CN100571199C - 一种家庭网关及保障家庭内网络业务终端QoS的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字通信技术，特别涉及一种家庭网关及保障家庭内网络业务终端QoS的方法。一种家庭网关，所述家庭网关HGW包括用于识别报文所属业务类型的业务类型识别器、用于根据业务类型将报文源地址转换为相应公网IP地址的网络地址转换器NAT、以及至少两条连接到网络侧设备的、用于承载业务的连接通道，所述每个连接通道可以获取至少一个公网IP地址。本发明可有效防止未经授权的PC上网用户使用业务终端的上行通道接入网络，使得PC上网用户可以自由选择付费方式，同时节约了IP资源；各终端能够轻易实现互通；可有效保障语音、视频、数据业务都能得到很好的QoS保证。

Description

一种家庭网关及保障家庭内网络业务终端QoS的方法

[技术领域]

本发明涉及数字通信技术，特别涉及一种家庭网关及保障家庭内网络业务终端QoS的方法。

[背景技术]

目前通讯技术的发展，数字家庭开始深入现实生活，家庭内的网络设备越来越多，基于网络的业务种类也越来越多，如个人电脑(PC)上网的数据业务，数字电话(IP Phone)提供VoIP业务，数字机顶盒(IP STB)提供的BTV/VoD业务，视频电话(Video Phone)提供的视频电话业务。而家庭网关(HGW)处于家庭网络的核心位置，所有的业务都承载在IP网络上，经HGW由相同的上行通道发送到SP(Service Provider，服务提供商)网络。这些上行通道是基于IP的，可能是ADSL/ADSL2+、VDSL/VDSL2、EPON/GPON/GEPON、WiMAX等各种传输技术之一。

图1所示是现有家庭内组网及接入网组网图。为了使PC机以及各种业务终端都能为用户提供良好的业务，HGW必须考虑以下问题：

1.一般情况下，家庭内部的传输带宽都可以达到10M，甚至100M，但是在上行接口处，带宽往往收敛成只有2M、或者4M，远远小于家庭内部的带宽。这样导致了一个问题：如何保障家庭内各种业务终端的QoS？在DSLAM处，大量的业务流汇聚又存在带宽瓶颈，如何保证此处的QoS？如果所有数据都采用基于以太网的点对点协议PPPoE封装，因为DSLAM未终结PPPoE，无法识别PPPoE封装内的数据类型，自然无法进行QoS调度。

2.家庭内存在PC机、IP Phone、IPSTB等各种终端，各终端之间必须实现直接互通。如IPSTB可以播放PC机上存储的节目源，而IP Phone可以获取PC上存储的电话号码本等。要实现设备的直接互通，则要求各种终端全部使用IP协议，且具有相同网段的IP地址。

3.家庭内的终端数量巨大，而目前的IPv4所能提供的地址空间有限，特别是在我国，IP地址资源严重缺乏。如果家庭内的每个终端都占用一个公网IP地址，则会造成严重的IP地址浪费。任何一个SP都无法接受这种状况。

4.目前大部分PC上网用户都采用PPPoE方式上网，而电信等SP则提供了不同的计费策略，有固定费用包月、计时等。但是除PC以外的各种业务终端却需要一天24小时联线。如果提供给业务终端的网络是联通的，PC机就可以从此通道接入网络，逃避SP的计费。如何阻止未经授权的用户使用业务终端的上行通道接入网络也是HGW需要解决的一个问题。

现有技术的一种解决方法是：终端设备的接入使用最多的方式是PPPoE，PPPoE对于PC类的数据接入具有较大优势。如果存在多个终端，则由家庭网关(HGW)通过PPPoE方式接入SP的网络，同时在HGW上提供网络地址转换(NAT)和动态主机配置服务(DHCP server)功能，家庭内的各种设备通过动态主机配置协议DHCP从HGW获取IP地址。家庭内的PC和各种业务终端的数据都通过HGW进行地址转换后转发，如图2所示。这种方法的缺点是：①需要QoS保障的业务和需要QoS保障的数据上网业务的上行通道结合在一起，如果要提供按业务量计费的业务(如VoIP电话按呼叫时长计费、VoD按照点播节目数计费)就必须要求用户已经开通了数据接入业务，并且选择不限时的付费方式，这样严重限制了业务开展的目标用户群。②所有的上行数据报文都必须封装在PPPoE的报文中，在DSLAM处汇聚后，由于DSLAM没有终结PPPoE，无法识别PPPoE封装内的报文类型，自然无法提供有效的QoS保障。

现有技术的另一种解决方法是在方案一的基础上进行了改造：HGW不再对报文进行NAT转换，所有的上下行报文都被直接转发出去。HGW下接的PC机直接进行PPPoE拨号，而业务终端通过DHCP直接从网络侧获取IP地址接入SP的网络，如图3所示。该方案将业务终端发出的业务流和数据终端发出的数据流完全进行了隔离，使DSLAM能对各种业务流进行不同策略的QoS调度，满足了业务终端的QoS要求。缺点是：①家庭内的设备从不同的途径获取了IP地址，处于不同的网段，甚至部分处于公网地址，部分为私网地址，各种设备无法直接互通，要互通的话必须到SP的路由器上进行互通，实现起来很复杂。②家庭内的每个设备都直接与互联网相连，暴露在公众面界，难以保证安全性。③每个业务终端都需要分配单独的公网IP地址，严重浪费了IP资源。④家庭内存在多个数据终端(如PC机)的时候，需要设备提供NAT功能，虽然这个NAT可由执行PPPoE拨号的PC提供，但是毕竟不便。

[发明内容]

本发明的目的在于提供一种可解决现有技术中缺陷的家庭网关及保障家庭内网络业务终端QoS的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种家庭网关，所述家庭网关HGW包括用于识别报文所属业务类型的业务类型识别器、用于根据需要QoS保障的业务类型和不需要QoS保障的业务类型将报文源地址转换为对应所述业务类型的相应公网IP地址的网络地址转换器NAT、以及至少两条连接到网络侧设备的、用于承载业务的连接通道，其中，用于传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取一个公网IP地址，用于传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取另一个公网IP地址。

进一步的，所述其中一条连接通道用于传送需要QoS保障的业务的报文，其以动态主机配置协议DHCP方式从动态主机配址服务器DHCP server获取公网IP地址IP1或使用固定公网IP地址IP1；另一条连接通道用于承载其他不需要QoS保障的基于以太网的点对点协议PPPoE报文，其以PPPoE方式从宽带接入系统BAS获取公网IP地址IP2。

进一步的，所述NAT用于将需要QoS保障的业务的报文的源地址转换为所述公网地址IP1后向上转发，将其他不需要QoS保障的业务的报文的源地址转换为所述公网地址IP2后，封装在PPPoE报文格式中向上转发。

作为本发明一种家庭网关的一个改进，还包括优先级标记器，用于对公网地址为IP1的报文根据其业务类型标记以不同的802.1P优先级后再向上转发。

本发明提供了一种基于上述家庭网关的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，包括步骤：

501，HGW与网络侧设备建立至少两条连接通道；

502，HGW接收终端发送的请求报文，为该终端分配一个私网IP地址；

503，HGW识别出业务类型，并根据预先设置的QoS规则，将需要QoS保障的业务的报文的源IP地址转换为HGW通过传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取的一个公网IP地址，从所述传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道发出；将不需要QoS保障的数据业务的报文的源IP地址转换为HGW通过传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取的另一个公网IP地址，从所述传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道发出。

上述方法中，所述HGW通过检查报文的特定字段识别业务类型，或通过匹配终端的源MAC地址识别业务类型，或通过匹配终端的源/目的IP地址识别业务类型。

进一步的，步骤501中，HGW通过连接通道一以DHCP方式从DHCP server获取公网地址IP1或使用一固定IP地址IP1，通过连接通道二以PPPoE方式从宽带接入系统BAS获取公网地址IP2。

作为本发明的一个改进，步骤503中，对于需要QoS保障的业务，HGW将报文的源地址转换为地址IP1后，用802.1Q的虚拟局域网标识VLAN ID，或者802.1P的优先级，或者服务类型ToS的优先级，或者差分服务代码点DSCP优先级加以标记以区别业务类型，然后从连接通道一发出。。

进一步的，步骤503中，对于不需要QoS保障的业务，HGW将报文的源地址转换为地址IP2后，用PPPoE进行封装，然后从连接通道二发出。

作为一个改进，本发明方法进一步包括：数字用户接入服务器DSLAM优先处理所述连接通道一发送的报文。

作为本发明方法的另一个改进，所述DSLAM对所述连接通道一发送的报文根据802.1Q的VLAN ID、或者802.1P优先级、或者ToS优先级、或者DSCP优先级进行调度。

本发明的有益效果是：①家庭网关(HGW)可识别终端类型/业务类型，并支持两条或者多条连接通道，为每条通道申请一个公网IP地址，PPPoE和基于ATM的IP通信IPoA分别承载于不同的连接通道，防止未经授权的PC上网用户使用业务终端的上行通道接入网络，使得PC上网用户可以自由选择付费方式，同时节约了IP资源。②HGW支持网络地址转换功能(NAT)，可为各终端设备分配同一网段的私网IP，使得终端能够轻易实现互通。③数字用户接入服务器(DSLAM)优先处理IPoA报文，同时对IPoA报文根据802.1P的优先级标记P1，P2进行调度，从而保障了语音、视频、数据业务都能得到很好的QoS保证。

[附图说明]

图1是现有家庭内组网及接入网组网图。

图2是现有技术一的示意图。

图3是现有技术二的示意图。

图4是本发明系统和方法流程示意图。

[具体实施方式]

下面根据附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

本发明系统与现有技术中一样，包括：终端、家庭网关(HGW)、数字用户接入服务器(DSLAM)、宽带接入系统(BAS，Broad Access System)和动态主机配址服务器(DHCP server)。其中，终端主要包括机顶盒(STB)、数字电视(IPTV)、可视电话(Video Phone)、数字电话(IP Phone)和个人电脑(PC)。业务类型主要包括不需要QoS保障的数据业务(PC机)和需要QoS保障的业务(如VoIP业务、IPTV和Video Phone业务)。本较佳实施例中，主要以PC机的数据业务和VoIP业务为例对本发明进行说明。

如图4所示，本发明系统中，HGW包括：用于识别报文所属业务类型的业务类型识别器、用于根据业务类型将报文源地址转换为相应公网IP地址的网络地址转换器NAT、以及至少两条连接到网络侧设备的、用于承载业务的连接通道。其具有以下特点：

(1)HGW支持动态主机配址服务功能(DHCP server)，且可以识别业务类型。比如可以根据DHCP报文中的特定字段(如DHCP Option 60)识别终端类型，从而识别业务类型：如果发出的DHCP请求中不带Option 60选项，则认为该设备非运营商的业务终端，是数据终端，如果终端发出的报文带有Option60字段，则可根据该字段的数据识别终端类型。可以根据设备类型、MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口号、应用层协议等信息对业务进行识别(比如，如果所传IP包的MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口号、应用层协议等地址与指定的一致，则可识别业务类型，以启动预定的QoS规则)。

(2)支持至少两条连接通道(本发明以两条为例)，所述连接通道可以是永久虚连接PVC或VLAM，连接通道一用于承载需要QoS保障的业务报文，其以DHCP方式从动态主机配址服务器DHCP server获取一个公网IP地址IP1，或设置公网IP地址IP1；连接通道二用于承载不需要QoS保障的数据业务，即PPPoE报文，其以PPPoE方式从BAS获取公网IP地址IP2。

(3)支持网络地址转换功能(NAT)，HGW将需要QoS保障的业务的报文的源地址转换为一公网地址、并根据业务流类型将报文标记以不同的802.1P优先级后向上转发，将其他不需要QoS保障的数据报文的源地址转换为另一公网地址、并进行PPPoE的封装后向上转发。

本发明系统中DSLAM具有以下特点：可根据PVC、802.1Q的VLAN ID、或者802.1P优先级、或者服务类型(ToS，Type of service)优先级、或者差分服务代码点(DSCP，Differentiated services code point)优先级识别报文所承载终端类型/业务类型，并根据预定规则进行QoS保障，如优先处理VoIP业务，对语音、视频业务进行调度等。

本发明方法主要包括步骤：501，HGW与网络侧设备建立至少两条连接通道；502，HGW接收终端发送的请求报文，为该终端分配一个属于同一网段的私网IP地址；503，HGW识别出业务类型，并根据预先设置的QoS规则，将需要QoS保障的业务和不需要QoS保障的数据业务的报文的源地址转换为相应的公网IP地址，从相应连接通道发出。

下面以HGW与网络侧设备DSLAM之间建立PVC通道为例，介绍本发明较佳实施例的具体实现流程，包括步骤：

S1，HGW与DSLAM建立两条永久虚连接PVC1和PVC2，其中，PVC1用于承载需要QoS保障的报文，PVC2用于承载不需要QoS保障的PPPoE报文；

S2，HGW通过PVC1以DHCP方式从DHCP server获取公网地址IP1(或直接设置使用固定IP地址IP1)，通过PVC2以PPPoE方式从BAS获取公网地址IP2。

S31，STB发出DHCP请求报文，报文中DHCP Option 60字段包括可选数据A；

S32，IP Phone发出DHCP请求报文，报文中DHCP Option 60字段包括可选数据B；

S33，PC发出DHCP请求报文，报文中DHCP Option 60字段不带有可选数据；

S4，HGW根据Option 60字段获取终端设备的类型，为STB分配地址IP-a、为IP Phone分配地址IP-b、为PC分配地址IP-c；由于IP-a，IP-b，IP-c都为同一网段的私网IP，这三个终端能够轻易实现互通；

S5，HGW根据源地址IP-a判断出此IP包承载的业务流为VoIP业务，将此报文经NAT1将其源地址转换为IP1，并加上802.1P的优先级(还可以是802.1Q的VLAN ID、或者ToS优先级、或者DSCP优先级)标记P1；根据源地址1P-b判断出此IP包承载的业务流为VoIP业务，将此报文经NAT1将其源地址转换为IP1，并加上802.1P的优先级标记P2；根据源地址IP-c判断出此IP包承载的业务流为数据业务，将此报文经NAT2将源地址转换为IP2，并进行PPPoE封装；这样HGW将数据业务承载在PPPoE，其他业务承载在IPoA；

S6，HGW将NAT1处理后的报文从PVC1发出，将NAT2处理后的报文从PVC2发出；

S7，DSLAM接收到来自HGW的报文后，优先处理PVC1通道发送的报文，再处理PVC2通道发送的报文，同时对PVC1承载的IP报文根据802.1P的优先级标记P1，P2进行调度，从而保障了语音、视频、数据业务都能得到很好的QoS保证。

以上报文在经HGW处理过程中都必须在HGW内进行Buffer缓存调度处理，以保障其QoS。

如果有第三种业务流，则HGW可以与DSLAM建立PVC3连接，申请第三个公网IP地址，从此通道发送业务流。

Claims (11)

1、一种家庭网关，其特征在于：所述家庭网关HGW包括用于识别报文所属业务类型的业务类型识别器、用于根据需要QoS保障的业务类型和不需要QoS保障的业务类型将报文源地址转换为对应所述业务类型的相应公网IP地址的网络地址转换器NAT、以及至少两条连接到网络侧设备的、用于承载业务的连接通道，其中，用于传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取一个公网IP地址，用于传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取另一个公网IP地址。

2、根据权利要求1所述的家庭网关，其特征在于：所述其中一条连接通道用于传送需要QoS保障的业务的报文，其以动态主机配置协议DHCP方式从动态主机配址服务器DHCP server获取公网IP地址IP1或使用固定公网IP地址IP1；另一条连接通道用于承载其他不需要QoS保障的基于以太网的点对点协议PPPoE报文，其以PPPoE方式从宽带接入系统BAS获取公网IP地址IP2。

3、根据权利要求2所述的家庭网关，其特征在于：所述NAT用于将需要QoS保障的业务的报文的源IP地址转换为所述公网地址IP1后向上转发，将其他不需要QoS保障的业务的报文的源IP地址转换为所述公网地址IP2后，封装在PPPoE报文格式中向上转发。

4、根据权利要求3所述的家庭网关，其特征在于：还包括优先级标记器，用于对公网地址为IP1的报文根据其业务类型标记以不同的802.1Q的虚拟局域网标识VLAN ID，或者802.1P优先级，或者服务类型ToS优先级，或者差分服务代码点DSCP优先级后再向上转发。

5、一种基于权利要求1所述家庭网关的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，其特征在于包括步骤：

501，HGW与网络侧设备建立至少两条连接通道；

502，HGW接收终端发送的请求报文，为该终端分配一个私网IP地址；

503，HGW识别出业务类型，并根据预先设置的QoS规则，将需要QoS保障的业务的报文的源IP地址转换为HGW通过传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取的一个公网IP地址，从所述传送需要QoS保障的业务的报文的连接通道发出；将不需要QoS保障的数据业务的报文的源IP地址转换为HGW通过传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道获取的另一个公网IP地址，从所述传送不需要QoS保障的业务的报文的连接通道发出。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述HGW通过检查报文的特定字段识别业务类型，或通过匹配终端的源MAC地址识别业务类型，或通过匹配终端的源/目的IP地址识别业务类型。

7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤501中，HGW通过连接通道一以DHCP方式从DHCP server获取公网地址IP1或使用一固定IP地址IP1，通过连接通道二以PPPoE方式从宽带接入系统BAS获取公网地址IP2。

8、根据权利要求7所述的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，其特征在于：步骤503中，对于需要QoS保障的业务，HGW将报文的源地址转换为地址IP1后，用802.1Q的VLAN ID，或者802.1P的优先级，或者ToS的优先级，或者DSCP优先级加以标记以区别业务类型，然后从连接通道一发出。

9、根据权利要求7所述的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，其特征在于：步骤503中，对于不需要QoS保障的数据业务，HGW将报文的源IP地址转换为地址IP2后，用PPPoE进行封装，然后从连接通道二发出。

10、根据权利要求7所述的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，其特征在于进一步包括：数字用户接入服务器DSLAM优先处理所述连接通道一发送的报文。

11、根据权利要求10所述的保障家庭内网络业务终端QoS的方法，其特征在于：所述DSLAM对所述连接通道一发送的报文根据802.1Q的VLAN ID、或者802.1P优先级、或者ToS优先级、或者DSCP优先级进行调度。

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