專利名稱：顯式優(yōu)先級信元中繼方法和通信實現(xiàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種網(wǎng)絡(luò)傳輸方法及其實現(xiàn)系統(tǒng)，尤其是一種采用定長信元為信息傳輸單位的分組網(wǎng)絡(luò)傳輸方法和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
ATM傳輸網(wǎng)絡(luò)提供直到ATM協(xié)議層為止的功能，這些功能通過信頭來實現(xiàn)，在傳送信息時只對信頭進行操作而不處理信息字段(凈荷)的內(nèi)容。ATM只通過信頭提供有限的差錯檢測操作，不提供反饋重傳。這種分層處理原則簡化了ATM的網(wǎng)絡(luò)處理，對于提高網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴展能力是必要的。但是當前的層次劃分過于簡單，終端處理能力提高以后，網(wǎng)絡(luò)在傳輸質(zhì)量控制方面就顯得能力不足，產(chǎn)生了一些難以克服的問題。
ATM以連接為基礎(chǔ)分配優(yōu)先級，它在呼叫建立時通過信令協(xié)商，將優(yōu)先級賦給每個虛連接(VC)。這種隱含優(yōu)先級的好處是可以根據(jù)需要來定義任意類型的優(yōu)先級，優(yōu)先級的數(shù)量也可以根據(jù)需要來調(diào)整。但這也意味著同一個虛連接的所有信元具有相同的優(yōu)先級。由于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)隱含假定了在一條通信連接續(xù)存期間，一個通信終端只對應(yīng)一個用戶的一種業(yè)務(wù)，或者一個終端(有時與終端用戶混用)在同一時間的每個應(yīng)用都有一條虛連接。在此前提假設(shè)下，這種以連接為基礎(chǔ)的優(yōu)先級分配方法是可行的。
但是隨著終端性能的提高，一個終端已經(jīng)不再與一個用戶相對應(yīng)。在兩個終端之間建立的一個虛連接上有可能需要傳送多個用戶的多個會話的信息，而且同一個應(yīng)用會話在通信過程中傳輸需求也會發(fā)生變化。這時單靠一個關(guān)于該連接的普適服務(wù)質(zhì)量參數(shù)就很難反映不同用戶的不同會話在不同時刻的特殊需求，應(yīng)該為每一個信元指定傳輸優(yōu)先級別。
網(wǎng)間互連協(xié)議(IP)在傳輸幀格式中設(shè)置了8比特的優(yōu)先級標志，但是沒有提出實現(xiàn)這些優(yōu)先級的可靠方法。目前提出了綜合業(yè)務(wù)優(yōu)先級和差別業(yè)務(wù)優(yōu)先級兩種IP優(yōu)先級方案，它們都是由網(wǎng)絡(luò)按業(yè)務(wù)種類對到達流量劃分優(yōu)先級，在網(wǎng)絡(luò)資源不夠時以較大的概率丟棄業(yè)務(wù)優(yōu)先級低的包。區(qū)別在于綜合業(yè)務(wù)優(yōu)先級方案使用了資源預(yù)留協(xié)議，并且資源預(yù)留是針對每一個業(yè)務(wù)流的；而差別業(yè)務(wù)優(yōu)先級方案首先將同一子網(wǎng)內(nèi)要求相似的業(yè)務(wù)匯集成一類，然后針對每一個業(yè)務(wù)類進行資源分配。它們都沒有涉及同一個業(yè)務(wù)流中由信源指定的不同分組包的優(yōu)先級問題。
由于分組網(wǎng)絡(luò)中的擁塞是不可避免的，如果不能由信源來指定優(yōu)先級，那么網(wǎng)絡(luò)擁塞時，網(wǎng)絡(luò)很可能將同一連接中相對次要的數(shù)據(jù)保留，卻將相對重要的數(shù)據(jù)丟棄。目前已經(jīng)開發(fā)了質(zhì)量分級編碼技術(shù)，可以根據(jù)信道帶寬動態(tài)改變信源編碼速率，或者在擁塞時選擇丟棄較低優(yōu)先級的編碼數(shù)據(jù)，同時保持可接受的服務(wù)質(zhì)量。在信道帶寬充足時，傳輸所有編碼數(shù)據(jù)可以提高服務(wù)質(zhì)量。顯然如果不能由信源來指定一個虛連接內(nèi)信元的相對優(yōu)先級，就不能支持這種分級編碼傳輸方案。
本發(fā)明的特征在于信源發(fā)送端在產(chǎn)生和發(fā)送信元時，根據(jù)每個信元攜帶的特定信息內(nèi)容把信元設(shè)定為不同的信元傳輸優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對到達信元設(shè)置信元丟棄優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點使用預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元，用剩余的網(wǎng)絡(luò)資源按信元優(yōu)先級傳輸合約帶寬以外的信元。所述信源設(shè)定的信元傳輸優(yōu)先級至少包括是否立即發(fā)送、傳輸延遲高低和傳輸可靠程度三個方面的指標，用信元凈荷類型字段中的緊急傳輸指示、時延敏感指示和重要數(shù)據(jù)指示表示；網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)定的信元丟棄優(yōu)先級與有效信元到達速率有關(guān)，用信元凈荷類型字段中的流量違約指示表示。網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元設(shè)置較低的信元丟棄優(yōu)先級，對超出服務(wù)合約帶寬的超速流量，按照信元傳輸優(yōu)先級從低到高的次序篩選分流出來標記為較高的信元丟棄優(yōu)先級。在網(wǎng)絡(luò)擁塞時所述的交換節(jié)點優(yōu)先丟棄傳輸優(yōu)先級較低的信元，再丟棄傳輸優(yōu)先級較高的信元。所述的預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源只包括申請帶寬的最小值。在所述的信元中包括連接識別字段(21)、凈荷類型字段(22)、其他控制字段(23)和有效用戶數(shù)據(jù)(24)；其中凈荷類型字段(22)包括緊急傳輸指示(221)、時延敏感指示(222)、重要數(shù)據(jù)指示(223)、流量違約指示(224)和其它標志位(225)，通信終端(11)把由網(wǎng)絡(luò)終端分配的虛連接識別號設(shè)置在信頭中的連接識別字段(21)，用戶的有效數(shù)據(jù)封裝在信元的凈荷部分(24)，并根據(jù)應(yīng)用的具體情況，對有特殊要求的信元設(shè)置特殊的信元凈荷類型。
因而本發(fā)明的信元中繼方法是根據(jù)通信傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量要求，通過信令協(xié)商建立通信虛連接，預(yù)留必要的網(wǎng)絡(luò)資源。信源發(fā)送端在產(chǎn)生和發(fā)送信元時，根據(jù)每個信元攜帶的特定信息內(nèi)容將信元設(shè)定為不同的信元傳輸優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對到達信元設(shè)置信元丟棄優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點使用預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元，用剩余的網(wǎng)絡(luò)資源按信元優(yōu)先級傳輸合約帶寬以外的信元。
本發(fā)明改進的方法是，根據(jù)通信傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量要求，通過信令協(xié)商建立通信虛連接預(yù)留必要的網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)預(yù)留的帶寬資源只包括申請帶寬的最小值。信源發(fā)送端在產(chǎn)生和發(fā)送信元時，根據(jù)每個信元攜帶的特定信息內(nèi)容將信元設(shè)定為不同的信元傳輸優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元設(shè)置較低的信元丟棄優(yōu)先級，對超出服務(wù)合約帶寬的超速流量，按照信元傳輸優(yōu)先級從低到高的次序篩選分流出來標記為較高的信元丟棄優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點使用預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸具有最低信元丟棄優(yōu)先級的信元，其余的信元用剩余的網(wǎng)絡(luò)資源按照信元傳輸優(yōu)先級的高低進行傳輸。
本發(fā)明進一步改進的方法是，上述信源設(shè)定的信元傳輸優(yōu)先級至少包括是否立即發(fā)送、傳輸延遲高低和傳輸可靠程度三個方面指標，用信元凈荷類型字段中的緊急傳輸指示、時延敏感指示和重要數(shù)據(jù)指示表示，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)定的信元丟棄優(yōu)先級與有效信元到達速率有關(guān)，用信元凈荷類型字段中的流量違約指示表示。網(wǎng)絡(luò)擁塞時，交換節(jié)點優(yōu)先丟棄傳輸優(yōu)先級較低的信元，再丟棄傳輸優(yōu)先級較高的信元。
本發(fā)明的實現(xiàn)系統(tǒng)特征在于它含有用戶終端、網(wǎng)絡(luò)終端和交換節(jié)點三個部分，所述的網(wǎng)絡(luò)終端12、14分別與交換節(jié)點13相連，用戶終端11、15又分別與網(wǎng)絡(luò)終端12、14相連。其中用戶終端含有與網(wǎng)絡(luò)終端相連以便向網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送由信元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的線路傳輸信號、并在相反的方向把線路傳輸信號恢復成接收信元數(shù)據(jù)的線路驅(qū)動接口115、155，與線路驅(qū)動接口115、155雙向交互連接以維持發(fā)送和接收的信元緩沖隊列并對是否發(fā)生了信元丟棄進行檢查的傳輸質(zhì)量控制模塊114、154，把產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)封裝成為信元同時根據(jù)特定內(nèi)容的傳輸質(zhì)量要求把信元設(shè)定為不同的傳輸優(yōu)先級后再向傳輸質(zhì)量控制模塊114、154發(fā)送的信元生成和優(yōu)先級設(shè)定模塊112、152，從傳輸質(zhì)量控制模塊114、154發(fā)來的正確接收的信元中取出終端應(yīng)用111、151所需數(shù)據(jù)的信元數(shù)據(jù)提取模塊113、153，以及接收信元數(shù)據(jù)提取模塊113、153發(fā)來的數(shù)據(jù)并向信元生成和優(yōu)先級設(shè)定模塊112、152發(fā)送通信數(shù)據(jù)的終端應(yīng)用111、151；用戶終端中的終端應(yīng)用111、151產(chǎn)生和消耗通信數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)終端12含有監(jiān)測從用戶終端方向來的每個連接流量狀態(tài)的有效信元到達速率測量部件121，接收和緩存從用戶端方向送來的信元的信元緩存隊列122，根據(jù)到達速率測量部件121的測量結(jié)果和預(yù)先存儲在數(shù)據(jù)庫單元124中的連接參數(shù)信息判定有效信元到達速率是否超過合約的智能控制部件123，存儲連接參數(shù)信息的數(shù)據(jù)庫單元124，根據(jù)智能控制部件123的指示對從用戶端收到的信元設(shè)定信元丟棄優(yōu)先級后再把收到的信元向相連的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13發(fā)送的信元丟棄優(yōu)先級更改部件125，與用戶終端和交換節(jié)點都相連、接收交換節(jié)點送來的信元并將它們轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端的到達信元按地址過濾和分發(fā)部件126。網(wǎng)絡(luò)終端14具有與網(wǎng)絡(luò)終端12相同的結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13含有輸入輸出端口模塊131、交換矩陣模塊132和智能優(yōu)先級信元緩存模塊133。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13按照信元相對優(yōu)先級的的高低丟棄信元。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1.支持連接內(nèi)的多優(yōu)先級本發(fā)明在信頭凈荷類型字段22中設(shè)置了緊急傳送指示221、時延敏感指示222和重要數(shù)據(jù)指示223等信元傳輸相對優(yōu)先級指示標志，信源通過設(shè)定這些標志位，可以在一個連接中標識出多個不同的信元傳輸優(yōu)先等級。這樣當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞、網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13不得不丟棄信元時，可以優(yōu)先選擇丟棄傳輸優(yōu)先級較低的信元，從而使信元丟棄對用戶通信質(zhì)量的影響最小。
2.同時兼顧了用戶和網(wǎng)絡(luò)的利益本發(fā)明在凈荷類型字段22中同時還設(shè)置了流量違約指示224，作為由網(wǎng)絡(luò)來控制的信元相對優(yōu)先級指示。網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端12、14通過監(jiān)測有效信元到達流量，對違反該連接的服務(wù)質(zhì)量合約的超速信元設(shè)定流量違約指示標志有效。凈荷類型字段22中由信源控制的信元相對優(yōu)先級指示標志和由網(wǎng)絡(luò)控制的信元相對優(yōu)先級標志一起，共同反映了同一條通信虛連接中信元的相對優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13據(jù)此來對信元做出轉(zhuǎn)發(fā)還是丟棄的決定，同時兼顧了用戶和網(wǎng)絡(luò)的利益。
3.適合多種業(yè)務(wù)類型使用本發(fā)明的信元傳輸優(yōu)先級設(shè)定方法，用戶只須將需要保護的數(shù)據(jù)信元設(shè)為較高優(yōu)先級，需要盡力傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信元設(shè)為較低優(yōu)先級，就可以在同一條通信虛連接中同時傳輸它們，用一條虛連接同時支持保證型業(yè)務(wù)和非保證型業(yè)務(wù)。這樣在建立連接時就無須對業(yè)務(wù)類型進行劃分，即用相同的連接方法支持多種業(yè)務(wù)類型，從而簡化了應(yīng)用軟件的復雜度。
4.易于實施本發(fā)明將復雜的傳輸優(yōu)先級管理劃分為信源端、網(wǎng)絡(luò)入口和交換節(jié)點三個相對獨立又相互配合的部分，每個部分完成確定而且相對簡單的功能。信源端只管設(shè)定與用戶要求有關(guān)的信元相對優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)入口只管判定到達信元是否違約并設(shè)定于此有關(guān)的信元相對優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13只管按照信元相對優(yōu)先級的的高低丟棄信元。通過三者之間的有機配合來完成用戶數(shù)據(jù)的優(yōu)先級方式網(wǎng)絡(luò)傳輸，在保證守約信元的服務(wù)質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)違約信元按優(yōu)先級的盡力傳送。
圖2是本發(fā)明的信元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的輸入緩存型網(wǎng)絡(luò)終端內(nèi)部實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和外部雙向流量關(guān)系圖。
圖4是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)方法之二的結(jié)構(gòu)框圖。
圖5是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)方法之三的結(jié)構(gòu)框圖。
圖6是本發(fā)明的輸出緩存交換機結(jié)構(gòu)框圖。
圖7是本發(fā)明的輸入緩存交換機結(jié)構(gòu)框圖。
圖8是現(xiàn)有交換機使用的緩存模塊實現(xiàn)框圖。
圖9是本發(fā)明的智能優(yōu)先級信元緩存模塊實現(xiàn)方法之一的結(jié)構(gòu)框圖。


圖10是本發(fā)明的智能優(yōu)先級信元緩存模塊實現(xiàn)方法之二的結(jié)構(gòu)框圖。
圖11示本發(fā)明的智能優(yōu)先級信元緩存模塊實現(xiàn)方法之三的結(jié)構(gòu)框圖。
系統(tǒng)中默認信令傳輸連接是始終存在的。這個默認信令傳輸連接可以參照ATM網(wǎng)絡(luò)由管理員通過手工方式設(shè)置。通信前，終端11和15在默認的信令虛連接上使用Q.2931協(xié)議建立通信虛連接，通信虛連接沿途經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)終端12、網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13和網(wǎng)絡(luò)終端14則根據(jù)Q.2931協(xié)議檢查并預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源，為沿途各條鏈路分配虛連接識別號。通信虛連接成功建立以后，用戶終端11和15之間就可以進行雙向通信了。
進行通信時，通信終端11中終端應(yīng)用111生成的用戶數(shù)據(jù)，由信元生成和優(yōu)先級設(shè)定模塊112封裝在圖2所示的信元中。信元中包括了連接識別字段21、凈荷類型字段22、其它控制字段23和有效用戶數(shù)據(jù)24，用戶有效數(shù)據(jù)封裝在信元的凈荷部分24，并根據(jù)應(yīng)用的具體情況，對有特殊要求的信元設(shè)置特別的信元凈荷類型。凈荷類型字段22包括了緊急傳輸指示221、時延敏感指示222、重要數(shù)據(jù)指示223、流量違約指示224和其它標志位225。重傳的時延敏感數(shù)據(jù)和特殊控制命令可以設(shè)置緊急傳送指示221有效；定時要求相對較高的少數(shù)數(shù)據(jù)信元可以設(shè)置時延敏感指示222有效；包含比較重要的編碼參數(shù)的少數(shù)信元可以設(shè)置重要數(shù)據(jù)指示223有效。最后通信終端11用網(wǎng)絡(luò)終端12分配的虛連接識別號(即VPI和VCI組合)設(shè)置信頭中的連接識別字段21。
下面的例子可以進一步說明上述優(yōu)先級的設(shè)定方法。如果終端應(yīng)用111采用了自適應(yīng)速率編碼技術(shù)，通常會產(chǎn)生重要性和要求不同的編碼數(shù)據(jù)。例如視頻信號，它是對一系列連續(xù)的圖像幀進行編碼而得到的數(shù)據(jù)流。這些圖像幀的編碼數(shù)據(jù)可以分為分辨率較低的圖像輪廓信號編碼和分辨率較高的圖像細節(jié)編碼。此外某些圖像幀數(shù)據(jù)中還插有幫助定時的時間戳數(shù)據(jù)。圖像輪廓信號編碼數(shù)據(jù)量小、對圖像還原至關(guān)重要，因此封裝有圖像輪廓信號編碼的信元應(yīng)該設(shè)置重要數(shù)據(jù)指示223有效；接收端需要及時收到時間戳數(shù)據(jù)才能保證視頻流的平穩(wěn)回放，因此封裝有時間戳數(shù)據(jù)的信元應(yīng)該設(shè)置時延敏感指示222有效。如果接收端較長時間沒有收到時間戳數(shù)據(jù)，發(fā)送端應(yīng)該立即插入時間戳數(shù)據(jù)，并對封裝該時間戳數(shù)據(jù)的信元設(shè)置緊急傳輸指示221有效。
再考慮另一個實際情況。當發(fā)送電子郵件時，可能用戶不小心輸入了錯誤的接收地址并按了發(fā)送鍵，用戶希望立即中止尚未完成的郵件發(fā)送。這時用戶的終端應(yīng)用111可以產(chǎn)生一個“取消”控制指令，同時對封裝該指令的信元設(shè)置緊急傳輸指示221有效。
封裝好的信元經(jīng)過傳輸質(zhì)量控制模塊114的緩存，由線路驅(qū)動接口模塊155轉(zhuǎn)換成線路傳輸信號，經(jīng)由通信傳輸線路送到網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端。
網(wǎng)絡(luò)終端的一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部雙向流量關(guān)系如圖3所示，圖中包括了用戶終端11、網(wǎng)絡(luò)終端12a和交換節(jié)點13。網(wǎng)絡(luò)終端12a包括了有效信元到達速率測量部件121、信元緩存隊列122、智能控制部件123、數(shù)據(jù)庫單元124、信元丟棄優(yōu)先級更改部件125和地址過濾和信元分發(fā)部件126。
網(wǎng)絡(luò)終端還可以有其它的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，例如圖4和圖5所示。在圖3中信元數(shù)據(jù)總是從信元緩存隊列122輸出到信元丟棄優(yōu)先級更改部件125，而在圖4的12b和圖5的12c中信元緩存隊列122和信元丟棄優(yōu)先級更改部件125之間設(shè)置了雙向的數(shù)據(jù)通道，使得信元丟棄優(yōu)先級更改部件125可以直接操作信元緩存隊列122中的信元。
網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端12收到用戶終端11發(fā)來的信元以后，按照連接建立時達成的服務(wù)質(zhì)量合約，對用戶到達流量的信元速率進行合約檢查。智能控制部件123根據(jù)信頭提供的虛連接識別號21，在數(shù)據(jù)庫單元124中找到與該通信虛連接有關(guān)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，其中包括網(wǎng)絡(luò)對用戶承諾的可靠信元傳輸速率。有效信元到達速率測量部件121監(jiān)測和統(tǒng)計每條通信虛連接的有效信元到達速率，可以包括按不同信元優(yōu)先級分別計算的分類信元到達速率。
智能控制部件123根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在判定有效信元到達速率超過服務(wù)質(zhì)量約定數(shù)值時，按照一定的優(yōu)先級次序指示信元丟棄優(yōu)先級更改部件125對到達信元設(shè)置流量違約指示224有效?？偟脑瓌t是首先對普通信元設(shè)置流量違約指示224有效，然后依次對時延敏感信元、重要數(shù)據(jù)信元、最后是緊急傳送信元設(shè)置流量違約指示224有效。如果忽略了流量違約指示224有效的信元以后，有效信元到達流量不再超過約定的可靠信元傳輸速率，那么就停止設(shè)置到達信元的流量違約指示有效。達到動態(tài)平衡時，設(shè)置了流量違約指示有效的到達信元占全部有效到達信元的比例，與超速信元占有效到達信元的比例是一致的。這個優(yōu)先級設(shè)置原則可以有多種具體實現(xiàn)方法。
智能控制部件123可以根據(jù)有效信元到達速率測量部件121的測量結(jié)果，計算各個優(yōu)先級上需要設(shè)置流量違約指示224有效的信元占該優(yōu)先級所有有效到達信元的比例。在圖3所示的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，信元丟棄優(yōu)先級更改部件125按智能控制部件123計算出來的比例，對從信元緩存隊列122輸出的、從用戶終端到達的信元設(shè)置流量違約指示224有效即可。如果網(wǎng)絡(luò)終端不使用信元緩存隊列，則相當于圖3中信元緩存隊列122的緩存容限縮減為零的情況。這時仍然可以按照計算出來的針對各個優(yōu)先級的設(shè)置比例，對到達信元設(shè)置信元丟棄優(yōu)先級。
比如需要對10％的普通信元設(shè)置流量違約指示有效，那么信元丟棄優(yōu)先級更改部件125每轉(zhuǎn)發(fā)10個信元就對其中的1個設(shè)置流量違約指示224有效。再比如需要對全部普通信元和30％的時延敏感信元設(shè)置流量違約指示，那么信元丟棄優(yōu)先級更改部件125對收到的每一個普通信元設(shè)置流量違約指示224有效，對收到的每一個時延敏感信元按30％的概率設(shè)置流量違約指示224有效。有很多文獻介紹如何以某個概率實現(xiàn)一個特定的操作。典型的做法是使用一個在0～1之間均勻分布的隨機數(shù)發(fā)生器。如果要按30％的概率設(shè)置時延敏感信元的流量違約指示有效，就在有新時延敏感信元到達時觸發(fā)一次隨機數(shù)發(fā)生器；隨機數(shù)發(fā)生器輸出小于等于0.3時就設(shè)置該時延敏感信元的流量違約指示有效，大于0.3時就讓該時延敏感信元直接通過。也有一種簡單的方法同樣實現(xiàn)按比例設(shè)置，這種方法使用一個累加的比例變量K。假設(shè)需要對比例為k的普通信元設(shè)置流量違約指示，那么每新到一個普通信元就做一次K＝K+k的操作。如果結(jié)果K大于等于1，就設(shè)置該普通信元的流量違約指示224有效，同時將K的值減去1；否則不設(shè)置該普通信元的流量違約指示標志。
在圖5所示的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，信元丟棄優(yōu)先級更改部件125按智能控制部件123計算出來的各個優(yōu)先級的設(shè)置比例，對從用戶終端到達信元緩存隊列122中的信元設(shè)置流量違約指示224有效。在圖4所示的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，既可以在緩存隊列122輸出的時候，根據(jù)智能控制部件123計算出來的比例作為隨機設(shè)置的概率，由信元丟棄優(yōu)先級更改部件125對輸出信元用隨機設(shè)置的方法設(shè)置流量違約指示有效；也可以按智能控制部件123計算出來的各個優(yōu)先級的設(shè)置比例，直接對到達信元緩存隊列122的各個優(yōu)先級的信元設(shè)置流量違約指示有效。
網(wǎng)絡(luò)終端12不丟棄任何用戶數(shù)據(jù)信元，它隨后把收到的所有用戶數(shù)據(jù)信元，無論是否設(shè)置了流量違約指示都繼續(xù)送到網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13。
網(wǎng)絡(luò)終端14可以用與網(wǎng)絡(luò)終端12相同的方法和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。它同樣也按照連接建立時達成的服務(wù)質(zhì)量合約，對用戶終端15發(fā)出的數(shù)據(jù)信元進行到達流量合約檢查，并對其中的超速信元按照一定的優(yōu)先級次序進行信元丟棄優(yōu)先級標記處理以后，一起送到網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13。
中間網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13的網(wǎng)絡(luò)功能由置于網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點13處的網(wǎng)絡(luò)交換機完成。網(wǎng)絡(luò)交換機用一個交換矩陣模塊132將到達信元交換到各自的目的端口輸出。它用到達信元攜帶的虛連接識別號21來確定信元的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)地址和下一段虛電路連接，將從網(wǎng)絡(luò)終端12來的信元轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)終端14，從網(wǎng)絡(luò)終端14來的信元轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)終端12，并用新的虛連接識別號替換信頭中原來的虛連接識別號21。
為了防止交換節(jié)點13處資源競爭引起的信元丟失，保證交換節(jié)點13處的信元丟失概率滿足傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求，交換機需要使用信元緩存。交換機中智能優(yōu)先級信元緩存模塊133與交換矩陣模塊132之間有輸出緩存、輸入緩存、中央緩存、分布緩存等多種連接配合方式。圖6和圖7以輸出緩存和輸入緩存為例說明本發(fā)明中智能優(yōu)先級信元緩存模塊133與交換矩陣模塊132之間的結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，圖中的交換機包含了輸入輸出端口模塊131、交換矩陣模塊132和智能優(yōu)先級信元緩存模塊133，但本發(fā)明包括但不限于采用輸出緩存和輸入緩存的交換機。
通常的交換機使用一個圖8所示的非智能信元緩存模塊134，而不是智能優(yōu)先級信元緩存模塊133。這種非智能信元緩存隊列包括非智能信元丟棄控制裝置1341和信元緩存隊列1342。信元緩存隊列1342設(shè)置了一個告警門限，比如60％緩存容量。當緩存隊列的長度超過告警門限，即信元緩存隊列已使用的空間超過60％總緩存容量時，緩存隊列產(chǎn)生告警信號并進入告警狀態(tài)。告警信號通過虛線傳遞給非智能信元丟棄控制裝置1341。非智能信元丟棄控制裝置1341在緩存隊列1342處于告警狀態(tài)時，不加區(qū)分地丟棄所有打上了流量違約標志的信元。當緩存占用率低于告警門限時，緩存隊列1342退出告警狀態(tài)，信元丟棄裝置1341不再丟棄信元，它將所有到達信元都送入緩存隊列1342以便輸出。
本發(fā)明的特征在于使用了智能優(yōu)先級信元緩存模塊133。圖9給出了智能優(yōu)先級緩存模塊的一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)133a。它將信元緩存隊列的容量分成了預(yù)留部分1332b和爭用部分1332a兩個部分。預(yù)留部分1332b是在連接建立時交換節(jié)點預(yù)留的資源，它用于緩存守約信元，其大小足以保證守約信元在交換節(jié)點處的丟失概率低于服務(wù)質(zhì)量參數(shù)中約定的數(shù)值。爭用部分1332a是帶優(yōu)先級的緩存隊列，因此也可以稱為優(yōu)先級信元緩存隊列，它用于緩存違約信元。本發(fā)明中守約信元的傳輸優(yōu)先級高于違約信元，因此爭用部分1332a所緩存的違約信元在預(yù)留部分1332b所緩存的守約信元都清空了以后才輸出。優(yōu)先級信元緩存隊列1332a中優(yōu)先級的劃分可以參考信元凈荷類型，比如根據(jù)緊急傳送指示221、時延敏感指示222和重要數(shù)據(jù)指示223三方面指標，每個方面都分成高和低兩個級別，在緩存隊列中設(shè)置8個優(yōu)先級別。顯然，設(shè)置的優(yōu)先級越多，實現(xiàn)起來越復雜。還可以針對緩存隊列中信元輸出和信元丟棄兩種操作分別設(shè)置不同的優(yōu)先級。
一種最佳的信元傳輸優(yōu)先級設(shè)置方法是，設(shè)置緊急傳送指示221有效的信元為最高優(yōu)先級5，設(shè)置時延敏感指示222和重要數(shù)據(jù)指示223同時有效的信元為優(yōu)先級4，設(shè)置時延敏感指示222有效但是重要數(shù)據(jù)指示223無效的信元為優(yōu)先級3，設(shè)置時延敏感指示222無效但是重要數(shù)據(jù)指示223有效的信元為優(yōu)先級2，設(shè)置傳輸優(yōu)先級標志位都無效的普通信元為最低優(yōu)先級1。低傳輸優(yōu)先級的信元在高傳輸優(yōu)先級的信元全部輸出完以后再從優(yōu)先級信元緩存隊列1332a輸出。
一種最佳的信元丟棄優(yōu)先級設(shè)置方法是，設(shè)置緊急傳送指示221有效的信元為最低優(yōu)先級1，設(shè)置時延敏感指示222和重要數(shù)據(jù)指示223同時有效的信元為優(yōu)先級2，設(shè)置時延敏感指示222無效但是重要數(shù)據(jù)指示223有效的信元為優(yōu)先級3，設(shè)置時延敏感指示222有效但是重要數(shù)據(jù)指示223無效的信元為優(yōu)先級4，設(shè)置傳輸優(yōu)先級標志位都無效的普通信元為最高優(yōu)先級5。發(fā)生擁塞時優(yōu)先級信元緩存隊列1332a的隊列長度將持續(xù)增長。這時由智能信元丟棄控制裝置1331控制丟棄部分違約信元。
一種方法是對優(yōu)先級信元緩存隊列1332a設(shè)置多個告警門限，例如相應(yīng)于所述的5個丟棄優(yōu)先級，設(shè)置4個告警門限，從m1到m4，對應(yīng)的隊列長度和緩存占用率逐漸升高。當優(yōu)先級信元緩存隊列1332a的隊列長度超過m1時，智能信元丟棄控制裝置1331丟棄信元丟棄優(yōu)先級最高的、也就是優(yōu)先級為5的違約信元，讓信元丟棄優(yōu)先級低于5的違約信元通過進入優(yōu)先級信元緩存隊列1332a；當優(yōu)先級信元緩存隊列1332a的隊列長度超過m2時，智能信元丟棄控制裝置1331丟棄信元丟棄優(yōu)先級為高于等于4的違約信元，讓信元丟棄優(yōu)先級低于4的違約信元通過進入優(yōu)先級信元緩存隊列1332a；余類推。最后當優(yōu)先級信元緩存隊列1332a滿時，智能信元丟棄控制裝置1331丟棄所有到達的違約信元。
最佳的信元丟棄方法是當優(yōu)先級信元緩存隊列1332a溢出時才丟棄違約信元。優(yōu)先級信元緩存隊列1332a的狀態(tài)通過虛線所示的控制信號通道報告給智能信元丟棄控制裝置1331。智能信元丟棄控制裝置1331首先取出并丟棄隊列中信元丟棄優(yōu)先級高的違約信元，沒有信元丟棄優(yōu)先級較高的違約信元可丟棄時，再丟棄信元丟棄優(yōu)先級低一級的信元。具體地說，相應(yīng)于所述的5級丟棄優(yōu)先級，就是首先丟棄信元丟棄優(yōu)先級為5的信元。如果所有信元丟棄優(yōu)先級為5的信元都被丟棄，但是仍然有信元丟棄優(yōu)先級低于5的違約信元到達，就丟棄信元丟棄優(yōu)先級為4的違約信元。最后當隊列中已經(jīng)沒有信元丟棄優(yōu)先級高于1的違約信元時，信元丟棄控制裝置133丟棄所有到達的違約信元。
進一步改進的方法是將守約信元的信元傳輸優(yōu)先級作為最高優(yōu)先級而設(shè)為優(yōu)先級6，守約信元的信元丟棄優(yōu)先級作為最低丟棄優(yōu)先級而設(shè)為優(yōu)先級0，并且采用類似于上面所述的優(yōu)先級信元緩存隊列管理方法，從而將緩存隊列預(yù)留部分1332b和爭用部分1332a重新合而為一，作為一個較大的優(yōu)先級信元緩存隊列1332來使用，更好地發(fā)揮交換機中緩存隊列的統(tǒng)計復用作用。合并以后的智能優(yōu)先級信元緩存模塊實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖10所示，它包括了智能信元丟棄控制裝置1331和優(yōu)先級信元緩存隊列1332。
這時最佳信元傳輸方法仍然是低傳輸優(yōu)先級的信元在高優(yōu)先級的信元全部輸出完以后，再從信元優(yōu)先級緩存隊列1332輸出。發(fā)生擁塞時丟棄信元的方法需要對上面所述的信元丟棄方法做一點小修正。如果采用設(shè)置多個告警門限的方法，那么應(yīng)該相應(yīng)地設(shè)置5個告警門限，當隊列長度超過第1個門限時丟棄信元丟棄優(yōu)先級最高(此例為5)的信元，余類推，直至最后緩存隊列滿時丟棄所有到達信元；如果采用當優(yōu)先級信元緩存隊列溢出時才從緩存隊列中取出并丟棄高信元丟棄優(yōu)先級信元的方法，那么最后當緩存隊列1332中沒有信元丟棄優(yōu)先級高于0的違約信元時才丟棄所有到達信元。
智能優(yōu)先級信元緩存模塊還可以用圖11所示的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。采用該結(jié)構(gòu)時，最佳傳輸方法是低傳輸優(yōu)先級的信元在高優(yōu)先級的信元全部輸出完以后，再從信元優(yōu)先級緩存隊列1332輸出。最佳信元丟棄方法是當優(yōu)先級信元緩存隊列溢出時，才從緩存隊列中取出并丟棄高信元丟棄優(yōu)先級的信元，沒有信元丟棄優(yōu)先級較高的信元可丟棄時，再丟棄信元丟棄優(yōu)先級低一級的信元，最后沒有違約信元可丟棄時丟棄最后到達的信元。
網(wǎng)絡(luò)終端12收到交換節(jié)點13送來的信元，到達信元按地址過濾和分發(fā)部件126根據(jù)信元攜帶的虛連接識別號21判斷出最終目的地是用戶終端11，于是從相應(yīng)的輸出端口將它們送往用戶終端11。同樣網(wǎng)絡(luò)終端14也將交換節(jié)點13送來的、最終目的地為用戶終端15的信元送往用戶終端15。
用戶終端11和15收到通信對端發(fā)來的信元后，由線路驅(qū)動接口模塊155還原成為信元數(shù)據(jù)，送給傳輸質(zhì)量控制模塊114。傳輸質(zhì)量控制模塊114檢查信元在傳輸過程中的丟失情況，通過信令信元向通信對端報告。通信對端可以降低傳輸速率，從而減少信元丟失概率，提高傳輸質(zhì)量。傳輸質(zhì)量控制模塊114將收到的信元送給信元數(shù)據(jù)提取模塊113，由信元數(shù)據(jù)提取模塊113從信元凈荷部分24中取出有效的用戶數(shù)據(jù)，遞交給需要的終端用戶，從而完成雙向通信過程。
可以將網(wǎng)絡(luò)終端12和14集成到交換機13的輸入輸出端口模塊131中，從而簡化網(wǎng)絡(luò)的安裝過程。但是在對用戶流量進行實際的交換以前，執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)終端的流量合約檢查和超速信元標記操作是不可缺省的。它使網(wǎng)絡(luò)能夠區(qū)分違反規(guī)則的用戶流量，從而可以選擇性地對惡意使用網(wǎng)絡(luò)的少數(shù)用戶采取措施，保證整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。這種流量合約檢查和超速信元標記的最佳位置在網(wǎng)絡(luò)入口處，即距離用戶最近的那個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處。這時網(wǎng)絡(luò)具有較好的規(guī)模擴展性能。
權(quán)利要求
1.顯式優(yōu)先級信元中繼方法，它是一種根據(jù)通信傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量要求，通過信令協(xié)商建立通信虛連接后再分配優(yōu)先級的方法，其特征在于信源發(fā)送端在產(chǎn)生和發(fā)送信元時，根據(jù)每個信元攜帶的特定信息內(nèi)容把信元設(shè)定為不同的信元傳輸優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對到達信元設(shè)置信元丟棄優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點使用預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元，用剩余的網(wǎng)絡(luò)資源按信元優(yōu)先級傳輸合約帶寬以外的信元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法，其特征在于所述信源設(shè)定的信元傳輸優(yōu)先級至少包括是否立即發(fā)送、傳輸延遲高低和傳輸可靠程度三個方面的指標，用信元凈荷類型字段中的緊急傳輸指示、時延敏感指示和重要數(shù)據(jù)指示表示；網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)定的信元丟棄優(yōu)先級與有效信元到達速率有關(guān)，用信元凈荷類型字段中的流量違約指示表示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的有效信元到達速率，對服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元設(shè)置較低的信元丟棄優(yōu)先級，對超出服務(wù)合約帶寬的超速流量，按照信元傳輸優(yōu)先級從低到高的次序篩選分流出來標記為較高的信元丟棄優(yōu)先級。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法，其特征在于在網(wǎng)絡(luò)擁塞時所述的交換節(jié)點優(yōu)先丟棄傳輸優(yōu)先級較低的信元，再丟棄傳輸優(yōu)先級較高的信元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法，其特征在于所述的預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源只包括申請帶寬的最小值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法，其特征在于在所述的信元中包括連接識別字段(21)、凈荷類型字段(22)、其他控制字段(23)和有效用戶數(shù)據(jù)(24)；其中凈荷類型字段(22)包括緊急傳輸指示(221)、時延敏感指示(222)、重要數(shù)據(jù)指示(223)、流量違約指示(224)和其它標志位(225)，通信終端(11)把由網(wǎng)絡(luò)終端分配的虛連接識別號設(shè)置在信頭中的連接識別字段(21)，用戶的有效數(shù)據(jù)封裝在信元的凈荷部分(24)，并根據(jù)應(yīng)用的具體情況，對有特殊要求的信元設(shè)置特殊的信元凈荷類型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法而提出的通信實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包含交換接點(13)、分別與上述交換節(jié)點(13)相連的網(wǎng)絡(luò)終端(12)、(14)，以及分別與網(wǎng)絡(luò)終端相連的用戶終端(11)、(15)；其中用戶終端含有與網(wǎng)絡(luò)終端相連以便向網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)送由信元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的線路傳輸信號、并在相反的方向把線路傳輸信號恢復成接收信元數(shù)據(jù)的線路驅(qū)動接口(115)、(155)，與線路驅(qū)動接口(115)、(155)雙向交互連接以維持發(fā)送和接收的信元緩沖隊列并對是否發(fā)生了信元丟棄進行檢查的傳輸質(zhì)量控制模塊(114)、(154)，把產(chǎn)生的通信數(shù)據(jù)封裝成為信元同時根據(jù)特定內(nèi)容的傳輸質(zhì)量要求把信元設(shè)定為不同的傳輸優(yōu)先級后再向傳輸質(zhì)量控制模塊(114)、(154)發(fā)送的信元生成和優(yōu)先級設(shè)定模塊(112)、(152)，從傳輸質(zhì)量控制模塊(114)、(154)發(fā)來的正確接收的信元中取出終端應(yīng)用(111)、(151)所需數(shù)據(jù)的信元數(shù)據(jù)提取模塊(113)、(153)，以及接收信元數(shù)據(jù)提取模塊(113)、(153)發(fā)來的數(shù)據(jù)并向信元生成和優(yōu)先級設(shè)定模塊(112)、(152)發(fā)送通信數(shù)據(jù)的終端應(yīng)用(111)、(151)；網(wǎng)絡(luò)終端(12)含有監(jiān)測從用戶終端方向來的每個連接流量狀態(tài)的有效信元到達速率測量部件(121)，接收和緩存從用戶端方向送來的信元的信元緩存隊列(122)，根據(jù)到達速率測量部件(121)的測量結(jié)果和預(yù)先存儲在數(shù)據(jù)庫單元(124)中的連接參數(shù)信息判定有效信元到達速率是否超過合約的智能控制部件(123)，存儲連接參數(shù)信息的數(shù)據(jù)庫單元(124)，根據(jù)智能控制部件(123)的指示對從用戶端收到的信元設(shè)定信元丟棄優(yōu)先級后再把收到的信元向相連的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(13)發(fā)送的信元丟棄優(yōu)先級更改部件(125)，與用戶終端和交換節(jié)點都相連、接收交換節(jié)點送來的信元并將它們轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端的到達信元按地址過濾和分發(fā)部件(126)；網(wǎng)絡(luò)終端(14)具有與網(wǎng)絡(luò)終端(12)相同的結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(13)含有輸入輸出端口模塊(131)、交換矩陣模塊(132)和智能優(yōu)先級信元緩存模塊(133)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法而提出的通信實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(13)中智能優(yōu)先級信元緩存模塊(133)含有串接在該網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點輸入端與輸出端之間且彼此雙向互連的智能信元丟棄控制裝置1331和優(yōu)先級信元緩存隊列1332。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顯式優(yōu)先級信元中繼方法而提出的通信實現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于所述的優(yōu)先級信元緩存隊列1332包括與智能信元丟棄控制裝置1331互連的優(yōu)先級信元緩存隊列1332a以及和上述智能信元丟棄控制裝置1331輸出端相連的緩存隊列預(yù)留部分1332b。
全文摘要
顯式優(yōu)先級信元中繼方法和通信實現(xiàn)系統(tǒng)屬于采用定長信元的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，采用該技術(shù)的信源發(fā)送端在產(chǎn)生和發(fā)送信元時根據(jù)每個信元攜帶的特定信息內(nèi)容把信元設(shè)定為不同的信元傳輸優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)入口處的網(wǎng)絡(luò)終端監(jiān)測通信虛連接的信元到達速率，對到達信元設(shè)置信元丟棄優(yōu)先級；網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點使用預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸服務(wù)合約帶寬以內(nèi)的信元，用剩余的網(wǎng)絡(luò)資源傳輸合約帶寬以外的信元。它可以在一個連接中標識出多個不同的信元傳輸優(yōu)先等級；通過流量違約指示同時兼顧用戶和網(wǎng)絡(luò)的利益，在一條連接中同時支持保證型業(yè)務(wù)和非保證型業(yè)務(wù)；通過信源端、網(wǎng)絡(luò)終端和交換節(jié)點三者相互配合完成用戶數(shù)據(jù)的優(yōu)先級方式網(wǎng)絡(luò)傳輸，適合于傳輸綜合業(yè)務(wù)。
文檔編號H04L12/54GK1398089SQ0212948
公開日2003年2月19日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月23日
發(fā)明者陳相寧, 王京 申請人:清華大學