CN100484081C - 用于网络的等待时间管理 - Google Patents

Abstract

一种缓冲器(104)接收数据分组，并把它们放在适当的位置(201-218)上，以致它们在变化的延时后被读出。分配负延时给迟到达的分组，而且如果有太多的分组迟到达，该系统开始从存储器中一个不同的位置处读出所述的迟到达的分组，而不是允许这些迟到达的分组丢失。

Description

用于网络的等待时间管理

技术领域

本发明涉及数据传输，并在音频或传真数据的传输中有特定的应用，该音频或传真数据以前通过电话网络发送，但现在经常通过例如因特网的分组交换网络来发送。

背景技术

近来，通过数据网络传输以前通过电话网络传输的语音、传真及其他信息，已经变得很普遍了。通过例如因特网的数据网络传输这些信息，花销更少，并且得到了对网络带宽更有效的利用。涉及因特网技术的许多工程师甚至相信，在接下来的若干年内，所有的电话业务量实际上将通过因特网来传送。

由于通过因特网传输音频业务量而带来的一个问题涉及到把这样的业务量分解成多个分组。特别是对于通过传统的公共交换电话网络(PSTN)的连接在两个用户间完成电话呼叫的情况，在两个用户之间要建立电路。该电路的全部带宽只能用于所述的电话呼叫，而该带宽通常超出了该呼叫所需的带宽。

当呼叫通过因特网传送时，来自任何一方的音频信号被分解成多个分组，该分组通过数据网络被分别传送，有时使用不同的路径。当分组离开数据网络后，它们被用来重组模拟音频信号以传送到听话方。

图3示出了前述的因特网电话呼叫的示意性结构。更具体地说，在呼叫建立后，在电话机301处始发的音频信号将沿着电路交换连接经过PSTN302到达网关303。网关303对音频信号分组并按照前述，通过数据网络304传送这些分组。分组在网关305处被接收，但由于不同的分组经历了变化的网络延时，所接收的分组经常次序颠倒，要由网关305重组装。接着，分组被转换成模拟音频，该模拟音频信号经过PSTN 306传送到电话机307。如同数据连接320和计算机322所示的，信号的多个部分可以通过或不通过PSTN来传播。

图3结构的一个问题就是在分组通过因特网304传播时所遭受的变化的延时。如果分组到达时次序颠倒，那么在把信号转换回模拟量并传送给其他方之前，它们必须被重组装。为了便于在示意性的接收网关305处对分组的这种重新排序，缓冲器通常存储几个到达的分组，使得在网关305把数字数据转换成模拟形式之前，那些后到达并且次序颠倒的分组能够被放置为正确的顺序。

为了最小化“等待时间”，即音频信号在离开电话机301的时刻与到达电话机307的时刻之间所经历的延时，期望最小化前述缓冲器的长度。长缓冲器意味着分组在被传送之前在缓冲器中等待长的时间。因此，长缓冲器意味着长的等待时间，而这不是所期望的。

然而，如果缓冲器太小，后到达的分组将会丢失。例如，假设缓冲器的长度被设置为，在把每个到达的分组发送到接收机之前保持它250毫秒。假设发出了两个连续的分组，第一个穿过网络用了500毫秒，第二个穿过网络只用了10毫秒。第二个分组到达，在接收缓冲器处被保持250毫秒，然后被发送给接收机。而第一个分组几乎晚了四分之一秒才接着到达。在第一个分组到达的时候，第二个分组已经被读出了。既然这些分组可能代表着音频，那么在后面的分组已被读出之后再读出第一个分组就变得毫无意义了。

现有技术在于，通过基于在等待时间和分组丢失的概率之间的折中来执行计算，以最优化缓冲器长度。而且，美国专利申请号No.09/585,744说明并要求了一种技术，该技术响应于分组通过网络的不同延时，动态调整缓冲器的尺寸，从而动态地恒定保持最优的缓冲器尺寸。

所有的现有技术的问题就是它们不能解决可能发生了暂时性的，并且一般上过度的延时的一群分组。例如，如果网络路由器之一突然停止服务，以上情况就可能发生。通过网络的延时会有突然的增加，直到路由协议产生响应，路由数据从该路由器旁边通过为止。在这里被称为“群延时”的这种暂时性的、有代表性的延时，导致几个分组经历增加的等待时间。

由于上述问题，在本领域里需要一种技术来折中等待时间和分组丢失的概率以在接收网关处获得合适的缓冲器长度，该技术也应当解决通过因特网的暂时性的群延时。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种分组延时处理装置，包括：缓冲器，用于存储从数据网络中所接收的分组，并且便于按顺序的读出所述的分组；和处理器，用于如果所述的网络对所述的分组造成预定的延时特性，则改变在所述的缓冲器内该分组被按顺序地读出的位置。

根据本发明的第二方面，提供了一种分组延时处理装置，包括：具有多个存储位置的缓冲器，该缓冲器把数据按顺序地从每个存储位置移位到相邻的存储位置；具有连接到至少两个存储位置的输入的开关；和处理器，该处理器根据一个判断，即数据的预定数量的连续分组是否已遭受大于预定量的延时，来控制哪一个开关输入处于活动态。

根据本发明的第三方面，提供了一种分组延时处理装置，包括：缓冲器，有一定长度，并且可以构造用来至少基于从数据网络所接收的分组穿过数据网络所经历的延时而存储这些分组和用来允许按顺序地读出所述的分组，和处理器，用于在数据网络造成分组经历了预定的延时特性时，改变所述的长度；其中，通过切换分组从中被读出的缓冲器的位置来改变所述的长度。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于处理分组延时的方法，包括：至少基于多个到达的分组中的每一个所经历的延时而把这些分组的每一个放入缓冲器的单独的位置，在所述的缓冲器中，按顺序地从第一位置读出所述的分组，和在检测到已经历了至少预定值的延时的、预定数量的按顺序的分组时，开始从所述的缓冲器的第二位置按顺序地读出所述的分组。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于处理分组延时的方法，包括：从数据网络接收分组，并分配正延时给全部所接收的经历了少于预定值的网络延时的分组，分配负延时给全部所接收的经历了多于所述预定值的延时的分组，把全部具有被分配的负延时的分组放到缓冲器中读出位置的第一侧，把全部具有被分配的正延时的分组放到缓冲器中读出位置的第二侧，按顺序地读取所述缓冲器中读出位置的第二侧的分组，以及在检测到已经历了至少预定值的延时的、预定数量的按顺序的分组时，开始按顺序地读出所述缓冲器中读出位置的第一侧的分组。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于处理分组延时的方法，包括：从数据网络接收分组，至少基于所述分组穿过所述数据网络所经历的延时而把该分组放入有一定长度的缓冲器，并且如果预定数量的分组经历了过度的延时，就暂时地改变该缓冲器的长度，其中，通过改变分组的读出位置以便于实现所述的长度改变。

附图说明

图1描述了示意性的接收网关的功能构造，该接收网关可以用来实现本发明的教导；

图2示出了根据一个实施例被读出的一队接收缓冲器的示意图；

图3示出了用于通过因特网传输语音的示意性的现有技术的构造；

图4是用于在样本接收网关，例如网关305处实现本发明的示意性算法的流程图；和

图5是本发明的另一个实施例。

具体实施方式

图1是本发明一个实施例的方框图。图1的构造可以被用在图3的系统中以取代图3的网关303。根据本发明，代表了电话呼叫的数据以分组的形式从数据网络到达网络接口卡(NIC，network interface card)101。NIC是一种常见的产品，它实现适当的网络协议，例如TCP/IP或类似的协议。该NIC可以负责接收数字分组，并通过CPU 102把分组传送给系统的剩余部分。

接着，所解码的数据通过CPU 102被发送给缓冲器104。CPU 102可以与可选择的数字信号处理器(DSP)103联合起来工作。CPU 102用来把到达的分组以适当的顺序放置在缓冲器104中，从而由数模转换器(D/A)105按顺序地读出。可选择的DSP 103可用来执行部分或全部的，在(NIC)101所完成的处理之外处理数据所需要的，在计算上代价高昂的信号处理。

正如在申请号No.09/585,744中所讨论的，CPU 102计算适当的附加延时，在分组到达时把该延时引入每个分组，用于在缓冲器104中存储。更具体地说，CPU 102给每个到达的分组引入一定数量的延时，使得所引入的延时加上通过数据网络304的延时，等于一个固定值。如在’744申请中所说明的，基于穿过网络的每个分组所经历的延时，保持分组延时的柱状图。接着，接收系统动态地更新分组延时的柱状图，计算分组丢失的可接受的概率。即该系统动态地打算应该丢弃所有经历了超过X的网络延时的分组，其中基于分组延时的柱状图对X进行更新。于是，到达分组一旦到达就被延时了数量X减去该分组在穿过网络时所经历的延时，X即最佳等待时间。因此，每个分组都经历了最佳等待时间，如果一个分组在穿过网络时经历了超过最佳等待时间的延时，则它被丢弃。

图2示出了与图1中数模转换器105相连接的缓冲器104的概念图。连接106也被更详细地表示为连接230-232和开关250。示意性的位置201-218代表了到达接收网关305的分组所放入的缓冲器。

在操作中，可以引入每个分组所需要的延时的示意性方式涉及了到达的分组被放入缓冲器104的位置。更具体地说，在正常操作中，到达的分组每一个都被放入缓冲器201-210中单独的一个。缓冲器接着从左至右进行移位，分组被传送出去到数模转换器105。

当分组到达时，它们被放入位置201-210之一，当分组在图2中向右移位时被读出。因此，经历了相对短的通过网络的延时的分组被放置得相对远一些，更接近左侧(例如，位置202或203)，而经历了相对长的通过网络的延时的分组则被放置得相对接近右侧(例如208或209)。所以，通过网络的延时越短，分组被放置得越接近左侧。由于是从左至右移位，这意味着经历了短网络延时的分组在接收网关的缓冲器处，因为要花更长的时间进行移位，所以会经历更长的延时。这导致所有分组的总延时基本上是相等的。通过检测由发射分组进入因特网的网关所放置在分组内的时间标记，并通过将该时间标记与接收网关的本地时钟进行比较，可以计算通过网络的延时。注意，由于发射网关和接收网关的时钟可能不精确同步的事实，计算出的网络延时不是一个实际的网络延时，而是一个相对于通过网络传输的其他分组的网络延时的网络延时。

例如，如果一个分组经历了相对短的通过网络的延时，它会被放入位置202。另一个分组，它经历了相对长的通过网络的延时，会被放入位置210，这就引入了相当可观地更短的延时。既然系统设计者事先知道由每一次缓冲器104向右移位所引入的延时量，那么为了保证引入在到达的分组间有效地均衡总延时(即，网络延时加上附加延时)的正确的延时，可以计算每个分组的适当的位置。

有时，一个或多个分组可能经历如此大的延时，以致于在接收机处丢失。更具体地说，假设有一个分组A，它到达接收网关305并被放入图2中的位置208。当分组向右移位时，一开始放入位置208的分组A将在四个时隙后从位置211读出，其中一个时隙是一次右移的时间量。第二分组B早于分组A从发射网关303发射出来，它会到达并被放入位置209。因为在图2中，位置209早于位置208通过线230被读出，上面的排序就意味着分组B会早于分组A从位置211被读出。

然而，考虑分组B被延时了远远超过预期的情况。甚至有可能在分组B到达之前，分组A就可能从位置208被读出，并被转换成模拟数据。此时，分组B只能被丢弃，因为一旦分组被转换成模拟音频，代表了音频信号前面部分的分组不能被随后发出。

根据缓冲器104的长度会丢弃一定数量的分组。在图2示出的示意性的缓冲器104中，经历了最短延时的分组被放入位置201。这个分组在从位置211被读出之前将进行10次右移。如果应早于这个分组到达的分组被延时了，所延时的分组可能在来自位置201的分组已经从缓冲器104中移位出去后才到达。

一般，如同上一段所说明的太迟到达的分组都简单地被丢失了。使得缓冲器的长度足以实现可接受的丢失概率。然而，如果突发分组(a burstof packets)被延时，那么系统可能会丢失几个连续的分组，导致较低质量的语音传输。为了等待时间最小化的目的，出于最小化缓冲器104的长度的考虑，不希望使用将处理潜在的分组突发(packet bursts)的长缓冲器。

然而，根据本发明，临时增加缓冲器104的长度以解决突发延时。可以用于实现的一种方式是，一旦检测到突发延时，就把图2中的读出位置从缓冲器211临时改变到缓冲器218。在突发结束时，读出位置回到突发前的位置211，因而缓冲器的长度也回到突发前的状态。

图4示出了本发明步骤的示意性流程图。图4的设置可以由CPU 102实施以便于从缓冲器104读出信息。在开始401处，检查起始线230的位置，即位置211的信息。如果在位置211上存在分组，那么判断点403将把控制权转移给用于读出分组的方框404。接着，在方框405，寄存器从左至右移位，从而把以前位于位置210的分组放入读出位置211。如同循环450所指示的，该过程按照前述继续检查分组并把它们读出。

当检查位置211时，如果发现它是空的，那么判断点403将使方框408处的计数器向上计数。该计数器从零开始。在计数值被加给方框408后，判断点407判断该计数值是否达到了预定的计数值。

预定的计数值N被提前定义为在缓冲器104中，到达读出位置211的为空的连续存储位置的数量。一般，N的值域是2或3，但也可能有所不同。更具体地说，如果每个分组都在缓冲器104的长度能够处理的时限内到达，那么在每次右移后，应该有一个分组在位置211处准备用于读出。在读出一个分组后，如果一次右移导致位置211成为空的，这就意味着应该被读出的下一个分组已经被延时太长时间了，它丢失了。

在大多数情况下，系统仅仅在下次移位之后读下一个分组，并且偶尔丢失的分组是可以接受的。但是，如果系统读到连续N个空的位置，这就意味着突发分组已经历了异常长的通过网络的延时。在这种情况下，系统将尝试通过从缓冲器104最右侧的包含分组的位置中临时读出分组，而从所丢失的突发分组中恢复过来。

当分组到达时，如果任何分组是“太迟的”，即在该到达分组之前的分组已经被传送出了位置211，那么分配负延时给这些迟到达的分组。因此，所有放在位置211右侧的分组都是需要负延时的分组，这就使得这些分组的网络延时加上由接收网关所添加的附加延时，两者之和等于如前所述地为每个分组所设定的总固定延时。例如，如果总延时假定为2秒，并且该分组经历了2.3秒的网络延时，它需要负0.3的延时。

如图2所示，分组可以被读出的第二位置是位置218。假设每次移位需要0.15秒，上述的示意性分组被放入位置216。经过这样放置分组，该分组和位置218有两个位置移位的距离，即0.3秒。每个要被读出的太迟到达的分组将被相对于位置218放置，以致于当系统开始从位置218读分组时，要被从位置211读出的太迟到达的所有分组将从位置218被顺序地读出。

如果在判断点407计数值没有达到N，那么寄存器被再次移位，并且过程进行重复，在判断点403和407继续对空的存储位置计数，直到该计数值等于预定值N。

当读出N个预定的连续的空存储位置时，在方框409激活开关250。开关250使读出点处于位置218，而不是位置211。在方框410，从位置218读分组。如果在判断点411突发结束，无效开关250以使读出点返回位置211。但是，如果在突发里有更多的分组，那么这些分组在方框406继续从左至右移位，并且如图4中流程图所示，继续从位置218读出。

注意，如果从位置218读出分组，所有在位置211左侧的位置(例如，201-210)仍继续被移位。这样做的效果就是保证，一旦系统完成了读出被存储在位置211右侧的第一分组，而且开关接着被无效，那么所有随后的分组不会代表空位置。

应该注意，两个对立的准则，即等待时间和分组丢失概率，每一个在系统操作的不同时间具有不同的优先权。具体地说，在正常操作中，通过使用相对短的缓冲器长度并接受给定数量的分组丢失，最小化等待时间。当发生突发的被延时的分组时，例如在突然的网络拥塞状况下，缓冲器被暂时加长，最好通过改变读出的位置，这样所有遭受突然的突发延时的分组不会丢失。但是，因为扩大的延时只是暂时的，在传送了遭受突发的剩余分组后就结束了，所以等待时间不是问题。

应该注意，虽然上面说明了基于缓冲器长度的硬件实施方式，但是本发明不是如此受限的。更具体地说，本发明可以完全由软件实现。一般，经历了超过预定值的延时的分组将简单地被丢弃，但是，系统可以通过检查每个分组上的时间标记来确认是否预定数量N的连续分组经历了超过预定值的延时。如果经历了这种延时的一群分组的数量超过预定值N，那么不丢弃所延时的分组，而是对这些分组进行处理并转换成用于传送给用户的模拟信号。因此，更广泛地讲，本发明包括对所有经历了少于预定值的延时的分组进行处理或传送给终端用户，而对经历了超过所述值的延时的分组不进行处理或传送，除非特定数量的连续分组经历了过度的延时。

图5表示了本发明的另一个实施例。虽然图5设置的基本功能类似于图1的，但是每个方框所执行的任务略有不同。

NIC 160执行所需的网络协议接口功能。本领域内公知的这类协议的例子是UDP/IP和异步传输模式(ATM)。

方框102，分组规则模块(PRM，Packet Regulation Module)执行基本的分组处理和信息解析。PRM 161从分组中提取时间标记和数据，以及其他任何相关信息。PRM还负责把本地接收时间标记分配给每个分组，该时间标记按照本地接收时钟来记录收到分组的时间。PRM实现前面讨论的保持柱状图，计算最佳的等待时间，以及存储、排序和读出分组所需的处理。为了解决前面所讨论的突发延时，PRM也判断是否至少N个分组已经被延时。PRM有效地监视分组接收，控制从系统中的读出，以及实现所有用于这里前面所讨论的方法的处理。PRM可以在数字信号处理器、通用目的处理器或者两者的联合上用软件实现。

抖动缓冲器模块162按照每个分组被延时了如PRM所指定和如上所讨论的适当数量的方式来存储分组。可行地，抖动缓冲器是如上面讨论所引入的延时器。抖动缓冲器可以是设置适当的时间以读出每个分组的一列计时器。

剩下的两个框对数据进行解码(103)并把它输出到适当的目的地。目的地可以是存储器件、实时播放器件或者任何适当的目的地。

虽然上面定义了本发明的优选实施例，但是对于本领域的技术人员，其他的各种修改和附加是清楚的。可以认定，本发明可被解释为覆盖了落入所附权利要求的精神和范围内的所有这样的变化和修改。

Claims (8)

1.一种分组延时处理装置，包括：

缓冲器，用于存储从数据网络中所接收的分组，并且便于按顺序的读出所述的分组；和

处理器，用于如果所述的网络对所述的分组造成预定的延时特性，则把经历了多于预定值的网络延时的分组放到所述的缓冲器中读出位置的第一侧，把经历了少于所述预定值的网络延时的分组放到所述的缓冲器中读出位置的第二侧，以及，按顺序地读取所述缓冲器中读出位置的第二侧的分组，并且在检测到已经历了至少预定值的延时的、预定数量的按顺序的分组时，开始按顺序地读出所述缓冲器中读出位置的第一侧的分组。

2.如权利要求1所述的分组延时处理装置，其中，所述的预定的延时特性包括特定数量的按顺序的分组在某个时间上从数据网络到达，使得要在所述的特定数量的按顺序的分组后被从缓冲器读出的分组已经被从缓冲器读出。

3.如权利要求2所述的分组延时处理装置，还包括改变所述位置，在所述的特定数量的按顺序的分组被从所述的缓冲器读出后，再一次改变所述的分组被按顺序地读出的位置。

4.如权利要求3所述的分组延时处理装置，还包括用于在所述的分组被从所述的缓冲器读出后接收分组的，连接到所述的缓冲器的数模转换器。

5.如权利要求1所述的分组延时处理装置，还包括用于从数据网络接收数据的网络接口卡和用于处理所接收的数据的数字信号处理器。

6.一种用于处理分组延时的方法，包括：

从数据网络接收分组，并分配正延时给全部所接收的经历了少于预定值的网络延时的分组，分配负延时给全部所接收的经历了多于所述预定值的延时的分组，

把全部具有被分配的负延时的分组放到缓冲器中读出位置的第一侧，把全部具有被分配的正延时的分组放到缓冲器中读出位置的第二侧，

按顺序地读取所述缓冲器中读出位置的第二侧的分组，以及

在检测到已经历了至少预定值的延时的、预定数量的按顺序的分组时，开始按顺序地读出所述缓冲器中读出位置的第一侧的分组。

7.如权利要求6所述的用于处理分组延时的方法，其中，具有被分配的负延时的分组被彼此相对地放在一个位置，该位置至少部分地基于所述的延时。

8.如权利要求6所述的用于处理分组延时的方法，其中，具有被分配的正延时的分组被彼此相对地放在一个位置，该位置至少部分地基于所述的延时。

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