CN101043382A - 一种从根本上保证NGN端到端QoS的方法 - Google Patents

Abstract

一种从根本上保证NGN端到端QoS的方法，在数据链路层的数据包头，插入“流媒体标签”来区分普通数据业务与流媒体业务(音频、视频)，对两类业务分别采用独立的控制机制来保证各业务需要的QoS。对普通数据业务，采用分组网络成熟的路由与交换机制；对流媒体业务，采用PSTN网络的信令模式控制路由呼叫过程与建立面向连接的业务通道。流媒体的承载，采用软中继/软时隙机制，类似数字时分网络的中继/时隙概念；流媒体信令控制部分，各节点(或端点)间占用固定带宽的软时隙永久性连接；流媒体业务应用，由流媒体信令动态分配适应业务需求带宽的端到端软时隙连接；各节点数据发送端，优先发送软时隙连接的流媒体业务包，保证业务连接的端到端服务质量(QoS)。

Description

一种从根本上保证NGN端到端QoS的方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及下一代通信网络(NGN)、以及下一代互连网络(NGI)的服务质量(QoS)保证技术。

背景技术

通信技术在传统上是根据业务需要独立构建形成网络，主要分为语音网络、视频网络和数据网络。随着通信技术的发展，上世纪80年代开始，通信业界便期望通过一种网络来综合承载语音、视频与数据业务，即三网合一。先是基于对普通公众电话网络(PSTN)的升级改造来提供多业务支持，而推出综合业务数据网(ISDN)，但ISDN技术并没能获得广泛应用来实现三网合一。随着互连网络(Internet)的兴起与发展，TCP/IP技术获得广泛应用与发展；基于IP技术的NGN技术在逐渐发展完善，全面支持语音、视频和数据业务的综合应用。

但不同的业务对服务质量(QoS)是有不同要求的，IP技术采用的是尽力而为(BestEffort)机制，在传输流媒体(语音与视频)业务时间，难以保证相应的低时延、抖动小等技术要求。目前的一些解决流媒体传输的QoS技术主要有综合服务(int-serv)，区分服务(diff-serv)，资源预留协议(RSVP)，多协议标签交换(MPLS)等。int-serv与RSVP对系统设备开销要求比较大，可扩展性较差，仅适用于小规模网络网络应用；diff-serv适合大规模网络，但质量保证程度较差；MPLS主要适合应用于核心网络，不能保证端到端的服务质量(QoS)。

目前，NGN技术已经有所应用，但仍没有普遍与大业务量的广泛实用；基于公用互连网的应用，其QoS是没有实质保证的；电信运营商的应用主要是，在专网内提供充分的带宽与限制业务量来提供QoS。目前，QoS无充分保证的问题是NGN技术需要解决的关键问题，是阻碍NGN技术走向广泛应用的瓶颈所在。新技术的应用是不能以牺牲服务质量(QoS)为代价的，从根本上提供QoS保证，将是NGN技术广泛实用化的基础。

发明内容

为了从根本上解决NGN难以保证多媒体业务端到端QoS的难题，本发明提出一种将PSTN的控制技术与Internet的分组数据技术融合在一起的机制，对数据业务部分仍采Internet的交换与路由技术，对流媒体(音频、视频)业务引入PSTN的面向连接思想进行路由与交换处理；这样，各种业务统一使用分组传输技术而适应各种业务带宽需求，又通过PSTN的完善控制技术充分保证流媒体业务的服务质量(QoS)。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对不同业务采用分别控制与统一传输的机制，数据链路层的数据包中插入流媒体与普通数据包的区别标签，对普通数据包仍按原来分组技术机制处理，对流媒体数据包使用面向连接的方式处理。对接收到的数据链路层数据包，判断区别标签，对普通数据包和流媒体数据包分别处理；发送数据时间，优先发送流媒体数据包来保证流媒体的QoS。

对流媒体进行面向连接的交换与处理，采用类似PSTN网络的“信令信道”与“业务信道”的处理方式；这里对流媒体再进一步分为，“流媒体信令”与“流媒体业务”，通过“流媒体信令”来建立与释放“流媒体业务”的连接。

这里把流媒体与普通数据的区别标签，称作“流媒体标签(SMT：Streaming Media Tag)”，由其来区别“普通数据”与“流媒体”，以及“流媒体信令”与“流媒体业务”，可以大致定义为：

流媒体标签(SMT)：＝[Length(1 BYTE)][Tag(0~n BYTE)]

Length占用一个字节，指示Tag部分的字节数量：

当Length＝0时，代表是普通数据包，后边没有Tag；

当Length＞0时，代表是流媒体包，指示Tag占用的字节数量；

Tag指示该包所属的具体连接：

Tag＜＝20时间，可以定义为信令部分，该包为“流媒体信令”；

Tag＞20时间，指示该包具体所属的业务连接，该包为“流媒体业务”。

目前的数据链路层数据包格式：

[链路层头部][链路层数据]

插入“流媒体标签”后为：

[链路层头部]『流媒体标签』[链路层数据]

这样，各种业务共享线路带宽，而通过对不同业务类型的不同控制处理来保证各种业务的QoS。

“流媒体信令”占用固定的带宽，可以根据线路的带宽分配一个值，比如10M线路是64K，100M线路是300K，1000M的是1M，等等；每个“流媒体业务”的带宽由呼叫建立时间分配，并在工作时间统计计算，超出分配的带宽部分将被丢弃；流媒体业务可以占用的总带宽可以根据线路带宽设置一个上限，比如线路总带宽的90％等。

流媒体信令部分的处理，可以采用BISUP/SS7/Q.2931/Q.931/H.323/SIP等信令协议；流媒体业务部分，可以是RTP/IP/RawData等数据结构方式。

呼叫阶段，通过“流媒体信令”逐段分配业务需求带宽的“流媒体标签”，并在各节点建立“流媒体交换表”；在呼叫建立完毕后，流媒体业务包在数据链路层通过查“流媒体交换表”，直接交换转发。“流媒体交换表”，可以按线路端口，每个端口建立一个交换表；这样从端口接收到流媒体业务包后，查表就得到需要转发的端口以及相应的输出“流媒体标签”。

接收端对收到的流媒体业务带宽进行统计，如果超出分配带宽一定限度就不交换转发而丢弃；如此可以保证网络的性能，更可以避免一些恶意的网络攻击。可以在网络的边缘启用该功能保证安全，而在网络内部的一些设备上关闭该功能以减轻系统处理负担。

发送端口按优先级别选择发送队列：

流媒体发送队列：最高优先级

普通数据发送队列：低优先级

结合前面的流媒体呼叫分配机制，可以充分保证流媒体业务的QoS。在呼叫建立分配“流媒体标签”与带宽阶段，控制流媒体业务占用的总带宽不超过线路带宽的一定比例，这样既保证流媒体业务的QoS，也为普通数据通信留有余地。这样，对流媒体(语音、视频)业务来讲，要么是呼叫失败，要么是稳定的PSTN质量的QoS保证；对普通数据传送来讲，仍是传统的尽力而为(BestEffort)的Internet服务质量。当然，通过流媒体同样可以承载普通的数据业务，可以是语音、视频与数据的综合业务，只是需要呼叫阶段申请相应的带宽。

这种流媒体与数据分别控制和统一传送的机制，可以完全解决NGN的各种业务的QoS要求；但在具体实现上，如果流媒体标签(SMT)的标签值采用一个单整数，每个具体业务连接对应一个流媒体标签(SMT)，那么对大容量的交换设备来讲，将可能需要处理巨大的“流媒体交换表”，对内存占用和处理速度都会有影响。为此，借鉴TDM系统的“中继”与“时隙”的概念，以及ATM系统的“虚通道(VP)”与“虚信道(VC)”的概念，在“流媒体标签(SMT)”中细化出“软中继标签”与“软时隙标签”。“软中继”概念，类似“虚通道(VP)”；“软时隙”概念，类似“虚信道(VC)”。软时隙对应一个具体业务连接，软中继对应一组业务连接集合。

流媒体标签(SMT)：＝[软中继标签长度(4BIT)|软时隙标签长度(4BIT)][软中继标签(0~n BYTE)][软时隙标签(0~n BYTE)]

	4 BIT	4BIT	0~N BYTE	0~N BYTE
					流媒体标签	软中继标签字节长度	软时隙标签字节长度	软中继标签	软时隙标签

“软中继标签″字节长度：4BIT，指示“软中继标签”的字节数量；

“软时隙标签”字节长度：4BIT，指示“软时隙标签”的字节数量；

当“软中继标签字节长度”+“软时隙标签字节长度”＝0时，代表是普通数据包，后边没有“软中继标签”与“软时隙标签”；

当“软中继标签字节长度”+“软时隙标签字节长度”＞0时，代表是流媒体数据包，后边有“软时隙隙签”，或“软中继标签”和“软时隙标签”；

“软中继标签”：指示该包所属的“软中继”，对流媒体，该部分亦可以没有；

“软时隙标签”：指示该包所属的具体连接，对流媒体，该部分必须要有；

“软时隙标签”＜＝20时间，可以定义为信令部分，该包为“流媒体信令”；

“软时隙标签”＞20时间，指示该包具体属于的连接，该包为“流媒体业务”。

这样可以采用类似ATM系统中的机制，在网络中建立半永久性的软中继连接或动态的软中继连接；只有在软中继连接的两个端点，才需要对软时隙标签部分进行交换与处理；而在软中继连接的交换节点，只需要按“软中继标签”进行处理与交换即可。如此，可以减少流媒体交换表的内存占用，又可以减轻处理器的查表负担。流媒体交换表大致可以定义示例如下：

<端口2流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	-/200	3	-/300	-	64K	64K
2	-/201	3	-/301	20	8K	8K
							…	…	…	…	…	…	…
20	-201	5	-/400	-	32K	32K
							21	1/-	3	4/-	-	1M	1M
22	2/1	4	-300	-	64K	64K
							…	…	…	…	…	…	…

每个端口一个流媒体交换表，其内容由“流媒体信令”模块来增加或删除。收到“流媒体业务”包之后，查询相应的“流媒体交换表”即可立即交换转发数据包。比如从端口2接收到一个“流媒体标签”为软中继标签空、软时隙标签等于200的流媒体业务包；查表后把软时隙标签改为300，立即从端口3交换转发。表中有一个关联号是可以实现多播、广播业务，以及VPN业务，比如从端口2接收到一个软中继标签为空、软时隙标签为201的业务包，查表后把软时隙标签改为301，立即从端口3交换转发；关联号为20，再查看序号20的项，把软时隙标签改为400，立即从端口5交换转发。

上表中的序号21项，是一个软中继交换。从端口2收到软中继标签为1的流媒体包，查表后把软中继标签改为4、不改变软时隙标签，立即从端口3交换转发。对软中继交换部分的统计带宽，是按整个软中继一起统计的。

采用“流媒体标签”技术，需要路由器(Router)，交换机(Switch)，终端、业务平台等设备做相应技术改进。路由器(Router)与交换机(Switch)，需要在数据链路层支持“流媒体标签”，实现流媒体交换，以及优先发送流媒体包；在网络层，增加“流媒体信令”的呼叫控制处理模块。终端与业务平台需要在数据链路层支持“流媒体标签”，实现优先发送流媒体；在网络层，增加“流媒体信令”的呼叫控制处理模块。

新技术的应用，可以从PSTN向NGN升级阶段开始采用，由支持“流媒体标签”的设备组成一定规模的网络，再通过网关与普通TCP/IP网络互连。支持“流媒体标签”的路由器或交换机，可以关闭其某端口的“流媒体标签”功能，即可以直接连接普通数据网络，按普通数据业务通信。

本发明的有益效果是，从根本上全面解决NGN的QoS不稳定问题，并且可以增强网络的安全性防止恶意攻击，以及方便记费处理与电信网络管理等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是路由器、交换机、终端或业务平台采用本发明的逻辑结构框图。

图2是采用本发明的一个简单组网示意图。

图中，1.接收端口，2.流媒体标签判断，3.信令与业务判断，4.流媒体信令处理模块，5.流媒体处理部分，6.业务应用部分，7.流媒体交换表，8.流媒体业务交换模块，9.数据处理部分，10.数据三层处理部分，11.数据二层处理部分，12.发送控制部分，13.流媒体发送队列，14.数据包发送队列，15.发送端口，21.终端A，22.终端B，23.终端C，24.终端D，25.交换机A，26.交换机B，27.交换机C，28.交换机D，29.路由器。

具体实施方式

图1所示的实例，是路由器(Router)、交换机(Switch)、以及终端或业务平台采用本发明的逻辑结构框图。基本工作过程是，从数据接收端口(1)收到数据包，判断如果是普通数据包，送数据处理部分(9)；采用原来的分组机制进行处理，需要交换转发的送数据包发送队列(14)。

从数据接收端口(1)收到数据包，判断如果是流媒体，再判断如果是流媒体信令包，送流媒体信令处理模块(4)。对“流媒体信令”的分析处理，来建立或删除“流媒体业务”的连接；修改“流媒体交换表”(7)，增加或删除一个表项来建立或删除一个业务连接。对需要转发的流媒体信令包，以及应答或发起的流媒体信令包，送流媒体发送队列(13)。

从数据接收端口(1)收到数据包，判断如果是流媒体，再判断如果是流媒体业务包，送流媒体业务交换模块(8)。查询流媒体交换表(7)，得到要转发的端口与对应的“流媒体标签”，修改“流媒体标签”，送相应端口的流媒体发送队列(13)。

终端或业务平台系统，应用层的业务应用部分(6)可以综合应用普通数据业务与流媒体业务。

流媒体业务交换与处理模块(8)处于数据链路层，只需查看数据包头的“流媒体标签”，由流媒体业务交换表就可知道要转发的端口；因此，流媒体业务可以快速地按线速交换转发，远比目前的RTP/UDP方式携带流媒体的交换转发速度要快。

图2所示的实例，是采用本发明组建一个简单NGN网络的一个示意图，网络由一个路由器、四个交换机、四个终端组成。假设根据网络业务情况，通过网络管理界面启动“流媒体信令”，在交换机C(27)与交换机D(28)之间建立一个带宽10M的双向软中继连接：

交换机C(27)-->交换机D(28)：

交换机C[端口2]-(软中继3)->[端口2]路由器A[端口4]-(软中继4)->[端口2]交换机D

<路由器A的端口2流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	3/-	4	4/-	-	10M

交换机D(28)-->交换机C(27)：

交换机D[端口2]-(软中继2)->[端口4]路由器A[端口2]-(软中继1)->[端口2]交换机C

<路由器A的端口4流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	4/-	2	3/-	-	10M

当终端B(22)呼叫终端C(23)时间，流媒体信令路径为：

终端B<->交换机D<->路由器A<->交换机C<->终端C

交换机D与交换机C之间已经存在双向的软中继连接，流媒体信令部分也直接通过软中继传送，不会进入路由器A的流媒体信令处理模块。通过流媒体信令交互逐段建立终端B与终端C之间的双向流媒体业务连接：

终端B(22)-->终端C(23)：

终端B[端口1]-(软时隙3)->[端口4]交换机D[端口2]-(软中继2)->[端口4]路由器A[端口2]-(软中继1)->[端口2]交换机C[端口3]-(软时隙1)->[端口1]终端C

<交换机D的端口4流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	-/3	2	2/2	-	64K

<路由器A的端口4流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	2/-	2	1/-	-	10M

<交换机C的端口2流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	1/2	3	-/1	-	64K

终端C(23)-->终端B(22)：

终端C[端口1]-(软时隙2)->[端口3]交换机C[端口2]-(软中继3)->[端口2]路由器A[端口4]-(软中继4)->[端口2]交换机D[端口4]-(软时隙2)->[端口1]终端B

<交换机C的端口3流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	-/2	2	3/3	-	64K

<路由器A的端口2流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	3/-	4	4/-	-	10M

<交换机D的端口2流媒体交换表>

序号	收端流媒体标签(软中继/软时隙)	发送端口	发送流媒体标签(软中继/软时隙)	关联序号	分配带宽	统计带宽
							1	4/3	4	-/2	-	64K

当终端A(21)呼叫终端D(24)时间，流媒体信令路径为：

终端A<->交换机A<->路由器A<->交换机B<->终端D

路径之间没有已经建立的软中继存在，呼叫期间可以根据业务量的情况动态建立软中继连接。没有建立软中继连接时，流媒体信令经过各节点的流媒体信令处理模块，建立终端A与终端D之间的双向流媒体业务连接：

终端A(21)-->终端D(24)：

终端A[端口1]-(软时隙2)->[端口1]交换机A[端口2]-(软时隙3)->[端口5]路由器A[端口3]-(软时隙2)->[端口1]交换机B[端口4]-(软时隙2)->[端口1]终端D

终端D(24)-->终端A(21)：

终端D[端口1]-(软时隙3)->[端口4]交换机B[端口1]-(软时隙2)->[端口3]路由器A[端口5]-(软时隙3)->[端口2]交换机A[端口1]-(软时隙2)->[端口1]终端A

流媒体业务连接对应的各节点流媒体交换表，与终端B(22)-终端C(23)连接间的流媒体交换表类似。

虽然已经说明了本发明的特定实施示例，但本领域技术人员可以依据本发明的构思作出更多的具体设计。

Claims (6)

1.一种从根本上保证NGN端到端QoS的方法，其特征在于，在分组网络设备中融入PSTN的面向连接思想，由呼叫信令控制流媒体业务，建立端到端面向连接的交换转发机制；实现流媒体业务和数据业务的分别控制与统一传输，充分保证NGN多业务端到端服务质量(QoS)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在NGN数据链路层数据包的包头中插入“流媒体标签”来区分普通数据业务与流媒体业务，以及识别流媒体所属的业务连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对流媒体业务的承载，采用软中继/软时隙技术，提供适应业务需求的带宽分配，并保证服务质量(QoS)。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，流媒体信令占用固定带宽的永久性软时隙连接，流媒体业务由流媒体信令根据业务带宽需求动态分配端到端软时隙连接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，流媒体业务的流媒体交换机制，位于数据链路层，保证交换转发的快速处理。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据链路层数据发送部分，流媒体发送占据最高优先级别，保证流媒体业务的服务质量(QoS)。

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