CN102123075B - 适用于多媒体串流的网络分组传送系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于多媒体串流的网络分组传送系统与方法。上述系统包括信息模块、排程模块、以及传送模块。信息模块接收并记录多个多媒体串流的媒体信息。排程模块根据信息模块提供的媒体信息计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率，并且根据上述被保证的传输率，将上述多个多媒体串流的等时性分组在多个时钟周期的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率。其中每一上述时钟周期的长度皆为一预设长度，而且第一时段的长度为上述预设长度的一预设比例。传送模块则每隔上述预设长度的时间，将上述时钟周期其中之一的全部分组传送至一网络。

Description

适用于多媒体串流的网络分组传送系统与方法

技术领域

本发明涉及一种网络分组传送系统与方法，特别适用于传送多媒体串流(multimedia stream)的等时性分组(isochronous packet)。

背景技术

随着近年来家电数字化的兴起，通过网络观赏高品质即时视频服务的应用大大增多，例如用住宅以太网络(Residential Ethernet)将家中每个房间连线，然后在客厅的电视机通过网络串流(streaming)即时观看存放在卧房里的数字多功能光盘(DVD：Digital Versatile Disc)播放机的多媒体数据。传统的以太网络采用碰撞检测式载波感应多重存取通讯协议(CSMA/CD：CarrierSense Multiple Access with Collision Detection)，彼此竞争相同频宽来传送分组，此机制并不适合传送如影片和语音之类对时间敏感(time-sensitive)的分组，容易造成传送时间的延迟，导致服务品质(QoS：Quality of Service)的降低。因此在有限频宽以及文件传输趋于复杂的环境下，如何让频宽有效的调整达到系统效能的提升成为一个重要课题。

国际电机电子工程师协会(IEEE：Institute of Electrical and ElectronicsEngineers)的802.1p/q就是为了要解决传输服务品质所制定的一个标准，在第二层(Layer 2)的标头(header)里面加入4个字节(byte)的标签(tag)，前面两个字节固定为8100H，作为与一般的以太网络分组的分别，接下来2个字节的前3位(bit)就是存放优先等级(priority)的地方，共可以将传输的分组分成八个优先等级，等级愈高愈优先传送。如果提高影音之类的等时性分组的优先等级，确实可以改善传统以太网络因所有分组都是同等级而造成的传输延迟。但是，如果出现优先等级更高的紧急分组，还是可能导致影音传输的延迟。

美国专利申请编号US 2007/0025385则采用时段(time slot)的观念，监控网络可用频宽，使用计数器(counter)来计数传送等时性分组的间隔。当可用频宽较大时就用比较快的速率传送等时性分组，可用频宽较小时则使用比较慢的速率传送等时性分组。

发明内容

本发明提供一种网络分组传送系统，与其对应的网络分组传送方法，可在频宽有限的情况下容纳众多多媒体串流，达到网络频宽的较大利用率，以及保证服务品质。

本发明提出一种网络分组传送系统，包括信息模块、排程模块、以及传送模块。信息模块接收并记录多个多媒体串流的媒体信息。排程模块根据信息模块提供的媒体信息计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率(bit rate)，并且根据上述被保证的传输率，将上述多个多媒体串流的等时性分组在多个时钟周期(clock cycle)的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率。其中每一上述时钟周期的长度皆为一预设长度，而且第一时段的长度为上述预设长度的一预设比例。传送模块则每隔上述预设长度的时间，将上述时钟周期其中之一的全部分组传送至一网络。

本发明另提出对应上述网络分组传送系统的一种网络分组传送方法，此方法包括下列步骤。首先，接收并记录一媒体服务器所提供的多个多媒体串流的媒体信息。根据上述媒体信息计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率。根据上述被保证的传输率，将上述多个多媒体串流的等时性分组在多个时钟周期的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率。接下来，每隔上述预设长度的时间，将上述时钟周期其中之一的全部分组传送至一网络。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一实施例的分组传送方式示意图。

图2是依照本发明一实施例的网络分组传送系统示意图。

图3是图2的排程模块的方块图。

图4是依照本发明一实施例的网络分组传送方法流程图。

图5是依照本发明一实施例的分组重新排列的示意图。

图6是对应图5的分组传送时序图。

图7是依照本发明一实施例的同步媒体信息时的分组传送时序图。

图8和图9是依照本发明一实施例的启动分组切割机制时的分组传送时序图。

【主要元件符号说明】

200：网络分组传送系统

210：分类模块

212：非等时性队列

214：等时性队列

220：信息模块

230：排程模块

232：传输率产生模块

234：重新排列模块

240：切割模块

250：同步模块

260：传送模块

270：网络接口模块

410-460：流程步骤

810-830、910-920：分组传送时序

ASY：非等时性分组

ISO：等时性分组

P、P1-P4、PF：网络分组

S1-S6：多媒体串流

具体实施方式

图1是依照本发明一实施例的分组传送方式示意图。本实施例以IEEE802.1视听桥接标准(AVB：Audio Video Bridging)为基础，其中分组传送是以125微秒(microsecond)的时钟周期为单位。如图1所示，每个125微秒的时钟周期分为两个时段，前面的四分之三是第一时段，后面的四分之一是第二时段。第一时段用来传送等时性(isochronous)分组，在图1标示为ISO，第二时段用来传送非等时性(asynchronous)分组，在图1标示为ASY。

本发明并不以图1为限，在其他实施例中，时钟周期的长度可以调整，第一时段和第二时段的比例也可以调整。

图2是本实施例的网络分组传送系统200的示意图。网络分组传送系统200可以是媒体服务器(media server)的一部分，例如可以使用在住宅以太网络中，提供多媒体串流给各种影音播放装置。网络分组传送系统200可用硬件或软件方式实施。

网络分组传送系统200包括分类模块210、信息模块220、排程模块230、切割模块240、同步模块250、以及传送模块260。网络接口模块270则是网络分组传送系统200和网络之间的接口。分类模块210存储一个非等时性队列212以及多个等时性队列214，每一个等时性队列214对应媒体服务器所提供的四个多媒体串流S1-S4其中之一。虽然图2绘示四个等时性队列214和四个多媒体串流S1-S4，本发明并不以四个为限。图2的等时性队列214都是链接串列(linked list)，然而本发明并不限于链接串列形式的队列。

图4是网络分组传送系统200所执行的网络分组传送方法的流程图。首先，信息模块220自媒体服务器的应用层(Application Layer)接收并记录多媒体串流S1-S4的媒体信息(步骤410)。上述媒体信息可以包括每个多媒体串流S1-S4的串流识别码(session ID)、画面更新率(frame rate)、以及画面大小(frame size)等信息。

接下来，分类模块210自应用层接收分组，辨别接收到的分组种类，根据信息模块220提供的媒体信息，将接收到的多媒体串流S1-S4的每一个等时性分组存入对应的那一个等时性队列214(步骤420)，并且将接收到的非等时性分组存入非等时性队列212(步骤430)。本实施例的每一个等时性分组其中都包括所属的多媒体串流的串流识别码。分类模块210可以接收信息模块220提供的媒体信息，根据媒体信息其中多媒体串流S1-S4的识别码，配置对应的四个等时性队列214，然后比对等时性分组其中的串流识别码和多媒体串流S1-S4的识别码，藉此将等时性分组存入所属的多媒体串流所对应的等时性队列。

图3是排程模块230的方块图，排程模块230包括传输率产生模块232和重新排列模块234。传输率产生模块232根据信息模块220提供的媒体信息计算每一个多媒体串流S1-S4所需被保证的传输率(步骤440)。重新排列模块234根据上述的被保证的传输率，将多媒体串流S1-S4的等时性分组在多个时钟周期的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率(步骤450)。传输率产生模块232可以根据媒体信息其中多媒体串流S1-S4的画面更新率和画面大小计算多媒体串流S1-S4所需被保证的传输率，然后重新排列模块234根据上述被保证的传输率决定等时性分组在每一个时钟周期的传送顺序。

举例而言，重新排列模块234可以根据多媒体串流S1-S4所需被保证的传输率，在每个时钟周期的第一时段内配置满足上述被保证的传输率所需的等时性分组。如图5所示，假设每个等时性分组P1-P4的大小为X字节，多媒体串流S1、S3和S4所要求的被保证的传输率为每个时钟周期X字节，而多媒体串流S2所要求的被保证的传输率为每个时钟周期X/2字节。在图5的范例中，重新排列模块234使用链接串列将排入每个时钟周期的等时性分组依传送顺序串联。由于多媒体串流S1、S3和S4所要求的被保证的传输率为每个时钟周期X字节，所以重新排列模块234在每个时钟周期都配置一个S1的等时性分组、一个S3的等时性分组、以及一个S4的等时性分组。由于多媒体串流S2所要求的被保证的传输率为每个时钟周期X/2字节，所以重新排列模块234在每两个时钟周期配置一个S2的等时性分组。于是如图5所示，第一个时钟周期会传送S1、S3和S4的第一个分组P1，第二个时钟周期会传送S1、S3和S4的第二个分组P2以及S2的第一个分组P1，第三个时钟周期则会传送S1、S3和S4的第三个分组P3。

如果有某个多媒体串流所要求的被保证的传输率为每个时钟周期2X字节，重新排列模块234可在每个时钟周期都配置两个上述多媒体串流的等时性分组，以保证其被保证的传输率。

接下来，传送模块260依据重新排列模块234所安排的传送顺序，每隔一个时钟周期的时间，将目前时钟周期的全部分组传送至网络，如图6所示(步骤460)。传送模块260使用第一时段传送各时钟周期的等时性分组，并使用第二时段传送非等时性队列212之中的非等时性分组。非等时性分组不会重新排列，而是依照进入非等时性队列212的顺序直接传送。当某一个时钟周期没有等时性分组等待传送，或该时钟周期的等时性分组在第一时段结束前已经传送完毕，则传送模块260立即切换为传送非等时性队列212之中的非等时性分组，以提高频宽利用率。

如果同一个网络中存在多个相同的网络分组传送系统，同步模块250可以确保上述网络分组传送系统不会彼此影响传输的服务品质。每个网络分组传送系统的同步模块250会互相交换各自的媒体信息，也就是同步整个网络中所有多媒体串流的媒体信息。在此情况下，排程模块230并非仅根据所属媒体服务器所提供的多媒体串流的媒体信息来重新排列等时性分组，而是根据整个网络中所有多媒体串流的媒体信息，在每个时钟周期的第一时段中重新排列等时性分组。

图7是本实施例的一个同步范例，其中节点1和节点2是位于同一个网络的两个媒体服务器，各包括一个如图2所示的网络分组传送系统200。节点1提供四个多媒体串流S1-S4，节点2提供两个多媒体串流S5和S6。节点1和节点2的同步模块250会互相交换媒体信息，于是节点1和节点2的排程模块230都会根据所有多媒体串流S1-S6的媒体信息来安排各自的等时性分组。如图7的结果所示，节点1和节点2的排程模块230会彼此配合。在奇数的时钟周期，节点1仅送出三个等时性分组，让节点2送出两个等时性分组。在偶数的时钟周期，节点1送出四个等时性分组，而节点2仅送出一个等时性分组。这样就能避免在有限频宽中彼此影响传输的服务品质。否则，如果不互相配合，可能会造成节点2在奇数的时钟周期送出一个等时性分组，在偶数的时钟周期送出两个等时性分组，导致奇数时钟周期的网络频宽浪费，以及偶数时钟周期的网络频宽不足。

切割模块240的分组切割机制可利用每一个时钟周期的剩余频宽来传送更多分组。等时性分组的切割机制如图8所示。排程模块230已经安排如810所示的分组传送时序，同时又有另一个多媒体串流的等时性分组P1等待传送，如时序820所示。此时第一时段的剩余频宽不足以传送等时性分组P1，尤其是在第三和第四个时钟周期。在此情况下，排程模块230会启动切割模块240，使切割模块240根据目前时钟周期和后续时钟周期的第一时段的剩余频宽，将等时性分组P1切割成多个小分组PF。然后排程模块230将上述的小分组PF放入目前时钟周期和后续时钟周期的第一时段的剩余频宽之中，如传送时序830所示。这样等时性分组P1的传送较能满足其多媒体串流所需被保证的传输率，同时也增加了网络频宽利用率。

非等时性分组的切割机制则如图9所示。排程模块230利用时钟周期的第二时段传送非等时性分组，如时序910所示，但是非等时性队列212当中仍然有非等时性分组P1和P2等待传送。此时第二时段的剩余频宽已经不足以传送完整的非等时性分组P1和P2。在此情况下，排程模块230会启动切割模块240，使切割模块240根据目前时钟周期和后续时钟周期的第二时段的剩余频宽，将非等时性分组P1和P2切割成多个小分组PF。然后排程模块230将上述的小分组PF放入目前时钟周期和后续时钟周期的第二时段的剩余频宽之中，如传送时序920所示。这样可以增加网络频宽的利用率。

综上所述，以上实施例的网络分组传送系统和方法，可在频宽有限的情况下容纳众多多媒体串流。同一个网络的媒体服务器之间可互相交换媒体信息，尽量不会互相干扰彼此的传送服务品质。以上实施例的分组切割机制可将分组放入未使用的剩余频宽中，让网络频宽达到更大使用率，以保证服务品质。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

Claims (22)

1.一种网络分组传送系统，包括：

一信息模块，接收并记录多个多媒体串流的媒体信息；

一排程模块，根据该信息模块提供的上述媒体信息计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率，根据上述被保证的传输率决定上述多个多媒体串流的等时性分组在多个时钟周期其中的每一时钟周期的传送顺序，使用链接串列将每一上述时钟周期的等时性分组依传送顺序串联，并且根据上述被保证的传输率，将上述等时性分组在上述多个时钟周期的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率，其中每一上述时钟周期的长度皆为一预设长度，该第一时段的长度为该预设长度的一预设比例；以及

一传送模块，每隔该预设长度的时间，将上述多个时钟周期其中之一的全部分组传送至一网络。

2.如权利要求1所述的网络分组传送系统，其中该媒体信息包括每一上述多媒体串流的画面更新率和画面大小，该排程模块根据该画面更新率和该画面大小计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率。

3.如权利要求1所述的网络分组传送系统，还包括：

一同步模块，同步该网络中所有多媒体串流的媒体信息，其中该排程模块根据该网络中所有多媒体串流的媒体信息，在上述多个时钟周期的第一时段中重新排列上述等时性分组。

4.如权利要求1所述的网络分组传送系统，还包括：

一分类模块，存储多个等时性队列，每一上述等时性队列对应上述多个多媒体串流其中之一，该分类模块根据该信息模块提供的上述媒体信息将每一上述等时性分组存入上述多个等时性队列其中之一。

5.如权利要求4所述的网络分组传送系统，其中每一上述多媒体串流的媒体信息包括一串流识别码，每一上述等时性分组包括所属的该多媒体串流的该串流识别码，该分类模块根据该信息模块提供的上述多个串流识别码配置上述多个等时性队列，并根据每一上述等时性分组的该串流识别码将该等时性分组存入所属的该多媒体串流所对应的该等时性队列。

6.如权利要求4所述的网络分组传送系统，其中每一上述等时性队列皆为链接串列。

7.如权利要求4所述的网络分组传送系统，还包括：

一切割模块，当有等时性分组在一时钟周期等待传送而且该时钟周期的该第一时段频宽不足时，该排程模块启动该切割模块，该切割模块根据该时钟周期和后续时钟周期的该第一时段的剩余频宽，将该等时性分组切割成多个小分组，然后该排程模块将上述多个小分组放入该时钟周期和后续时钟周期的该第一时段的剩余频宽之中。

8.如权利要求4所述的网络分组传送系统，其中该分类模块更存储一非等时性队列，并且将该分类模块所接收的非等时性分组存入该非等时性队列。

9.如权利要求8所述的网络分组传送系统，其中每一上述时钟周期由该第一时段和一第二时段组成，该传送模块使用该第一时段传送该时钟周期的等时性分组，并使用该第二时段传送该非等时性队列中的非等时性分组。

10.如权利要求8所述的网络分组传送系统，其中当某一时钟周期没有等时性分组等待传送，或该时钟周期的等时性分组在该第一时段结束前已经传送完毕，则该传送模块立即切换为传送该非等时性队列中的非等时性分组。

11.如权利要求8所述的网络分组传送系统，还包括：

一切割模块，当有非等时性分组在一时钟周期等待传送而且该时钟周期的第二时段频宽不足时，该排程模块启动该切割模块，该切割模块根据该时钟周期和后续时钟周期的该第二时段的剩余频宽，将该非等时性分组切割成多个小分组，然后该排程模块将上述多个小分组放入该时钟周期和后续时钟周期的该第二时段的剩余频宽之中。

12.一种网络分组传送方法，包括：

接收并记录一媒体服务器所提供的多个多媒体串流的媒体信息；

根据上述媒体信息计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率；

根据上述被保证的传输率决定上述多个多媒体串流的等时性分组在多个时钟周期其中的每一时钟周期的传送顺序；

使用链接串列将每一上述时钟周期的等时性分组依传送顺序串联；

根据上述被保证的传输率，将上述等时性分组在上述多个时钟周期的第一时段中重新排列，使上述等时性分组的传送满足上述被保证的传输率，其中每一上述时钟周期的长度皆为一预设长度，该第一时段的长度为该预设长度的一预设比例；以及

每隔该预设长度的时间，将上述时钟周期其中之一的全部分组传送至一网络。

13.如权利要求12所述的网络分组传送方法，其中该媒体信息包括每一上述多媒体串流的画面更新率和画面大小，而且该网络分组传送方法还包括：

根据该画面更新率和该画面大小计算每一上述多媒体串流所需被保证的传输率。

14.如权利要求12所述的网络分组传送方法，还包括：

同步该网络中所有多媒体串流的媒体信息；以及

根据该网络中所有多媒体串流的媒体信息，在上述多个时钟周期的第一时段中重新排列上述等时性分组。

15.如权利要求12所述的网络分组传送方法，还包括：

存储多个等时性队列，其中每一上述等时性队列对应上述多个多媒体串流其中之一；以及

根据上述媒体信息将每一上述等时性分组存入上述多个等时性队列其中之一。

16.如权利要求15所述的网络分组传送方法，其中每一上述多媒体串流的媒体信息包括一串流识别码，每一上述等时性分组包括所属的该多媒体串流的该串流识别码，而且该网络分组传送方法还包括：

根据上述多个串流识别码配置上述多个等时性队列；以及

根据每一上述等时性分组的该串流识别码，将该等时性分组存入所属的该多媒体串流所对应的该等时性队列。

17.如权利要求15所述的网络分组传送方法，其中每一上述等时性队列皆为链接串列。

18.如权利要求15所述的网络分组传送方法，还包括：

当有等时性分组在一时钟周期等待传送而且该时钟周期的该第一时段频宽不足时，根据该时钟周期和后续时钟周期的该第一时段的剩余频宽，将该等时性分组切割成多个小分组；以及

将上述多个小分组放入该时钟周期和后续时钟周期的该第一时段的剩余频宽之中。

19.如权利要求15所述的网络分组传送方法，还包括：

存储一非等时性队列；以及

将接收到的非等时性分组存入该非等时性队列。

20.如权利要求19所述的网络分组传送方法，其中每一上述时钟周期由该第一时段和一第二时段组成，而且该网络分组传送方法还包括：

使用该第一时段传送该时钟周期的等时性分组；以及

使用该第二时段传送该非等时性队列中的非等时性分组。

21.如权利要求19所述的网络分组传送方法，还包括

当某一时钟周期没有等时性分组等待传送，或该时钟周期的等时性分组在该第一时段结束前已经传送完毕，则立即切换为传送该非等时性队列中的非等时性分组。

22.如权利要求19所述的网络分组传送方法，还包括：

当有非等时性分组在一时钟周期等待传送而且该时钟周期的第二时段频宽不足时，根据该时钟周期和后续时钟周期的该第二时段的剩余频宽，将该非等时性分组切割成多个小分组；以及

将上述多个小分组放入该时钟周期和后续时钟周期的该第二时段的剩余频宽之中。

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