CN101006690B - 通信网络的拓扑和服务质量管理装置和方法 - Google Patents

通信网络的拓扑和服务质量管理装置和方法 Download PDF

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Abstract

描述了一种构造自组织网络的方法。一个节点发现另一节点并与其配对来形成网络链路。每个节点基于从其他节点接收的节点/链路状态，维持网络拓扑。一个节点基于所通信的状态，向调度传输的其他节点通信输出链路状态。节点包括：网络控制模块，用于控制网络路由；节点控制模块，用于控制该节点内的分组路由；和切换平台控制模块，用于向该节点的其他控制模块提供输出链路状态。

Description

通信网络的拓扑和服务质量管理装置和方法
技术领域
本发明涉及通信网络，具体涉及通信网络中的服务质量(QoS)管理。
背景技术
万维网(WWW)的普遍使用和因特网服务的广泛范围已经使得因特网业务指数增长。来自实时/关键任务的应用的业务与非实时应用在因特网基础设施上并存，而因特网基础设施对这两种业务都提供尽力而为的服务。当因特网业务量高时，带宽/延迟敏感的应用的性能可能劣化。
服务质量(QoS)是指终端用户和应用所体验的性能。QoS以各种方式测量，并且通常取决于终端用户和应用的服务要求。这种要求可以例如有关于对查询提供应答服务所花的时间、有效执行分布协作的控制的能力、使用IP电话的话音呼叫可接受的音频质量、以及实时视频呈现的令人满意的视频质量。
移动自组织(ad hoc)无线网络中也有巨大增长，该网络包括但不限于商用和军用通信环境中的卫星通信网络。这些无线移动通信网络经受网络拓扑和链路带宽的快速变化，这可能影响终端用户和应用的QoS性能。
发明内容
在一个实现中，本发明指向一种管理具有多个节点的网络的方法。第一节点向至少一个接收节点通信输出链路的状态，并且接收节点基于所通信的状态，调度向第一节点和第二节点的至少一个的传输。
在另一实现中，本发明指向一种构造自组织网络的方法。多个节点中的每一个接收每个其他节点的节点/链路状态。基于至少一个接收的节点/链路状态，第一节点与第二节点配对来形成至少一个网络链路。每个节点基于所述配对和接收的节点/链路状态，维持网络拓扑。
在另一配置中，本发明指向一种具有多个节点的网络。每个节点包括网络控制模块，其被配置成确定跨越网络的分组路由。节点控制模块控制该节点内的分组路由。切换平台控制模块控制去往和来自该节点的分组的切换。切换平台控制模块通过节点和网络控制模块向其他节点的每一个提供状态信息，状态信息与该节点的输出(outbound)链路有关。
在再一个配置中，本发明指向一种与具有存储器的处理器一起使用的机器可读介质。该机器可读介质包括使处理器配置网络的第一节点的网络控制模块来确定跨越网络的分组路由的指令。还包括使处理器配置第一节点的节点控制模块来控制第一节点内的分组路由的指令。该介质还包括下列指令：使处理器配置第一节点的切换平台控制模块来控制去往和来自第一节点的分组的切换，并且通过节点控制模块和网络控制模块向网络的第二节点提供状态信息。状态信息与第一节点的输出链路有关。
所述特征、功能和优点可以在本发明的各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合。
附图说明
通过详细描述和附图，将更充分地理解本发明，附图中：
图1是已知网络协议栈架构的框图；
图2是根据本发明一个配置的网络的框图；
图3是根据本发明一个配置的网络的节点的框图；以及
图4是根据本发明一个配置的网络的框图。
具体实施方式
下面对优选系统和方法的描述本质上仅仅是示例性的，而无论如何不意图限制本发明、其应用或使用。尽管在附图中本发明的各种配置显示为在节点与其他网络组件当中具有有线链路，但本发明不限于此。应当理解，各种网络链路可以是无线的，并且可以包括但不限于自由空间光(FSO)和/或射频连接。
可以参照已知的网络协议栈架构描述本发明的各种实现，该架构在图1中用附图标记20来总标示。网络数据传输可能源自应用层24，例如，来自分布式的应用和电子邮件。表示层28涉及例如在网络终端协议(networkterminal protocol)之间加密、解密和转换。会话层32可以涉及建立、维持和结束网络连接。传输层36可以例如与分组形成和处理有关。网络层40可以涉及各分组到适当目的地的寻址。链路层44可以例如与准备在物理层48上传送分组有关。应当理解，上面的协议栈架构仅仅是说明性的，并且也可以参照其他协议栈架构和/或层描述本发明的实现。还应当注意，在描述栈20中使用的术语是说明性的，而不应当被认为限制本发明的任何实现。
根据本发明原理的网络的一个实现在图2中用附图标记100总标示。在本示例中，网络100是自组织网络，其中多个节点108，例如节点108a到108d，可以相互通信。节点108可以包括例如一个或多个路由器。然而应当理解，术语“路由器”仅仅用于描述节点108的一个方面，即，它们如下所述路由信息的能力。节点108可以包括另外的功能，例如，可能是节点本地的应用功能。节点108可以如下面进一步描述的那样，变得与网络100中的另一节点108相链接。
网络100包括“传号线(order wire)”信道112，例如在网络覆盖的给定区域内允许节点108之间的带外通信。这里参照在网络100上正常建立通信的一个或多个频带，使用术语“带外”和“带内”。传号线信道112可以或可以不属于特定网络系统，并且不需要具有高带宽容量。传号线信道112最好具有低检测概率(LPD)、低阻塞概率(LPJ)和低截取概率(LPI)特性。某些配置中的传号线信道112，可以提供在足够长来覆盖各节点108可能所处的给定区域的范围上的全向通信。在其他配置中，尽管传号线信道112为每个节点108提供与其他节点的每个通信的手段，但这种通信手段可以不必是全向的。
节点108可以加入网络100，或者可以以下面的示例方式创建诸如网络100之类的自组织网络。节点，例如节点108a，在传号线信道112上宣布它的存在，并且请求其他节点108通过传号线信道112向节点108a发送它们的节点/链路状态信息。节点/链路状态信息可以包括，例如，节点位置和轨迹、链路数量、当前配对状态、误比特率以及链路带宽和占用。当节点108a从响应节点接收到这样的信息时，它由此发现响应节点，包括例如节点108b、108c和108d。节点108a基于一个或多个准则配置节点108的配对列表。这种准则可以包括相邻节点的节点/链路状态、大气状况、相邻节点108相对于节点108a的位置和轨迹的位置和轨迹、以及网络100的当前拓扑。
节点108a通信用于与来自配对列表的适当相邻节点108(例如，节点108b)配对的请求。如果所请求的配对对于节点108b是可接受的，则可以在这两个节点之间建立连接。可以例如与网络协议栈20的表示层28、会话层32和传输层36关联的方式，例如，使用传输控制协议(TCP)建立连接。
如果配对的请求对于节点108b是不可接受的，则节点108a发送用于与配对列表上的另一节点108(例如，节点108c)配对的请求，等等，直到节点108a成功与节点108配对，或者可行的相邻节点的配对列表被用尽为止。可以重复上述配对处理来建立节点108a与其他节点108之间的额外链路。在与相邻节点108成功配对之后，节点108a可以例如通过多播，经由带内通信将其节点/链路状态通信给网络100内的其他节点108。
在一个配置中，带内通信可以以下面的方式发生。当如前所述在节点108a与108b之间建立连接时，可以通过发送调度器114和输出链路116将数据分组(未示出)从节点108a发送到节点108b。带内通信在带外传号线信道112所提供的通信之外。应当注意，可以通过传号线信道112维持与不属于网络100、但在传号线信道112的范围内的节点的通信。
应当注意，可以在网络操作期间，例如，作为背景处理，反复和连续地执行上述发现与配对处理。在本配置中，在每个节点108中可以不变地保持网络100的所有节点108的当前节点/链路状态。这样，当前拓扑信息和节点/链路状态信息对每个节点可用，从而每个节点108可以执行如这里所述的拓扑管理。每个节点108可以独立于其他节点执行相对于网络100的拓扑管理，因此可以以分布方式管理网络100。
作为每个节点的典型，图3中更详细地示出了节点108a。节点108a包括具有可以分层组织的多个控制模块204的节点/网络控制器200。节点108a包括可选的服务质量(QoS)模块212。模块212可以是例如与协议栈20的网络层40相关联的差异服务(DiffServ)组件，用于将输入分组按照QoS提供分类。还构想在网络100中可以使用用于提供(例如，基于综合服务(IntServ)模型提供)QoS的其他或另外模块。然而也构想其中一个或多个节点108可以不包括QoS模块212的配置。
发送调度器114(也称为传输调度器)如下面进一步所述的那样，与节点/网络控制器200通信。发送调度器114管理多个输出队列(未示出)，在输出队列中它调度用于从节点108a传送的分组。在进入分组包括例如如包含在分组头中的QoS分类的情形，发送调度器114可以基于QoS分类，选择恰当的输出队列。
在本配置中，节点/网络控制器200包括三个模块204。网络控制模块204a被配置成确定跨越网络100的分组路由，这将下面进一步描述。节点控制模块204b控制节点108a内的分组路由，并且与网络控制模块204a通信。切换平台控制模块204c控制到和来自节点108a的数据分组的切换，并且与节点控制模块204b通信。切换平台控制模块204c通过节点和网络控制模块204b和204a向网络100中的每个其他节点108提供状态信息。状态信息与例如节点108a的输出链路有关，例如链路116(图2中所示)。
术语“分层组织的”是指一个模块204怎样能相对于另一模块204以“自顶向下的”方式进行控制。更具体地说，例如，网络控制模块204a向节点控制模块204b提供控制和命令信息供模块204b执行。此外，节点控制模块204b向切换平台控制模块204c提供控制和命令信息供模块204c执行。“分层组织的”还可以指一个模块204怎样能将信息以“自底向上”的方式送到另一模块204。例如，在本配置中，切换平台控制模块204c向节点控制模块204b提供链路状态信息，并且节点控制模块204b向网络控制模块204a提供链路状态信息。
切换平台控制模块204c管理例如与协议栈20的物理层48接口的各种功能。具体地说，例如，切换平台控制模块204c管理与甚高速分组切换平台相关联的各种功能。对于输出分组，术语“甚高速”可以用于描述例如内容从节点存储器专门移动到节点108a的特定输出端口。对于输入分组，“甚高速”可以描述分组头对节点108a所生成的一个或多个散列表的匹配。
节点控制模块204b管理各种节点功能，其关联于甚高速切换平台，并且关联于用于在节点108a和其他节点108之间建立链路的终端，链路包括例如自由空间光(FSO)和/或射频(RF)链路。节点控制模块204b控制节点108a内的路由。这种路由可以是混合的(例如，从节点108a的FSO终端路由到RF终端)，并且可以基于诸如分组头中包括的链路状态、分组目的地和服务质量(QoS)要求之类的准则。
网络控制模块204a可以执行对于网络100的网络系统管理。具体地说，例如，模块204a可以跨越确定网络100的路由，并且可以基于例如节点/链路状态、拓扑和/或大气状况的变化来更新这样的路由。在一个配置中，集中式节点108或其他中央站点用于执行网络级路由，并且将例如诸如一个或多个路由表之类的路由分发给节点108。此外或者可替代地，每个节点108的控制模块204a可以独立地计算关于该节点108的路由表。在网络级由此确定的路由表可以被送到节点控制模块204b，后者将该路由表送到切换平台控制模块204c。
在一个配置中，支持服务质量(QoS)提供的网络在图4中用附图标记300总标示。网络300包括多个节点308。节点308与图3中所示的元件相同或相似的元件，与图3中所示的元件同样标号。
节点308a的输出链路304上提供的业务，可以包括从对等节点308b和308c到达节点308a、去往特定输出链路304的业务。链路304上提供的业务还可以包括源自节点308a的上层312(例如，如参照图1所讨论的那样，源自与应用层24相关联的应用)的业务。对于源自节点308a的上层312、并且通过链路304离开的业务的可用带宽容量，可以测量为例如输出链路304的带宽容量、与从对等节点308b和308c到达节点308a、去往特定输出链路304的业务之间的差。
输出链路304的带宽容量(例如，在链路304是FSO或RF链路的情况下)可能例如根据大气和/或拓扑状况而改变。因此，节点308a的节点/网络控制器200可以基于输出链路304的状态(例如基于输出链路304的信噪比(SNR)特性)，切换链路304的传输率，例如来确保以期望的误比特率(BER)通过链路304执行数据通信。此外或者可替代地，在充分不利的大气状况下，可以停止通过链路304的传输，例如，直到状况改善。
如前面参照图3所述，由节点308a的切换平台控制模块204c，将输出链路304的状态通信给节点308a的节点和网络控制模块204b和204a并且跨越网络300。因此，节点308c接收关于从节点308a输出的链路的信息。可以通过节点308c的控制模块204a、204b和204c将输出链路304的状态通信给节点308c的发送调度器114。节点308c的发送调度器114在调度传输(例如，在从节点308c输出到节点308a的链路316上)时，可以考虑上述动态输出链路特性。这种调度可以基于由节点308c的网络控制模块204a导出的传输准则。因此，例如，如果节点308a的节点/链路状态在不利的大气状况期间改变时，那么节点308c可以与节点308d配对来形成链路320，并且可以在链路320上调度之前可能已经通过链路316和304调度的传输。
在一个配置中，输出链路304的链路状态用于更新节点308a和308c之一或两者的QoS-提供组件212，以影响网络300中的QoS提供。在一个实现中，使用关于输出链路304的带宽的时间平均历史和瞬时改变，可以提示例如节点308c的网络控制模块204a确定是否需要如前面参照图2和3所述更新节点互连和/或网络路由。
从上面的描述中可以理解，可以如下描述管理具有多个节点的网络的方法的一个实现。一个节点将输出链路的状态通信到其他节点，并且其他节点中的一个或多个基于通信的状态调度传输。上述方法允许例如在恶劣天气状况和/或改变网络用途的情况下，“在空中”(on the fly)重新调度传输。节点发送调度器114因此可以使用与在另一节点的传输状况有关的、在网络控制级可用的信息来调度传输。此外或者可替代地，在使用DiffServ或其他提供能力支持QoS提供的配置中，可以基于这种信息更新这种提供。
上述管理装置和方法的实现可以提供“足够好”的解决方案，用于可以快速确定的路由和资源管理。实现这种途径的网络可以适用于变化资源状况，同时维持总体网络利用效率的可接受水平。上述装置和方法允许使用高度方向性的点到点链路(如FSO和/或RF链路)的节点创建或加入自组织基础设施，例如在动态自组织移动异类网络环境内。上述控制模块考虑了可以跨相似通信系统使用的可扩展和模块化设计。上述装置和方法提供可扩展的途径，以管理和控制动态自组织移动异类网络环境内的网络系统和每个网络节点。
尽管描述了各种优选实施例，但本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明构思的前提下进行修改或变型。示例说明本发明，而并非意图限制它。因此，说明书和权利要求书应当被自由地解释，只有在鉴于相关现有技术有必要时才有限制。

Claims (5)

1.一种管理具有多个节点的网络的方法，该方法包括：
第一节点向至少一个接收节点通信输出链路的状态；以及
接收节点与第二节点配对以形成到第二节点的链路，并且经由所形成的链路调度向第二节点的传输，其中接收节点经由第一链路接收所通信的状态，所述形成的链路不同于所述第一链路，其中所述配对作为在所述网络的操作期间的背景处理的一部分反复地执行，所述背景处理包括：所述接收节点在传号线信道上宣布其存在，并且请求所有其他节点通过所述传号线信道向它发送这些所有其他节点的节点/链路状态信息，当所述接收节点从响应节点接收到这样的节点/链路状态信息时，就由此发现响应节点，以及所述接收节点发送和所述第二节点配对的请求，与所述第二节点配对，其中所述接收节点基于一个或多个准则配置配对列表，所述第二节点来自所述配对列表；
其中上述所有链路包括自由空间光和射频链路，其中上述所有链路的传输率基于其状态切换；
其中调度传输包括：对于所通信的状态，更新调度节点的传输调度器、服务质量QoS模块和切换平台的至少一个。
2.如权利要求1所述的方法，其中每个节点管理所述网络的拓扑，并且管理所述拓扑包括以下至少一个：发现另一节点、与另一节点配对和维持另一节点的链路状态。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述传号线信道被用于互连至少两个节点。
4.如权利要求1所述的方法，还包括：
确定网络路由表；以及
使该表对于节点之一的控制分层的切换平台级可用。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述确定和使之可用是由至少一个节点执行的。
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