CN102326368B - 分组交换网络上的时间同步资源预留 - Google Patents

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Abstract

一种旨在在包括末端节点(H1-H3)和核心网络交换机(S1-S2)的分组交换通信网络中调度资源预留的方法。该方法包括以下步骤：将时间信息包括到由末端节点(H1)发出并且由至少一个核心网络交换机(S1)转发的每个请求中，在由该时间信息代表的时间请求资源预留以便接收由规格定义的流，以及存储时间信息，其被包括到与相关流规格一致的每个转发末端节点请求中，并且被包括到由参与请求转发的核心网络交换机(S1)管理的至少一个有关数据库中。

Description

分组交换网络上的时间同步资源预留
技术领域
本发明涉及通信网络领域，并且更加准确地涉及在分组交换网络上的资源预留管理。
背景技术
如IEEE组织中的新兴标准化努力允许确实考虑在OSI第2级(链路层)的严格资源预留实现方式。然而，所有这些新的机制都不是时间相关的并且因此不允许指示当前预留的结束时间也不允许调度未来预留。
在本文献中，术语“资源”涉及表现通过给定基础结构在两个节点之间的数据流(flow)(或流(stream))的特征的所有网络变量，诸如，例如带宽、抖动和等待时间。
诸如专业视频制作和广播环境的某些环境是对时间非常敏感的环境。因此，已经提出了用分组交换网络来代替当前使用的点到点基础结构。但是，这强制考虑可以影响整体系统性能的所有等待时间。
所熟知的OSI模型(图1中示意性地示出并且由ISO组织标准化)定义了用于在七个层中实现通信设备的网络框架。层1至4负责在给定通信介质上传输数据，而层5至层7用来允许不同的应用独立于使用的通信基础结构地通信。
WO2008/113791陈述的范例是可以配置非核心网络设备(OSI层2处理)用于处理来自与IEEE 802.1标准兼容的环境中传输的数据解译的图像转换(commutation)，然后WO2008/113791提出了一种用于实现该任务(OSI层5/6/7)的专用设备。
本发明仅考虑OSI层2，即，数据链路层。所以，此后描述的所有机制均在OSI层2中处理。
如本领域技术人员已知的，核心网络交换机(switch)是转发(forward)关于层2首标中包含的信息的业务的核心网络装备。该“转发”区别于致力于层3信息上的操作的“路由”。
这些核心网络交换机仅使用将硬件地址与它们的端口之一相关联的转发表来向被访地址(addressees)转发业务。当核心网络交换机接收到帧时，其层2首标给出硬件地址以及因而给出在转发表中相关联的条目，其指派核心网络交换机必须向其转发该帧的端口。因为它们在低层操作，所以在硬件中实现网络交换机的处理，这允许掌握它们的等待时间。
作为IEEE 802.1的一部分的IEEE 802.1音频/视频桥接(AVB)任务组(TG)针对提供将允许通过802网络的时间同步低等待时间流服务的规格。该TG包括子组“IEEE 802.1AS：定时和同步”，其针对通过合适于消费者电子应用的多数严格要求的标准层2时间同步服务定义。
802.1AS标准指定必须被使用以确保对于时间敏感应用(诸如音频和视频)满足同步需要并且跨越由LAN介质组成的传输延迟固定并且对称的桥接和虚拟桥接局域网络(诸如，例如IEEE 802.3全双工链路)的协议和例程。这包括在正常操作以及其后的网络组件的添加、移除或故障以及网络重配置期间同步时间的保持。该802.1AS标准指定使用适用于IEEE 802.1D和802.1Q标准的环境中的IEEE 1588规格。与外部提供的时间信号(例如，诸如UTC或TAI的识别的时间标准)的同步不是该标准的一部分但是也不对其排除。
IEEE 802.1AVB任务组包括致力于新的资源预留机制的两个其它子组802.1Qat和802.1Qav。
802.1Qat标准针对定义允许桥接以便确保音频/视频(AV)流所需的资源的接入控制系统。其指定可被存在的更高层机制使用的协议、例程和管理对象，这允许为遍历桥接局域网的特定业务流(traffic stream)预留网络资源。其识别到足够为交换机确定所需资源的等级的业务流，并且提供用于那些资源的动态保持的机制。
该标准提供信令协议以便使得能够对QoS确保的流的资源预留的端到端管理。信令协议促进有关网络元件中的资源预留信息的注册、注销、和保留。信令协议在需要等待时间和带宽确保的桥接局域网应用中是自动配置的必须成分。用于高质量时间敏感流的当前IEEE 802技术的应用允许用户增加他们的网络负载不知不觉地到达用户体验被负面影响的程度。为了提供确保具有鲁棒性的用于流应用的QoS能力，在传输发生之前必须保证沿着整个数据路径的网络资源的可用性。这需要用于沿着端到端的流路径发信号给资源预留的业务流描述符和协议的定义。使用多注册协议(MRP)作为该协议的基础。
802.1Qav标准针对增强标准802.1桥接帧转发规则以便支持AV流。其允许交换机为时间敏感(即，有限等待时间和传送变型)、丢失敏感实时音频视频数据传输(AV业务)提供确保。其指定每优先级进入测定(per priorityingress metering)、优先级重生成和定时感知队列泄漏(timing-aware queuedraining)算法。在集合中分配虚拟局域网(VLAN)标签编码的优先级值，以便在被控制和未被控制的队列中隔离帧，允许在有线和无线局域网(WLAN)上以及之间对AV业务和其它桥接业务二者的同时支持。该标准指定对以上提及的网络交换机(其越来越多地用于支持音频和视频流应用的互相连接的设备)的转发功能的增强以便提供允许局域网中时间敏感业务的性能确保并且协调层2网络的延迟、抖动和分组丢失。
以上提及的新的正在进行的标准化努力允许与网络连接的元件(末端节点和核心网络装备)的精确同步并且保证严格的资源预留。然而，即使它们针对支持时间敏感应用，它们并不是完全有关的，这是因为不能根据任何同步的装备所共享的“墙”时钟来调度资源预留。
发明内容
因此，本发明基于以上提及的新兴资源预留和同步机制，针对提出时间同步资源预留管理，以及至少允许将资源预留和释放之间的延迟最小化，并且调度资源预留计划。这样的时间同步资源预留管理意味着对指定的网络变量(即，资源)的严格遵守，这意味着将不接受对它们的各自的值的任何修改以便不影响整体服务质量(QoS)。
更准确地，本发明提出将时间信息包括到由末端节点发出并且由核心网络交换机转发的资源预留请求中，并且包括到分别由核心网络交换机管理以便存储与资源预留有关的存储信息的内部数据库中。
还更准确地，本发明提供了一种旨在在包括末端节点和核心网络交换机(或装备或其它设备)的分组交换通信网络中调度资源预留的方法，并且包括以下步骤：
●将时间信息包括到由末端节点发出并且由至少一个核心网络交换机转发的每个请求中，在由该时间信息代表的时间请求资源预留以便接收由规格定义的流，以及
●存储时间信息，其被包括到与相关联流规格一致的每个转发末端节点请求中，并且被包括到由参与请求转发的核心网络交换机管理的至少一个有关数据库中。
根据本发明的方法可以包括单独或组合地并且显著地考虑的附加特征：
-时间信息可以由所述末端节点和核心网络交换机共享的墙时钟给出的时间推导出；
-可以添加时间信息到多流注册协议数据单元(MSRPDU)，其将与802.1Qat标准兼容的末端节点请求构建成新的专用字段(field)；
可以将新的专用字段添加到多流注册协议数据单元的名称为“第一值”的子分支中，与名称为“流ID”定义流的标识符的字段并行。
本发明还提出了其旨在与包括核心网络交换机的分组交换通信网络相连接的末端节点，并且包括被布置的处理部件，每次其希望请求资源预留以便接收(或订阅)由规范定义的流，i)用于生成包括流规格和时间信息的请求，所述时间信息代表其希望开始接收该流的时间，以及ii)用于向其所连接的核心网络交换机传送生成的请求，使得其可以被转发到分组交换通信网络的其它核心网络交换机。
可以布置这个处理部件用于从墙时钟给出的时间来推导时间信息，所述墙时钟由分组交换通信网络的末端节点和核心网络交换机共享。
本发明还提出用于末端节点所连接的分组交换通信网络的核心网络交换机，其包括被布置的处理部件，当其核心网络交换机已经接收到末端节点发出的并且包括流的规格以及代表其希望开始接收该流的时间的时间信息请求时，用于将与相关联的流规格一致的该时间信息存储到其核心网络交换机的有关数据库中，以便后者能够从由对应的存储的时间信息代表的时间向请求末端节点转发被请求流。
附图说明
在检验具体说明和附图时本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：
-图1示意性地图示了OSI模型的层布置，
-图2示意性地图示了以太网/IP联网的工作室生产基础结构的示例，
-图3示意性地图示了具有墙时钟(左边部分)和其有关生成树代表(右边部分)的简单LAN拓扑结构，
-图4示意性地图示了非同步和同步释放和预留请求，
-图5示意性地图示了包括时间戳的收听者改进型多流注册PDU(MSRPDU)，
-图6示意性地图示了非同步的数据库演进，以及
-图7示意性地图示了根据本发明的同步数据库演进。
具体实施方式
附图不但可以用于完成本发明，如果有需要，还贡献其定义。
在以下描述中，将考虑实现本发明的分组交换(通信)网络作为对专业音频/视频生产设施展开的以太网/IP局域网络基础结构。图2中图示了这样的以太网/IP局域网络基础结构的示例。
该基础结构显著地包括i)第一末端节点，旨在用于产生或传递以数据流形式的音频和/或视频内容，诸如摄像机、服务器、视频录像机(VTR)、麦克风、混音器、切换器，ii)第二末端节点，旨在用于显示视频内容或电视节目或用于传播音频内容，诸如电视机或扩音器，以及iii)核心网络设备(或桥)，诸如以太网交换机，旨在用于将由第一末端节点提供的数据流通过分组或协议数据单元(PDU)转发。
要提醒的是协议数据单元(PDU)是由所连接的主机(或末端节点(Hi))发送的协议分组。此外桥接协议数据单元(BPDU)是由所连接的核心网络的装备(Sj)发送的协议分组。
当名称为讲话者的第一末端节点希望向名称为收听者的、对接收这个(这些)数据流或多个数据流感兴趣的其它(第二)末端节点提供(多个)数据流时，其必须发出流声明(declaration)。流声明允许每个连接的核心网络设备(诸如以太网交换机)取得数据流规格(TSpec)，诸如讲话者Id，最大带宽和最大等待时间，并且初始化其自身的与资源预留有关的内部数据库。但是一旦核心网络设备已经初始化它们各自的内部数据库，则资源尚未被预留。
当收听者已经发出“加入”请求以接收先前声明的流时完成资源预留和TSpec约束检验。在该检验期间将资源预留(先前发出的)与当前资源剩余量相比较，并且因此预留可以失败或成功。以下参照图3和图4详述这些情况。
图3示意性地图示了支持以上提及的资源预留处理的简单同步网络基础结构。在这个基础结构中将末端节点(或用户)主机i(或Hi，作为示例在此i＝1至3)通过以太网交换机Sj(作为示例在此j＝1或2)在其之间耦接。位于图3的右边部分的基础结构的生产树代表显示了交换机端口互联。
例如，末端节点H2和H3是已经先前声明它们各自的(数据)流的讲话者。所以，末端节点H1是可能请求预留资源以便接收H2流和/或H3流的收听者。
然而，如果交换机S1和S2之间的链路不能同时支持H2和H3流，收听者H1将必须释放第一被请求流(例如H2流)以便接收第二个(例如H3流)以便不超出最大带宽。因此，如果收听者H1是视频交换机，则其不能处理两个源H2和H3之间的清楚的视频交换，这是因为由连续释放和预留步骤引入的额外延迟造成的。图4是图示了非同步和同步释放和预留作为时间的函数的图。
如之前提及的，诸如那些由802.1Qat和802.1Qav提出的新兴资源预留机制不允许调度释放以及预留请求。
然而，新兴机制允许在网络(或基础结构)的每个连接的节点之间建立非常精确的时间同步。例如，IEEE 1588标准和定义以太网(802.3)和Wifi(802.11)上的IEEE 1588简档的新兴IEEE 802.1AS草案允许达到定义单个时钟域的7个跳频(hop)桥接拓扑结构上的1μs的精确度。
这个时间同步允许使用时间戳来定义收听者节点希望考虑到释放/预留请求(或消息)以便停止订阅至少一个流和/或开始订阅至少一个其它流的日期。
表述“释放/预留请求”在此意思是流释放请求或者流预留请求再或者旨在释放第一流的资源并预留第二流的资源的请求。
更准确地，本发明提出将至少一个时间信息(时间戳)包括(或添加)到释放和/或预留请求(例如协议数据单元(PDU))中以便同步所有收听者释放和/或预留请求。该时间戳优选地从由被每个连接的设备(末端节点和核心网络装备)共享的墙时钟WC给出的时间推导出并且其宽度必须符合被考虑应用所需要的精确度。
可以通过与末端节点Hi相关联的第一处理部件(即，位于其相关联的末端节点Hi)进行这些时间戳添加和时间推导。第一处理部件可以由至少部分软件模块、或者电子电路或硬件模块、再或者硬件和软件模块的组合制成。
图5图示了构建自由802.1Qat草案定义并且包括802.1AS时间戳的多流注册PDU(MSRPDU)的改进型多流注册PDU(MSRPDU)的非限定性示例。在该示例中，802.1AS时间戳位于名称为“精确时间戳(Precise TimeStamp)”的字段中，其与名为“第一值(First Value)”的子分支中的名称为“流ID(StreamID)”(其定义MSRPDU所属于的流的标识符)的字段并行设置。在图5的例示示例中，提及了以80比特定义时间戳“精确时间戳”。这源自在802.1AS标准中由80比特定义时间戳事实造成。但是，可以使用其它数目的比特来定义与其它标准兼容的时间戳。
在图5的示例中，“精确时间戳”字段被添加到“第一值”子分支并且由80比特定义，必须修改定义该子分支的“收听者询问失败”字段的字节数。从而，其等于18字节(48比特+16比特+80比特＝144比特＝18字节)。此外，这个经典802.1Qat MSRPDU的修改推动定义一些其它字段(诸如“属性长度(AttributeLength)”和“属性列表长度(AttributeListLength)”的字节数的其它修改和/或调整。例如，可以将定义属性长度字段的字节数设置为18并且必须将定义属性列表长度字段的字节数调整到24。
为了保证一致并严格的资源管理，每一次在核心网络装备的一个端口接收资源释放/预留请求(或消息)，每个核心网络装备都必须更新其自身内部数据库。
要提醒的是，当核心网络设备Sj接收讲话者广告消息(或讲话者广告声明TA)时，在转发该讲话者广告消息到其它相邻核心网络设备(例如交换机)和末端节点之前，其添加条目到其内部数据库并且注册流特征(TSpec)，在该接收的讲话者广告消息中定义。
此外，当核心网络设备Sj接收“收听者准备就绪”(listener ready)请求或声明(指示收听者末端节点Hi准备好开始接收指派的流)时，其在其内部数据库中检验其是否包含定义该指派的流的并且先前由讲话者节点借助讲话者广告消息发送的信息，在肯定的情况下，其检验该接收的收听者准备就绪请求的状态是否在数据流规格(显著地被分配的带宽和最大等待时间)方面符合指派的流的存储数据流规格(或TSpec)。
在符合的情况下，核心网络设备在被考虑的注册讲话者广告消息相关联的端口上转发收听者准备就绪请求。
在不符合的情况下，拒绝该请求并且转发拒绝通知到讲话者节点和收听者末端节点。在图6中左边部分图示的非同步内部数据库的三个演进(1)、(2)和(3)中示出了该拒绝情况的示例。在这个示例中，TA指定讲话者广告消息(或讲话者广告)、LR指定收听者末端节点已经发送并且可以被满足的资源预留(或“收听者准备就绪”)请求，并且LF(或“收听者失败”)指派已经要求流但是因为不符合所以不能对其进行接收的收听者节点。在核心网络设备的第一内部数据库(1)中，H1指派收听者末端节点，H2指派已经用信号通知其准备好发送第一流的第一讲话者末端节点，并且H3指派已经用信号通知其准备好发送第二流的第二讲话者末端节点。在该核心网络设备的第二内部数据库(2)中，后者已经从末端节点H1接收到指派第一(H2)流的收听者预留请求(LR)，并且已经检验并且注册了其有可能满足该请求(LR)。在同一核心网络设备的第三内部数据库(3)中，后者已经从末端节点H1接收到指派第二(H3)流的收听者预留请求，并且已经发现并且注册其不可能满足该请求。所以，拒绝收听者末端节点H1的最后预留请求。
根据本发明，为了避免在没有不同收听者末端节点请求的时间戳时的该拒绝情况，收听者末端节点H1必须释放第一(H2)被请求流以便接收第二个(H3)，这引入了额外延迟。在图6右边部分中图示的非同步内部数据库的四个演进(1’)、(2’)、(3’)和(4’)中示出了该释放情况的示例。
在核心网络设备的第一内部数据库(1’)中，H1指派收听者末端节点，H2指派已经用信号通知其准备好发送第一流的第一讲话者末端节点，H3是已经用信号通知其准备好发送第二流的第二讲话者末端节点。在该核心网络设备的第二内部数据库(2’)中，后者已经从末端节点H1接收到指派第一(H2)流的第一收听者预留请求(LR)并且已经检验并注册其有可能满足该第一预留请求(LR)。在同一核心网络设备的第三内部数据库(3’)中，后者已经从末端节点H1接收到指派第二(H3)流的第二收听者预留请求并且已经发现其不可能满足该第二预留请求。所以，核心网络设备已经将该情况告知收听者末端节点H1，并且收听者末端节点H1已经发送流释放请求以便释放其第一(H2)流的第一预留请求。然后核心网络设备已经通过以TA信息替换LR信息更新了其内部数据库(3’)。在该核心网络设备的第四内部数据库(4’)中，后者已经从末端节点H1接收到指派第二(H3)流的第二收听者预留请求并且已经检验并注册其现在有可能满足该第二预留请求。
根据本发明，通过在收听者末端节点请求中引入时间戳，每个核心网络设备能够根据它们各自的时间戳(即，根据应该考虑它们的时刻)来处理它们。换言之在第一时间发送的每个收听者末端节点请求，现在包括时间戳，该时间戳已经通过末端节点第一处理部件被添加，并且该时间戳定义以后将要发生的并且在其必须考虑收听者末端节点请求(即，应用的)的第二时间。
当核心网络交换机Sj接收由末端节点Hi发出的并且包括流的规格以及代表其希望开始接收该流的时间的时间信息的请求时，与其(Sj)相关联的第二处理部件将与相关联的流规格一致的该时间信息存储到其有关数据库中，以便其相关联的核心网络交换机Sj能够依据由对应存储的时间信息代表的时间向请求末端节点Hi转发被请求流。
第二处理部件位于其相关联的核心网络交换机Sj中。其可以由至少部分软件模块、或者电子电路或硬件模块、再或者硬件和软件模块的组合制成。
图7图示了在根据基于注册时间戳的本发明的同步处理的情况下核心网络设备的内部数据库的演进(1)、(2)和(3)的示例。在核心网络设备的第一内部数据库(1)中，H1指派收听者末端节点，H2指派已经用信号通知其准备好从T0时刻发送第一流的第一讲话者末端节点，并且H3指派已经用信号通知其准备好从T0时刻发送第二流的第二讲话者末端节点。在该核心网络设备的第二内部数据库(2)中，后者i)已经从末端节点H1接收到第一收听者预留请求(LR)，其指派第一(H2)流并且包括定义末端节点H1希望其第一预留请求被满足的时间的时间戳(T1＞T0)，并且ii)已经检验并注册了其有可能在T1时刻满足该第一(H2)预留请求。在同一核心网络设备的第三内部数据库(3)中，后者i)已经从末端节点H1接收第二收听者释放和预留请求，其包括定义末端节点H1希望释放第一(H2)流的第一预留请求并且执行第二(H3)流的资源预留的时间T3的时间戳(T3＞T1)，并且ii)已经检验并注册了其有可能在T3时刻执行该最后(H3)资源预留。
本发明不限于仅作为示例的上面描述的方法、末端节点和核心网络交换机的实施例，而其包括在以下权利要求的范围内本领域技术人员可以考虑到的所有可替换实施例。

Claims (7)

1.一种用于在包括末端节点(Hi)和核心网络交换机(Sj)的分组交换通信网络中调度资源预留的方法，所述方法包括在开放式系统互联OSI模型的数据链路层级处理的以下步骤：
●接收由末端节点(Hi)发出的资源预留请求，所述资源预留请求包括时间信息，所述资源预留请求在由所述时间信息代表的时间接收由规格定义的流，
●存储与相关联的流规格一致的所述时间信息到由参与转发所述资源预留请求的核心网络交换机(Sj)管理的至少一个有关数据库中，以及
●在从广告末端节点接收到流之后，在由所述时间信息代表的时间转发所述流到请求流的末端节点(Hi)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时间信息从由所述末端节点(Hi)和核心网络交换机(Sj)共享的墙时钟(WC)给出的时间推导出。
3.如权利要求1或2中的一项所述的方法，其特征在于，将所述时间信息添加到多流注册协议数据单元，其将与IEEE 802.1Qat标准兼容的末端节点请求构建成新的专用字段。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述新的专用字段添加到所述多流注册协议数据单元的名称为“第一值”的子分支中，与名称为“流ID”定义流的标识符的字段并行。
5.一种旨在与包括核心网络交换机(Sj)的分组交换通信网络相连接的末端节点(Hi)，其特征在于，其包括被布置的处理部件，每次所述末端节点(Hi)希望请求资源预留以便接收由规范定义的流时，
i)用于生成包括所述流规格和时间信息的请求，所述时间信息代表所述末端节点(Hi)希望开始接收所述流的时间，以及
ii)用于向所述末端节点(Hi)所连接的核心网络交换机(Sj)传送所述生成的请求，使得所述请求在开放式系统互联OSI模型的数据链路层级被转发到所述分组交换通信网络的其它核心网络交换机(Sj)，使得在由所述时间信息代表的时间转发所述流到所述末端节点(Hi)。
6.如权利要求5所述的末端节点，其特征在于，所述处理部件被布置用 于从墙时钟(WC)给出的时间来推导所述时间信息，所述墙时钟由所述分组交换通信网络的所述末端节点(Hi)和核心网络交换机(Sj)共享。
7.一种用于末端节点(Hi)所连接的分组交换通信网络的核心网络交换机(Sj)，其特征在于，其包括被布置的处理部件，当其核心网络交换机(Sj)已接收到末端节点(Hi)发出的并且包括流的规格以及代表所述末端节点(Hi)希望开始接收所述流的时间的时间信息的请求时，用于将与相关联的流规格一致的所述时间信息存储到其核心网络交换机(Sj)的有关数据库中，以便后者(Sj)能够依据由所述存储的时间信息代表的时间在开放式系统互联OSI模型的数据链路层级向所述请求末端节点(Hi)转发所述被请求流，使得在由所述时间信息代表的时间转发所述流到所述末端节点(Hi)。
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