt gegenüber längeren Pfaden werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- düng der Erfindung wird der Linkdistanzwert basierend auf einer zweiten Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Datenpaket bei einer übertragung über den Link erfolgreich übertrage wird, ermittelt .

Bevorzugt wird der Linkdistanzwert auf Grundlage einer ersten Datenpaketankunftsrate, die in die zweite Wahrscheinlichkeit eingeht, für eine erste Ubertragungsrichtung des Links ermit- telt . In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird der Linkdistanzwert zusatzlich oder alternativ auf Grundlage einer zweiten Datenpaketankunftsrate, die in die zweite Wahrscheinlichkeit eingeht, für eine der ersten Ubertragungsrich- tungen entgegengesetzte zweite Ubertragungsrichtung des Links ermittelt. Die erste und zweite Datenpaketankunftsrate geben hier jeweils im Wesentlichen eine Häufigkeit an, mit der eine über den Link in der jeweiligen Ubertragungsrichtung gesendeten Nachricht von ihrem Ziel empfangen wird.

Bevorzugt wird der Linkdistanzwert auf Grundlage eines ersten Produktes aus der ersten und zweiten Datenpaketankunftsrate ermittelt. Weiterhin werden bevorzugt wenigstens zwei Linkdistanzwerte ermittelt und der Pfaddistanzwert auf Grundlage eines zweiten Produktes aus den Linkdistanzwerten ermittelt.

Zweckmäßig enthalt das zweite Produkt einen zusatzlichen Faktor, der auf der Anzahl der Links des Pfades basiert.

Der Netzwerkknoten weist eine Verarbeitungseinrichtung zur Ermittlung eines Pfaddistanzwertes auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie für einen Pfad eine Ermittlung eines ihm zugeordneten Pfaddistanzwertes durchfuhrt, wobei der Pfaddistanzwert basierend auf einer ersten Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Datenpaket bei einer übertragung entlang des Pfades bei wenigstens einem Link des Pfades mehrfach übertragen werden muss, ermittelt wird.

Das Netzwerk weist wenigstens einen solchen Netzwerkknoten auf .

Das Verfahren kann bspw. in einem Routing-Verfahren wie z.B. AODV zum Einsatz kommen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert. Dabei zeigen

Figur 1 einen Netzwerkausschnitt aus drei Knoten;

Figur 2 ein schematisches Netzwerk mit drei Pfadkandidaten.

Figur 1 zeigt einen beispielhaften Netzwerkausschnitt, bestehend aus einem elften bis dreizehnten Knoten KIl...13. Wei- terhin zeigt Figur 1 einen ersten Link Ll zwischen dem elften Knoten Kl und dem zwölften Knoten K2 , einen zweiten Link L2 zwischen dem elften Knoten Kl und dem dreizehnten Knoten K3 sowie einen dritten Link L3 zwischen dem zwölften Knoten K2 und dem dreizehnten Knoten K3. Der erste Link Ll weist eine Linkmetrik von 0,7 auf, wahrend der zweite Link L2 und der dritte Link L3 jeweils eine Linkmetrik von 0,9 aufweisen.

Eine Datenübertragung vom elften Knoten Kl an den zwölften Knoten K2 kann in diesem beispielhaften Netzwerkausschnitt über zwei mögliche Pfade erfolgen. Der erste Pfad besteht aus dem ersten Link Ll . Der zweite Pfad besteht aus dem zweiten Link L2 und dem dritten Link L3. Der erste Pfad fuhrt somit direkt vom elften Knoten Kl zum zwölften Knoten K2, wahrend der zweite Pfad vom elften Knoten Kl über den dreizehnten Knoten K3 zum zwölften Knoten K2 fuhrt.

Die Routen-Metrik für einen Pfad wird in einer beispielhaften Ausfuhrungsform der Routing-Metrik, d.h. der Ermittlung eines Pfaddistanzwertes für den Pfad, gemäß folgender Formel be- rechnet:

wobei : R Routen-Metrik LM Linkmetrik

D _f Datenpaketankunftsrate in einer ersten Ubertragungsrich- tung

D _r Datenpaketankunftsrate in einer zweiten Ubertragungs- richtung

Das bedeutet, die Routen-Metrik ist das Produkt aus den Linkmetriken, wobei die Linkmetriken wiederum das Produkt aus Da- tenpaketankunftsraten eines Links für beide Ubertragungsrich- tungen eines Links sind.

Die Routen-Metrik für den ersten Pfad ist in diesem Fall gleich der Linkmetrik für den ersten Link Ll, also R = 0,7. Die Routen-Metrik für den zweiten Pfad ist in hier gleich dem Produkt aus den Linkmetriken für den zweiten Link L2 und den dritten Link L3. Das heißt, die Routen-Metrik für den zweiten Pfad ist R = 0,9 x 0,9 = 0,81.

Der zweite Pfad weist somit die deutlich geringere Wahrscheinlichkeit für eine wiederholte übertragung eines Daten- pakets bei wenigstens einem seiner Links auf, nämlich 19%.

Ein Routing-Protokoll, das auf dieser beispielhaften Ausfuhrungsform der Routing-Metrik basiert, wurde hierbei den zweiten Pfad als Pfad auswählen, da dieser geeigneter für zeitkritische Datenübertragungen ist.

Bei der beispielhaften Routing-Metrik ist es möglich, dass ein sehr langer Pfad mit einer Lange von bspw. 10 Links eine bessere Routen-Metrik aufweist als ein weiterer Pfad mit nur zwei Links. In weiteren beispielhaften Ausfuhrungsmoglichkei- ten der Routing-Metrik wird deshalb die eine der folgenden Formeln verwendet :

oder

= pLιnks-1

( 3 ) R = L Uinks ^LM Links ' D.)

wobei :

P Be stra fungs faktor Links An zahl der Links

Hierbei wird ein Bestrafungsfaktor eingeführt, der zweckmäßig zwischen 0 und 1 liegt, bevorzugt zwischen 0,6 und 0,95. In der zweiten Formel (2) wird der Bestrafungsfaktor der Link- metrik zumultipliziert. In der dritten Formel (3) wird der Bestrafungsfaktor, potenziert mit der um 1 verringerten Anzahl der Links der Routen-Metrik zumultipliziert.

In einer beispielhaften Ausfuhrungsmoglichkeit der Routing- Metrik gemäß der zweiten Formel (2) wird als Bestrafungsfaktor P = 0,8 gewählt. Damit ergeben sich für den Netzwerkausschnitt gemäß Figur 1 die folgenden Routen-Metriken:

für den ersten Pfad R = 0,7 x 0,8 = 0,56; - für den zweiten Pfad R = 0,9 x 0,8 x 0,9 x 0,8 ~ 0,52.

Bei dieser Ausfuhrungsform der Routing-Metrik wurde also bereits der erste Pfad dem zweiten Pfad aufgrund der größeren Lange des zweiten Pfades vorgezogen werden.

Weitere Ausfuhrungsvarianten der Routing-Metrik ergeben sich anhand der folgenden vierten und fünften Formel:

( 4 ) ^R = L Uinks ^LM = L Uinks( ^D > ^p )

(5) R = Y[LM πw pLιnks-1

Bei diesen Varianten wird lediglich die Datenpaketankunftsra- te in der zweiten Ubertragungsrichtung verwendet. Bei einer Variante wird diese quadriert.

Es ist möglich, die verschiedenen Möglichkeiten gemäß der zweiten und dritten Formel, den Bestrafungsfaktor in die Berechnung einzubringen, und die verschiedenen Möglichkeiten, die Datenpaketankunftsraten zu verwenden zu vermischen.

Im Folgenden soll die Anwendung einer Ausfuhrungsform der er- findungsgemaßen Routing-Metrik in einem Routing-Verfahren gezeigt werden. Dabei wird das in Figur 2 gezeigte Ad-hoc- Netzwerk zugrunde gelegt. Das Ad-hoc-Netzwerk enthalt einen ersten bis siebten Knoten Kl ...7 und ein Gateway G.

In diesem Beispiel mochte der erste Knoten Kl eine Nachricht an das Gateway G senden. Es wird für dieses Beispiel davon ausgegangen, dass keiner der Knoten Kl ...7 einen Pfad zum Gateway G kennt und deshalb ein solcher Pfad vollständig ermittelt werden muss.

Zur Ermittlung des Pfades wird das Routing-Protokoll AODV (Ad-hoc On-Demand Distance Vector) verwendet. AODV sieht vor, dass der erste Knoten Kl eine sog. Route-Request-Nachricht per Broadcast an weitere Knoten in seiner Umgebung sendet. Diese wiederum leiten die Route-Request-Nachricht weiter. Eine Route wird bestimmt, wenn der RREQ das Ziel erreicht. Die- se Route wird per sog. Route-Reply-Nachricht per Unicast zurück an den Ursprung der Route-Request-Nachricht, d.h. an den ersten Knoten Kl geschickt. Dazu hat jeder Knoten Kl...7, der die Anfrage empfangen und weitergeleitet hat, den Knoten Kl ...7 gespeichert, von dem er die Route-Request-Nachricht erhalten hat.

Auf diese Weise ergeben sich in diesem Beispiel beim ersten Knoten Kl drei Pfadkandidaten Pl...3, entlang derer die Nachricht von diesem an das Gateway G übermittelt werden kann. Der erste Pfadkandidat Pl fuhrt dabei vom ersten Knoten Kl über den zweiten, dritten und vierten Knoten K2, 3, 4 zum Gateway G. Der zweite Pfadkandidat P2 fuhrt vom ersten Knoten Kl über den zweiten und fünften Knoten K2 , 5 zum Gateway G.

Der dritte Pfadkandidat P3 fuhrt vom ersten Knoten Kl über den zweiten und sechsten Knoten K2, 6 zum Gateway G. Der siebte Knoten K7 kommt in diesem Beispiel in keinem der Pfadkandidaten Pl ...3 vor.

Um die Pfadkandidaten Pl...3 an den ersten Knoten Kl zu übermitteln, werden nun Route-Reply-Nachrichten entlang der Pfadkandidaten zurück an den ersten Knoten Kl gesendet. So sendet das Gateway G eine Route-Reply-Nachricht für den ersten Pfad- kandidaten Pl an den vierten Knoten K4. Dieser sendet eine

Route-Reply-Nachricht an den dritten Knoten K3. Der wiederum sendet eine Route-Reply-Nachricht an den zweiten Knoten K2, der eine Route-Reply-Nachricht an den ersten Knoten Kl sendet.

Beim Empfang einer Route-Reply-Nachricht ermittelt der empfangende Knoten Kl ...7 jeweils eine Routenmetrik für den jeweiligen Pfadkandidaten Pl ...3. Diese bezieht sich dabei auf den Teil des Pfadkandidaten Pl ...3 vom Ziel, d.h. in diesem Beispiel dem Gateway G bis zum jeweiligen Knoten Kl ...7. Die Routenmetrik wird dann in der Route-Reply-Nachricht weitergegeben, sodass der erste Knoten Kl schließlich die gesamte Routenmetrik für jeden der Pfadkandidaten Pl ...3 bestimmen kann .

Als Routing-Metrik, d.h. als Vorschrift zur Ermittlung der Qualität eines Pfadkandidaten Pl ...3 kommt hierbei eine Routenmetrik zum Einsatz, bei der als Linkmetrik eine Datenpa- ketankunftsrate verwendet wird. Diese wiederum wird von den Knoten Kl ...7 aus sog. Hello-Nachrichten oder Metrik- Nachrichten ermittelt, die in regelmäßigen zeitlichen Abstanden versendet werden. Hat der fünfte Knoten K5 bspw. vom Gateway G von den letzten m Hello-Nachrichten die letzten n empfangen, so bestimmt er die Datenpaketankunftsrate bzgl. des Links zwischen sich und dem Gateway G zu n/m. Aus den

Linkmetriken der Links wird die Routenmetrik wiederum durch das Produkt der Linkmetriken bestimmt. Hierbei wird für jeden

Link ein Bestrafungsfaktor in das Produkt aufgenommen, sodass sich als Formel für die Routenmetrik ergibt:

R Routenmetrik

LM Linkmetrik

D Datenpaketankunftsrate

P Bestrafungsfaktor Links Anzahl der Links des Pfadkandidaten Pl ...3

In diesem beispielhaften Routing-Verfahren wird als Bestrafungsfaktor 0,8 verwendet. Nun vergleicht jeder Knoten Kl...7, der eine Route-Reply-Nachricht empfangt, die Routen- metrik des jeweiligen Pfadkandidaten Pl ...3 mit einem

Schwellwert. Der Schwellwert soll hierbei 0,2 betragen. Unterschreitet die bei einem Knoten Kl ...7 ermittelte Routenmetrik des jeweiligen Pfadkandidaten Pl ...3 den Schwellwert, so wird der jeweilige Pfadkandidaten Pl ...3 verworfen. Das bedeutet, der Knoten Kl ...7 sendet keine Route-Reply- Nachricht in Bezug auf den jeweiligen Pfadkandidaten Pl ...3 mehr weiter. Dadurch erreicht der verworfene Pfadkandidat Pl ...3 nicht den ersten Knoten Kl und kann somit auch nicht zur übermittlung der Nachricht an das Gateway G verwendet werden. Auch der erste Knoten Kl selbst vergleicht die Routenmetrik eines ihm per Route-Reply-Nachricht übermittelten Pfadkandidaten Pl ...3 mit dem Schwellwert und verwirft den Pfadkandidaten Pl...3, falls seine Routenmetrik den Schwellwert erreicht oder unterschreitet.

Aus den nicht verworfenen Pfadkandidaten Pl ...3 wählt der erste Knoten Kl zuletzt denjenigen Pfadkandidaten mit der besten, d.h. höchsten Routenmetrik.

Für die einzelnen Pfadkandidaten Pl ...3 ergibt sich aus dem angegebenen Schema der im Folgenden beschriebene Verlauf. Für

die Linkmetriken werden hier jeweils beispielhafte Werte angenommen, die in der folgenden Tabelle zusammengefasst sind:

Link zwischen: Linkmetrik: Gateway G, vierter Knoten K4 0,8

Gateway G, fünfter Knoten K5 0,9

Gateway G, sechster Knoten K6 0,6 vierter Knoten K4, dritter Knoten K3 0,7 dritter Knoten K3, zweiter Knoten K2 0,9 zweiter Knoten K2, erster Knoten Kl 0,9 fünfter Knoten K5, zweiter Knoten K2 1 sechster Knoten K6, zweiter Knoten K2 0,5

Beim ersten Pfadkandidaten Pl wird eine Route-Reply-Nachricht vom Gateway G an den vierten Knoten K4 gesendet. Dieser berechnet die Routenmetrik für den bisherigen ersten Pfad zu dem Produkt aus der Linkmetrik für diesen Link und dem Bestrafungsfaktor, also 0,8*0,8 = 0,64. Der Pfadkandidaten Pl wird daraufhin nicht verworfen, da seine Routenmetrik großer als 0,2 ist. Im Folgenden geht eine

Route-Reply-Nachricht vom vierten Knoten K4 an den dritten Knoten K3. Dieser berechnet die Routenmetrik aus dem Produkt der bisherigen Routenmetrik und der Linkmetrik für den Link zwischen sich und dem vierten Knoten K4 sowie dem Bestra- fungsfaktor, also 0,64*0,8*0,7 = 0,36. Nach einer Route- Reply-Nachricht an den zweiten Knoten K2 berechnet dieser die Routenmetrik zu 0,36*0,8*0,9 = 0,26. Der erste Knoten Kl berechnet nach der letzten Route-Reply-Nachricht die Routenmetrik zu 0,26*0,8*0,9 = 0,19. Der erste Pfadkandidat Pl wird also beim ersten Knoten Kl verworfen, da seine Routenmetrik dort kleiner als 0,2 ist.

Mit der gleichen Vorgehensweise ergibt sich beim zweiten Pfadkandidaten P2 beim fünften, zweiten und ersten Knoten je eine Routenmetrik von 0,72 bzw. 0,58 bzw. 0,41. Beim dritten Pfadkandidaten P3 ergeben sich Routenmetriken von 0,48 und 0,19 beim sechsten Knoten K6 bzw. beim zweiten Knoten K2. Der dritte Pfadkandidat P3 wird also bereits beim zweiten Knoten

K2 verworfen, da bereits dort seine Routenmetrik kleiner als der Schwellwert von 0,2 ist. Der dritte Pfadkandidat P3 erreicht daher nicht den ersten Knoten Kl .

In diesem Beispiel wird der erste Knoten daher den zweiten

Pfadkandidaten P2, der als Einziger eine geeignete Routenmetrik aufweist, zur übertragung der Nachricht an das Gateway G wählen .

Eine alternative Ausfuhrungsform des Routing-Verfahrens ergibt sich dadurch, dass die Linkmetriken bereits mit den Rou- te-Request-Nachrichten übermittelt werden. Diese Ausfuhrungsform des Routing-Verfahrens ermöglicht es bereits dem Gateway G, eine Entscheidung über den Pfad zu treffen.