CN101527724B - 用于在高速互联网协议网络中传送数据的数据传输容器 - Google Patents

用于在高速互联网协议网络中传送数据的数据传输容器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在互联网协议网络中传送n种不同类型的数据的数据传输容器。数字n大于或等于2，数据被产生为以太网巨型分组，其中，该数据传输容器是互联网协议分组。本发明还涉及分别用于传送和接收这样的数据传输容器的一种源设备和一种目的地设备。本发明至少涉及一种用于传送被产生为千兆比特以太网RTP-UDP-IP巨型分组的n种不同类型的数据。两种设备均用在如上所述的方法中。

Description

用于在高速互联网协议网络中传送数据的数据传输容器
技术领域
本发明涉及一种用于在互联网协议(IP)网络中传送数据的数据传输容器。该数据传输容器特别关注将至少两种不同类型的数据作为千兆比特以太网RTP-UDP-IP巨型分组而同时传送，例如，两种类型的数据由单个源产生，在订户站的网络中发送该数据。此外，本发明还涉及分别用于传送和接收这样的数据传输容器的一种源设备和一种目的地设备。本发明至少涉及一种用于传送被产生为千兆比特以太网RTP-UDP-IP巨型分组的不同类型的数据的方法。如上所述，两种设备需要用在一种方法中。
背景技术
本部分意在向读者介绍现有技术的各个方面，也可能涉及以下说明和/或要求保护的本发明的各个方面。相信该讨论有助于向读者提供背景信息以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解的是，就此阅读这些陈述，并不能作为对现有技术的认可。
作为网络演进的新阶段，千兆比特以太网(GigE)已迅速得以凸显并得到接收。相对低成本、高速、且能与当今实际标准100Mbps快速以太网共同使用正是一些GigE的希望所在。对于许多网络策划者而言，他们采用GigE确实只是时间问题。
尽管千兆比特以太网能够与10/100Mbps共同使用，但是存在一些值得仔细考虑的重要区别。最重要的区别之一是缺少任何标准的最大传输单元或MTU。10和100Mbps网络的1500字节标准MTU已经被完全没有标准所取代。千兆比特以太网上的分组可以是网络运营商所支持的任意大小，从1500字节变化到16000字节。运营商受到通常将最大所支持的帧大小限制在大约9000字节的组件制造商的约束。
尽管所谓的巨型分组的好处是明显的(与使用更小的1500字节分组相比，巨型分组能够使在当今网络上的可访问带宽增至两倍以上)，但是存在一些潜在危险。由于缺乏标准的MTU值，MTU冲突可能防碍100Mbps至千兆比特的过渡。例如，MTU冲突的各种形式(诸如黑洞)可以破坏网络性能。
通过向终端主机发送特大分组并从中间接口接收回消息，发送主机可以发现通向具体终端主机的路径MTU，并相应地调整其流量模式。如果不进行适当配置，或者如果消息在层3接口被随意地阻止，必要的消息将不能找到其通向源接口的路径。这些设备被称作黑洞。
典型地，已经将术语“巨型”应用到作为大于10/100Mbps的以太网标准(在层3(分组和MTU)处，标准大小为1500字节)的任何网络单元(帧、分组、MTU)。巨型分组是100Mbps和GigE之间的明显区别之一。然而，同样存在的不明显的问题在于，千兆比特以太网标准不具有默认的最大传输单元(MTU)。MTU是层3的参数，其控制在网络上所允许的最大分组大小。对于10和100Mbps以太网来说，标准(RFC 894、895)将最大MTU清楚地设置为1500字节，并且几乎所有以太网接口卡都默认该标准。
但是，在当前实现方式中，GigE数据传送性能很大程度上取决于MTU：最新研究表明，巨型分组允许大多数主机以远高于更小的1500字节分组的传送速率来发送数据。在该环境中，不需要将由不同源产生的巨型分组复用成RTP分组。
在现有技术中，众所周知可将多个分组压缩成单个RTP分组以减小报头开销，或将多用户数据封装成单个RTP分组以在单个RTP会话中发送多用户数据。但是，这些现有的RTP复用方法全部基于标准的分组RTP应用。当采用以太网巨型分组传送不同类型的数据(如视频数据、音频数据、或元数据)时，不能使用上述方法。
在最近的应用中，例如，HiPerNet摄像机可以产生包括不同类型的数据的各种输出流，这些不同类型的数据例如为：DPX封装视频，保持与视频内容的时间关系的AIFF音频信号，也被呈现为AIFF音频且与视频内容时间无关的内部通信音频、以及至少元数据。所有这些输出流都被产生为以太网IP-UDP-RTP巨型分组。
本发明的目的之一是在高速IP网络上同时发送被产生为以太网IP-UDP-RTP巨型分组的这些属于不同类型的数据。
以下将提出在范围上与所公开的实施例相对应的具体方面。应当理解的是，所提出的这些方面仅向读者提供了本发明可能采用的特定形式的简要内容，并且这些方面并不意在限制本发明的范围。当然，本发明可以包括以下可能没有提出的各种方面。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在高速IP网络上同时发送被产生为巨型分组的不同类型的数据。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于在高速互联网协议网络中传送n种不同类型的数据的数据传输容器。数字n大于或等于2。数据被产生为以太网巨型分组，其中，该数据传输容器是互联网协议分组。根据本发明，数据传输包括一连串互联网协议复用逻辑块，每个逻辑块包括与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组的组合，并且每个互联网协议物理分组根据其所包括的数据类型来聚集预定义数目的以太网巨型分组。
根据第二方面，本发明涉及一种用于在高速互联网协议网络中发送根据本发明的数据传输容器的源设备S_DEV。该数据传输容器包括n种不同类型的数据。数字n大于或等于2。每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组。根据本发明，该源设备S_DEV包括：
-用于将包括单一类型的数据的预定义数目的以太网巨型分组聚集成相应类型的互联网协议物理分组的装置；
-用于将与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组一起组合成互联网协议复用逻辑块的装置；
-用于在网络上发送包括该互联网协议复用逻辑块的流的装置。
根据第三方面，本发明涉及一种用于接收根据本发明的数据传输容器的目的地设备D_DEV。该数据传输容器包括n种不同类型的数据。数字n大于或等于2。每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组。根据本发明，该目的地设备D_DEV包括：
-用于接收该流的装置；
-用于对接收到的流进行滤波以恢复与每种类型的数据相对应的以太网巨型分组的装置。
根据第四方面，本发明涉及一种用于在高速互联网协议网络中传送n种不同类型的数据的方法。数字n大于或等于2，每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组。根据本发明，该方法包括以下步骤：
-将包括单一类型的数据的预定义数目的以太网巨型分组聚集成相应类型的互联网协议物理分组；
-将与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组一起组合成互联网协议复用逻辑块；
-在网络上发送包括该互联网协议复用逻辑块的流；
-接收该流；
-对接收到的流进行滤波以恢复与每种类型的数据相对应的以太网巨型分组。
附图说明
以下以文字形式对本发明的实施例进行说明，并用附图示出这些实施例，在附图中：
图1是根据本发明的、用于处理在高速IP网络上不同类型的数据的组合传输的方法的总览；
图2是专业摄像机所产生的不同类型的数据；
图3是IP复用逻辑块结构的示例；
图4是以太网IP-UDP-RTP分组的封装的示例；
图5是基于以太网封装的IP的示例；
图6是IP报头；
图7是UDP报头；
图8是基于RTP封装的DPX；
图9是视频分组唯一流的DPX格式结构；
图10是具有DPX报头有效载荷的以太网巨型分组；
图11是具有DPX视频行有效载荷的以太网巨型分组；
图12是AIFF文件结构；
图13是基于RTP封装的AIFF文件；
图14是AIFF组块的具体RTP封装；
图15是具有AIFF组块有效载荷的以太网分组；
图16是数据传输容器中的复用布局。
具体实施方式
专业应用的摄像机产生以下输出流作为以太网IP-UDP-RTP巨型分组：
-DPX封装视频；
-AIFF音频，其保持与视频内容的时间关系；
-内部通信音频，其也被呈现为AIFF音频，其中，与音频内容在时间上无关。
-由视频摄像机产生的元数据分组(如果适用)。
元数据流可以包括由摄像机产生的元数据或任一外部元数据(这样的元数据是由任一网络服务器产生的)。这些内容可以与摄像机流内容有关并且可以用于后置编辑。
需要向远距离设备以组合的方式高速发送所有这些数据。实现这种需要的解决方案是在高速IP网络上发送这些数据。图1示出了根据本发明的一种用于在高速互联网协议网络中传送n种不同类型的数据的方法。
在发送器一侧，源设备S_DEV将由摄像机产生的所有不同流组合成分组，并使用单个物理IP传输链路发送所有分组。如图2所示，在IP分组层仅对信道进行复用。这意味着不改变由不同介质产生的所有原始IP-UDP-RTP分组。
在接收器一侧，目的地设备D_DEV对IP分组进行滤波，并将这些IP分组转换至相关的独立的处理或存储设备。将IP传输流视作传输管道，管道中的物理数据流是一维的。如下过程被称作“IP复用”：将多于一个程序的传输流分组交织成单个统一比特流，同时保持其中所包括的每个程序的时间同步。
IP复用的过程看起来正如在物理一维管道中创建虚拟的多个子管道。在以下部分中，给出了利用巨型分组在单个物理管道中实现这样的虚拟子管道的可能解决方案。
物理上，在物理管道中仅存在一个传输流管道链路且不存在子管道。必须通过在一维传输流管道中进行子流复用来实现虚拟的子管道。为了实现这样的复用，如图3所示，传输流由复用逻辑块的序列组成。每个块的意义是当前物理管道中全部虚拟子管道的最小流单元。
在图3中，每个IP复用逻辑块都包括IP物理分组，该IP物理分组是视频、音频、内部通信和其他数据的复用传输分组。在这里提出的示例中，视频、音频和内部通信流是实时传输分组，从而在复用逻辑块中为它们保留了固定比特。在复用逻辑块中应当将另外的比特排成一行，用于非实时分组，如摄像机产生的元数据分组以及外部分组。根据本发明的数据传输容器用于在高速互联网协议网络中传送n种不同类型的数据。
有利地，n等于2，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系。
有利地，n等于3，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号。
有利地，n等于4，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号，第四类型的数据是元数据。
作为示例，首先提出了对DPX格式的具体RTP封装的说明。然后，提出了对AIFF格式的具体RTP封装的说明，接下来是对复用步骤的说明。
视频分组封装
图3还示出了复用块的数据结构。复用逻辑块由视频部分、音频部分、内部通信部分和元数据部分组成。每个源部分包括：一个或一组IP分组，其应当是源流的最小复用单元(MMU)。MMU是一个或一组IP分组，其为每个源分组的最小可传输单元并且必须被一起发送。MMU的结构应当满足当前应用的缓冲器约束。以下将对每个源流的MMU的数据结构进行讨论。
图4示出了分组数据结构。对于被视为示例的应用，数据将是DPX数据、AIFF数据。
图5、6和7示出了以太网、IP和UDP格式的相关报头和封装数据结构。如这些数据结构所示，以太网报头由14个字节组成，以太网报尾是4个字节，标准IP报头是20个字节，UDP报头是8个字节。
图8示出了DPX格式的具体RTP封装。在这种情况下，DPX有效载荷报头(12字节)跟在标准RTP报头(12字节)之后。RTP分组包括具有相同时间戳的DPX帧。每个RTP仅允许有一个DPX帧的数据。
如SMPTE 268M-2003中所规定，每个DPX文件包括四个部分。前三个部分是报头信息，第四部分包括视频数据。在该通常说明中，第三部分包括用户定义的数据，并为定制的元数据信息提供扩展区。在被视为示例的应用中将不使用该第三部分。在该应用中提出不将视频信息与所有元数据组合在一个DPX分组中，而是创建两个单独的流。一个流由仅具有通用报头信息和视频信息的DPX分组组成，并且将在另一仅有元数据的流中加载元数据。
考虑如下情况：典型视频帧是1920×1080像素，且通过36个比特对每个像素进行编码。这样一来，视频帧权重为：1920×1080×36比特或74649600比特，或以兆字节表示为9.3312兆字节。仅包括视频数据的DPX视频流由DPX报头组成，如图9所示，该DPX报头包括：作为报头信息的两个部分、空的第三部分、以及包括视频帧的第四部分，图9中第三部分未示出。
考虑上述报头结构，当以太网巨型分组(MTU：9018字节)用于传送DPX视频时，可以导出图10所示的DPX视频的封装数据结构。
当使用以太网巨型分组来传送IP-UDP-RTP-DXP分组时，最大可用DPX有效载荷数据为8948个字节。对于传送视频DPX分组(图11)，必须将原始DPX分组(9.3312兆字节)划分成一连串缩减的以太网巨型分组(9018字节)。为了方便滤波，利用如图11所示的一个单独的巨型分组来传送图9所示的DPX报头数据。DPX报头巨型分组的总大小为2118个字节。
选择将视频帧的每个视频行分组为单个巨型分组。每个视频行是1920×36个比特或8640个字节。如图12所示，在1080个分组中加载全部视频帧。DPX视频行巨型分组的总大小为8710个字节。根据上述讨论，DPX视频帧将被作为1081个以太网巨型分组而传送。第一个发送的分组包括DPX报头有效载荷(2118字节)，另外1080个发送的分组是DPX视频行有效载荷(每个为8710字节)。
有利地，在与第一类型的数据相对应的聚集巨型分组当中，一个巨型分组包括DPX报头。
音频分组封装
在将采样音频信道封装在RTP中之前，音频互换文件格式(AIFF)标准用于存储采样音频信道。AIFF文件包括如图13所示的不同类型组块。预定义了报头内容、公共组块大小和音频记录组块。声音数据组块的大小取决于所传送的分组的大小。
在图13所示的示例中，三个比特用于对一个信道音频采样进行编码，且应用了六个音频信道，因此采样帧大小为18个字节。音频是48kHz，视频速率是每秒24帧。在一个视频帧期间，将产生2000个音频采样帧。如果将这些音频采样帧划分成具有相等大小的5个分组，则每个分组包括400个采样帧。由于在一个视频帧期间的总音频采样帧是36千字节，因此每个分组中的音频有效载荷等于7.2千字节。根据图13所示的AIFF形式，声音数据组块将是7216个字节，总AIFF形式将是7286个字节。
图14示出了AIFF组块的具体RTP封装。在这种情况下，AIFF有效载荷报头(8字节)跟在标准RTP报头(12字节)之后。AIFF组块必须以新RTP分组开始。可以利用巨型以太网分组(MTU 9018字节)对上述AIFF形式进行封装。图15示出了以太网IP-UDP-RTP-AIFF分组结构。总分组大小为7352个字节。
复用
如下所述将对视频分组和音频分组进行复用：对DPX文件进行分割并将其嵌入到以太网IP-UDP-RTP分组中。将DPX报头(排除用户预定义数据的部分)作为一个单独的巨型分组来发送。此后，产生一组1080个巨型分组，每个巨型分组包括视频帧的一个视频行。这1081个巨型分组构成DPX视频流的最小复用单元。音频和内部通信源流的最小复用单元由具有AIFF形式有效载荷的5个以太网巨型分组组成。对于元数据和外部数据，最小复用单元由单个以太网巨型IP分组组成。
图16示出了传输流中复用逻辑块的详细结构。
复用块中的第一部分是元数据部分：其为巨型IP元数据分组。其最大大小为9KB。元数据部分的有效载荷可以是任何内部和外部产生的元数据。如果在单个巨型分组中完全加载大的元数据，则可以将该元数据分割并加载入下一复用块的元数据分组。在复用块中，元数据分组是可选的。如果没有提出元数据，则省略元数据分组。
复用块中的第二和第三部分是内部通信和音频部分。内部通信部分由5个内部通信分组构成，音频部分由5个音频分组构成。内部通信和音频分组都是巨型以太网IP分组。它们是具有AIFF有效载荷的7352个字节。内部通信分组是可选的，而音频分组是强制的。
在第四部分(视频部分)中，传送1081个巨型视频分组。复用块的平均大小是9.485兆字节。
此外，图16示出了根据本发明的数据传输容器的最终IP复用布局。在该数据传输容器中，将被呈现为IP分组的源流或分组复用成以太网IP传输流。IP传输流由一连串复用逻辑块组成，该一连串复用逻辑块是一组源分组视频最小复用单元(MMU)、音频MMU、内部通信MMU和元数据/外部数据MMU的最小传输单元的聚集。每个源信号MMU都是源流的最小可传输和可收回分组。根据其源信号格式需求来设计每个MMU。
可以独立地或以任一适当组合提供说明书、权利要求和附图中公开的参考。在适当处可以以硬件、软件或二者的组合来实现特征。这里参考的“一个实施例”或“实施例”是指结合该实施例说明的具体特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实现方式中。说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”未必全部指相同的实施例，单独或备选的实施例也未必与其他实施例互斥。
权利要求中出现的附图标记仅作为示例，并不限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于在高速互联网协议网络中发送数据传输容器的源设备(10)，所述数据传输容器包括n种不同类型的数据，数字n大于或等于2，每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组，所述源设备(10)的特征在于包括：
-用于将包括单一类型的数据的预定义数目的以太网巨型分组聚集成相应类型的互联网协议物理分组的装置；
-用于将与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组一起组合成互联网协议复用逻辑块的装置；以及
-用于在网络上发送包括所述互联网协议复用逻辑块的流的装置，
其中，所述数据传输容器是互联网协议分组，所述数据传输容器的特征在于包括一连串互联网协议复用逻辑块，每个逻辑块都包括与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组的组合，并且每个互联网协议物理分组根据其所包括的数据类型来聚集预定义数目的以太网巨型分组。
2.根据权利要求1所述的源设备，其中，n等于2，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系。
3.根据权利要求1所述的源设备，其中，n等于3，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号。
4.根据权利要求1所述的源设备，其中，n等于4，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号，第四类型的数据是元数据。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的源设备，其中，在与第一类型的数据相对应的聚集巨型分组当中，一个巨型分组包括DPX报头。
6.一种用于接收数据传输容器的目的地设备(100)，所述数据传输容器包括n种不同类型的数据，数字n大于或等于2，每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组，所述目的地设备(100)的特征在于包括：
-用于接收包括所述互联网协议复用逻辑块的流的装置；以及
-用于对接收到的流进行滤波以恢复与每种类型的数据相对应的以太网巨型分组的装置，
其中，所述数据传输容器是互联网协议分组，所述数据传输容器的特征在于包括一连串互联网协议复用逻辑块，每个逻辑块都包括与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组的组合，并且每个互联网协议物理分组根据其所包括的数据类型来聚集预定义数目的以太网巨型分组。
7.根据权利要求6所述的目的地设备，其中，n等于2，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系。
8.根据权利要求6所述的目的地设备，其中，n等于3，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号。
9.根据权利要求6所述的目的地设备，其中，n等于4，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号，第四类型的数据是元数据。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的目的地设备，其中，在与第一类型的数据相对应的聚集巨型分组当中，一个巨型分组包括DPX报头。
11.一种用于在高速互联网协议网络中传送n种不同类型的数据的方法，数字n大于或等于2，每种类型的数据都被产生为以太网巨型分组，所述方法的特征在于包括以下步骤：
-将包括单一类型的数据的预定义数目的以太网巨型分组聚集成相应类型的互联网协议物理分组；
-将与每种类型的数据相对应的n个互联网协议物理分组一起组合成互联网协议复用逻辑块；
-在网络上发送包括所述互联网协议复用逻辑块的流；
-接收所述流；以及
-对接收到的流进行滤波以恢复与每种类型的数据相对应的以太网巨型分组。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一类型的数据是由源产生的DPX封装视频内容，第二类型的数据是由源产生的AIFF音频信号，其中，所述AIFF音频信号保持与视频内容的时间关系。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，第三类型的数据是被呈现为AIFF音频信号的、与视频内容没有任何时间关系的内部通信音频信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，第四类型的数据是元数据。
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