CN1391757A - 通过操纵头部字段改进分组通信性能 - Google Patents

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Abstract

在包括头压缩的分组通信路径(18)中，改变要通信的分组的头字段。头字段(14)的改变不干扰它们的功能及其对于分组通信路径(18)的头压缩方案的透明。被改变的头字段(14)被提供用于利用头压缩方案的压缩，从而带来头压缩方案的改进性能。通过破坏在分组通信路径(18)上传输的分组中的头字段的完整性，也可以在不使用头压缩的分组通信路径(18)中实现性能改进。

Description

通过操纵头部字段改进分组通信性能
发明领域
本发明总体上涉及分组通信，更具体而言，本发明涉及通过操纵头部字段达到改进分组通信性能的目的。
发明背景
由于因特网取得巨大成功，采用基于多种不同类型分组通信链路的因特网协议，即IP(见Jon Postel，因特网协议，DARPA RFC 791，1981年9月，此处并入作为参考；和Steven Deering与RobertHinden，因特网协议，版本6(IPv6)规范，IETF RFC 2460，IETF IP下一代工作组，1998年12月，此处并入作为参考)已成为理想的但富有挑战性的任务。因特网协议通常和传输协议一起使用，传输协议包括比如传输控制协议，即TCP(见Jon Postel，传输控制协议，DARPARFC 761，1980年元月，此处并入作为参考)，用户数据报协议，即UDP(见Jon Postel，用户数据报协议，DARPA RFC 768，1980年8月，此处并入作为参考)，或者应用层协议，该协议称作实时传输协议，即RTP(见Henning Schulzrinne，Stephen L.Casner，Ron Frederick和Van Jacobson，RTP：实时应用的传输协议，IETF RFC 1889，IETF音频/视频传输工作组，1996年元月，此处并入作为参考)。
所有前述协议采用协议头部，该头部插入到每个数据报(分组)中。一个给定的协议头部包括不同字段，这些字段都具有相当重要的作用，因此，这些字段信息必须准确无误地传递到其最终目的地。
为了减少如无线链路的窄带点到点链路的头部开销，经常采用传统的头部压缩技术。头部压缩方案压缩协议头部所传送的信息量，从而减少使用窄带链路时所需的带宽总数。已压缩的头部在链路接收端被头部解压缩器完全重新构建，因此，头部压缩/解压缩过程不影响头部字段的完整性。
在每个路由器处重新计算和/或改变某些头部字段也很常见。这种重新计算/改变是这些头部字段有意设计进的功能之一。
发明内容
本发明认为，有些头部字段在头部压缩/解压缩操作中没有必要存在问题。下面举例说明这种字段及其为什么没有存在问题的必要。
因特网协议版本4(IPv4)的标识(ID)字段，常用来区分已分成多个分段的分组的不同部分。然而，IPv4规范仅仅要求发送方主机必须给ID字段提供一个值，且该值“在数据报存活于因特网系统期间对于源-目的对和协议唯一”。可以用许多众所周知的方法来遵循该要求，但是，本发明认为，为了进行头部压缩，最好以顺序递增的方式(下文中称作“流-序列”分配)来分配一个给定分组流的头部的ID字段值。其他有名的分配方案包括随机分配ID字段值，或对于来自任何给定主机的所有外出分组流采用普通计数器将顺序递增的值分配给ID字段(下文中称作“主机-序列”分配)。本发明认为，随机分配和主机-序列分配方案在头部压缩操作中都存在问题。
在头部压缩/解压缩方案中存在问题的另一个IP头部字段是存活期/跳数-限制(TTL/HL)字段。这个字段值在具体分组所走路径的每一跳中逐一递减。如果对应于相同分组流的分组在源和目的之间的不同路径间发生交替变化的话，那么TTL/HL字段值将在一个典型小数目的不同值间变化，这些值彼此没有太多的差异。通常，TTL/HL字段值每次发生变化时，必须由头部压缩器通过链路通知头部解压缩器。这将极其不利地限制头部压缩方案的理想性能，并且相应地增加所需的带宽。
本发明认为，鉴于上述情况，希望改进关于如上述的对头部压缩方案性能有问题的头部字段的头部压缩性能。
本发明通过有意破坏这种头部字段完整性的方式来改进关于有问题的头部字段的头部压缩性能，这种方式对头部压缩方案透明，且不干扰头部字段的功能。这种有意破坏头部字段完整性还可以有利地应用于不使用头部压缩的分组通信路径中。
附图简述
图1图示一个根据本发明的分组交换通信系统的示范部分。
图2图示图1中完整性已破坏的节点的一个示范实施例。
图3图示图2的字段处理器的一个示范实施例。
图4图示图3的TTL/HL字段滤波器的一个示范实施例。
图5图解能由图4的字段处理器实施例执行的示范操作。
图6图示图2的字段处理器的另一个示范实施例。
图7图示图6的判决逻辑的一个示范实施例。
图7A图示图7实施例的一个替代示范实施例。
图8图解能由图6和图7的字段处理器实施例执行的示范操作。
图8A图解能由图6和图7A的字段处理器实施例执行的示范操作。
图9图示图2的字段处理器的另一个示范实施例。
图9A具体图解图9的实施例。
图10图解能由图9的字段处理器实施例执行的示范操作。
具体实施方式
如前所述，传统的头部压缩/解压缩技术不破坏一个给定头部字段的完整性或者功能，这是因为这个头部字段在解压缩器端完全重新构建(至少理想地)。也如上所述，在每个路由器处重算/改变头部字段不破坏一个给定字段的功能或者完整性，这是因为这种重算/改变实际上是这个字段的一部分功能。
对头部字段的任何其他操纵，传统上都被禁止。这是基于两个常见理由：(1)避免破坏字段的完整性；和(2)避免干扰字段的功能。此外，由于理由(1)被当作是证明禁止头部字段操纵合法性的唯一理由，所以上述理由(2)实际上从未被考虑过。然而，本发明认为上述理由(2)是不操纵头部字段的唯一的基本理由，本发明因此总结出头部字段操纵及其导致破坏头部字段完整性在某些特殊情况下是能够被接受的，只要破坏头部字段完整性并不干扰头部字段的功能。这种头部字段操纵在此也称作功能透明头部字段操纵。
图1图示一个根据本发明的示范分组交换通信网的有关部分。图1中，HCN标明一个采用头部压缩技术的分组通信节点，并且HDN标明一个采用与节点HCN的头部压缩技术相对应的头部解压缩技术的分组通信节点。分组通信节点HCN和HDN通过数据路径15相耦合，这种数据路径比如一个像蜂窝无线链路这样的窄带点到点链路。在蜂窝无线链路例子中，能够以可操作地通过蜂窝无线链路通信的传统无线传送站来提供节点HCN，并且能够以可操作地通过蜂窝无线链路通信的传统无线接收站来提供节点HDN。这些在本领域的人员看来是显然的，节点HCN、HDN所代表的分组通信路径18和两者之间相耦合的数据路径15能作为任何类型的点到点分组通信路径来实施，这些点到点分组通信路径采用头部压缩/解压缩技术。
图1中也提供一个破坏节点13，该节点在11处接收输入分组流，操纵(改变)一个或多个分组的一个或多个头部字段以便破环一个或多个头部字段的完整性，并且在14处输出一个相应的已变的分组流，该分组流包括其完整性已破坏的已变的头部字段。14处的已变的分组流输出到节点HCN。分组流14处的已变的头部字段允许分组通信路径18中的性能改进，尤其是在头部压缩/解压缩操作时。破坏头部字段完整性对于分组通信路径18的头部压缩方案是透明的，并且已变的头部字段的功能不被相应的头部字段完整性的破坏所干扰。
从下列描述中显而易见，破坏节点13能作为一个单独的分组通信节点来实现，或被包括在节点HCN中，如图1虚线所示。
图2图示图1的破坏节点的一个示范实施例。在图2示范实施例中，分组流11输入到一个头部分离器22中，该分离器从分组流11的分组中分离出头部。头部分离器输出一个头部流，也输出一个由该头部分离所产生的有效载荷流。这个有效载荷流输入到一个有效载荷缓冲器28中，并且这个头部流输入到一个字段分离器24中。这个字段分离器24将该头部流的每个头部分离成其构成的字段。这些构成的头部字段流在21处被输出到处理部分26处的相应字段处理器。26处的一个或多个字段处理器改变对应的头部字段流的一个或多个头部字段。
在23处，处理部分26输出头部字段到一个头部装配器HA，其中有些头部字段被有关字段处理器改变过，HA将装配一个已变的头部流(包括其完整性已破坏的一个或多个字段)，这些已变的头部流来自于23处接收到的构成的头部字段流。在25处，这些已变的头部流输出到一个组合器27，该组合器将已变的头部流的头部和从有效载荷缓冲器28处接收到的被缓冲的有效载荷流的对应有效载荷组合起来。组合器27输出已变的分组流14，分组流14如图1所示。
为了适应26处字段处理器所作的任何字段改变，头部装配器HA能够重新计算任何校验和值(如IPv4校验和或UDP/TCP校验和)，这些校验和值覆盖已装配的头部的字段。可替代地，当一个字段已被改变，字段处理器能告知头部装配器HA(如图2的29处)，因此，头部装配器仅仅在必需时重新计算校验和。
图3图示图2的字段处理器的一个示范实施例。在图3的实施例中，由图2的字段分离器24在21处所输出的TTL/HL字段流，在30处被输出到滤波器31中，该滤波器对TTL/HL字段流的值进行平滑化处理。然后，滤波器31的输出被用到图3的头部装配器HA中。
图4图示图3的滤波器31的一个示范实施例。在30处接收到的TTL/HL字段流的每个新值被输入到缓冲器41、选择器42和比较器43中。在30处接收到的新值在43处与先前值作比较，这个先前值缓冲于41处。比较器43的输出，DIFF，代表TTL/HL字段的新值和TTL/HL字段的先前值之间的差值。这个差值DIFF被输入到另一个比较器45，该比较器将DIFF与图4中标明的THDIFF的阈值作比较。如果比较器43输出的差值超过这个阈值，那么，比较器45的输出46选取这个新值输出给图2的头部装配器HA。如果比较器43输出的差值低于阈值，那么，比较器45的输出46选取先前值(来自缓冲器41)输出给图2的头部装配器HA。
图5图示能由图4的滤波器实施例执行的示范操作。新值在51处被接收后，将在52处与先前值作比较以获得DIFF值。这个实施例中，DIFF是新值和先前值之间的差值的绝对值。之后，在53处判决DIFF值是否小于阈值THDIFF。如果小于的话，那么，上次值在54处替换掉新值，否则，新值提供给头部装配器HA(见图4的选择器42)。图4和图5的阈值THDIFF的一个示范值是THDIFF＝2。因而，只要TTH/HL字段值变化不超过2(这是经常发生的情况)，那么，滤波操作将置新值等于先前值，这样有利地减轻图2的节点HCN发送新值给节点HDN的需求，并且因此缩减头部开销需求。
图6图示图2的字段处理器的另一个示范实施例。从字段分离器24接收到的一连串校验和字段值(如UDP校验和值)在61处被输入到选择器62，选择器62的另一个输入63耦合为零值。选择器62的输出64耦合到图2的头部装配器HA。选择器62有一个控制输入65，该控制输入65由判决逻辑66根据在判决逻辑66的输入67和68处分别接收的误码率(BER)信息和有效载荷信息而驱动。
图7图示图6的判决逻辑66的一个示范实施例。在图7的实施例中，比较器71将数据路径15的误码率(BER)和阈值THBER作比较。也在图7中，比较器72将分组流11的有效载荷的比特错误灵敏度和阈值THSBNS作比较。比较器71的输出73和比较器72的输出74输入到与门75，该与门的输出控制图6的选择器62。传统地，输入给比较器71的BER由从如图1中的HDN节点到如图1中的HCN节点来提供。因而，BER容易从节点HCN提供到破坏节点13以便图7实施例使用。阈值THBER的一个例值是10-4。比较器72接收的有效载荷灵敏度信息依赖于相关负载类型，这些有效载荷灵敏度信息表示有效载荷对比特错误的灵敏度。阈值THSENS可根据理想性能经验地决定。
图8图示能由图6和图7的字段处理器实施例执行的示范操作。BER和有效载荷灵敏度信息在81处获取后，在82处判定BER是否超过阈值THBER。如果超过的话，那么在83处判定有效载荷灵敏度是否小于阈值THSENS。如果小于的话，那么判定逻辑66控制选择器62使得零值在63处作为校验和字段值输出至头部装配器HA。因此，比如，如果图1中15处的数据路径误码率相对高且分组流的有效载荷对比特错误相对不灵敏的话，那么，校验和字段通过其值被置为零而失效。这样就减少分组通信路径18的头部开销，并且也确保有效载荷错误的分组将被传送到目的应用。如果BER在82处不超过阈值或者如果有效载荷灵敏度在83处不低于阈值的话，那么，图6的选择器62将字段分离器24处所接收的校验和字段值直接传送至头部装配器HA(见图2)。
如图7A所示的另一个实施例中，图7的比较器72能被比较器72A替换掉，比较器72A接收表示有效载荷类型的信息，并且将该信息和具有低比特错误灵敏度的有效载荷类型(如一些实时数据应用)表作比较。如果比较器72A在这个低灵敏度类型表中找到这个有效载荷类型，那么输出74(见图7)被驱动为有效。这也在图8A的步骤83A中图示说明，该步骤用来替换掉图8的步骤83。
图6-8A的实施例也有利地用在不使用头部压缩的分组通信路径中。传递有效载荷错误的分组的上述益处，与分组通信路径是否使用头部压缩无关。
图9图示图2的字段处理器的另一个示范实施例。在图9的91处，来自字段分离器24的一连串ID字段值，如IPv4的ID字段值，被选择器92接收。选择器92响应于当前分配方案信号99而与选择器98协作，或者将未变的ID字段值路由至图2的头部装配器HA，或者通过映射器96将ID字段值路由至头部装配器HA，或者通过映射器97将ID字段值路由至头部装配器HA。
如果99处的当前分配方案信号表明当前的ID字段分配方案为流-顺序分配(图9中的SEQ)，那么，这个字段值在93处由选择器92路由到选择器98以输出至头部装配器HA。如果99处的当前分配方案信号表明当前的ID字段分配方案为随机分配，那么，ID字段值在94处由选择器92路由到随机映射器96，该随机映射器将随机分配的值映射成流-顺序值以便通过选择器98输出到图2的头部装配器HA。如果99处的当前分配方案控制信号表明当前的ID字段分配方案为主机-顺序分配(图9中的HOST-SEQ)，那么，ID字段值在95处由选择器92路由到主机-顺序映射器97，该主机-顺列映射器将来自其原始主机-顺列分配值的ID字段值映射成流顺序值以便通过选择器98输出至头部装配器HA。
图10图示能由图9的字段处理器实施例执行的示范操作。在100处判决当前的ID字段分配方案是流-顺序的、随机的还是主机-顺序的。如果当前方案是流-顺序(SEQ)，那么，ID字段值无需映射(对应于图9中的93处)。如果当前方案是主机-顺序(HOST-SEQ)，那么，在101处执行由主机-顺序分配到流-顺序分配的映射。如果当前方案是随机分配，那么，在102处执行由随机分配到流-顺序分配的映射。
图9(见99)和图10(见100)中图示的当前方案信息能通过比如在91处简单检查流的ID字段值来获得，这些方案信息表明当前的ID字段分配方案是序列的、随机的还是主机-顺序的。这样，适当数量的ID字段值能得到缓冲，如图9A所示，因此方案判决器90能检查缓冲过的字段值，并且从其中确定当前的方案。
比如当RTP作为应用层协议使用时，通过改变每个ID字段值来匹配对应的RTP序列号，就能够实现图示在96(图9)和102(图10)中的由随机ID字段分配到流-序列ID字段分配的上述映射。
上面参考图9和10可以看到，无论当前的ID字段分配方案是随机的还是主机-顺序的，两者在图1的节点HCN和HDN中都有问题，这种ID字段分配能映射成流-顺序ID字段分配，希望后者更好改进图1的分组通信路径18所使用的头部压缩方案的性能(比如需要更少的头部开销)。
尽管本发明的示范实施例已如上详述，但是这不限制本发明的范围，本发明能在多种实施例中实行。

Claims (31)

1.一种用来增强通过分组通信路径的分组通信性能的装置，包括：
一个输入，用来接收通过分组通信路径通信的分组的头部字段；
一种耦合到所述输入的字段处理器，用来破坏所述头部字段之一的完整性以产生完整性已破坏的头部字段；以及
一个耦合到所述字段处理器的输出，用于将所述完整性已破坏的头部字段输出到分组通信路径。
2.权利要求1的装置，其特征在于，其中字段处理器响应于分组通信路径的性能特征而破坏所述一个头部字段的完整性。
3.权利要求2的装置，其特征在于，其中所述性能特征包括分组通信路径的误码率。
4.权利要求1的装置，其特征在于，其中所述字段处理器响应于与所述一个头部字段相关的分组有效载荷的特征而破坏所述一个头部字段的完整性。
5.权利要求4的装置，其特征在于，其中所述特征包括分组有效载荷的比特错误灵敏度。
6.权利要求4的装置，其特征在于，其中所述字段处理器响应于分组通信路径的性能特征而破坏所述一个头部字段的完整性。
7.权利要求6的装置，其特征在于，其中所述性能特征包括分组通信路径的误码率。
8.权利要求7的装置，其特征在于，其中分组有效载荷的所述特征包括分组有效载荷的比特错误灵敏度。
9.权利要求8的装置，其特征在于，其中所述一个头部字段为校验和字段。
10.权利要求1的装置，其特征在于，其中所述分组通信路径包括无线链路。
11.一种增强通过分组通信路径的分组通信的性能的方法，包括：
接收通过分组通信路径通信的分组的头部字段；
破坏头部字段之一的完整性以产生完整性已破坏的头部字段；以及
将已破坏的头部字段输出到分组通信路径。
12.权利要求11的方法，其特征在于，其中所述破坏步骤包括响应于分组通信路径的性能特征而破坏所述一个头部字段的完整性。
13.权利要求12的方法，其特征在于，其中所述性能特征包括分组通信路径的误码率。
14.权利要求11的方法，其特征在于，其中所述破坏步骤包括响应于与所述一个头部字段相关的分组有效载荷的特征而破坏所述一个头部字段的完整性。
15.权利要求13的方法，其特征在于，其中所述特征包括分组有效载荷的比特错误灵敏度。
16.一种用来增强通过包括头部压缩器的分组通信路径的分组通信性能的装置，包括：
一个输入，用于接收通过分组通信路径通信的分组的头部字段；
一个耦合到所述输入的字段处理器，用来改变所述头部字段之一以产生已变头部字段；以及
一个耦合到所述字段处理器的输出，用来将所述已变头部字段输出到头部压缩器以压缩所述已变头部字段。
17.权利要求16的装置，其特征在于，其中所述头部字段处理器进一步用来选择性地改变所述一个头部字段并且选择性地将所述一个头部字段和所述已变头部字段之一提供给所述输出。
18.权利要求16的装置，其特征在于，其中所述字段处理器响应于所述头部字段中的另一个而改变所述一个头部字段。
19.权利要求18的装置，其特征在于，其中所述字段处理器响应于所述一个头部字段和所述另一个头部字段各自值之间的差值而改变所述一个头部字段。
20.权利要求19的装置，其特征在于，其中所述顺序接收一系列所述头部字段，并且所述字段处理器包括平滑滤波器，用于对与所述系列头部字段的头部字段分别相关的一系列头部字段值进行平滑操作。
21.权利要求18的装置，其特征在于，其中所述头部字段为一个存活期字段。
22.权利要求16的装置，其特征在于，其中所述字段处理器包括映射器，该映射器将与所述头部字段分别相关的多个第一值映射成相应的多个与所述头部字段分别相关的第二值，所述一个头部字段与所述第一值之一和所述第二值之一有关，所述一个第一值与所述一个第二值不同。
23.权利要求22的装置，其特征在于，其中所述头部字段是标识字段，用来识别通过分组通信路径传输的通信的多个部分，其中所述第一值被根据第一标识字段分配方案来分配，并且其中所述第二值对应于不同于所述第一标识字段分配方案的第二标识字段分配方案。
24.权利要求16的装置，其特征在于，其中所述分组通信路径包括无线链路。
25.一种用来增强通过包括头部压缩的分组通信路径的分组通信性能的方法，包括：
接收通过分组通信路径通信的分组的头部字段；
改变头部字段之一以产生已变头部字段；以及
将头部压缩用于已变头部字段。
26.权利要求25的方法，其特征在于，其中所述改变步骤包括选择性地改变所述一个头部字段，并且其中所述应用步骤包括将头部压缩选择性地用于所述头部字段和所述已变头部字段之一。
27.权利要求25的方法，其特征在于，其中所述改变步骤包括响应于所述头部字段的另一个而改变所述一个头部字段。
28.权利要求27的方法，其特征在于，其中所述改变步骤包括响应于所述一个头部字段和所述另一个头部字段的各自值之间的差值而改变所述一个头部字段。
29.权利要求28的方法，其特征在于，其中所述接收步骤包括接收一系列所述头部字段，并且其中所述改变步骤包括对于与所述接收的系列头部字段分别相关的一系列头部字段值进行平滑滤波操作。
30.权利要求25的方法，其特征在于，其中所述改变步骤包括将与所述头部字段分别相关的多个第一值映射成相应的多个与所述头部字段分别相关的第二值，所述一个头部字段与所述第一值之一和所述第二值之一相关，所述一个第一值与所述一个第二值不同。
31.权利要求30的方法，其特征在于，其中所述头部字段是标识字段，用来识别通过分组通信路径传输的通信的多个部分，其中所述第一值被依据第一标识字段分配方案来分配，并且其中所述映射步骤包括将所述多个第一值映射成多个与第二标识字段分配方案相对应的第二值，第二标识字段分配方案与所述第一标识字段分配方案不同。
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