CN102932263A - 一种接入终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种接入终端，与接入交换机相连，该接入终端包括:流量控制单元，用于在接收到接入交换机发送的流控帧时，获取流控帧中携带的流控时间参数，生成报文发送暂停时间；流控管理单元，用于比较自身的减压参数与设定的标准减压参数之间的差异，并在所述差异符合预设条件时相应调整所述报文发送暂停时间。报文发送单元，用于根据报文发送暂停时间调整接入终端向接入交换机发送报文的节奏，并将当前暂停发送的报文存入缓存中。本发明将流控机制通过改造引入到接入终端上来，可以有效地根据接入终端的实际情况来差异化管理流控机制，使得一个二层网络中的多个接入终端能够自身的实际情况去减轻接入交换机的报文处理压力。

Description

一种接入终端

技术领域

本发明涉及监控网络技术，尤其涉及一种监控前端资源共享方法及装置。 

背景技术

随着网络技术的进步，目前IP视频监控系统已经成为监控行业的主流技术。然而人们对视频流质量越来越高的要求却给网络带来了很大的压力，无论是接入端还是核心网络均面临着更高的网络传输压力。就接入端而言，请参考图1的模型，以以太网接入为例，一台接入交换机可能接入多台前端编码设备（比如EC或IPC）。每一台前端编码设备都会连接到摄像机，将摄像机采集到的图像编码为数字视频流传输出去，然而前端编码设备可能会同时对外发送多路实况视频流以及存储视频流，通常一路视频流的速率为2mbps到8mbps，也就是说前端编码设备接入速率可能达到几十mbps乃上百mbps，这样一来接入交换机的转发压力无疑是很严重的，当交换机来不及处理大量承载视频数据的报文时，丢包就会自然发生，这将影响到一位或者多位正在观看监控视频的用户的体验，也会可能会影响到监控视频流的网络存储业务。现有技术方案可能会要求用户重新购置处理能力更为强大的新式以太网交换机，这种解决途径无疑会增加用户的成本压力。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种接入终端，与接入交换机相连，该接入终端包括流量控制单元以及流控管理单元，其中： 

流量控制单元，用于在接收到接入交换机发送的流控帧时，获取流控帧 中携带的流控时间参数，根据流控时间参数生成报文发送暂停时间； 

流控管理单元，用于比较自身的减压参数与设定的标准减压参数之间的差异，并在所述差异符合预设条件时相应调整所述报文发送暂停时间；其中所述减压参数表征接入终端减缓发送报文到所述接入交换机的能力。 

报文发送单元，用于根据所述报文发送暂停时间调整接入终端向接入交换机发送报文的节奏，并将当前暂停发送的报文存入缓存中。 

本发明将流控机制通过改造引入到接入终端上来，可以有效地根据接入终端的实际情况来差异化管理流控机制，使得一个二层网络中的多个接入终端能够在保证业务正常运作的前提下尽力地根据自身的实际情况去减轻接入交换机的报文处理压力，避免了报文在交换机上因为拥塞丢失，在监控网络中的意义显著，可以让实况视频流在接入网络发送丢包的概率大大降低。而且本发明的改造成本较低，对于一些原来使用带流控功能芯片的EC来说，仅仅需要进行软件层面的简单改造和升级即可实现。 

附图说明

图1是现有技术中多个EC与接入交换机的接入组网示意图。 

图2是IEEE802.3中定义的MAC Control帧的帧结构。 

图3是本发明一种接入终端的逻辑结构图。 

图4是本发明中多个EC接收接入交换机流控帧的组网示意图。 

图5是在图4基础上多个EC收发协商通告消息的示意图。 

具体实施方式

本发明从改进作为接入终端（比如前端的编码设备）入手，综合调节网络中报文（比如承载视频流报文）的发送节奏，在尽量保障业务的前提下减轻对于交换机的处理压力。IEEE 802.3中定义了以太网流量控制机制。以太网流量控制机制是交换机通过发送一种MAC Control帧（报文）来实现的。MAC Control帧是一类特殊的帧，位于MAC Control子层，用来在设备之间 交互MAC Control信息，其结构和普通的以太网帧一样，LENGTH/TYPE字段的值为固定的0x8808。请参考图2所示，MAC Control帧长度是固定（64字节带FCS）的。在MAC头之后紧随的2个字节表示MAC Control类型，其余的44字节用来携带参数。如果参数不足，后面的字节全部用0来填充。MAC Control帧的目的MAC地址要求是组播地址。IEEE 802.3规定实现MACControl的实体对MAC Control帧的处理如下： 

MAC Control帧永远不向更上层递交，接收到的MAC Control帧会被sink。MAC Control子层实现的服务对非MAC Control帧要具有透明性。实现了MAC Control子层协议的设备和没有该类实现的设备在连接时应保证互通。IEEE 802.3中也有明确的方法指示。流量控制就是通过一种MAC Control帧来实现的，这种帧叫做流控帧（PAUSE帧）。PAUSE帧的OPCODE为0001（OPCODE 0000，0002到FFFF都是被保留的），目的地址为01-80-c2-00-00-01。此时MAC CONTROL PARAMETERS字段为要求暂停的时间长度n_quanta，有效值从0到65535，该时间单位是pause quanta即暂停时间量子。一个量子是512个time bit。所谓bit time是在MAC介质上传递1bit所需要的时间。该数值为比特率（bit-rate）的倒数。比如在100M的链路上，1bit time就是10ns。在不同速率的链路上，这个值是不一样的，因此最终计算出来的报文暂停发送时间也是不一样的。在全双工链路上，流量控制是通过PAUSE操作完成的。最基本的原理就是接收流量的一方不断地发出PAUSE帧，告诉发送方减慢发送速度。顾名思义，数据发送者收到PAUSE指示，会在发送数据帧和数据帧之间间隔一段时间。这样就达到了降低速度的目的。当本端交换机和对端交换机都开启了流量控制功能后，如果本端交换机发生拥塞：本端交换机将向对端交换机发送消息，通知对端交换机暂时停止发送报文或减慢发送报文的速度。对端交换机在接收到该消息后，将暂停向本端发送报文或减慢发送报文的速度，从而避免了报文丢失现象的发生，保证了网络业务的正常运行。 

在一种优选的实施方式中，本发明参考IEEE 802.3的在接入终端上引入 流量控制机制，并对流量控制机制加以改造来适应接入终端的业务特点。请参考图3，在本实施方式中，所述接入终端包括视频编码单元、报文发送单元、参数协商单元、流量控制单元以及流控管理单元。 

在基础实施方式中，所述流量控制单元，用于在接收到接入交换机发送的流控帧时，获取流控帧中携带的流控时间参数，根据流控时间参数（比如n_quanta）生成报文发送暂停时间。所述流控管理单元，用于比较自身的减压参数与设定的标准减压参数之间的差异，并在所述差异符合预设条件时相应调整所述报文发送暂停时间；其中所述减压参数表征接入终端减缓发送报文到所述接入交换机的能力。报文发送单元，用于根据所述报文发送暂停时间调整接入终端向接入交换机发送报文的节奏，并将当前暂停发送的报文存入缓存中。 

如前所述，本发明的主要目标是更为合理有效地减轻接入终端对于接入交换机的报文处理压力。在典型的应用中，在接入交换机下的多个接入终端可以构成一个二层网络，这些接入终端都是交换机报文处理压力的来源。在现有技术中，首先大部分接入终端并不支持响应交换机的流控帧，其次，由于接入终端各自为政，就算支持对流控帧的处理，效果也不佳。 

在本发明中，充分利用每个接入终端都有自身的减压参数这一特点来尽可能更好地去减轻接入交换机的报文处理压力。所述减压参数主要包括两个维度的参数，一个是接入终端的缓存能力参数，一个接入终端缓存能力越大，表明接入终端有能力在更长的时间内将报文缓存而不发送，缓存的报文越多，则交换机的压力就越小。假设两个接入终端A与B生产的数据是一样多的，但是接入终端A需要将数据发送多份，而接入终端B仅仅需要发送一份。此时，显然接入终端A对于交换机的压力更大，即发送压力更大。以接入终端为监控编码设备为例，通常监控编码设备会包括视频编码单元，其主要用于将模拟的视频流编码为数字视频流。在有些功能比较齐备的前端编码设备中，视频编码单元可以支持不同速率的编码操作（相当于视频编码单元提供不同的编码通道），产生不同速率的码流。每一路码流又可能会发送给多个接收 者。比如说，该编码设备的缓存大小为：8M字节，其当前有两个编码通道，通道1的编码速率为8Mbps，通道2的编码速率为2Mbps；而不同码流可能会进行多路发送，比如说通道1上有3路单播实况码流发送（相当于有多个接收者要看同样的实况视频），通道2上有2路单播实况码流对外发送。如果以缓存时间作为缓存能力参数，则缓存时间T1＝8MB*8/(8Mbps+2Mbps)=6.4s，而发送压力参数K则为实况发送速率/编码总速率，通过计算可知K=(3*8Mbps+2*2Mbps)/(8Mbps+2Mbps)=3.2。 

事实上，本领域普通技术人员可以根据产品的特点和实施场景的实际需要从缓存和发送两个维度选择各种实际参数来使用。比如缓存能力参数还可以为缓存时间或者缓存剩余时间，发送压力参数也可以为实际的数据发送速率。在符合多数应用场景的实施方式中，缓存能力参数可以采用缓存时间或者缓存剩余时间，缓存时间为接入终端的缓存大小/接入终端当前的数据生产速率，所述缓存剩余时间为缓存剩余大小/接入终端当前的数据生产速率。而发送压力参数可以采用接入终端的数据发送速率/接入终端的数据生产速率。假设接入终端为监控编码设备，其通常包括视频编码单元，主要用于将模拟视频流编码为数字视频流。此时前述的数据生产速率为视频流的编码速率。 

在本发明中，流控管理单元会对接入终端的报文发送暂停时间进行差异化管理，如果一个接入终端减压参数越高，则其可以暂停更多的时间。在一种基础的实施方式中，可以预先设定一个标准的减压参数，这个标准减压参数可以是管理员预先指定的或者开发者指定的，比如管理员根据各个接入终端的上的减压参数计算出来的，或者是管理员根据自身经验结合业务实际评估出来的。以最简单的一个方式为例，假设以缓存大小作为减压参数，管理员可以将各个接入终端的缓存的平均值作为标准减压参数。流控管理单元会比较自身的缓存大小与标准缓存大小的差异，如果没有差异，则可以不做任何调整。如果有差异则可以按照差异是否预定条件来进行相应调整。这里所说的预定条件非常灵活，举例来说，假如接入终端A和B的缓存大小分别为8MB和3MB，标准缓存大小为4MB；预定条件可以包括差异大于零或者差 异小于零，比如差异大于零时相应的调整具体为增大报文发送暂停时间；差异小于零时调整具体为减小报文发送暂停时间。 

在优选的实施方式中，流控管理单元还可以进行更为精细的管理。以上一段的例子为基础，假设预定条件包括差异大于一个预设的上限阈值（比如2MB），则相应的调整具体为按照预定的比例增加报文发送暂停时间，比如说变为原来1.5倍，假设预定条件包括差异大于一个预设的下限阈值（比如-2MB），则相应的调整具体为按照预定的比例减少报文发送暂停时间，比如说变为原来0.8倍。很明显接入终端A的暂停时间应该调整为原来的1.5倍，而接入终端B则不满足任何一个预定条件，所以不需要做任何调整。 

考虑到一些减压参数较大的接入终端会不断地被流控管理单元进行差异化调整而导致其缓存占有率越来越高，有可能会导致接入终端的缓存溢出而致使数据丢失的问题，因此本发明一种优选的实施方式中，流控管理单元在确定缓存占有率达到预设的警戒线时，进行反向调整。流控管理单元可以减小或者按照预定比例减小报文发送暂停时间。还是以上述例子为基础，假设接入终端A因为各种减压参数较大被流控管理单元调整进行了1.5倍的时间调整，由于接入终端A的缓存占有率达到了警戒线（比如90%），此时流控管理单元再引入一个反向调整因子，比如说0.5，那么此时调整后的报文发送暂停时间则为原来的0.75倍。 

在优选的实施方式中，所述标准减压参数由各个接入终端的参数协商单元通过组播的方式协商得到，由于接入交换机会将收到的组播报文在整个二层网络内都发送一份。因此本发明中各个接入终端可以使用预定的组播地址来发送组播报文，在组播报文中携带自身的减压参数，这样就可以实现二层网络中每个接入终端各自减压参数的交互。需要说明的是，这里预定的组播地址与流控帧中的目的组播地址不同，因为后者在标准中是一个特殊的组播地址，其会导致流控帧不会被交换机所转发。接下来，每个接入终端可以根据一个预定的算法（比如平均或者加权平均等）结合所有接入终端的减压参数计算出标准减压参数。由于每个接入终端都采用相同的算法，因此每个接 入终端计算出的标准减压参数相同。进一步来说，为了避免发送协商报文带来的过多开销，可以设定协商的启动条件，比如说接入终端的协商单元发现缓存的占有率达到一个预设的告警线（通常小于或等于前述警戒线）时，才启动前述协商过程。 

以下通过一个具体的实例来介绍本发明的在监控系统中的一种实际应用。请参考图4，首先管理员在监控网络中的接入交换机等各个网络设备上启用流控功能。当上级交换机（未图示）出现拥塞时，该上级交换机会向外发送流控帧，这回导致图4中的接入交换机收到流控帧后暂停发送报文，相当于拥塞自上而下传播到接入交换机，接入交换机可能会向多个接入终端（图4中的编码器EC）发送流控帧。EC收到接入交换机发送的流控帧时，提取其中的暂停时间长度参数m（相当于前述的流控时间参数），然后计算出对应的报文发送暂停时间n，并在暂停时长n内暂停报文发送。当时间长度n过后，EC重新开始向外发送报文。 

当EC在收到流控帧而进行报文发送暂停时，编码后的视频数据会累积于EC缓存中。随着暂停时间的增加，该数据不断占用缓存空间，码流大的EC会首先出现溢出的情况。为了进一步提高码流接入能力，此时处理如下：当有EC发现自身缓存占用率达到90%时，向外发送协商通告消息（该消息采用组播方式发送），通告消息中包含： 

缓存时间T:T＝编码缓存大小/当前总编码速率;比如说一个EC缓存为8MB，有两个通道，通道1的编码速率为8Mbps，通道2的编码速率为2Mbps，对于通道1有三个单播实况需要发送，通道2有两路单播实况需要发送。此时T＝8MB*8/(8Mbps+2Mbps)=6.4s≈6 

发送压力参数K：K＝实况总发送速率/总编码速率，上述例子中K=(3*8Mbps+2*2Mbps)/(8Mbps+2Mbps)=3.2≈3 

通告初始位标记：只有当EC自身缓存达到告警线才触发协商通告信息时该初始标记位才置1，否则置0。 

例如一个EC的MAC地址为（00:0f:5d:30:41:50），则通告消息的内容 可以参考表1的示例： 

通告消息内容	值
		目地地址	01-80-c2-00-00-02
源地址	00-0f-5d-30-41-50
		初始消息标记	1
缓存时间T	6
		发送压力参数K	3

表1 

请参考图5，当EC收到其他EC发送的协商通告消息时，记录该EC的各种减压参数形成记录表（请参考表2的示例），其中老化时间指明表项的有效时间，超过该时间如果该EC未更新信息，则删除该表项。 

EC地址	缓存时间t	比例因子k	老化时间（s）
				00-0f-5d-30-41-50	6	3	300
00-0f-5d-30-41-51	4	5	300
				00-0f-5d-30-41-52	2	1	300

表2 

同时如果EC发现该协商通告消息的初始消息标记位为1，则EC计算减压参数，并向外发送协商通告消息，该消息初始标记位为0，消息的格式请参考表3的示例。 

通告消息内容	例
		目地地址	01-80-c2-00-00-02
源地址	00-0f-5d-30-41-55
		初始消息标记	0
缓存时间T	5
		发送压力参数K	4

表3 

各个EC经过充分交互之后，各个EC上均会记录有其他各编码器的各种减压参数，此后EC再收到网络设备发送的流控帧时，通过所述记录表计算自身的报文发送暂停时间。 

计算方法示例：首先计算缓存时间的平均值AVGT，和发送压力参数平均值AVGK。假设调整前该EC的报文发送暂停时间为N。 

a.根据缓存时间进行调整： 

当自身的缓存时间T>=3/2*AVGT时，N增加一倍； 

当自身的缓存时间T在（3/4~3/2）*AVGT之间时，N不变； 

当自身的缓存时间T<3/4*AVGT时，N减半； 

b.再根据发送压力参数进行调整： 

当自身的发送压力参数K>=2*AVGK时，N增加一倍； 

当自身的发送压力参数K在[0.5~2）*AVGK之间时，N不变； 

当自身的发送压力参数K<0.5*AVGK时，N减半； 

c.再根据警戒线进行调整： 

当设自身的缓存>90%时，N减半。 

根据上述示例性的计算方法，下表中各EC调整后的报文发送暂停时间如表4所示： 

设备地址	缓存时间t	比例因子k	暂停时间
				00-0f-5d-30-41-50	6	3	2*1*N
00-0f-5d-30-41-51	4	5	1*2*N
				00-0f-5d-30-41-52	2	1	0.5*0.5*N

表4 

进一步来说，当某个EC的通道编码速率进行修改、或者新增/减少单播实况的监控时，这可能会导致EC的减压参数（主要是发送压力参数）发生变化，该EC重新统计自身的相关信息，向外发送通告消息，该消息中初始标记为0（并不需要收到的EC回应）。举例来说：假设表1中的EC新增加一个8Mbps的实况点播时，此时该EC的通告消息可参考表5所示： 

通告消息内容	例
		目地地址	01-80-c2-00-00-02
源地址	00-0f-5d-30-41-50
		初始消息标记	0
缓存时间T	6
		发送压力参数K	4

表5 

本发明将流控机制通过改造引入到接入终端上来，可以有效地根据接入终端的实际情况来差异化管理流控机制，使得一个二层网络中的多个接入终端能够在保证业务正常运作的前提下尽力地根据自身的实际情况去减轻接入交换机的报文处理压力，避免了报文在交换机上因为拥塞丢失，在监控网络 中的意义显著，可以让实况视频流在接入网络发送丢包的概率大大降低。而且本发明的改造成本较低，对于一些原来使用带流控功能芯片的EC来说，仅仅需要进行软件层面的升级即可实现。而且对于新开发的EC来说，由于带流控机制的芯片在采购和定制上的成本都比较低（因为是标准化的技术），而软件开发量又不大，因此总的开发以及采购成本的增加是设备提供商容易接受的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。 

Claims (10)

1.一种接入终端，与接入交换机相连，该接入终端包括流量控制单元以及流控管理单元，其特征在于：

流量控制单元，用于在接收到接入交换机发送的流控帧时，获取流控帧中携带的流控时间参数，根据流控时间参数生成报文发送暂停时间；

流控管理单元，用于比较自身的减压参数与设定的标准减压参数之间的差异，并在所述差异符合预设条件时相应调整所述报文发送暂停时间；其中所述减压参数表征接入终端减缓发送报文到所述接入交换机的能力。

报文发送单元，用于根据所述报文发送暂停时间调整接入终端向接入交换机发送报文的节奏，并将当前暂停发送的报文存入缓存中。

2.如权利要求1所述的接入终端，其特征在于，所述预设条件包括：差异大于零，所述调整具体为增加所述报文发送暂停时间；和/或所述预设条件包括：差异小于零，所述调整具体为减小所述报文发送暂停时间。

3.如权利要求1所述的接入终端，其特征在于，所述预设条件至少包括差异是否到达上限阈值或下限阈值，所述流控管理单元进一步用于在所述差异达到上限阈值或下限阈值时，相应按照预设的与该上限阈值或下限阈值对应调增比例增加或减小所述报文发送暂停时间。

4.如权利要求1所述的接入终端，其特征在于，所述减压参数为缓存能力参数或发送压力参数，所述缓存能力参数为缓存时间或者缓存剩余时间，所述缓存时间为接入终端的缓存大小/接入终端当前的数据生产速率，所述缓存剩余时间为缓存剩余大小/接入终端当前的数据生产速率，所述发送压力参数为接入终端的数据发送速率/接入终端的数据生产速率。

5.如权利要求4所述的接入终端，其特征在于，所述接入终端为监控编码设备，该接入终端还包括视频编码单元，用于将模拟视频流编码为数字视频流，其中所述数据生产速率为视频流的编码速率。

6.如权利要求1所述的接入终端，其特征在于，还包括：参数协商单元，用于进行标准减压参数协商，该协商过程包括：通过协商报文与所述其他接入终端交换各自的缓存参数，并结合自身的减压参数使用预定的算法计算出所述标准减压参数。

7.如权利要求6所述的接入终端，其特征在于，所述协商报文为组播报文，且该组播报文的目的组播地址不同与所述流控帧的目的组播地址。

8.如权利要求6所述的接入终端，其特征在于，所述参数协商单元，进一步用于在确定自身的缓存占有率达到预定的告警线时启动所述协商过程。

9.如权利要求6所述的接入终端，其特征在于，所述参数协商单元，进一步用于在自身的减压参数发生变化时，通过所述协商报文将变化后的减压参数发送给其他接入终端。

10.如权利要求1所述的接入终端，其特征在于，所述流控管理单元，进一步用于在确定自身的缓存占有率达到预定的警戒线时，减小或按照预定比率减小所述报文发送暂停时间。

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