CN1372747A - 实时应用程序的因特网协议堆栈 - Google Patents

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Abstract

一个源编码器调度其对一个网络IP(108)堆栈(104)的访问。在该调度时间区间(ΔT3)内,源编码器封锁非实时TCP和UDP包的传输。在至少一个实时包已通过堆栈(104)传输之后,源编码器允许非实时包访问物理层,直到下一调度时间区间的开始。从而,明显地减小了包传输延迟,这能显著增加吞吐量。

Description

实时应用程序的因特网协议堆栈
技术领域
本发明大体关于电信领域，具体的，有关一个适用于实时电信应用程序的因特网协议(Internet Protocol(IP))堆栈。
发明背景
目前，特别需要改善终端用户可察觉的实时通信质量。例如，与允许混合业务的基于报文的网络相连的、诸如音频或视频之类的实时应用程序的可察觉的通信质量需要提高。这种允许混合业务的基于报文的网络的一个好的例子是IP网络，该网络一般用于因特网和许多公司企业内部网。
现有技术
当今，IP网络上的通话实现已经发展为百万资产的产业，其中，诸如Microsoft，Intel，3Com之类的数字通信公司正在与诸如Ericsson，Nokia，Lucent之类的传统电信公司竞争，向网络操作员推销其产品。网络操作员不仅是传统的企业，例如Telia，Telstra，而且还包括进入该领域的新的企业，例如Delta Three和TelecomFinland，他们向终端用户提供IP网络上的低价电话业务。IP电话业务的低价位是由这样一个事实引起的，即，IP通信设备比传统的电路切换通信设备花费低。IP设备花费的降低归功于不同卖主所提供的IP产品的巨大的市场，并且IP设备只需较低复杂度的部件来完成其指定的任务。
一般的终端用户对使用电路切换网络的传统电话业务非常信任。这类业务的用户很少由于网络拥堵而掉线或阻塞呼叫。而且，这些传统电话业务的可察觉的质量也相当稳定。因此，IP网络电话业务要想与传统电话业务竞争，终端用户所接收的IP业务必须在可靠性和质量方面都与传统电话业务所提供的相类似。不过，如果能提供其它好处，例如，低价位或高移动性，则终端用户可以降低对可靠性和质量的考虑。事实上，在过去的几年中，高移动性是蜂窝电话领域迅速发展的主要原因。
从终端用户的观点考虑，所提供电话业务的可察觉质量是由源编码器和译码器之间的终端-终端延迟和包丢失决定的。尤其是，若一个包在到达译码器的过程中延迟超过了一个指定的时间段，就认为该包丢失了。因此，在所有的交互式应用中(例如，特别是电话)，希望保持终端-终端延迟尽可能小。当两个人互相交谈时，较短的延迟可以提高会话可能性。较短的延迟还可以降低所使用的回波消除器的复杂度，因为，与一个较短延迟相关联的回波对一个终端用户的干扰会较小。因此，只需较少的回波消除(即，低复杂度的消除算法)。例如，任何时候，只要在网络模拟部分的任何地方存在不匹配，就会出现回波。还有，在一个蜂窝电话的音频输出级(扬声器)和输入级(麦克风)之间的声学耦合也会引起回波。
于是，从一个音频输入级到一个音频输出级的端-端延迟可通过以下延迟预算来说明：(1)源编码器延迟(包括编码器预先估计)；(2)源编码器处理延迟；(3)源编码器分析数据组包延迟；(4)网络存取延迟；(5)网络传输延迟；(6)译码器拆包延迟；(7)译码器合成延迟。这七个延迟段中的每一个都会增加端-端延迟，并且，除了源编码器延迟(1)之外，其余所有的延迟段都会引入延迟的变化。在译码器端，一个终端应能补偿端-端延迟及延迟变化，否则，译码器端发送的包将会丢失。
用于IP网络的终端一般有IP堆栈，其实现见图1。如图1所示，有各种支持IP包(物理层)的网络，包括以太网(Ethernet)(最常用的IP包传输媒体)，异步传输模式(ATM)网，用于承载诸如移动全球通信系统(GSM)或通用分组射频业务(GPRS)的数据信道之类的无线网络。在物理层之上，IP(网络层)执行两种功能：选址和分段存储。
物理层之上是传输层。在该层，电信控制协议(TCP)在两个端点间是面向连接的，因此，支持在两个端点之间的链路上丢失的包的再传输。用户数据报(UDP)是无连接的，用于，例如，实时应用程序，其中，由于施加了实时要求，再传输已没有意义。
IP电话应用可在应用程序层执行。一个IP电话应用程序在传输层使用TCP执行一个呼叫建立进程，因为正确连接呼叫是很重要的。一旦建立了连接，应用程序切换过来，使用UDP实时传输语音包。因此，IP堆栈是一个终端的唯一资源，若干应用程序可通过使用传输层协议的寻址来共享IP堆栈。
具有一个IP堆栈实现的终端所存在的一个明显的问题是：堆栈是按先进先出(FIFO)方案工作的，会导致不期望的结果。例如，几个不同的应用可以共享同一堆栈。因此，与传输交互式语音包的UDP有不同的实时要求的TCP包，可通过网络堆栈延迟实时包的传输。特别是，在物理层有有限的带宽时，这一问题会恶化。
为举例说明这一点，假设一个终端被用在一个最大比特率为115kbits/s的GPRS系统中。并假设该终端被提供一个使用13kbits/s编码器/译码器(编译码器)的GSM(或类似系统)语音业务。每20ms，编译码器将语音数据组成260位的包以便在无线信道上传输。同时，终端用户启动一个数据文件在无线链路上的传输。如果获得一个合理负载所需的最大包长为132字节(压缩标题和应用程序数据分别为4字节和128字节)，则发射包含数据文件的包大约需要10ms。如果在语音包(有实时要求)到达IP堆栈之前，该数据包先到达，则该语音包的传输将被无必要地延迟。对于较低带宽的信道，或使用较大包的系统，语音包的这一附加传输延迟将更严重。事实上，与每个路由器跃距小于2ms的延迟要求或路由器间5-6us/km的传输速度相比，10ms的附加延迟相当大。如以下将详细介绍的，本发明成功解决了这些延迟问题和其它相关问题。
发明概要
按本发明的一个推荐实例，一个源编码器调度其对一个网络堆栈的访问。在这一调度时间内，源编码器封锁非实时TCP和UDP包的传输。在至少一个非实时包已通过堆栈传输之后，源编码器允许非实时包访问物理层，直到下一调度阶段的开始。
本发明的一个重要的技术优势在于：端-端延迟被显著减小了。
本发明的另一个重要的技术优势在于：包的丢失数量被最小化了。
还有，本发明的另一个重要的技术优势在于：吞吐量显著提高了。
结合附图，参照以下的详细介绍，将会对本发明的方法和装置有一个更全面的了解。
附图简介
图1是一个常规的IP堆栈图，它可用于一个IP网络中的终端；
图2举例说明了一个有助于理解本发明的信号；
图3举例说明了一个编码器将语音信号组帧，编码，包装成一个用于传输到接收端的数据报文所花费的时间。
图4是一个例证IP设备的方块图，它可以和一个源编码器一起使用，或由一个源编码器使用，以实现本发明的一个推荐实例。
详细描述
参照图1-4，可以最好地理解本发明推荐实例及其优点，图中，类似的数字表示各图中类似或相对应的部分。
按本发明推荐实例，一个源编码器必须调度其对一个网络堆栈的使用。在该调度期间，源编码器封锁非实时TCP和UDP包的传输。在至少一个实时包已通过堆栈传输之后，源编码器允许非实时包访问物理层，直到下一调度阶段的开始。
图2举例说明了一个有助于理解本发明的信号。参照图2，一个编码器(未明确表示出)将连续的语音信号分段为多个帧(一般20-30ms)。每个帧都由一组语音参数编码，随后被发射给接收端(译码器)。这一阶段是编码器将语音帧处理为语音参数，并将这些语音参数打包成便于向接收端传输的数据报文所花费的时间数量。图3举例说明了这一过程的时序。
参照图3，应该理解，用于将一个语音帧处理为语音参数的时间是可变的。例如，假设组帧过程(10)在时间T0秒开始。照此，将一个语音帧处理为语音参数(20)的时间可表示为T1+ΔT1秒。将语音参数打包为数据报文所花费的时间(30)是可变的，可以表示为T2+ΔT2秒。还有，将数据报文发送给接收端(译码器)的传输时间(40)是可变的，由所发射的报文大小决定。因此，按本发明，由T1+ΔT1+T2+ΔT2所表示的传输单元在ΔT3的时间长度内不被封锁。因为组帧过程是周期性的，图3所示的网络调度可以连续重复多个帧。按本发明进行以上所述的调度的结果是，实时数据可被尽可能快地安排并传输到网络。
图4是一个例证IP设备(100)的方决图，它可以和一个源编码器一起使用，或由一个源编码器使用，以实现本发明的一个推荐实例。对于这一实例，例证IP设备100可由一个编码器(未明确示出)以软件和/或硬件的形式实现。如图所示，IP设备100包括一个软件执行的应用程序102，它主要是将用户输入数据101(一般是语音信息)组帧和编码。应用程序102与一个IP堆栈104连接，主要用来将编码参数(例如语音参数)分组并形成至少一个数据报文用于传输。IP堆栈104与一个物理网络设备106连接，用于将IP设备与物理网络(例如IP网络108)连接。特别是，应用程序102还利用由控制线107传送的控制信息来控制物理设备106。以这种方式，按本发明的一种推荐实例，应用程序102使源编码器调度其对网络堆栈的访问，并在该调度时间区间内，封锁非实时报文(例如TCP和UDP报文)的传输。一旦一个实时报文(例如包含语音)已经过堆栈传输，则应用程序102控制网络设备106再次允许非实时报文访问物理堆栈，至少直到下一个调度封锁期间的开始。
例如，源编码器可以将编码器的调度优先权(例如报文间隔和最大的可允许局部延迟变化)通知IP设备100(通过应用程序102)。通过将该优先权与所观察到的实时包经网络的传输时间(例如，使用从译码器反馈回来的信息)进行比较，应用程序可利用这一信息来调度下一实时报文的传输时间。在这方面，可以实时地执行不止一个应用程序。从而，可以区分实时应用程序的不同资源(例如，通过分析区分实时资源的传输协议标题)，并且，源编码器可以分别地调度每个实时应用程序的访问。如果在同一时间，有两个或多个实时业务被安排访问网络堆栈，则可以使用以下优先方案，例如：优先级1-语音；优先级2-视频；优先级3-其它实时业务。
另外一种调度方案时，源编码器可以将直到一个实时报文到达网络堆栈为止时所剩余的时间数量通知(通过应用程序102)网络堆栈。有了这一直接的时间信息，应用程序可以调度该实时报文对网络堆栈的访问。
尽管以上已结合附图和详细的说明例证了本发明方法和设备的一个推荐实例，但应该理解，本发明并不局限于所介绍的实例，本发明可以有各种的重组，修改和替换，而并不脱离以下权利要求中所定义和列出的本发明的实质精神。

Claims (10)

1.一种用于调度电信网络堆栈中传输包的方法，包括以下步骤：
选择一个预定的时间间隔；
在所述选定的预定时间间隔区间内，封锁一个非实时包的传输；并
若确定在所述选定的预定时间间隔区间内，至少一个实时包已通过所述网络堆栈传输，则允许至少所述非实时包之一访问所述网络堆栈的一个物理层。
2.权利要求1的方法，其中所述电信网络堆栈包含一个IP网络堆栈。
3.权利要求1的方法，其中所述选择步骤包括以下步骤：
将至少一个预定的调度属性与一个测量包传输时间进行比较；并
根据所述比较步骤选择所述预定时间间隔。
4.权利要求3的方法，其中所述包包括所述实时包。
5.权利要求1的方法，其中所述选择步骤包括以下步骤：
估算所述至少一个实时包到达所述网络堆栈所需的时间；并
根据所述估算步骤选择所述预定时间间隔。
6.一种用于调度电信网络中包传输的设备，包括：
一个应用程序单元；
一个与所述应用程序单元连接的协议堆栈；和
一个与所述协议堆栈和所述应用程序单元连接的物理网络设备，其中，所述应用程序单元还包括：
用于选择一个预定的时间间隔的设备；
用于在所述选定的预定时间间隔区间内，封锁一个非实时包的传输的设备；和
启动设备，若确定在所述选定的预定时间间隔区间内，至少一个实时包已通过所述网络堆栈传输，则允许至少所述非实时包之一访问所述网络堆栈的一个物理层。
7.权利要求6的设备，其中所述电信网络包含一个IP网络。
8.权利要求6的设备，其中所述用于选择的设备包括：
用于将至少一个预定的调度优先权与一个被测的包传输时间进行比较的设备；和
用于根据所述比较设备的输出选择所述预定时间间隔的设备。
9.权利要求8的设备，其中所述包包括所述实时包。
10.权利要求8的设备，其中所述选择设备包括：
用于估算所述至少一个实时包到达所述网络堆栈所需的时间的设备；和
用于根据所述估算设备的输出选择所述预定时间间隔的设备。
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