WO2002087130A2 - Adaptive distributed method for calculating system-optimal routes in packet-switching communications networks - Google Patents

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WO2002087130A2 PCT/EP2002/004141 EP0204141W WO02087130A2 WO 2002087130 A2 WO2002087130 A2 WO 2002087130A2 EP 0204141 W EP0204141 W EP 0204141W WO 02087130 A2 WO02087130 A2 WO 02087130A2
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/02Topology update or discovery
    • H04L45/08Learning-based routing, e.g. using neural networks or artificial intelligence

Definitions

  • connectionless intermediary layers ie data program subnetworks such as TCP / IP
  • connection-oriented services subnetworks with virtual connections such as ATM
  • Additional criteria such as fairness and optimality can be introduced via suitably defined target functions.
  • the error propagation network implements a modified version of the learning method recurrent back propagation via a gradient descent along a specified target function.
  • the development of the required formulas is shown here in a shortened manner - without intermediate steps - since the complete explanations would go beyond the scope of this description of the invention. In principle, however, the explanations follow the well-known derivation of the recurrent back-propagation lem method, as it is e.g. is explained in [4].
  • the main difference is that the identification network is a so-called ⁇ -11 network.
  • Identification network Develop the system state over t lde ⁇ l discrete time steps of length ⁇ . according to the dynamic equations (0.2),

Abstract

The invention relates to an adaptive and distributed method for conducting a system-optimal route selection in packet-switching communications networks, which can be interpreted as a cooperation of two recurrent neuronal networks. The problem of conducting a system-optimal route selection involves the directing of data packets with a known source-destination relationship under the allocation of specified routes through the network to their destination routers as to minimize a system-wide cost function or objective function whereby adhering to certain predetermined general requirements (max. storage space of the router computer, service rates, etc.). The method is adaptive since it can continuously adapt the routes to the current load pattern of the network, and is distributed since each router computer of the network executes only local operations and, as a result, is required to communicate only with its closest directly connected neighbors.

Description

Adaptives verteiltes Verfahren zur Berechnung systemoptimaler Routen in paketvermittelnden KommunikationsnetzenAdaptive distributed method for calculating system-optimal routes in packet-switching communication networks
Einleitende BemerkungenIntroductory remarks
An die Leistungsfähigkeit paketvermittelnder Rechnernetze werden heutzutage immer größere Anforderungen gestellt. Zum einen erfordert der stetig zunehmende Verkehr immer leistungsfähigere Routing- Verfahren, die die Last optimal auf das zur Verfügung stehende Kommunikationsnetz verteilen. Andererseits ist aufgrund der Heterogenität der zu erbringenden Dienste die Berücksichtigung anwendungsbezogener Dienstgüteparameter (quality of Service) durch die Kommunikationssysteme unabdingbar. Um auf die verschiedenen Anforderungen der Anwendungen reagieren und geeignete Datenwege bzw. Routen bereitstellen zu können, werden effiziente Wegewahl- bwz. Routing-Algorithmen benötigt, die eine dynamische Anpassung der Routen an die aktuellen Lastmuster auf dem Netz leisten sollen. Solche Routing-Algorithmen sollten verschiedene Routing- Metriken oder Zielfunktionen zur anwendungsbezogenen Bewertung von Routen in ihr Kalkül mit einbeziehen.Nowadays, ever greater demands are placed on the performance of packet-switching computer networks. On the one hand, the steadily increasing traffic requires more and more efficient routing procedures that optimally distribute the load over the available communication network. On the other hand, due to the heterogeneity of the services to be provided, application-related quality of service parameters must be taken into account by the communication systems. In order to respond to the various requirements of the applications and to be able to provide suitable data paths or routes, efficient routing systems are used. Routing algorithms are required to dynamically adapt the routes to the current load patterns on the network. Such routing algorithms should include various routing metrics or target functions for the application-related evaluation of routes in their calculation.
Aus Performance-Gründen werden meist sog. Kürzeste Wege Verfahren implementiert, die für einzelne Quelle-Ziel-Beziehungen geeignete Routen durch das Netz berechnen, ohne aber die Routenwahl der jeweils anderen Quelle-Ziel-Beziehungen mit ins Kalkül zu nehmen. Dies führt in der Regel nicht zu einem systemoptimalen Zustand! Die beiden folgenden Kürzeste Wege Verfahren sind besonders bekannt und haben sich (so oder in abgewandelter Form) auf breiter Ebene durchgesetzt:For performance reasons, so-called shortest paths are usually implemented that calculate routes through the network that are suitable for individual source-destination relationships, but without taking into account the route selection of the other source-destination relationships. As a rule, this does not lead to a system-optimal condition! The following two shortest path methods are particularly well known and have prevailed (broadly or in a modified form):
Distance-Vector Routing - Das Verfahren basiert auf dem Algorithmus von Bellman-Ford. Jeder Router versendet einen Teil seiner Routing-Tabelle (Zieladresse, Distanz) periodisch an seine Nachbarn. Mit Hilfe dieser Informationen berechnet jeder Router, welcher Nachbar momentan die günstigste Route zu einem Ziel anbietet und trägt ihn zusammen mit dem errechneten Distanzwert in seine Routing-Tabelle ein. Es erfolgt so eine verteilte Berechnung der Routen (kein Router braucht die vollständige Route zu kennen). Das Verfahren zeichnet sich insgesamt durch seine Einfachheit und einen niedrigen Speicheraufwand aus. Es besitzt aber auch gravierende Nachteile, zu denen etwa seine Trägheit (das sogenannte Count-to-Infinity-Problem), seine Neigung zur Ausbildung von Routing- Schleifen und Oszillationen, sein Unvermögen die Leitungsbandbreiten in die Wegewahl einzu- beziehen und auch seine Langsamkeit gehören. Aufgrund dieser Nachteile ist das Distance-Vector Routing mehr und mehr vom Link-State Routing abgelöst worden. Link-State Routing - Dieses Verfahren gilt als eine flexiblere und robustere Alternative zum oben beschriebenen Distance-Vector Routing. Dabei besitzt jeder einzelne Router-Rechner Informationen über die gesamte Topologie des Netzes. Es werden die Zustände des Systems, die link states, durch das gesamte Netz propagiert (flooding), so daß jeder Router, mit einer kleinen Verzögerung, den gesamten Netzzustand kennt. Diese Datenbasis nutzt jeder Router, um autonom mit Hilfe des Dijkstra- Algorithmus die kürzesten Routen für jede ihn betreffende Quelle-Ziel-Beziehung zu berechnen. Nachteile des Verfahrens Link State Routing sind vor allem die relativ hohe Netzbelastung, die durch das Flooding verursacht wird, und die hohen Speicher und Prozessoranforderungen. Außerdem können sich in bestimmten Situationen Routenschleifen ausbilden (besonders, wenn die Last des Netzes mit in das Wegewahlkalkül aufgenommen wird). Dies liegt daran, dass die Berechnungen unabhängig voneinander in den einzelnen Router-Rechnern durchgeführt werden.Distance-Vector Routing - The procedure is based on the Bellman-Ford algorithm. Each router periodically sends part of its routing table (destination address, distance) to its neighbors. With the help of this information, each router calculates which neighbor is currently offering the cheapest route to a destination and enters it in its routing table together with the calculated distance value. A distributed calculation of the routes takes place (no router needs to know the complete route). Overall, the process is characterized by its simplicity and low storage requirements. However, it also has serious disadvantages, such as its inertia (the so-called count-to-infinity problem), its tendency to form routing loops and oscillations, its inability to include the line bandwidths in the routing and also its slowness , Because of these disadvantages, distance-vector routing has increasingly been replaced by link-state routing. Link-State Routing - This method is considered a more flexible and robust alternative to the distance-vector routing described above. Each individual router computer has information about the entire topology of the network. The states of the system, the link states, are propagated through the entire network (flooding), so that each router knows the entire network state with a slight delay. Every router uses this data base to autonomously calculate the shortest routes for each source-destination relationship with the help of the Dijkstra algorithm. Disadvantages of the Link State Routing method are primarily the relatively high network load caused by the flooding is caused, and the high memory and processor requirements. In addition, route loops can form in certain situations (especially if the network load is included in the routing calculation). This is because the calculations are carried out independently of one another in the individual router computers.
Beide Algorithmen berechnen für jedes Quelle-Ziel-Paar genau einen Weg (singlepath routing).Both algorithms calculate exactly one path for each source-target pair (single path routing).
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Berechnung von Routen in paketvermittelnden Kommunikationsnetzen zu beschreiben, welches in der Lage ist, systemoptimale Routen bzgl. Beliebig voegebbarer Zielfunktionen zu ermitteln. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.It is therefore the object of the present invention to describe a method for calculating routes in packet-switching communication networks, which is able to determine system-optimal routes with respect to target functions which can be freely specified. The object is achieved according to the invention by a method having the features of claim 1.
Die hier beschriebene Erfindung realisiert ein adaptives und verteiltes Verfahren zur systemoptimalen Routenwahl in paketvermittelnden Kommunikationsnetzen mit beliebig vorgebbarem Optimierungskriterium (Zielfunktion). Dazu werden das eigentliche Kommunikationsnetz und das zugehörige Routing- Verfahren auf spezielle, miteinander kooperierende neuronale Netze abgebildet, die ldentifikations- und Fehlerpropagierungsnetz genannt werden.The invention described here implements an adaptive and distributed method for system-optimal route selection in packet-switching communication networks with any predefinable optimization criterion (target function). For this purpose, the actual communication network and the associated routing method are mapped to special, mutually cooperating neural networks, which are called the identification and error propagation network.
In Figur 1 ist dargestellt, dass die Aufgabe als Steuerungsproblem interpretiert werden kann, indem das eigentliche Kommunikationsnetz als das zu steuerende System (Identifikationsnetz) aufgefasst wird, und die optimale Wegewahl als Steuerung des ersten Subsystems. Strukturen und Zustände des Identifikationsnetzes werden durch die Topologie des Kommunikationsnetzes und dessen spezifische Attribute (Queuespeichergrößen, Service-Raten, etc.) definiert. Die freien einzustellenden Parameter des Identifikationsnetzes sind die Einträge der Routingtabellen der einzelnen Router-Rechner. Die Steuerung (das Fehlerpropagierungsnetz) stellt diese Parameter entsprechend einer gegebenen Zielfunktion ein. Beide Subsysteme kooperieren permanent miteinander: das Identifikationsnetz übermittelt zyklisch seinen aktuellen Systemzustand, während das Fehlerpropagierungsnetz zyklisch die jeweils neuen Korrekturen der Routingtabellen zurückgibt.FIG. 1 shows that the task can be interpreted as a control problem in that the actual communication network is understood as the system to be controlled (identification network) and the optimal route selection as control of the first subsystem. Structures and states of the identification network are defined by the topology of the communication network and its specific attributes (queue memory sizes, service rates, etc.). The free parameters of the identification network to be set are the entries in the routing tables of the individual router computers. The controller (the error propagation network) sets these parameters according to a given target function. Both subsystems are constantly cooperating with one another: the identification network cyclically transmits its current system status, while the error propagation network cyclically returns the new corrections to the routing tables.
Die Bestimmung der optimalen Routen geschieht mit Hilfe des Fehlerpropagierungsnetzes, das als lineares rekurrentes neuronales Netz eine modifizierte Version des besonders effizienten Lernverfahrens Rekurrentes Backpropagation realisiert. Die Berechnungen des Fehlerpropa- gierungsnetzes sind durchweg lokal, d.h. dass jeder Router-Rechner nur einen geringen Teil der Gesamtberechnimg durchführen muss. Das Modell ist fähig, beliebige Teilmengen des Datenverkehrs (z.B. den Verkehr eines Zieles) in sogenannten Schichten separat zu routen, wobei die Abhängigkeiten der Schichten untereinander berücksichtigt werden.The optimal routes are determined with the aid of the error propagation network, which as a linear recurrent neural network implements a modified version of the particularly efficient learning method recurrent back propagation. The calculations of the error propagation network are all local, i.e. that each router computer only has to carry out a small part of the total calculation. The model is capable of routing any subsets of data traffic (e.g. traffic to a destination) separately in so-called layers, taking into account the interdependencies of the layers.
Das Verfahren ist sowohl für verbindungslose Vermittlerschichten (also Datengrammteilnetze wie TCP/IP), als auch für verbindungsorientierte Dienste (Teilnetze mit virtuellen Verbindungen wie ATM), oder auch für Mischformen der beiden geeignet. Es ist einfach, robust und stabil. Weitere Kriterien wie Fairness und Optimalität lassen sich über geeignet definierte Zielfunktionen einbringen. Lösung von Routing-Problemen mit Hilfe von Rekurrenten Neuronalen NetzenThe method is suitable both for connectionless intermediary layers (ie data program subnetworks such as TCP / IP) and for connection-oriented services (subnetworks with virtual connections such as ATM), or for mixed forms of the two. It is simple, robust and stable. Additional criteria such as fairness and optimality can be introduced via suitably defined target functions. Solution of routing problems with the help of recurrent neural networks
Abbildung von Topolgie und Dynamik eines Routing-Netzes auf ein Rekurrentes Neuronales NetzMapping of the topology and dynamics of a routing network onto a recurrent neural network
Ein Routing-Netz sei definiert durch einen gerichteten Graph $ = fe,S) , mit "K - Menge von N Router-Rechnern und S = Menge von M Router- Verbindungen, wobei „Router- Verbindung" hier für den Übertragungskanal zusammen mit dem entsprechenden Router-Ausgang und seinem Warteschlangenspeicher (output queue) steht! Q bzw. Z sei die Anzahl der Datenquellen bzw. Datenziele des Netzes. Weiter seien . c 5 die Menge der Quellanbindungen und cz S die Menge der Zielanbin- dungen.A routing network is defined by a directed graph $ = fe, S), with "K - set of N router computers and S = set of M router connections," router connection "here for the transmission channel together with the corresponding router output and its queue memory (output queue)! Q and Z are the number of data sources or data targets in the network. Be further. c 5 the set of source connections and cz S the set of target connections.
Zunächst wird ein erstes rekurrentes neuronales Netz (RANN) konstruiert, das Topologie und Dynamik des Verkehrsgeschehens im Kommunikationsnetz möglichst realistisch nachbildet. Dieses Netz soll, entsprechend der üblichen Terminologie von Steuerungsmodellen, Identifikationsnetz oder auchFirst, a first recurrent neural network (RANN) is constructed, which realistically reproduces the topology and dynamics of traffic in the communication network. This network should, according to the usual terminology of control models, identification network or
Identifikations-RANN heißen. Die Topologien von Kommunikationsnetz und neuronalem Netz werden aufeinander abgebildet, indem die Router-Verbindungen S des Kommunikationsnetzes mit denIdentification RANN are called. The topologies of the communication network and the neural network are mapped to one another by the router connections S of the communication network with the
Neuronen des RANN identifiziert werden. Die durch das Kommunikationsnetz und seinen Router- Rechnern realisierten Verbindungen von Router- Ausgängen entsprechen so den Kopplungen derRANN neurons can be identified. The connections of router outputs realized by the communication network and its router computers thus correspond to the couplings of the
Neuronen. Das damit definierte Netzwerk ist ein rekurrentes neuronales Netz, da prinzipiell jedesNeurons. The network thus defined is a recurrent neural network, since in principle every one
Neuron mit jedem anderen verbunden sein kann. Die Neuronen sind in diesem Falle aber spärlich gekoppelt, da ein Router in der Regel nur mit einigen wenigen anderen Routern in Verbindung steht.Neuron can be connected to each other. In this case, however, the neurons are sparsely coupled, since a router is usually only connected to a few other routers.
Man beachte, daß es zwischen zwei Neuronen keine Verbindungen in beide Richtungen geben kann, da die Strecken des Graphen G gerichtet sind.Note that there can be no two-way connections between two neurons because the graph G lines are directed.
Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen die beschriebenen Zuordnungen der Topologien anhand eines einfachen Beispiels. In Figur 2 ist ein einfaches Kommunikationsnetz dargestellt mit Router-Rechnern (__ bis R4), Datenquellen (Q;, Q2), Datenzielen (Z;, Z2), und Verbindungsleitungen mit den zugehörigen Warteschlangenspeichern (__/ bis L,2). Beispielsweise hat der Router R3 die Möglichkeit, die über Leitung L5 eintreffenden Datenpakete über die Leitungen L6, L,0 oder L,, weiterzurouten. Die Figur zeigt die Abbildung des Kommunikationsnetzes aus Figur 2 auf ein rekurrentes neuronales Netz. Die einzelnen Neuronen (N/ bis N12) entsprechen den Verbindungsleitungen mit den zugehörigen Warteschlangenspeichern des Kommunikationsnetzes. Die Einträge der Routingtabellen der Router- Rechner, die das Multipath-Routing des Kommunikationsnetzes definieren, sind die Kopplungs- gewichte wLk des neuronalen Netzes. Die Kopplungsgewichte müssen aufsummiert den Betrag 1 ergeben (Bsp.: w + w, = 1).Figures 2 and 3 illustrate the described assignments of the topologies using a simple example. 2 shows a simple communications network is shown with router computers (__ to R 4), data sources (Q;, Q 2), data targets (Z, Z 2), and connection lines with the associated queue memories (__ / to L, 2 ). For example, the router R 3 has the option of forwarding the data packets arriving via line L 5 via lines L 6 , L, 0 or L ,,. The figure shows the mapping of the communication network from FIG. 2 to a recurrent neural network. The individual neurons (N / to N 12 ) correspond to the connecting lines with the associated queue memories of the communication network. The entries in the routing tables of the router computers which define the multipath routing of the communication network are the coupling weights w Lk of the neural network. The coupling weights must add up to 1 (e.g. w + w, = 1).
Dem Aktivitätszustand x,(t) des .-ten Neurons zum Zeitpunkt t entspricht, aufgrund der beschriebenen Identifikation von Router- Verbindungen und Neuronen, die Anzahl der Datenpakete, die sich zu diesem Zeitpunkt in der Warteschlange des Router-Ausganges i e S befinden. Die Propagierung der Datenpakete im Kommunikationsnetz wird im neuronalen Netz mit Hilfe spezieller Aktivitätsfunktionen s„ rt und Kopplungsgewichten wlk , i,k S , realisiert. Diese vom Zustand des Neurons (bzw. der Anzahl der Datenpakete) abhängigen Funktionen werden als Service (_, ) bzw. als Speicherrestriktionen (r, ) des Kommunikationssystems interpretiert. Sie bestimmen, wie sich die neuronalen Zustände pro Zeitschritt ändern, oder in der Sprache des Kommunikationssystems, wieviele Datenpakete in einem Zeitschritt einen Router-Ausgangsspeicher erreichen bzw. verlassen. Die Kopplungsgewichte wik legen fest, wie die an den Router-Eingängen i ankommenden Datenpakete auf die Router-Ausgänge k verteilt werden. Sie definieren damit eine Routing-Tabelle. Zum Beispiel besagt ein Gewicht wlk = 0.5 , dass der Router, der den Router-Ausgang k enthält, genau die Hälfte der an seinem Router-Eingang vom Router-Ausgang eines anderen Router-Rechners ankommenden Datenpakete zum Router-Ausgang k leitet. Für die Gewichte des RANN wird aus Gründen der Datenerhaltung ≤ wtJ ≤ \, V ,y und ,w„ =l> v (0.1)Due to the described identification of router connections and neurons, the activity state x, (t) of the .th neuron at time t corresponds to the number of data packets that are in the queue of the router output ie S at this time. The propagation of the data packets in the communication network is the neural network with the aid of specific activity functions s "r t and coupling weights w lk, i, k S is realized. These functions, which depend on the state of the neuron (or the number of data packets), are interpreted as service (_,) or as memory restrictions (r,) of the communication system. You determine how the neural states change per time step, or in the language of the communication system, how many data packets reach or leave a router output memory in a time step. The coupling weights w ik determine how the data packets arriving at the router inputs i are distributed to the router outputs k. You use it to define a routing table. To the For example, a weight w lk = 0.5 means that the router containing the router output k routes exactly half of the data packets arriving at its router input from the router output of another router computer to the router output k. For reasons of data conservation, the weights of the RANN are ≤ w tJ ≤ \, V, y and, w „= l > v (0.1)
gefordert.required.
Das so konstruierte Identifikations-RANN ist jedoch als Teilmodell für ein Routing- Verfahren zu unspezifisch, da damit noch nicht die Quelle-Ziel-Beziehungen der Datenpakete berücksichtigt werden können. Diese Beziehungen seien formal duch zeitabhängige Datenverkehrsmatrizen U(t) = ulk(t) , dim(U) = Q Z , gegeben. Die Matrixeinträge ulk(t) geben an, wieviele Datenpakete pro Zeiteinheit von der Quelle i ≡ O zum Ziel k & $ transportiert werden müssen.However, the identification RANN constructed in this way is too unspecific as a partial model for a routing method, since it cannot yet take into account the source-target relationships of the data packets. These relationships are formally given by time-dependent data traffic matrices U (t) = u lk (t), dim (U) = QZ. The matrix entries u lk (t) indicate how many data packets per unit of time have to be transported from the source i ≡ O to the destination k & $.
Die Einbeziehung der Quelle-Ziel- Verkehrsnachfragen in das Modell geschieht über eine Erweiterung des Identifikations-RANN. Dazu wird das Identifikations-RANN aus Z einzelnen Schichten aufgebaut, von denen jede einzelne eine Kopie der originalen Netztopologie ist. Jede Schicht soll dabei die Teilflüsse des Gesamtszenarios simulieren, die, von irgendeiner Datenquelle ausgehend, zu genau einem Ziel führen. Die Anzahl der Schichten eines so erweiterten Identifikations-RANN ist identisch mit der Anzahl Z der Ziele des Kommunikationsnetzes. In jeder Schicht wird auf diese Weise eine bestimmte Teilmenge des Gesamtdatenverkehrs modelliert. Um Sackgassen zu vermeiden, werden noch in jeder Schicht d alle Neuronen und Verbindungen entfernt, die nicht auf irgendeiner zum Ziel d führenden Route liegen (von wo aus das betreffende Ziel nicht erreicht werden kann). In Figur 4 (a und b) wird veranschaulicht, wie für die Subdatenströme eines jeden Ziels eine identische Kopie des orginalen neuronalen Netzes konstruiert wird. Diese Kopien werden Schichten genannt. Mit der Einführung der Schichten werden auch alle Zustandgrößen des orginalen Netzes vervielfacht. Die neuen Größen werden durch einen Topindex unterschieden (Bsp.: w3 2 7 ist ein Kopplungsgewicht der Schicht 2). Die Abbildung zeigt die beiden Schichten für das Beispiel aus den Figuren 2 und 3. In der Schicht i werden danach genau die Datenströme des Gesamtsystems modelliert, die das Ziel i haben. Es ist aber zu beachten, dass die Schichten nicht vollkommen unabhängig voneinder sind, da in die dynamischen Gleichungen (0.2) des neuronalen Netzes auch Summen von schichtspezifϊschen Zustandgrößen über alle Schichten eingehen. In jeder Schicht werden die Sackgassen zu den jeweils anderen Zielen entfernt (d.h. die Kopplungsgewichte dieser Verbindungen werden konstant auf den Wert 0 gesetzt).The inclusion of the source-destination traffic requests in the model is done by expanding the identification RANN. For this purpose, the identification RANN is made up of Z individual layers, each of which is a copy of the original network topology. Each layer is supposed to simulate the partial flows of the overall scenario, which, starting from any data source, lead to exactly one goal. The number of layers of an identification RANN expanded in this way is identical to the number Z of the destinations of the communication network. In this way, a specific subset of the total data traffic is modeled in each layer. In order to avoid dead ends, all neurons and connections that are not on any route leading to the destination d (from where the destination in question cannot be reached) are still removed in each layer d. FIG. 4 (a and b) illustrates how an identical copy of the original neural network is constructed for the sub-data streams of each target. These copies are called layers. With the introduction of the layers, all state variables of the original network are also multiplied. The new sizes are distinguished by a top index (e.g. w 3 2 7 is a coupling weight of layer 2). The figure shows the two layers for the example from FIGS. 2 and 3. In layer i, exactly the data streams of the overall system that have the target i are then modeled. However, it should be noted that the layers are not completely independent of one another, since the dynamic equations (0.2) of the neural network also include sums of layer-specific state variables across all layers. In each layer, the dead ends to the other targets are removed (ie the coupling weights of these connections are constantly set to the value 0).
Die Quelldatenflüsse qk d einer jeden Schicht d lassen sich leicht entweder aus der vorgegebenen Datenverkehrsmatrix berechnen (qk ά -= uω ), oder direkt aus den Statistiken des betreffenden Quell- Routers ablesen.The source data flows q k d of each layer d can easily be calculated either from the specified data traffic matrix (q k ά - = u ω ), or read directly from the statistics of the relevant source router.
Für das erweiterte Identifikations-RANN gilt: 1.The following applies to the extended identification RANN: 1.
Figure imgf000006_0001
Ausgangs ;' mit dem Ziel d. Für das Weitere seien noch xl:= (x],x^,...,xf) der Vektor Datenmengen aller Schichten, xrf := (xd,xd ,—,xM d ) der Vektor der Datenmengen der Schicht d, und x:= (x',x2,...,x'!) der Vektor aller Datenmengen.
Figure imgf000006_0001
Output; ' with the aim d. For the rest, let x l : = (x], x ^, ..., xf) be the vector Data sets of all layers, x rf : = (x d , x d , -, x M d ) the vector of the data sets of layer d, and x: = (x ', x 2 , ..., x' ! ) The vector all amounts of data.
2. Die Datenflüsse der einzelnen Schichten sind nicht unabhängig voneinander. Wie später gezeigt wird, hängen sowohl der Service sd als auch die Speicherrestriktion rt von den Aktivitätszu- ständen x, aller Schichten ab.2. The data flows of the individual layers are not independent of each other. As will be shown later, both the service s d and the storage restriction r t depend on the activity states x of all layers.
Die zeitdiskreten dynamischen Gleichungen der einzelnen Schichten des Identifikations-RANN sind gegeben durch xd t + τx) = xd t) + uk d{t)-hi{t) + τxqk d(t)The discrete-time dynamic equations of the individual layers of the identification RANN are given by x d t + τ x ) = x d t) + u k d {t) -hi {t) + τ x q k d (t)
- ^(t)+rt( X vIl(t ''(t)-^(/)£^(t)r,(t) + τA rf(t)- (0-2) - ^ (t) + r t (X v I l (t '' (t) - ^ ( / ) £ ^ (t) r, (t) + τ A rf (t) - (0 - 2)
Das durch die Gleichungen (0.2) definierte RANN ist ein sogenanntes Σ-II-Netz, da es gewichtete Summen von Produkten von (sigmoiden) Funktionen enthält. Hier und im nachfolgenden bezeichnet der Top-Index d immer die Nummer der Schicht. Die q sind die Quelldatenflüsse der Schicht d, und τx ist das diskrete Zeitintervall der Entwicklung.The RANN defined by equations (0.2) is a so-called Σ-II network because it contains weighted sums of products of (sigmoid) functions. Here and below, the top index d always denotes the number of the shift. The q are the source data flows of layer d, and τ x is the discrete time interval of the development.
Der Service sd der Schicht d ist der Teil des totalen Service s, , der dem Verhältnis der Datenmenge xd der Schicht d zur Gesamtdatenmenge xt entspricht:The service s d of layer d is the part of the total service s, which corresponds to the ratio of the amount of data x d of layer d to the total amount of data x t :
^(x,) :=s{x)^, mit sd (x,) :=0 , falls *, = 0 (0.3)^ (x,): = s {x) ^, with s d (x,): = 0, if *, = 0 (0. 3 )
Der totale Service s,(xt) e [0;_,] beschreibt die gesamte Sendeleistung des Router-Rechners über die Verbindung i in Abhängigkeit der Datenmenge x, des zugehörigen Ausgangsspeichers, wobei c, die maximale Servicerate für den Ausgangsspeicher / ist.The total service s, (x t ) e [0; _,] describes the total transmission power of the router computer via the connection i depending on the amount of data x, the associated output memory, where c, is the maximum service rate for the output memory /.
Die Form einer solchen Funktion zeigt die Figur 6. Hier ist die grobe Funktionsgestalt der totalen Services s^x,) aufgetragen über der Paketzahl x, des Warteschlangenspeichers. Die Sendeleistung s, ist nach oben beschränkt durch die Servicerate c, . Die genaue Definition von _, wird im konkreten Anwendungsfall durch eine Reihe weiterer (fixer) Parameter bestimmt, wie z.B. die Leistungsfähigkeit der Rechner-Hardware und die Kanalkapazität der Leitung. Das hier beschriebene Verfahren kann beliebige Service-Funktionen st verwenden, solange sie monoton steigend und stetig differenzierbar sind. Ein Beispiel für s, ist _ , (x, ) : = 2 τx c, (l + exp (-α, xt )) - 1 mit freiem Parameter α, . Die monoton fallenden rk e [0;1] sind die Speicherrestriktionen. Sie drücken das Unvermögen eines vollgelaufenen Ausgangspeichers aus, noch weitere Datenpakete aufzunehmen. Die rk hängen von der totalen Datenmenge der Ausgangspeicher k ab, d.h. rk(t) = rk(xk(t)) . Anforderungen an die rk sind: monoton fallend, differenzierbar und einen Wertebereich zwischen 0 und 1. Ein Beispiel für rk ist .;(.;,) :=l-(l + exp(α, -bl( xllxmaxj)))'1 mit freien Parametern at ,b, und einer Datenspeichergröße x^, . Die genauen Definitionen der rk sind für das Verfahren unwesentlich, solange sie die obigen Anforderungen erfüllen.The form of such a function is shown in FIG. 6. Here is the rough functional form of the total services s ^ x,) plotted over the number of packets x, the queue memory. The transmission power s is limited by the service rate c. The exact definition of _ is determined in a specific application by a number of other (fixed) parameters, such as the performance of the computer hardware and the channel capacity of the line. The method described here can use any service functions s t as long as they are monotonously increasing and continuously differentiable. An example of s, is _, (x,): = 2 τ x c, (l + exp (-α, x t )) - 1 with free parameter α,. The monotonically falling r k e [0; 1] are the memory restrictions. They express the inability of a full output memory to accept further data packets. The r k depend on the total amount of data in the output memory k, ie r k (t) = r k (x k (t)). Requirements for the r k are: falling monotonically, differentiable and a range of values between 0 and 1. An example for r k is.; (.;,): = L- (l + exp (α, -b l (x l lx maxj ))) '1 with free parameters a t , b, and a data storage size x ^ ,. The exact definitions of the r k are insignificant for the method as long as they meet the above requirements.
Die Form einer solchen Funktion zeigt die Figur 5, wobei die Speicherrestriktionen .;(;.,) über dem Füllgrad x xmax,, des Speichers aufgetragen sind. Bis zu einem bestimmten Füllstand (x x maι., - < l ) können alle ankommenden Pakete aufgenommen werden, danach müssen zunehmend viele Pakete verworfen werden, bis schließlich bei vollem Speicher (x,/xmaxι = 1 ) keine Pakete mehr aufgenommen werden können. Die Definition der dynamischen Gleichungen (0.2) zeigt, dass die real zu- und abfliessenden Datenströme ud(t) und hk (t) sowohl von den Serviceraten als auch den Speicherrestriktionen der beteiligten Router-Rechner abhängen. Im Fall des abfliessenden Datenstroms hk (r) entspricht dies nicht ganz den realen Verhältnissen, da Pakete, die nicht von den nachfolgenden Routern und deren Ausgangsspeichern aufgenommen werden können, verloren gehen und erneut verschickt werden müssen, wohingegen dieses Simulationsmodell davon ausgeht, dass Datenpakete, die von den nachfolgenden Router-Rechnern nicht aufgenommen werden können, gar nicht erst verschickt werden. Entscheidend in diesem Zusammenhang ist aber, dass das später dazu passende Fehlerpropagierungsnetz rückstaufreie Routen berechnet, die automatisch die Verlustrate und das Wiederversenden von Datenpakten minimieren. Mit Einführung der Korrelationsterme ad k(t) = sd(t) rk(t) lässt sich (0.2) auch wie folgt schreiben: xi(t + τx) = xd t) + ∑ (t)ad k(t)- jwh d(t)aii:t) + τxqk d(t). (Q 4) The form of such a function is shown in FIG. 5, the memory restrictions.; (;.,) Above the Filling level xx max ,, of the reservoir are plotted. Up to a certain fill level ( xx maι ., - < l), all incoming packets can be picked up, afterwards an increasing number of packets have to be discarded until finally, with full memory (x, / x maxι = 1), no packets can be picked up. The definition of the dynamic equations (0.2) shows that the real incoming and outgoing data streams u d (t) and h k (t) depend on both the service rates and the memory restrictions of the router computers involved. In the case of the outflowing data stream h k (r), this does not quite correspond to the real situation, since packets that cannot be received by the subsequent routers and their output memories must be lost and sent again, whereas this simulation model assumes that data packets that cannot be received by the following router computers are not sent at all. It is crucial in this context, however, that the later appropriate error propagation network calculates backflow-free routes that automatically minimize the loss rate and the resending of data packets. With the introduction of the correlation terms a d k (t) = s d (t) r k (t), (0.2) can also be written as follows: x i (t + τ x ) = x d t) + ∑ (t) a d k (t) - j w h d (t) aii: t) + τ x q k d (t). (Q 4)
Die ad k werden später für weitere Berechnungen verwendet werden.The a d k will be used later for further calculations.
Die Konstruktion eines kooperierenden FehlerpropagierungsnetzesThe construction of a cooperating error propagation network
Das Fehlerpropagierungsnetz ist der Routing-Modellteil des Verfahrens. In ihm werden Fehlersignale in entgegengesetzter Richtung zu den Datenpaketen des Identifikationsnetzes propagiert. Die Zustände dieses linearen rekurrenten neuronalen Netzes werden benutzt, um Korrekturen Awk der Gewichte wd k des Identifikationsnetzes entsprechend vorgegebener Optimierungskriterien zu berechnen (die wd k legen die Routen der Datenpakete durch das Kommunikationsnetz fest).The error propagation network is the routing model part of the process. In it, error signals are propagated in the opposite direction to the data packets of the identification network. The states of this linear recurrent neural network are used to calculate corrections Aw k of the weights w d k of the identification network according to predetermined optimization criteria (the w d k determine the routes of the data packets through the communication network).
Das Fehlerpropagierungsnetz realisiert über einen Gradientenabstieg entlang einer vorgegebenen Ziel- funktion eine modifizierte Version des Lernverfahrens rekurrentes Backpropagation. Die Entwicklung der benötigten Formeln wird hier verkürzt - ohne Zwischenschritte - wiedergegeben, da die vollständigen Ausführungen den Rahmen dieser Erfindungsbeschreibung sprengen würde. Die Ausführungen folgen aber prinzipiell der bekannten Herleitung des rekurrenten Backpropagation Lemverfahrens, so wie es z.B. in [4] erklärt ist. Der Unterschied besteht vor allem darin, das es sich bei dem Identifikations-Netz um ein sogenanntes Σ-11-Netz handelt.The error propagation network implements a modified version of the learning method recurrent back propagation via a gradient descent along a specified target function. The development of the required formulas is shown here in a shortened manner - without intermediate steps - since the complete explanations would go beyond the scope of this description of the invention. In principle, however, the explanations follow the well-known derivation of the recurrent back-propagation lem method, as it is e.g. is explained in [4]. The main difference is that the identification network is a so-called Σ-11 network.
Die Zielfunktionen können, je nach Einsatzfall und gewünschtem Optimierungsziel, fast beliebig definiert werden (sie müssen differenzierbar in xt sein). Sinnvolle Zielfunktionen für optimale Routing- Verfahren in Kommunikationsnetzen sind beispielsweise:Depending on the application and the desired optimization goal, the target functions can be defined almost arbitrarily (they must be differentiable in x t ). Useful target functions for optimal routing procedures in communication networks are, for example:
E( = ∑x, (s,(xXt)) ,,(*,(,)) = ∑C| .^)) • (0-5)E (= ∑x, (s, (xXt)) ,, (*, (,)) = ∑ C | . ^)) • (0-5)
mit einer M/M 1 -Wartezeitfunktion π, (s) = s/(c, -s) , oder einfach: E(t) = φ, x t), (0.6)with an M / M 1 waiting time function π, (s) = s / (c, -s), or simply: E (t) = φ, xt), (0.6)
mit den positiven Gewichtungskonstanten φt , oder eine Funktion, die für alle alternativen Routen eines Quelle-Ziel-Paares gleiche Transportzeiten erzwingt:with the positive weighting constant φ t , or a function that forces the same transport times for all alternative routes of a source-destination pair:
Figure imgf000009_0001
mit einer beliebiger Verzögerungszeitfunktion π, (s) .
Figure imgf000009_0001
with an arbitrary delay time function π, (s).
Für die Korrektur der Gewichte ergibt sich nach dem GradientenabstiegsverfahrenFor the correction of the weights follows the gradient descent method
Figure imgf000009_0002
mit einer Schrittweite ε des Abstiegs und den von der verwendeten Zielfunktion abgeleiteten Konstanten!^ = dEk/dxk . Für die Zielfunktion (0.5) ergibt sich beispielsweise:
Figure imgf000009_0002
with a step size ε of the descent and the constants derived from the objective function used! ^ = dE k / dx k . For example, for the target function (0.5):
_ , 2ck -sk * = **** rr- (0.9)_, 2c k -s k * = * * * * rr- (0.9)
Die unbekannten partiellen Ableitungen dxl/dwd werden über die dynamische Gleichung (0.4) bestimmt; es ergibt sichThe unknown partial derivatives dxl / dw d are determined using the dynamic equation (0.4); it results
Figure imgf000009_0003
mit
Figure imgf000009_0003
With
a<a <
33
Figure imgf000009_0004
(lim_^(._,) = 0 und limG,Jl(Λ:,) = l/π(0) > 0 ). Durch Umstellungen und Substitutionen von (0.10) ergibt sich ein neues lineares RANN (das Fehlerpropagierungsnetz) mit der dynamischen Gleichung
Figure imgf000009_0004
(lim _ ^ (._,) = 0 and limG, Jl (Λ :,) = l / π (0)> 0). Conversions and substitutions of (0.10) result in a new linear RANN (the error propagation network) with the dynamic equation
Figure imgf000009_0005
und Kopplungsgewichten
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000009_0005
and coupling weights
Figure imgf000010_0001
Das in (0.12) definierte lineare System ist jedoch nicht kontrahierend, da die Matrix v'k" einen Spektralradius größer 1 besitzt. Eine Umstellung der Gleichungen in die FormHowever, the linear system defined in (0.12) is not contracting, since the matrix v ' k "has a spectral radius greater than 1. A conversion of the equations into the form
v7k y = -∑∑ y,' (0.14) ι "t / l≠e gestattet aber eine Interpretation des Systems als zwei miteinander kooperierende Fehlerpropagierungsnetze. Die linke Seite der Gleichung definiert das 1. Fehlerpropagierungsnetz mit einer Gewichte-Matrix v" . Seine Aufgabe ist es, das lineare Gleichungssystem (0.14) bei festgehaltener rechter Seite iterativ zu lösen. Das 2. Fehlerpropagierungsnetz mit der Gewichte-Matrix v^k dagegen löst das Gleichungssystem (0.14) bei festgehaltener linker Seite. Die dynamische Gleichung des 1. linearen Netzes ist alsov 7 k y = -∑∑ y, '(0.14) ι "t / l ≠ e, however, allows the system to be interpreted as two cooperating error propagation networks. The left-hand side of the equation defines the 1st error propagation network with a weight matrix v ". Its task is to solve the linear system of equations (0.14) iteratively with the right side fixed. The second error propagation network with the weight matrix v ^ k, on the other hand, solves the system of equations (0.14) with the left side fixed. So the dynamic equation of the 1st linear network is
(0.15)(0.15)
während das 2. Netz die folgende lineare Operation realisiertwhile the 2nd network realizes the following linear operation
;('+*,)=Σ∑ - ∑ , (')- + ∑∑ *Jtf( (0.16); (' + *,) = Σ∑ - ∑, (') - + ∑∑ * Jtf ((0.16)
Die beiden linearen Netzwerke arbeiten wechselweise solange, bis sich ein stabiler Zustand einstellt (die Lösung y* des durch (0.12) definierten Gleichungssystems). Mit Hilfe der Lösung y* können die benötigten Korrekturen der Gewichte wie folgt bestimmt werden:The two linear networks work alternately until a stable state occurs (the solution y * of the system of equations defined by (0.12)). With the help of the solution y * , the required corrections of the weights can be determined as follows:
Δ =β ( - tf) β (0.17)Δ = β (- tf) β (0.17)
Arbeitsweise des Gesamtmodells Die Arbeitsweise des Gesamtmodells besteht darin, das Identifikationsnetz und die beiden Fehlerpropagierungsnetze wechselweise oder parallel entsprechend ihrer dynamischen Gleichungen zu entwickeln, und nach einer einstellbaren Anzahl Zeittakte tldenl bzw. tError die aktuellen Netzzustände dem jeweils anderen RANN zur Berechnung seiner Gewichtskorrekturen zu übergeben. Die ganzzahligen Zeittaktparameter tldent und tError bestimmen, wie oft Korrekturen an den Gewichten erfolgen und wie genau diese Korrekturen sind. Sie können als eine Art Trägheit des Systems inteφretiert werden (größere Werte entsprechen einer größeren Trägheit).Mode of operation of the overall model The mode of operation of the overall model consists of developing the identification network and the two error propagation networks alternately or in parallel in accordance with their dynamic equations, and after an adjustable number of time cycles t ldenl or t error, the current network states are sent to the other RANN to calculate its weight corrections to hand over. The integer timing parameters t ldent and t error determine how often corrections are made to the weights and how accurate these corrections are. They can be integrated as a kind of inertia of the system (larger values correspond to a larger inertia).
Die folgenden Schritte werden zyklisch entweder hintereinander oder parallel ausgeführt: 1. Identifikationsnetz: Entwickle den Systemzustand über tldeπl diskrete Zeitschritte der Länge τ. nach den dynamischen Gleichungen (0.2),The following steps are carried out cyclically either in succession or in parallel: 1. Identification network: Develop the system state over t ldeπl discrete time steps of length τ. according to the dynamic equations (0.2),
2. Fehlerpropagierungsnetz: Übernehme den aktuellen Zustand xd(t) des Identifikationsnetzes und berechne die Gewichte v nach (0.13), 3. Fehlerpropagierungsnetz: Entwickle den Systemzustand über tError diskrete Zeitschritte der Länge Xy nach den dynamischen Gleichungen (0.15) und (0.16),2. Error propagation network: Take the current state x d (t) of the identification network and calculate the weights v according to (0.13), 3. Error propagation network: Develop the system state via t error discrete time steps of length X y according to the dynamic equations (0.15) and ( 0:16)
4. Identifikationsnetz: Übernehme den aktuellen Zustand y(t) des Fehlerpropagierungsnetzes und Aktualisiere die Gewichte wd k unter Verwendung von (0.17).4. Identification network: Take the current state y (t) of the error propagation network and update the weights w d k using (0.17).
Eine Übersicht über das Gesamtmodell zeigt die Figur 7. Man erkennt, dass das Gesamtmodell im Wesentlichen zweigeteilt ist: das geschichtete Identifikationsnetz mit den Funktionen s, (totale Services) und r( (Speicherrestriktionen), die beide von Summen von Zustandswerten der einzelnen Schichten abhängen, und dem zweigeteilten Fehlerpropagierungsnetz, das die systemoptimale Wegewahl realisiert. Die Fehleφropagierungssubnetze erhalten zyklisch aus Zustandsvariablen des Identifikationsnetzes berechnete Gewichte v| bzw. v* , und geben Gewichtskorrekturen für die Kopplungsgewichte des Identifikationsnetzes zurück. Durch ein permanentes Wechselspiel der Subsysteme nach vorgebbaren Zyklen werden die Routingtabellen des Kommunikationsnetzes dynamisch an die wechselnden Bedingungen (Netzbelastung und Verkehrsnachfiage) angepasst.Figure 7 shows an overview of the overall model. It can be seen that the overall model is essentially divided into two: the layered identification network with the functions s, (total services) and r ( (memory restrictions), both of which depend on sums of state values of the individual layers , and the two-part error propagation network, which realizes the system-optimal routing. The error propagation subnets receive weights v | or v * calculated cyclically from state variables of the identification network and return weight corrections for the coupling weights of the identification network Routing tables of the communication network are dynamically adapted to the changing conditions (network load and traffic refueling).
Übertragung des RANN-Routing-Modells in den Kontext paketvermittelnder Kommunikationsnetze Implementation des RANN-Routing-Modells in einzelnen Router-RechnernTransfer of the RANN routing model in the context of packet-switching communication networks Implementation of the RANN routing model in individual router computers
Entscheidend für die Implementation des RANN-Routing-Modells als Verfahren in einzelnen Router- Rechnern sind zwei Feststellungen:Two determinations are decisive for the implementation of the RANN routing model as a procedure in individual router computers:
1. Sowohl das geschichtete Identifikations- als auch das Fehlerpropagierungsnetz können direkt auf das Kommunikationsnetz abgebildet werden, da alle die gleiche Topologie besitzen. Dazu werden den einzelnen Router-Rechnern gerade die Neuronen bzw. Schichtneuronen zugeordnet, die ihren Ausgangsspeichern entsprechen. Die Services sd und Speicherrestriktionen rt des Identifikationsnetzes, die für die Berechnungen des Fehleφropagierungsnetzes gebraucht werden, können entweder so definiert werden, dass sie den Leistungscharakteristiken von Router-Rechnern und Verbindungsleitungen entsprechen, oder die benötigten Funtionswerte und deren Ableitungen werden einfach von den Router-Rechnern als Statistiken geführt und bei Bedarf verwendet.1. Both the layered identification network and the error propagation network can be mapped directly onto the communication network, since all have the same topology. For this purpose, the individual router computers are assigned the neurons or layer neurons that correspond to their output memories. The services s d and storage restrictions r t of the identification network, which are used for the calculations of the fault propagation network, can either be defined in such a way that they correspond to the performance characteristics of router computers and connecting lines, or the required function values and their derivations are simply provided by the router - Calculators kept as statistics and used if necessary.
2. Alle vorkommenden Rechenoperationen des Fehleφropagierungsnetzes sind lokaler Natur, d.h. sie können auf die einzelnen Router-Rechner so verteilt werden, dass jeder Router-Rechner nur einen geringen Teil der Gesamtberechnung ausführen muss, und dafür nur eigene Zustandsdaten und die der direkt verbundenen Nachbar-Router-Rechner benötigt. Es entsteht so ein vollständig verteiltes Verfahren.2. All occurring arithmetic operations of the fault propagation network are local, i.e. they can be distributed to the individual router computers in such a way that each router computer only has to carry out a small part of the total calculation and only needs its own status data and that of the directly connected neighboring router computers. This creates a completely distributed process.
Der konkrete Ablauf des Verfahrens in einem paketvermittelnden Kommunikationsnetz zerfällt in vier Funktionsblöcke, die parallel arbeiten, und von denen jeder Block seinen eigenen festen Ausführungs- zyklus besitzt: 1. Datenpakete routen und Statistiken erstellenThe concrete sequence of the procedure in a packet-switching communication network is divided into four function blocks, which work in parallel, and each block has its own fixed execution cycle: 1. Route data packets and create statistics
Jeder Router-Rechner routet die ankommenden Datenpakete entsprechend seiner Routing-Tabelle, die aus den Gewichten wd k gebildet wird. Dabei sind die Gewichte mit dem Index d für die Pakete mit dem Ziel-Router d (oder für einen entsprechend definierten Teilstrom d) zuständig. Das durch die wd k definierte Multipath-Routing (in der Regel existieren für festes i Indizes j„j2 mit w j, 'w > 0 wi1^ realisiert, indem die Datenpakete in einem entsprechenden Verhältnis auf die Ausgänge _/, und j2 aufgeteilt werden. Diese Aufteilung soll weitgehend so erfolgen, dass die Datenpakete einer Quell-IP-Adresse genau einem Ausgang zugeordnet werden. Weiter führt jeder Router k Statistiken (zeitliche Mittelwerte) über alle seine Teildatenströme sk ,sk , deren zeitliche Veränderungen sk' und die Längen seiner Ausgangs-Warteschlangen xk ,xk .Each router computer routes the incoming data packets according to its routing table, which is formed from the weights w d k . The weights with the index d are responsible for the packets with the destination router d (or for a correspondingly defined partial stream d). The multipath routing defined by the w d k (usually exist for fixed i indices j "j 2 with w j , ' w > 0 wi 1 ^ realized by the data packets in a corresponding ratio to the outputs _ /, and j 2. This division should largely take place in such a way that the data packets of a source IP address are assigned to exactly one output. Furthermore, each router maintains k statistics (mean values over time) about all its partial data streams s k , s k , their temporal Changes s k 'and the lengths of its output queues x k , x k .
2. Statusvariable propagieren und v-Gewichte berechnen2. Propagate status variable and calculate v-weights
Die statistischen Werte des Routers werden nach definierten Zeitintervallen τStatm zyklisch an alle direkt verbundenen Nachbar-Router-Rechner geschickt. Nach Erhalt dieser Daten ist jeder Router in der Lage, entsprechend der Formel (0.13), seine Fehleφropagierungs-Gewichte v*,v* zu berechnen.The statistical values of the router are sent cyclically to all directly connected neighboring router computers after defined time intervals τ Statm . After receiving this data, each router is able to calculate its error propagation weights v *, v * according to the formula (0.13).
3. Fehlersignale berechnen und propagieren3. Calculate and propagate error signals
Nach fest vorgegebenen Zyklen τErrl und τ Err2 berechnet jeder Router seine Fehlersignale yk und zd nach dem dynamischen Gesetzen (0.15) und (0.16). Die neuen Fehlersignale werden an alle direkt verbundenen Nachbar-Router-Rechner geschickt. 4. Gewichtskorrekturen berechnen und propagierenAfter fixed cycles τ Errl and τ Err2 , each router calculates its error signals y k and z d according to the dynamic laws (0.15) and (0.16). The new error signals are sent to all directly connected neighboring router computers. 4. Calculate and propagate weight corrections
Nach einem festen vorgegebenen Zeittakt τKor berechnet jeder Router k die Korrekturen Aw ,Awk seiner Routing-Gewichte wh d,wd k mit Hilfe der aktuellen Werte yd nach der Formel (0.17), und normalisiert die neuen Gewichte. Die neuen Gewichte werden an alle direkt verbundenen Nachbar-Router-Rechner geschickt.After a fixed predetermined time pulse τ Kor , each router k calculates the corrections Aw, Aw k of its routing weights w h d , w d k using the current values y d according to the formula (0.17), and normalizes the new weights. The new weights are sent to all directly connected neighboring router computers.
Vorteile und besondere Leistungsmerkmale des VerfahrensAdvantages and special performance features of the process
1. Das Modell ist ein systemoptimales Routing-Verfahren, optimal bezüglich beliebig vorgebbarer Zielfunktionen. Systemoptimal heisst auch, dass das Verfahren die einzelnen Routen nicht unabhängig voneinander berechnet; im Gegensatz etwa zum Link-State-Routing, wo jeder Router-Rechner unabhängig von den Berechnungen der a jeweils anderen Router-Rechner seine kürzesten Wege berechnet (was Oszillationen verursachen kann). Die Routen werden grundsätzlich lastabhängig berechnet, wobei die Routenmuster sich permanent an die aktuelle Verkehrsnachfrage und die Zustände der Ausgangsspeicher anpassen.1. The model is a system-optimal routing method, optimal with regard to arbitrarily definable target functions. System-optimal also means that the method does not calculate the individual routes independently of one another; in contrast to link-state routing, where each router computer calculates its shortest paths independently of the calculations of the other router computers (which can cause oscillations). The routes are generally calculated depending on the load, the route patterns permanently adapting to the current traffic demand and the status of the output memory.
2. Das Berechnungsverfahren zur dynamischen Bestimmung der optimalen Routen ist besonders effizient, da der Backpropagation-Algorithmus derzeit die schnellste Möglichkeit darstellt, um Gradienten für ein Gradientenabstiegsverfahren zu berechnen.2. The calculation method for the dynamic determination of the optimal routes is particularly efficient since the back propagation algorithm is currently the fastest way to calculate gradients for a gradient descent method.
3. Das Modell ist ein verteiltes Verfahren, bei dem jeder einzelne Router des Netzes nur einen geringen Teil der Gesamtberechnung ausführt. Die Arbeitsschritte des Fehleφropagierungsnetzes zerfallen in elementare Operationen, die alle nur lokale Informationen - die eigenen und die der nächs- ten Nachbarn - benötigen. Die lokalen Operationen sind einfach und stellen keine besonderen Anforderungen an die einzelnen Routern bezüglich Rechenzeit und Speicherbedarf (im Gegensatz zum Link-State-Routing). Der zusätzliche Kommunikationsaufwand für die Fehlersignale ist gering. Die einzelnen Router-Rechner brauchen nicht die gesamte Topologie des Kommunikationsnetzes zu kennen.3. The model is a distributed process in which each individual router in the network only carries out a small part of the total calculation. The steps in the faulty propagation network break down into elementary operations, all of which are only local information - one's own and that of the next neighbors - need. The local operations are simple and do not place any special demands on the individual routers in terms of computing time and memory requirements (in contrast to link-state routing). The additional communication effort for the error signals is low. The individual router computers do not need to know the entire topology of the communication network.
4. Obwohl die zugrundeliegende Theorie mit den rekurrenten neuronalen Netzen von der Mathematik her relativ kompliziert erscheint, sind in der konkreten Implementation die lokalen Rechenoperationen für die einzelnen Router-Rechner besonders einfach.4. Although the underlying theory with the recurrent neural networks appears to be relatively complicated in terms of mathematics, the local computing operations for the individual router computers are particularly simple in the concrete implementation.
5. Das Modell realisiert ein multipath routing ( wd k ^ [ ;l , k wk = 1 ). Es routet die Informations- pakete einer Quelle-Ziel-Beziehung bei starker Netzbelastung auch über verschiedene, alternative Routen, wodurch die zur Verfügung stehenden Netzkapazitäten maximal genutzt werden können. Eine Aufteilung der Datenpakete auf die verschiedenen Routen kann z.B. quellspezifisch erfolgen. Ein multipath routing kann weder durch das Distance-Vector-Routing, noch durch das Link-State-Routing realisiert werden. 6. Das Modell ist robust bezüglich Ausfällen von Routern. Ein ausgefallener Router-Rechner kann sich nicht mehr an der Verarbeitung der Fehlersignale beteiligen. Daraus resultiert, dass die ihn betreffenden Abbiegeraten der Nachbarrechner sofort (oder sehr schnell) zurückgesetzt werden. Dies ist gleichbedeutend mit einer automatischen Reduzierung der Topologie um diesen ausgefallenen Router. Der entgegengesetzte Vorgang ist ebenso möglich: ein Router-Rechner wird neu ins Netz eingebunden, nimmt Verbindung mit seinen Nachbarn auf und wird damit automatisch in die globale Routing-Strategie aufgenommen, ohne dass der neue Rechner allen Rechnern des Kommunikationsnetzes bekanntgegeben werden müsste.5. The model implements multipath routing (w d k ^ [; l, k w k = 1). It routes the information packets of a source-destination relationship in the event of high network loads, also via different, alternative routes, so that the available network capacities can be used to the maximum. The data packets can be divided into different routes, for example, source-specifically. A multipath routing can neither be realized by the distance vector routing, nor by the link state routing. 6. The model is robust against router failures. A failed router computer can no longer participate in processing the error signals. As a result, the turn rates of the neighboring computers that affect him are reset immediately (or very quickly). This is tantamount to automatically reducing the topology around this failed router. The opposite process is also possible: a router computer is newly integrated into the network, establishes a connection with its neighbors and is thus automatically included in the global routing strategy without the new computer having to be announced to all computers in the communication network.
7. Das Modell ist in der Lage, heterogener Dienste (Priorisierung, Garantierung eines quality-of- service, multicast-routing oder gemischtes single- und multipath-routing) bereitzustellen, da einerseits in den Schichten des Identifikationsnetzes beliebige Teile des Gesamtverkehrs modelliert und optimiert werden können, und andererseits jede einzelne Schicht mit unterschiedlichen Dynamikparametern und Zielfunktionen versehen werden kann. Die Unterstützung solch spezifischer Dienste ist mit den gängigen Verfahren (Distance-Vector-Routing, Link-State-Routing) nicht zu erreichen.7. The model is able to provide heterogeneous services (prioritization, guarantee of quality-of-service, multicast routing or mixed single and multipath routing), because on the one hand, any part of the total traffic is modeled and optimized in the layers of the identification network and, on the other hand, each individual layer can be provided with different dynamic parameters and target functions. The support of such specific services cannot be achieved with the usual methods (distance vector routing, link state routing).
Zitierte Veröffentlichungen [ 1 ] P. Mathias, Statische und dynamische V erkehr sumlegung mit Rekurrenten Neuronalen Netzen, Shaker Verlag, ISBN 3-8265-6720-X, 1999.Publications cited [1] P. Mathias, Static and dynamic traffic allocation with recurrent neural networks, Shaker Verlag, ISBN 3-8265-6720-X, 1999.
[2] M. A. Sportack, IP Routing Fundamentals, Cisco Press, ISBN 1-57870-071-X, 1999.[2] M. A. Sportack, IP Routing Fundamentals, Cisco Press, ISBN 1-57870-071-X, 1999.
[3] A. S. Tanenbaum, Computernetzwerke, Kapitel 5, Prentice Hall, 3. Auflage, ISBN 3-8272-9568-8, 1998. [4] J. Hertz, A. Krogh, R. G. Palmer, Introduction to the Theory ofNeural Computation, Chapter 7, Addison Wesley, ISBN 0-201-51560-1, 1991. [3] AS Tanenbaum, Computer Networks, Chapter 5, Prentice Hall, 3rd edition, ISBN 3-8272-9568-8, 1998. [4] J. Hertz, A. Krogh, RG Palmer, Introduction to the Theory of Neural Computation, Chapter 7, Addison Wesley, ISBN 0-201-51560-1, 1991.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Berechnung von, bezüglich vorgegebener netzweiter Zielfunktionen, optimaler Routen für die von einer Quelle zu einem Ziel zu transportierenden Dateneinheiten in Kommunikationsnetzen, mittels einer datenverarbeitenden Anlage, gekennzeichnet durch folgende Schritte:1. Method for calculating, with regard to predetermined network-wide target functions, optimal routes for the data units to be transported from a source to a destination in communication networks, by means of a data processing system, characterized by the following steps:
• Topologie und Dynamik des Kommunikationsnetzes werden auf ein spezielles rekurrentes neuronales Sigma-Pi-Netz (Identifikationsnetz) abgebildet, indem Ausgangsspeicher von im Netz angeordneten Routern zusammen mit nachfolgenden Verbindungsleitungen den Neuronen des neuronalen Netzes zugeordnet werden, wodurch Aktivitätszustände ( xk d ) der Neuronen die Anzahl der Dateneinheiten eines Ziels (d), die in den entsprechenden Ausgangsspeichern auf ihre• The topology and dynamics of the communication network are mapped onto a special recurrent neural Sigma-Pi network (identification network) by assigning output memories of routers arranged in the network together with subsequent connecting lines to the neurons of the neural network, which results in activity states (x k d ) of the neurons the number of data units of a target (d), which in the corresponding output memories on their
Weiterleitung warten, entsprechen, und Kopplungsgewichte ( wd k ) der Neuronen die Anteile der ankommenden Dateneinheiten mit Ziel (d), die zu den möglichen Ausgängen weitergeroutet werden (Routing-Tabelle), wobei das Sigma-Pi-Netz aus einzelnen Schichten aufgebaut ist, in denen Teildatenströme abgebildet werden, » die Router-Rechner ermitteln Datendurchsätze (sk,sk), Speicherrestriktionen (rk) und Warteschlangen in den Ausgangsspeichern (xd,xk) sowie zeitliche Veränderungen (xk',sk',rk) davon und übermitteln diese Größen in zeitlichen Abständen (τStato) an direkt verbundene Nachbar- Router-Rechner,Waiting forward, correspond, and coupling weights (w d k ) of the neurons are the portions of the incoming data units with destination (d) that are routed to the possible outputs (routing table), the Sigma-Pi network being constructed from individual layers , in which partial data flows are mapped, »the router computers determine data throughputs (s k , s k ), memory restrictions (r k ) and queues in the output memories (x d , x k ) as well as changes over time (x k ', s k ' , r k ) thereof and transmit these variables at time intervals (τ stato ) to directly connected neighboring router computers,
• die Router-Rechner berechnen zum zielfünktion-abhängigen Routing ein Fehleφropagierungsnetz auf der Basis einer dem Sigma-Pi-Netz angepassten Version des Lernverfahrens „Rekurrentes• For the purpose-dependent routing, the router computers calculate a fault propagation network on the basis of a version of the learning process “recurrent” adapted to the Sigma-Pi network
Backpropagation", wobei jeder Rechner nur den Teil der Gesamtberechnung ausführt, der seine lokalen Statusgrößen betrifft;, dabeiBackpropagation ", whereby each computer only carries out the part of the overall calculation that relates to its local status variables;
- berechnet jeder Router in Zeitabständen (τΛαήβ) die für die Berechnungen des Fehleφropagierungsnetzes notwendigen Gewichte ( v* , v* ), - berechnet jeder Router in weiteren Zeitabständen ( τ£rrl und τErr2 ) seine Fehlersignale (yk) und- each router calculates at intervals (τ Λαήβ ) the weights (v *, v *) necessary for the calculations of the faulty propagation network, - each router calculates its error signals (y k ) and at further intervals (τ £ rrl and τ Err2 )
(zd), wonach die neuen Fehlersignale (yk) an direkt verbundene Nachbar-Router-Rechner geschickt werden,(z d ), after which the new error signals (y k ) are sent to directly connected neighboring router computers,
- berechnet jeder Router nach einem zusätzlichen Zeitabstand ( τKor ) Korrekturen seiner Routing- Gewichte (Δw ,Δv ) mit Hilfe der aktuellen Werte der Fehlersignale (yk d) und normalisiert die neuen Gewichte, wonach die neuen Gewichte an die direkt verbundene Nachbar-Router-- After an additional time interval (τ Kor ), each router calculates corrections to its routing weights (Δw, Δv) using the current values of the error signals (y k d ) and normalizes the new weights, after which the new weights are sent to the directly connected neighbor. router
Rechner geschickt werden, die diese neuen Gewichte als neue Routing-Tabelle benutzen.Send computers that use these new weights as a new routing table.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationsnetze paketvermittelnd ausgebildet sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the communication networks are packet-switched.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorkommenden Zeitabstände (tSlalusErτlErr2Kor) alternativ, etwa in Abhängigkeit von speziellen Ereignissen oder der Last des Kommunikationsnetzes, im Betrieb so nachgeführt werden, dass zum Beispiel der zusätzliche Kommunikationsaufwand minimiert wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that that the occurring time intervals (t Slalus , τ Erτl , τ Err2 , τ Kor ) are tracked alternatively, for example depending on special events or the load of the communication network, so that, for example, the additional communication effort is minimized.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch zusätzliche Gewichtsfaktoren in den verwendeten Zielfunktionen bestimmte Verbindungen oder Routen des Netzes attraktiver sind als andere und daher für die Routenauswahl bevorzugt werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that certain connections or routes of the network are more attractive than others due to additional weight factors in the target functions used and are therefore preferred for route selection.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schicht die Teildatenströme eines jeweils unterschiedlichen Zieles zugeordnet werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the partial data streams of a different target are assigned to each layer.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einbeziehung von heterogenen Priorisierungsdiensten für verbindungsorientierte Dienste den einzelnen Schichten frei definierbare Teildatenströme (z.B. einer einzelnen Quelle-Ziel-Beziehung) zugeordnet werden, die gesondert behandelt und geroutet werden sollen.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that to include heterogeneous prioritization services for connection-oriented services, the individual layers are assigned freely definable partial data streams (e.g. a single source-target relationship) which are to be treated and routed separately.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass speziell gekennzeichnete Dateneinheiten einer Quelle zur Beanspruchung einer besonders priorisierten Route für verbindungsorientierte Dienste auf der kürzesten Route durch das Kommunikationsnetz geleitet werden und für sich und die nachfolgenden Dateneinheiten diesen Weg durch Neubildung einer hochpriorisierten Schicht reservieren.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that specially marked data units of a source for claiming a particularly prioritized route for connection-oriented services on the shortest route are routed through the communication network and for himself and the subsequent data units this path by new formation Reserve high priority shift.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine gewisse Teilmenge der Routen im Kommunikationsnetz fix eingestellt wird, indem Schichten konstruiert werden, deren Gewichte fix sind, also nicht vom Fehleφropagierungsnetz geändert werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a certain subset of the routes in the communication network is fixed by constructing layers, the weights of which are fixed, ie are not changed by the error propagation network.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Router-Rechner die Datendurchsätze (s, sk), Warteschlangen ( xk ,xk ), Speicherrestriktionen (rk ) und die zeitlichen Veränderungen davon (xk',sk',rk) über zeitliche Mittelwerte ermitteln und den weiteren Berechnungen des Verfahrens zur Verfügung stellen. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the router computer, the data throughputs (s, s k ), queues (x k , x k ), memory restrictions (r k ) and the temporal changes thereof (x k ', s k ', r k ) determine over time averages and make them available for further calculations of the method.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Router-Rechner die Datendurchsätze (sk,sk), Speicherrestriktionen (rk) und die zeitlichen Veränderungen davon ( sk',rk ) über vordefinierte Funktionen ermitteln und den weiteren Berechnungen des Verfahrens zur Verfügung stellen.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the router computer, the data throughputs (s k , s k ), memory restrictions (r k ) and the temporal changes thereof (s k ', r k ) via predefined functions determine and make available to the further calculations of the method.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Router-Rechner bei den Berechnungen des Fehleφropagierungsnetzes vereinfachend alle Kopplungsgewichte, die verschiedene Schichten betreffen, auf 0 setzen (vj;' =0,e≠/), also vernachlässigen. 11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the router computers in the calculations of the Fehleφropagierungsnetz simplify all coupling weights that relate to different layers to 0 (vj; '= 0, e ≠ /), so neglect ,
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