Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Gegenstand, der in
der US-Patentanmeldung Seriennummer 638.872 unter dem Titel
"Common Memory Switch For Routing Data Signals"
(Zentralspeicherumschalter zum Leiten von Datensignalen) enthalten ist,
die am 11. Januar 1991 von E.A. Munter eingereicht und am
1.9.1992a15 US-A-5144619 veröffentlicht wurde.
Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Paketvermitteln im
allgemeinen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Vermittlungsunterteilung. Die vorliegende Erfindung
betrifft genauer gesagt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Vermittlungsunterteilung, durch die die Funktionsmöglichkeiten
einer Asynchronübertragungs(asynchronous transfer mode - ATM)-
Koppelfeldmatrix auf die für am Kern der Vermittlung
erforderlichen beschränkt werden.
Stand der Technik
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In einem Artikel mit dem Titel "Architectual And Functional
Aspects Of A Multi-Media Packet Switched Network" von
Takami.K. et al., Proc. ISS., 1987, beschäftigen sich die Autoren
mit einer Netzarchitektur, die auf dem Prinzip von Kern und
Rand basiert, wobei der Kern der Vermittlung gemeinsame
Funktionen für alle Medien erfüllt, während der Rand
medienabhängige Funktionen erfüllt. In dem Artikel wird eine
mehrschichtige Struktur von Funktionen für das gesamte Netz erörtert.
Und obwohl eine "Kernschnittstelle" (core interface - CI)
zwischen dem Rand und dem Kern beschrieben wird, bei der nur
Paketübertragungsfunktionen
genutzt werden, wird der Aufbau der
CI selbst in dem Artikel nicht erläutert.
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In einem weiteren Artikel mit dem Titel "Wideband Packet
Technology For Switching Systems" von Luderer, G.W.R., et al.,
Proc. ISS., 1987 erklären die Autoren:
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"Die Netz-Hardware kann sowohl virtuelle Verbindungen als auch
Datagramdienste unterstützen. Für die virtuellen Verbindungen
wird eine logische Kanalnummer (Logical Channel Number - LCN)
verwendet, um eine Ziel zu bezeichnen. Um eine neue virtuelle
Verbindung zwischen zwei AI (AI: Access
Interface-Zugangsschnittstelle) herzustellen, ist es erforderlich, LCN für alle
Verbindungen zuzuweisen, die Pakete für diese virtuelle
Verbindung leiten. Die LCN-Zuweisungen werden durch die
Vermittlungsprozessoren zum Zeitpunkt des Verbindungsaufbaus
ausgeführt.
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Ein Paket, das in eine Vermittlung mit einer LCN-Nummer
LCN_ein eintritt, verläßt die Vermittlung mit einer
umgesetzten LCN-Nummer LCN_aus. Die LCN-Umsetzung wird in den
Leitungsüberwachungseinrichtungen (trunk controllers) durch einen
einfachen Tabellennachschlagvorgang ausgeführt. Der
Rufprozessor ist dafür zuständig, die Umsetzungstabellen in den
Leitungsüberwachungseinrichtungen zu aktualisieren. Eine
virtuelle Verbindung kann mehrere Vermittlungen und
Übertragungseinrichtungen passieren, d.h., ein Paket, das von einer
AI kommt, kann daher verschiedene LCN entlang verschiedener
Verbindungen benutzen, die den Weg vom Herkunfts- zum Zielort
bilden. Ein 16-Bit-LCN-Feld ermöglicht 65 536 virtuelle
Verbindungen pro Vermittlung, ein Netz mit mehreren Vermittlungen
kann daher eine sehr große Anzahl virtueller Verbindungen
ermöglichen. Es ist darüber hinaus möglich, viele andere
Leitverfahren umzusetzen. Das Verfahren auf LCN-Basis dient als
Beispiel und wurde in einigen früheren Versuche umgesetzt. Um
interaktive Sprachsignale über ein Paketnetz zu vermitteln,
setzten wir ein Zeitschritt(Time Step - TS)-Feld als Teil des
Anfangsblocks ein, um die Rekonstruktion der zeitrelaventen
Information zu erleichtern. Andere Felder in dem
Paket-Anfangsblock können dazu dienen, anwenderabhängige Merkmale,
einschließlich eines Prioritätsfelds für spezielle Funktionen,
zu unterstützen. Der nächste Abschnitt beschäftigt sich mit
einigen dieser Fragen im Kontext einer
Einzel-Paketvermittlung."
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Eine weitere ATM-Vermittlung nach dem Stand der Technik ist in
EP-A-O446493 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab,
Vermittlungsflexibilität zu ermöglichen, indem das Koppelfeld von ankommenden
und abgehenden LCN isoliert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
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Beim Asynchronübertragungsbetrieb (asynchronous transfer mode
- ATM) besteht das Schalten des Schaltkerns aus der ATM-
Koppelfeldmatrix bzw. dem "Gewebe" selbst und den
Hochgeschwindigkeitsleitungen zwischen Matrixkanalkarten und
Multiplexern bzw. Formatwandlern (im folgenden als Multiplexer oder
Mux bezeichnet).
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Es hat sich herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, wenn
Verbindungsformate auf einem Konzept der Vermittlungsunterteilung
beruhen, durch das die Funktionsmöglichkeiten der Matrix
selbst auf die unbedingt für den Kern bzw. den Mittelpunkt der
Vermittlung erforderlichen beschränkt werden, und durch das
die Umsetzungs-, Integritäts- und Überlaststeuerfunktionen an
die Multiplexer delegiert werden, die die Vermittlungsmatrix
speisen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der so gebildete
Vermittlungs"kern" von ein- oder mehrstufigen Konzentratoren und
Umsetzern umgeben, und zwar bei bevorzugten Ausführungen bis zu
den ATM-Format-Adaptern bzw. -Endstellen hinaus. Daher wird
der ATM-Paket-Anfangsblock mit dem
Zeitmultiplex(timedimission multiplexed - TDM)- oder Nahbereichsnetz(local area
network - LAN)-Datenstrom beginnend auf den Schaltkern zu über
Formatwandler und Vermittlungsperipherien geschichtet und nach
außen wieder, nachdem die Vermittlung stattgefunden hat.
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Es liegt auf der Hand, daß eine gute Schaltkernkonstruktion
hohe Kapazität, Robustheit (insbesondere gegen
Verkehrsschwankungen und Überlast) und gute Fehlererfassung sowie
-isolierung aufweisen sollte. Um diese Ziele leichter zu erreichen,
sollte eine Schaltkern-Schnittstelle gemäß der vorliegenden
Erfindung die einzige Zwischenmodulschnittstelle sein, bei der
ein physikalisches Kanalkonzept ausgebildet ist. In einer
praktischen Ausführung wurde vorzugsweise eine obere Grenze
von 256 Hochgeschwindigkeitskanälen, die als
8-Bit-Ausgangs- und -Zielfelder eingebettet waren, eingesetzt. Dies ermöglicht
eine Steigerung der Gesamtvermittlungskapazität auf ungefähr
200 bis 500 Gigabit mit vorhandener Technologie.
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Eine weitere Neuerung ist mit der vorliegenden Erfindung
eingeführt worden, um einen weiteren Aspekt der
Gesamtvermittlungskonstruktion zu berücksichtigen. Es geht darum, soweit
dies praktikabel ist, Ausführungen mit einer festen
physikalischen Hierarchie zu vermeiden, um zukünftige Enwicklungen
und Ausdehnungen der Architektur nicht zu verhindern. So wurde
analog zu der leitungsspezifischen "Leitungsverbindungsnummer"
(link connection number - LCN) eine "logische
Wählleitungsnummer" (logical switch connection number - SCN) eingeführt.
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Dementsprechend wird ein Verfahren zum Anpassen eines
ankommenden Datenstroms an einen Asynchronübertragungs
(asynchronous transfer mode - ATM)-Schaltkern geschaffen, das
umfaßt: das Paketieren des ankommenden Datenstroms in
Datenpakete mit einem Anfangsblockabschnitt und einem
Datenabschnitt; das Umwandeln von Ausgangsinformationen in dem
Anfangsblockabschnitt in eine logische Wählleitungsnummer
(switch connection number - SCN) und das Umwandeln der
logischen
SCN in physikalische Leitinformationen zum Leiten des
Paketes zwischen ausgewählten Eingangs- und
Ausgangsanschlüssen des ATM-Schaltkerns unmittelbar vor dem Anlegen eines
Paketes an den ATM-Schaltkern, so daß die physikalischen
Leitinformationen an momentan zur Verfügung stehende Leitwege
zwischen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Schaltkerns
angepaßt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im
folgenden im Zusammenhang mit beigefügten Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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Fig. 1 ein stark abstrahiertes Blockschaltbild ist, das die
Hierarchie in einem Vermittlungssystem von ankommenden
Datensignalen zu der Vermittlungsmatrix zeigt;
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Fig. 2 ein Blockschaltbild ist, das im einzelnen die
Signalverarbeitung von ankommenden
Asynchronübertragungs(asynchronous transfer mode - ATM)-Daten bis zum
Punkt ihres Anlegens an die eigentliche
Vermittlungsmatrix zeigt;
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Fig. 3 zeigt die Umkehrung der in Fig. 2 dargestellten
Signalverarbeitung, wenn Datensignale aus der
Vermittlungsmatrix austreten und in den austretenden ATDM-
Datenstrom integriert werden;
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Fig. 4 zeigt einen ATM-Prüfbyte-Kodierer, der bei der
Erzeugung des in Fig. 2 dargestellten physikalischen
Anfangsblocks eingesetzt wird; und
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Fig. 5 zeigt einen ATM-Prüfbyte-Dekodierer, der zum Prüfen
eines gesamten Paketes eingesetzt wird, um fehlerhafte
Wege durch die Vermittlungsmatrix zu erfassen, wie sie
in Fig. 3 dargestellt sind.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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Zunächst müssen, wie in Fig. 1 dargestellt, eingegebene Daten
in Nicht-ATM-Formaten in einem Formatwandler 10, dessen
Ausgang an eine Vermittlungsperipherie 11 angelegt wird, wo
bestimmte Paketanfangsblöcke aus dem Eingangspaket erzeugt
werden, in Standard-ATDM-Datenformate paketiert werden. Ein
Multiplexer 12 erzeugt dann einen "physikalischen Anfangsblock"
und fügt ihn zu dem Datenpaket hinzu, bevor es an die
physikalische Vermittlungsmatrix (oder Gewebe) 13 angelegt wird. Der
physikalische Anfangsblock steuert die Matrix 13 so, daß sie
das gesamte eingegebene Datenpaket zu einem bestimmten seiner
Ausgangskanäle schaltet.
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Der eben beschriebene Vorgang ist in Fig. 2 ausführlicher
dargestellt. Die ankommenden Nicht-ATDM-Daten, wie beispielsweise
TDM oder LAN (local area network - Nahbereichsnetz)-Daten
werden an Paketierer 14 angelegt, der je nach dem Signaltyp an
seinem Eingang konfiguriert werden kann, und bei dem es sich
praktischerweise um einen mehrfach programmierbaren
Datenprozessor handelt. Das von Paketierer 14 erzeugte Datenpaket
umfaßt einen Anwendungs-Anfangsblock 15 und eigentliche Daten
16. Der Anwendungs-Anfangsblock enthält selbstverständlich
eine feste Anzahl von Datenbits, die u.a. den Bestimmungsort der
eigentlichen Daten 16 angeben. Ein Umsetzer 17, dessen
Steuereingang Netz-Leitbefehle darstellen, erzeugt aus dem
Anwendungs-Anfangsblock 15 einen Transport-Anfangsblock 18, der
eine Leitungsverbindungsnummer (link connection number - LCN)
angibt. Bis zu diesem Punkt stellt die Verarbeitung der
eingegebenen Daten und das daraus erzeugte Paket Stand der Technik
dar. Der Transport-Anfangsblock 18, der die ankommende LCN
erzeugt, wird in einem Umsetzer 19 verarbeitet, der die
Verbindungs-Kennung ausliest, eine "logische" Wählleitungsnummer
(switch connection number - SCN) erzeugt und sie in einem
Vermittlungs-Anfangsblock 20 kodiert. Ein weiterer Umsetzer 21
liest die entsprechenden Kanalzahlen aus und wandelt den
Vermittlungs-Anfangsblock 20 in einen (nicht-logischen)
physikalischen Anfangsblock 22 um, dessen Bits direkt die Leitung des
Gesamtpaketes durch die eigentliche Vermittlungsmatrix 13
steuern. Unmittelbar vor dem Anlegen an die Matrix 13 erhält
das gesamte Paket sein Dateianfangs-Etikett 23, das, wenn
erforderlich, zur Taktrückgewinnung und zur Paketidentifizierung
genutzt wird.
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Die Einführung der (logischen) Wählleitungsnummer SCN als
zusätzliche "Schicht" zwischen der (physikalischen) Schicht, die
zur Steuerung der Matrix 13 erforderlich ist, und die
eingegebenen (variablen) Schichten isolieren die physikalische
Schicht von den variablen Schichten, so daß Flexibilität
hinsichtlich der Architektur und der Ausdehnung gewährleistet
ist. Die Umsetzer 17, 19 und 20 sind vorteilhafterweise
Softwareprozesse oder periodisch aktualisierte Nachschlagtabellen.
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Wenn das Datenpaket zu einem der Ausgangskanäle der
Vermittlungsmatrix 13 geschaltet worden ist, wird es, wie aus Fig. 3
ersichtlich ist, von Prüfer (checker) 24 geprüft, angenommen,
und das Dateianfangs-Etikett und der physikalische
Anfangsblock 20 werden entfernt. Der Vermittlungs-Anfangsblock 20
wird in Umsetzer 25 in einen "zweiten" Transport-Anfangsblock
26 umgesetzt, der im Prüfer 27 geprüft wird und, wenn er
angenommen wird, entfernt wird. Der verbleibende
Anwendungs-Anfangsblock 15 und die Daten 16 werden in Depaketierer 28
"depaketiert", bevor sie in den Datenstrom ausgegeben werden.
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Im folgenden wird die Funktion des "mehrschichtigen" ATM-
Schaltkern-Schnittflächensystems unter Bezugnahme auf Fig. 2
bis 5 beschrieben.
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Vor der ausführlichen Erläuterung der ATM-Paket-Anfangsblock-
Schichten ist anzumerken, daß die logische Wählleitungsnummer
konzeptionell eine "pauschale" Leitungsnummer für die gesamte
Vermittlung ist, deren Länge in Bits die Anzahl möglicher
gleichzeitiger Vermittlungsverbindungen bestimmt. Eine SCN von
24 bis 32 Bit Länge beispielsweise ermöglicht 16 Millionen bis
4 Milliarden gleichzeitiger Verbindungen.
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Wie aus der obenstehenden Erläuterung ersichtlich ist, stehen
vor den eigentlichen Nutzerdaten 16 in dem ATM-Paket drei
Schichten von Anfangsblöcken, denen ein Dateianfangs-Etikett
vorangeht, um Verbindungssynchronisation zu ermöglichen. Das
Dateianfangs-Etikett 23 umfaßt 48 Bits, von denen 36 Bits ein
periodischer 0101... Takt und 12 Bits eine
Synchronisierungsstruktur (01111000010) sind.
Anwendungsschicht
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Die Anwendungsschicht, die durch den innersten
Anwendungs-Anfangsblock 15 dargestellt wird, ist anwendungsspezifisch und
wird am Formatumwandlungspunkt verarbeitet. Dieser
Anfangsblock bleibt in einer Mehrfach-Wählverbindung von einem Ende
zum anderen unverändert. Bei den Rahmen-Datenanwendungen (wie
beispielsweise für LAN, HDLC) muß diese Schicht insbesondere
wenigstens kodierte Informationen enthalten, die anzeigen,
welcher Teil des Nachrichtenrahmens in dem vorliegenden Paket
transportiert wird, d.h. der erste, der mittlere, der letzte
oder der einzige (d.h. der erste und der letzte) Teil. Im Fall
des letzten bzw. einzigen Teils zeigt ein 6-Bit-Wort die
Anzahl gültiger Bytes in dem Paket von 1 bis zu einem Maximum
an, wobei es sich bei 6 Bits um 64 Datenbytes handelt.
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Der anwendungsspezifische Anfangsblock wird vorzugsweise an
zukünftige internationale Standards angepaßt und wird daher
schließlich mehr Informationen enthalten. Der
Anwendungs-Anfangsblock kann darüber hinaus nicht für alle Anwendungen eine
feste Länge haben, obwohl bei der gegenwärtigen bevorzugten
Ausführung ein 7-Bit-Anwendungs-Anfangsblock eingesetzt wird.
Das erste Bit zeigt den Beginn der Nachricht (start of message
- SOM) an (1), oder keinen Beginn einer Nachricht (0). Das
folgende 6-Bit-Feld kodiert eine Nummer n von 0 bis 56. Bei
n=0 sind alle Datenbytes signifikant, bei n=1 bis 56 sind n
Bytes sowie ein Ende der Nachricht (end of message - EOM)
signifikant. Werte von n über der Größe des Datenfeldes könnten
für spezielle Zwecke, wie beispielsweise die Anzeige von
Nicht-Standard-Nachrichten oder dergleichen, eingesetzt
werden.
Logische Leitschicht
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Die zweite Anfangsblockschicht dient der Leitung, wozu LCN
gehören und, wenn gewünscht, möglicher Prioritäts- und
Leitungsfehler-Steuerung. Diese Schicht wird, da sie
Amtsverbindungs- Teilnehmerverbindungen betrifft, ebenfalls an
internationale Standards angepaßt. Einige bzw. alle Teile dieses
Anfangsblocks verändern sich in einer
Mehrfach-Übermittlungsverbindung von Leitung zu Leitung. Bei der bevorzugten
Vermittlungsausführung verarbeiten Teilnehmer- und
Fernleitungsperipherien (MUX) diesen Anfangsblock. Obwohl eine Form dieses
Anfangsblocks in dem Schaltkern eingesetzt werden kann, wird
diese Funktion vorzugsweise von der Leitung der Pakete durch
die Vermittlung selbst getrennt. Es muß dann ausgewählt
werden, wieviel von diesem Anfangsblock (in Bits bzw. Bytes) die
Vermittlung transparent passiert, und wieviele der Bytes an
der ankommenden Peripherie ausgesondert und an der ausgehenden
Peripherie erneut berechnet werden, um die Bandbreite durch
die Vermittlung hindurch aufrechtzuerhalten.
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In dem Schaltkern wird diese Schicht von der
Wählleitungsnummer (switch connection number - SCN), die aus der ankommenden
LCN abgeleitet wird, zusammen mit der physikalischen
Leitungskennung eingenommen, sie wird transparent durch den Kern
geleitet und dient dazu, die ausgehende LCN zu erzeugen.
Vorzugsweise ist die SCN, die eine für die gesamte Vermittlung
gültige logische Nummer darstellt, auch eine Zwischenadresse
beim Umsetzen auf die physikalische Leitung durch den
Schaltkern (im Gegensatz zum direkten Umsetzen aus Leitungs-LCN, die
physikalisch mit ihren Leitungen verbunden sind), um zu
vermeiden, daß die Umsetzung von logisch zu physikalisch in den
(möglicherweise entfernten) Leitungsperipherien ausgeführt
wird.
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Eine SCN bzw. ihr Äquivalent ist auch am Empfangsende
erforderlich, um mehrere logische Rufe auf der gleichen Leitung zu
unterscheiden und das Depaketieren von Nachrichten zu
ermöglichen. Bei einer Prototypausführung der vorliegenden Erfindung
fällt diese Funktion dem Herkunftsfeld in dem physikalischen
Anfangsblock (siehe unten) zu, das ein 8-Bit-Pseudo-SCN-Feld
hat.
Physikalische Leitschicht
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Die dritte Schicht dient dazu, Pakete durch die
Vermittlungsbestandteile zu leiten. Beim Leiten in MUX können Adressen mit
Vorsatz (prefixed addresses) innerhalb ihrer Einrichtungen
anstelle von Adreßbussignalen eingesetzt werden. Beim Stand der
Technik (Banyan-Netz) stellte das Leiten auf physikalischen
Anfangsblöcken mit Vorsatz eine der Hauptneuerungen bei der
Umsetzung von selbstleitenden Netzen insbesondere im Kontext
von Durchgangsvermittlung dar, bei der der Weg geschaltet
wurde, sobald der Anfangsblock empfangen worden war. Bei den
kurzen Paketen von ATDM jedoch hat dies keine Bedeutung mehr, da
die Kosten der Speicher für Paketpuffer vernachlässigt werden
können und die mit dem Speichern eines ganzen Paketes vor dem
Vermitteln verbundene Verzögerung mit der
Verbindungsgeschwindigkeit abnimmt (500 Nanosekunden bei 1 Gigabyte).
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Wenn derartige physikalische Anfangsblöcke mit Vorsätzen
versehen werden, kann die Umsetzfunktion zur Peripherie der
Vermittlung verschoben werden, so daß letztendlich unabhängig von
der Topologie oder der Technologie eine Matrix mit höherer
Kapazität möglich ist.
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Bei der Versuchsausführung umfaßt die physikalische
Leitschicht ein Einfach-Bit-Überlaufflag, das
Eingabepufferüberlauf anzeigt, ein 8-Bit-Herkunfts-Feld (Pseudo-SCN), ein
8-Bit-Ziel-Feld sowie ein 8-Bit-CRC-Feld (Prüfbyte).
Das Herkunftsfeld
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Das Herkunftsbyte bzw. Pseudo-SCN bezeichnet die Herkunft des
Paketes zum Depaketieren. Bei einem Leerpaket (idle packet)
unterstützt es das Auffinden der Herkunft leerer Pakete bei
der Wartung und dient auch dazu, die Herkunft von Überlastbits
zu identifizieren.
Das Ziel-Feld
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Der Ziel-Byte-Wert 255 (hex FF) ist für die Anzeige von
Leerpaketen reserviert. Leerpakete weisen gültige Prüfbytes und
gültige Herkunftsbytes auf. Andernfalls bezeichnet das Byte
den Matrixkanal, auf dem das Paket zu seinem Ziel geleitet
wird.
Prüfbyte-Feld
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Im Unterschied zur Standard-ATM-Anfangsblock-Prüfung auf
externen Leitungen dient das Prüfbyte bei dem internen
Schaltkernformat nicht so sehr dazu, zufällig Fehlleitung von
Paketen aufgrund von Leitungsfehlern zu vermeiden, sondern vor
allem dazu, die Erfassung und anschließende Wartung fehlerhafter
Wege zu ermöglichen. Dadurch wird seine Nutzbarkeit
verbessert, wenn das Prüfbyte alle Paketbits einschließlich der
Daten abdeckt. Aus einer Reihe von Gründen erscheint dieses
Byte im Anfangsblock (statt am Ende des Paketes), d.h., die
Erzeugung des Prüfbytes muß abgeschlossen sein, bevor das
Paket gesendet wird, was eine weitere 1-Paketverzögerung
bedeutet. Bei Nachrichtenrahmen mit variabler Länge, wie sie
vorgesehen sind, geht keine weitere Zeit verloren, da diese
Verzögerung auf jeden Fall erforderlich ist, um festzustellen,
ob ein Paket das letzte eines Nachrichtenrahmens ist, bevor
sein Anfangsblock fertiggestellt werden kann.
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Das Prüfbyte kann unter Verwendung eines
ROM-Tabellen-Nachschlags errechnet werden, wie dies in dem Prüfbyte-Kodierer in
Fig. 4 dargestellt ist, die keiner weiteren Erläuterung
bedarf. Dieses Verfahren ermöglicht den Einsatz von CRC (cyclic
redundancy check - zyklische Redundanzprüfung) sowie anderer
Algorithmen.
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Ein Prüfbyte-Dekodierer ist in Fig. 5 dargestellt, die keiner
weiteren Erläuterung bedarf.