CN1394424A - 在因特网兼容的双向通信系统中的应用操作 - Google Patents

在因特网兼容的双向通信系统中的应用操作 Download PDF

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Abstract

一种系统使得诸如调制解调器的一种双向通信装置能够便利在该调制解调器和附接的PC之间的本地通信，并使得该PC能够进行同时的因特网和本地通信。一种双向通信系统使用了用于利用分层通信协议(如包括因特网协议(IP)和媒体访问控制(MAC)层)在不同网络之间无缝通信分组数据的一种方法。该方法包含将在第一协议层中的一个接收的IP分组目的地址与一个预定的IP地址相比较来确定是否存在地址匹配。在存在这样的地址匹配的时候，所接收到的IP分组的有效载荷被通过以一个第二协议层地址替代一个所接收的第二协议层地址(如一个MAC地址)而从因特网网络转发局部网。在另一个特征中，响应于接收到所述转发的有效载荷数据，启动第二应用(如外围设备控制)来与第一应用(如万维网上浏览)同时运行。

Description

在因特网兼容的双向通信系统中的应用操作
                         技术领域
本发明涉及适合于选择数据路由和启动在电缆调制解调器、计算机、电视、VCR(盒式录象机)或相关的外围设备的应用的一种双向因特网兼容通信系统和用户接口。
                        背景技术
家庭娱乐系统日益包括个人计算机和电视功能(PC/TV功能)，其中包含多信源和多接收点通信。这样的系统可以从卫星或地面信源接收数据，其中包括高清晰度电视(HDTV)广播、微波多点分布系统(MMDS)广播和数字视频广播(DVB)。这样的系统也可以例如通过广播链路或使用电缆调制解调器的同轴链路(有线电视线路)、或者经由使用ADSL或ISDN(非对称数字用户线路或综合业务数字网)兼容调制解调器的电话线链路而提供高速因特网接入。家庭娱乐系统也可以利用不同的通信网络与本地设备通信。这样的本地设备包括数字视频光盘(DVD)、CDROM、VHS和数字VHS(DVHSTM)型播放机、PC、机顶盒和许多其他类型的设备。
对于支持利用电缆或其他类型的调制解调器进行因特网兼容双向通信的家庭娱乐系统所期望的是，能够与在不同网络上的联网设备无缝地通信。例如，这样的家庭娱乐系统可以在以太网、家庭电话联网联盟(HPNA)或通用串行总线(USB)局部网上通信。这些要求和有关的问题通过按照本发明的一种系统进行处理。
                            发明内容
一种双向通信系统使用了用于利用分层通信协议(如包括因特网协议(IP)和媒体访问控制(MAC)层)在不同网络之间无缝通信分组数据的一种方法。该方法包含将在第一协议层中的一个接收的IP分组目的地址与一个预定的IP地址相比较来确定是否存在地址匹配。在存在这样的地址匹配的时候，所接收到的IP分组的有效载荷被通过以一个第二协议层地址替代一个所接收的第二协议层地址(如一个MAC地址)而从因特网网络转发局部网。在另一个特征中，响应于接收到所述转发的有效载荷数据，启动第二应用(如外围设备控制)来与第一应用(如万维网上浏览)同时运行。
                      附图说明
在附图中：
图1提供了按照本发明的一种分组交换的网络的简化概图，所述网络包含远程定位的电缆公司头端设备、一用户所有的或租用的电缆调制解调器和它的附接的用户宅内设备(CPE)。
图2示出了按照本发明的一种电缆调制解调器系统。
图3示出了按照本发明的用于在因特网和局部网之间无缝通信数据的一种双向通信系统中的一种方法的流程图。
图4示出了按照本发明的提供在射频和用户宅内设备(CPE)接口之间的双向网络桥接通信的一种示范电缆调制解调器。
图5示出了按照本发明的图4的电缆调制解调器，包括用于执行语法分析和分组分类以及用于编辑媒体访问控制(MAC)数据链路层分组的一过滤器。
图6示出了按照本发明的、在一个接口接收并发往另一个接口的IP层分组的MAC层封装。
图7示出了按照本发明的在双向通信系统中使用的分层通信协议。
                            具体实施方式
一种双向通信系统(如电缆调制解调器)支持利用分层组织的通信协议在不同网络之间无缝通信分组数据。在该电缆调制解调器系统中有益地并入了一种分组分类器和MAC帧首标编辑功能(一种网络过滤器)，以便支持通过附接的调制解调器上的诸如PC的用户宅内设备(CPE)的本地应用的运行。这样的应用可以包括，例如，(a)家用设备控制，如热控制，(b)外围设备控制，如TV或VCR或DVD控制，(c)通信功能，如在家庭中的不同设备之间，(d)诊断功能，如电缆调制解调器诊断功能，和(e)安全专用因特网或内联网通信功能，如在不同家庭PC之间的电子邮件。在电缆调制解调器中的网络过滤器的使用使得在局部网(如以太网、USB或HPNA网络)上的用户宅内设备能够利用包括多个协议层的分层组织的通信协议通过该调制解调器而直接交换数据。这些层可以包括例如因特网协议(IP)和媒体访问控制(MAC)层。
在调制解调器中使用网络过滤器也有益地去除了附接的PC中的手动配置操作，并使下列的同时通信成为可能：(a)在PC和因特网之间，和(b)在PC和电缆调制解调器之间。在PC和调制解调器之间的通信被用于支持本地的应用，如诊断应用，它可以参照图1的系统来说明。图1的系统包括分组交换的网络，其中包含远程定位的MSO(多系统操作员)电缆公司头端设备90、用户拥有或租用的电缆调制解调器12和它的附接用户宅内设备(CPE)95。作为说明，在图1的系统中，CPE设备之一95通过电缆调制解调器12和头端设备90与因特网通信，并同时从调制解调器12下载诊断信息。典型的头端设备90提供因特网服务提供商(ISP)功能，以便CPE设备95可以与因特网连接、浏览万维网、执行FTP文件传输和交换电子邮件等。
系统的电缆调制解调器12完成包含例如诸如多诊断应用的本地通信的应用。诊断应用利用被限定为特殊的固定值的网络IP地址(与分配到系统12的IP地址不同)由头端90的多系统操作员(MSO)与CPE设备95通信。并且，CPE 95一般位于与诊断应用不同的逻辑网络或子网络上。结果，在下列中存在问题：(a)配置CPE网络参数来支持在调制解调器系统12和CPE 95之间的本地通信，(b)保持在CPE 95和通过头端90访问的远程信源之间的因特网通信(如用于万维网浏览)，同时保持在系统12和CPE 95之间用于本地(如诊断)应用的通信。具体而言，为了使得CPE 95能够访问在系统12中的诊断信息，有必要将CPE 95配置在与系统12诊断应用所使用的相同的逻辑网络上。解决这种问题的一种方式是暂时重新配置CPE 95网络地址以便CPE设备位于与调制解调器诊断应用相同的网络上。这保证了CPE 95和系统12从网络协议的角度上直接相连。但是，这样的配置操作是重要和易于出错的任务，要求用户确定有效的网络地址和子网掩码，并要求用户遵循详细的步骤来在CPE设备中输入配置值和激活它们。为了在微软视窗PC上设定一个固定的网络地址，要求用户输入它的网络建立控制菜单、改变现有的选项、输入正确的参数和重新启动PC。此操作需要可能超出大多数PC熟练人群的能力。而且，一旦CPE网络地址已经为此而被固定，则CPE设备不再位于与头端相同的逻辑网络上，CPE设备(如PC)不能同时浏览因特网或交换电子邮件。
图2的系统12的示范实施例通过有利地并入一个分组分类器和MAC帧首标编辑功能(网络过滤器)而解决了这些问题。这消除了手动固定CPE设备的网络地址以便例如执行诸如与电缆调制解调器12交换诊断数据的本地网络功能的需要。这也允许CPE设备在交换调制解调器诊断数据的同时浏览万维网。图2的系统12支持在因特网(通过CATV头端)和局域网(LAN)设备(包括PC)之间的电缆调制解调器桥接通信。而且，在系统12和CATV头端之间的双向通信按照图7所示的多层协议格式进行。
图7所示的多层协议格式包含QAM(正交调幅)或QPSK(四相移键控调制)物理层629，用于在系统12和头端之间的上行通信(通过图2的线路10)。此物理层传输用于传输DOCSIS MAC数据帧的MPEG2(活动图象专家组)传送协议数据631。MAC数据传输以太网-II/802.3逻辑链路控制数据帧633或MAC管理数据，而以太网数据传输IP层数据。电缆调制解调器也使用用于按照以太网协议的返回数据的时分复用通信的分层有序协议层633、631和629来保持一条向CATV头端的返回路径。
从CATV头端向电缆调制解调器传输的包括物理层数据被处理用于由以太网透明链路层桥路617使用802.3以太网数据帧进行以太网通信，或者被USB/MAC层623转换为USB或HPNA格式。在通过端口72(图2)以以太网格式通信中，由桥路617提供的以太网-II/802.3数据619被封装为MAC层数据623，用于以以太网-II/802.3物理层格式626向端口72上附接的LAN设备通信。类似地，在分别通过端口82和77(图2)以USB和HPNA格式的通信中，由桥路617提供的以太网-II/802.3数据619被以USB MAC层或HPNAMAC层数据帧623来封装，用于以USB或HPNA物理层格式626向在端口82和77的附接的LAN设备通信。
电缆调制解调器以相应的以太网、USB或HPNA协议保持与LAN设备的双向通信并从这些设备接收数据。在其他的实施例中，系统12可以通过包括802.11和“蓝牙”数据链路的其他方法保持与LAN设备的双向通信。
从CATV头端和附接的CPE设备接收的数据可以被桥接到(前送到)相对的接口或传输到TCP/IP栈615(图7)。TCP/IP栈615在链路层桥路617和由内部软件应用使用的套接字应用程序接口(API)之间的通信中提供数据的协议分层和去分层。内部软件应用包括SNMP(系统网络管理协议)应用605、DHCP(动态主机配置协议)应用607、HTTP服务程序609、诊断应用611和ATE(自动测试设备)服务程序613。
在此说明的电缆调制解调器使用了与MPEG2图象编码标准一致的MPEG兼容协议，被称为“MPEG标准”。该标准包括系统编码部分(1994年6月10日的ISO/IEC 13818-1)和视频编码部分(1995年1月20日的ISO/IEC13818-2)。这里所述的因特网TCP/IP(传输控制协议/因特网协议)和以太网兼容协议提供与国际电信联盟(ITU)1998年3月批准的、并在RFC 2669(征求意见文件2669)中规定的多媒体电缆网络系统(MCNS)初步要求和DOCSIS1.0(电缆上数据服务接口规范1.0)要求的兼容性。RFC文件可以通过因特网获得，由因特网标准工作组准备。
本发明的原理可以应用到任何双向通信系统，而不限定到电缆、ADSL、ISDN或传统类型的调制解调器。而且，所公开的系统处理来自多个因特网信源的因特网协议(IP)数据，包括例如成流的视频或音频数据、电话消息、计算机程序、电子邮件或其他分组的数据或通信。
图2的电缆调制解调器(系统12)通过在线路10上的一双向宽带高速RF链路与CATV头端通信，它一般包括同轴电缆或混合光纤/同轴(HFC)。调制解调器系统12与位于局域网(LAN)的用户站点的设备双向通信。典型的用户侧局域网包括通过连接器72附接的Digital/Intel/Xerox以太网兼容网络。其他用户侧设备通过分别经由连接器82和77附接的通用串行总线(USB)或HPNA兼容网络通信。附接在以太网、HPNA和USB网络上的用户设备可以包括诸如个人计算机(PC)、网络打印机、视频接收器、音频接收器、VCR、DVD、扫描器、复印机、电话、传真机和家用设备的设备。
在操作中，图2的电缆调制解调器系统12的双工器20将通过电缆线10传输的下行通信(从CATV头端向调制解调器12发送)与上行通信(从调制解调器12向CATV头端发送)分离。双工器20根据上行数据(一般5-42MHz)和下行数据(一般92-855MHz)分别使用的不同频率范围将下行数据与上行数据分离。控制器60配置图2的电缆调制解调器12的元件来在电缆线10上从CATV头端接收MPEG2传输数据，并将该数据转换为以太网、USB或HPNA兼容的格式来用于分别经由端口72、82和77输出。类似地，控制器60配置图2的电缆调制解调器12的元件以从端口72、82和77接收以太网、USB或HPNA兼容的数据和将MPEG2传输协议数据转换和传向在电缆10上的CATV头端。控制器60利用双向数据和控制信号总线通过设置在系统12的元件内的控制寄存器的值而配置这些元件。具体而言，控制器60配置调谐器15、表面声波滤波器25、差分放大器30和MCNS(多媒体电缆网络系统)接口装置35来接收先前识别的RF信道频率的DOCSIS格式化信号。该DOCSIS格式化信号包括传输包含IP数据内容的以太网兼容数据帧的MPEG2传输协议格式。
控制器60使用初始化处理以确定调谐器15被配置来接收的RF信道频率。该初始化处理包括反复调谐到连续的侯选RF信道频率直到获得一个DOCSIS兼容信号。控制器60通过MCNS接口处理器35对于所接收的数据的成功解码和根据对于被解码的数据的相应的可接受的出错率来识别在侯选信道上的DOCSIS兼容信号。在初始化处理中，控制器60与MCNS接口35、放大器85和RF变换器87一起，也向CATV头端发送上行数据，用于多种目的，包括自适应地和反复地调节上行和下行通信参数。这些参数包括例如电缆调制解调器传输功率电平和定时偏移。
在初始化后和在正常的运行中，RF载波被通过64或256 QAM(正交调幅)以MPEG2传输协议数据来调制。该MPEG2传输数据包括以太网格式化数据，而该数据又包括例如表示用户请求的HTML(超文本标记语言)网页的IP数据。该MPEG传输数据被从双工器20提供给调谐器15。调谐器15将来自双工器20的输入信号向下转换为更低频带，它被表面声波滤波器25滤波以增强与相邻RF信道的信号隔离。从单元25被过滤的信号被差分放大器30电平移动和缓冲以提供与MCNS接口处理器35兼容的信号。所产生的从放大器30向下转换和电平移动的信号被MCNS处理器35解调。此解调的数据被在处理器35中进一步网格解码、映射到列式字节数据段中、去交织和里德-索罗蒙纠错。网格解码、去交织和里德-索罗蒙纠错是公知的功能，例如在参考文献Lee和Messerschmidt的《数字通信》(Kluwer学术出版社，美国麻萨诸塞州波士顿，1988年)中得到说明。处理器35进一步将MPEG2格式数据转换为提供到控制器60的以太网数据帧。
控制器60利用从CATV头端配置的过滤器来语法分析和过滤来自单元35的以太网兼容的数据。这些由控制器60实现的过滤器将在输入的由单元35提供的以太网帧分组中的数据标识与从CATV头端预装入的标识值相匹配。该标识值在先前执行的初始化或配置操作中被预装。通过这种手段，控制器60实现数据准入控制功能，向本地局域网设备提供选出的数据并丢弃其他选出的数据内容。此可配置过滤器系统可以被有益地用于根据用于多个目的在输入数据中的元数据项来过滤数据，包括根据(a)对于母体或其他块控制的内容等级，(b)预定的用户爱好，用于瞄准广告和“推销内容(push-content)”，(c)防火墙过滤，(d)信源身份，(e)数据搜索功能。被过滤的以太网兼容串行数据被通过以太网接口65、过滤器和隔离变换器70和端口72向PC通信。接口65缓冲和调节来自控制器60的数据以通过单元70过滤和变换，用于通过端口72输出到PC。
以类似的方式，控制器60转换和过滤来自处理器35的数据(以以太网MAC帧的形式传输)，用于通过端口82以USB格式输出或通过端口77以HPNA格式输出。USB数据在输出到与端口82相连的USB兼容LAN设备之前被收发信机75缓冲，并被噪音和干扰抑制(EMI/ESD)过滤器80过滤。类似地，HPNA数据在输出到与端口77连接的HPNA兼容LAN装置之前被接口62调节和收发信机放大器67缓冲。
调制解调器系统12也向CATV头端通信来自例如附接的PC的上行数据。为此，系统12的控制器60经由端口72、接口65和滤波器/隔离变换器70接收来自附接的PC的以太网兼容的数据，并将其提供到处理器35。处理器35通过16QAM或QPSK(四相移键控调制)以所接收的以太网格式数据调制RF载波。所产生的调制数据经由放大器85、变换器87和双工器20被时分复用到电缆线10，用于上行通信。放大器85向CATV头端以在先前所述的初始化过程中所选择的合适的功率电平来输出数据。变换器87在调制解调器12发生故障的时候或在在调制解调器中或在附接的装置中发生本地产生的噪音的时候提供故障和噪音隔离的等级。
以类似的方式，电缆调制解调器12也从经由USB端口82或经由HPNA端口77附接的装置通信上行数据。在一个示范的实现方式中，系统12的控制器60从收发信机75接收以太网兼容数据，并将其提供到处理器35，用于以前述的方式进行上行通信。为了这个目的，收发信机75通过过滤器80从端口82接收在USB帧中封装的以太网数据，并去除该USB帧数据以向控制器60提供以太网格式数据。类似地，接口62经由收发信机67从端口77接收在HPNA格式中封装的数据，并向控制器60提供以太网格式数据。
控制器60也响应于通/断和复位开关90和执行除了上述以外的多种功能。控制器60利用从CATV头端提供的配置信息配置调制解调器12参数。控制器60也引导系统12将上行数据同步和多路复用到电缆线10上，并实现控制上行数据业务量的速率限制。而且，控制器60双向过滤所接收的数据和向附接在端口72、77和82上的CATV头端或LAN设备提供所选择的数据。控制器60也支持与CATV头端的数据测距通信。该数据测距通信由CATV头端启动，包括连续但是间断的对于各个调制解调器的轮询，以判定状态和识别调制解调器或线路的故障。
系统12也在控制器60的指导下使用一个网络过滤器操作，以便有益地截收分组(来自一个CPE设备，以CATV头端为目的地)和以调制解调器系统12的诊断接口MAC地址来替代目的MAC地址。这导致分组被引导到TCP/IP栈(图7的栈615)而不是CATV头端，并使得调制解调器系统12看起来与所附接的CPE设备位于同一逻辑网络。此截收机制和外观的直接连接解决了前述的问题：(a)配置网络参数来支持在调制解调器系统12和所附接的CPE设备之间的本地通信，和(b)保持在CPE设备和以太网之间的通过系统12的以太网通信，同时保持在系统12和CPE设备之间的通信，用于本地的应用，例如诊断应用。
这些问题的引起是因为，在系统12中被分配用于诸如诊断应用的本地应用的IP地址被限定为一个固定的值。这样的限制的发生原因例如是，因为专用设备源规范要求如此，或因为诸如IANA(以太网赋号管理局)的另一个组织已经定义了固定的值或固定范围的预定的值作为具体任务的地址。例如，IANA已经定义了IP地址范围192.168.xx.xx作为少量的本地专用网络之一，它应当被分配到一个真实的公共网络。因此，过滤通过CATV头端接收的因特网业务数据的网关路由器丢弃具有192.168.xx.xx目的IP地址的业务。如此作为，除非路由器已经被特别配置为路由选择192.168.xx.xx分组，而这是不可能的。
下面具体说明如何因为对于特殊的应用需要保留固定的、非公用IP地址而导致问题。首先，假定IP地址192.168.100.1已经被分配用于电缆调制解调器诊断应用。并且假定一个附接的CPE设备被从头端DHCP服务器分配了一个动态IP地址172.10.2.65。希望浏览调制解调器诊断网页(在192.168.100.1)的附接CPE设备的用户通过位于CPE设备中的一个万维网浏览器输入系统12的一个相应的URL，如www.rca_modem.com。由该浏览器产生的因特网域名解析请求被CPE设备提交到系统12，用于将用户输入的域名转发和翻译为所请求网页的来源的相应的IP地址。系统12中的截收域名服务器有益地截收域名解析请求和使用一个截收域名数据库来将所截收的域名(在此为www.rca_modem.com)翻译为一个IP兼容的地址和向请求的CPE设备回报该IP地址(在此为192.168.100.1)。
但是，CPE设备不能直接地向所识别的IP地址192.168.100.1发送分组。这是因为，如前所述，CPE的分配IP地址是172.10.2.65，因此CPE不驻留在与系统12(IP地址192.168.100.1)的诊断应用相同的逻辑网络中。结果，CPE转发所述分组给头端，网关路由器确定向哪里发送它们。为此，CPE设备在一个以太网MAC帧——其目的地MAC地址是在CATV头端的网关路由器的地址——中封装以192.168.100.1为目的地的IP分组。不幸的是，所述网关路由器不了解调制解调器内部诊断IP地址的情况，因为IANA已经指定IP地址范围192.168.xx.xx为不在公共因特网中使用的本地子网。因此，来自系统12的IP分组对所述网关路由器看起来是在一个本地的、无效的子网上，因此网关路由器丢弃它们。因此，CPE设备不能与系统12诊断应用通信。
控制器60(图2)与系统12结合，使用用于解决上述通信问题的图3的方法来便利在系统12和附接的CPE设备之间的本地通信以及使得CPE设备能够执行同时的因特网和本地通信。在图3的步骤403，跟随着步骤400的开始，控制器60检查目的地为CATV头端的在以太网-II/802.3 MAC层数据(图7的层619)的IP首标部分中的接收的IP分组目的地址。因此，控制器60确定是否该接收的IP分组目的地址与一个预定的IP地址匹配。具体而言，控制器60确定是否所接收的地址是在被指定用于专用或非公用因特网用途的一个或多个地址的类别中，如指定的电缆调制解调器诊断应用地址192.168.100.1。在此示范的电缆调制解调器系统中，此诊断网络地址属于一个IEEE本地专用网络特别类型，包括10.x.x.x、172.16.0.0至172.31.255.255和192.168.x.x地址类别。如前所述，诊断应用地址与系统12的标准网络地址(IP地址172.10.2.65)不同。此系统12标准网络地址由DHCP客户应用(图7的607项)所动态要求，并由SNMP代理应用(图7的605项)使用。为了防止对因特网服务的未经授权的访问，CATV头端操作员一般不泄露调制解调器的网络地址。在步骤403缺少IP地址匹配的情况下，所接收的IP分组的有效载荷数据被传输给所接收的MAC地址目的地。
在图3的步骤405中，随着步骤403的地址匹配，控制器60改发具有目的地为CATV头端和因特网的诊断IP地址192.168.100.1的IP分组的有效载荷。控制器60逐个分组地向系统12本地网络诊断应用(图7的应用611)改发这些IP层(第一协议层)分组。这是通过将在以太网MAC帧层数据(在第二协议层，图7的619层)中的诊断网络接口的MAC地址替代在该层中的接收的MAC目的地址而完成的。具体而言，在包括元件513-524的图6的示范的MAC帧中，诊断网络接口的MAC地址替代在514项中的接收的MAC目的地址。替换的MAC地址唯一地识别接收方作为诊断应用611(图7)，并且相关的IP分组有效载荷数据被通过TCP/IP栈615(图7)发向此应用。该诊断应用(和图7的其他应用605-609与613)利用标准的基于插件的应用编程接口(API)通过TCP/IP栈615与它们的CPE设备通信。此插件API要求每个应用在建立和初始化它的相关的插件中具有一个固定的因特网协议网络地址和端口编号。控制器60确定所述替换的MAC地址用于从内部数据库将接收的IP分组目的地址映射到一个替换MAC地址。因此，所附接的CPE设备看起来直接与系统12的诊断应用相连，并且在目的IP地址为192.168.100.1的分组中的有效载荷数据能够被诊断应用接收和处理。
与从CPE设备到诊断应用的分组相关的源IP地址被保留和用于唯一地识别此CPE设备作为用于从诊断应用611返回通信的目的地。这样的返回通信可能包括例如表示用于在CPE设备上通过它的驻留万维网浏览器显示的诊断网页的IP分组。
在图3的步骤410，响应于接收到在步骤405改发的IP分组有效载荷数据而启动诊断应用软件(图7的611项)的执行。响应于改发的IP分组数据可以在系统12中启动多个其他应用，包括例如：(a)家用设备控制，(b)外围设备控制，(c)通信或交易功能，及(d)安全专用因特网或内联网通信功能。而且，在控制器60的控制下的系统12同时从具有与预定的IP地址不匹配的IP地址(在步骤403中确定)的附接的CPE设备接收IP分组，所述预定的IP地址被指定用于专用和非公用的因特网用途。所接收的非匹配IP分组的有效载荷数据被传送到它们各自的接收MAC地址目的地址以支持例如与第二基于本地网络的诊断应用同时操作的第一应用。该第一应用可能包括与诸如因特网的远程网络的通信，用于诸如下列的应用：(a)万维网漫步，(b)电子邮件，(c)因特网电话/视频电话。图3的处理在步骤415终止。
图4示出了一个示范的电缆调制解调器(图1-5的系统12)，它提供了在无线电频率(RF)和用户宅内设备(CPE)接口之间的双向网络桥接通信。图5示出了图4的电缆调制解调器，它有益地包括一个过滤器311，用于执行语法分析和分组分类和用于编辑媒体访问控制(MAC)数据链路层分组。除了对于电缆调制解调器的CPE输入接口添加网络过滤器311之外，图5的系统与图4的相同。在图5中，网络过滤器311执行对从CPE设备(附接到图2的端口72、端口77或端口82)接收的两种类型分组的分组分类和MAC首标编辑。
首先，过滤器311(图5)查看通过线路315从CPE接口316接收的所有地址解析协议(ARP)请求分组(包括图6A的元件509和511)。如果ARP请求分组目标IP地址是系统12的诊断网络接口地址(如192.168.100.1)，则过滤器用诊断网络接口的MAC层目的地址取代在分组中的MAC层目的地址(图6的514项)。这是通过将在以太网MAC帧层数据(图7的619层)中的诊断应用的MAC地址替代在该层中的接收的MAC目的地址而完成的。被改变的MAC帧被通过系统12协议栈615和标准MAC层路由器309(图5路径DEG)发向诊断应用611。
第二，过滤器311查看通过线路315从CPE接口316接收的所有IP(因特网协议)分组(包括图6B的元件505和507)。如果IP分组IP目的地址是系统12的诊断应用地址(如192.168.100.1)，则过滤器用诊断网络接口的MAC层目的地址来取代在分组中的MAC层目的地址(图6的514项)。这是通过将在以太网MAC帧层数据(图7的619层)中的诊断网络接口的MAC地址替代在该层中的接收的MAC目的地址而完成的。被改变的MAC帧被通过系统12协议栈615和标准MAC层路由器309(图5路径DEG)发送到诊断应用611。网络过滤器311透明地将其他非匹配分组传向MAC层路由器309。
如果分组目的MAC地址不是标准的或诊断网络接口的，则分组被桥接到使用系统12双向网络桥接功能的相对接口300。具体而言，非匹配分组被在路径F上从路由器309向RF接口300发送。即，只要分组MAC层封装(图6)指示一个桥接的目的地，则在一个接口上接收的网络层分组被发送到相对的接口。目的地址产生于IP分组的DOCSIS兼容以太网MAC帧封装，它包括一48比特目的MAC地址(图6的514项)和一48比特源MAC地址(图6的518项)。系统12桥接能力是双向的并使用了用于RF接口的MAC层路由功能303和用于CPE接口的MAC层路由功能309。在执行一个桥接决定中，根据分组目的MAC地址，路由器303逐帧地在路径C和B之间选择，路由器309逐帧地在路径G和F之间选择。虽然过滤器311可能在通过系统12的调制解调器桥接数据中引入延迟，但是可以容易地实现过滤器来使得该延迟无关紧要。
通过将过滤器311并入系统12而产生的优点包括，(a)它消除了手动配置网络参数以支持在电缆调制解调器12和CPE设备之间的本地通信的需要，(b)它使得CPE设备能够同时浏览万维网、交换电子邮件等，同时交换用于本地应用的数据，(c)可以在硬件或软件中实现过滤器311来作为一个简单的逻辑功能，也可以将过滤器311添加到RF接口313，及(d)可以定义多个IP地址(对应于附接的电缆调制解调器TCP/IP栈615网络接口)来用于启动多个功能，如电子邮件、传真、因特网电话/视频电话、家用设备控制、外围设备(如DVD、VCR、机顶盒、电视、摄象机、计算机)控制、家庭安全控制、诊断功能和其他任何可以通过附接的CPE设备操作的功能(见表I)。
                                     表I
    IP地址 映射到以太网MAC地址     所启动/控制的功能
    192.168.100.1  00：10：95：FF：00：03 诊断/测试启动和/或控制
    192.168.100.2  00：10：95：FF：00：04 电视启动和/或控制
    192.168.100.3  00：10：95：FF：00：05  VCR/DVD启动和/或控制
    192.168.100.4  00：10：95：FF：00：06 摄象机启动和警告监控
    192.168.110.1  00：10：95：FF：00：07 中央供热启动和/或控制
    192.168.102.1  00：10：95：FF：00：08 空调启动和/或控制
    192.168.120.1  00：10：95：FF：00：13 家用安全系统监控
    192.169.100.5  00：10：95：FF：00：23 计算机功能启动和/或控制
    172.32.100.1  00：10：95：FF：00：24 机顶盒启动和/或控制
    192.238.100.1  00：10：95：FF：00：25 传真机启动和/或控制
    195.168.100.1  00：10：95：FF：00：15 电话/视频电话启动和/或控制
    192.168.121.1  00：10：95：FF：00：26 应答设备启动和/或控制
    232.126.234.1  00：10：95：FF：00：19 因特网功能启动和/或控制
表I示出了与不同功能组相关的多个独立IP地址。每组包括一个IP地址/MAC地址对，并被用于确定相关的TCP/IP栈网络接口。如果需要，在每个组中的功能可以利用相关的UDP(用户数据报协议)或TCP(传输控制协议)端口编号来独立地识别。这些IP地址被按照因特网兼容通信协议(或在不同应用中的其他通信协议)从远程/本地信源传送，用于控制或启动在解码器系统中的功能。因此，例如，可以通过访问在计算机或因特网访问设备的一个网页和启动与如表I所示的一个具体功能相关的合适IP地址的传输而远程(或本地)启动或控制多个功能。在解码器，一个接收的IP分组IP地址被与在一个预定(或下载的)数据库中的地址比较，所述数据库将IP地址映射到一个不同分层通信层的其他协议地址，如MAC或MPEG兼容地址。在与对于系统12诊断应用所述的类似的方式中，如果IP分组目的地址与数据库中的地址匹配，则在解码器中的编辑器将一个映射的(如MAC层)地址(由数据库与匹配的IP地址相关)来替代不同的分层通信层协议地址。
图2的系统的结构(进一步在图4和5中说明)不是排他性的。其他结构也可以按照本发明的原理而产生以实现相同的目的。而且，电缆调制解调器系统12的元件的功能和图3的处理步骤可以全部或部分地在控制器60的编程指令中实现。另外，本发明的原理应用到任何多层协议双向通信系统中，而不限于DOCSIS兼容调制解调器或任何其他类型的调制解调器。而且，在此说明的分组过滤器元件和发明原理可以延伸来操作除了Digital/Intel/Xerox(DIX)以太网分组之外的例如IEEE 802.3分组、IEEE 802.5令牌环兼容分组、IEEE 802.11分组和MPEG传输分组以及不同的因特网和其他协议分组。

Claims (24)

1.在一种双向通信系统中，一种用于利用分层通信协议在不同网络之间通信分组数据的方法，包括步骤：
将在第一协议层中的一个所接收的IP分组目的地址与一个预定的IP地址相比较来确定是否存在地址匹配；和
响应于所述的地址匹配，将所述所接收到的IP分组的有效载荷通过以一个第二协议层地址替代一个所接收的第二协议层地址而从因特网网络转发到局部网。
2.按照权利要求1的方法，其中如果不存在地址匹配，则
所述所接收到的IP分组的所述有效载荷被重发到与所述局部网不同的目的地以支持与对于所述局部网执行的不同的第二应用同时进行的第一应用。
3.按照权利要求2的方法，其中
所述第一应用示下列之一：(a)网络漫步应用，(b)电子邮件，(c)以太网电话/视频电话，和
所述第二应用是下列之一：(i)家用设备控制，(ii)外围设备控制，(iii)诊断功能。
3.按照权利要求1的方法，其中
所述第二协议层地址是一个MAC地址。
4.按照权利要求1的方法，其中
所述双向通信系统是一个电缆调制解调器，并包括步骤：
响应于接收到所述转发的有效载荷而启动一个应用。
5.按照权利要求1的方法，其中
所述转发步骤将所述所接收到的IP分组的有效载荷从第一网络转发到一个通信缓冲器以支持一个本地应用，包括下列的一个或多个：(a)家用设备控制，(b)外围设备控制，(c)通信功能，(d)诊断功能，和(e)安全专用因特网或内联网通信功能。
6.在一种利用以太网协议(IP)的双向通信装置中，一种用于处理IP数据的方法，包括步骤：
将在第一协议层中的一个所接收的IP分组IP目的地址与一个预定的IP地址相比较来确定是否存在地址匹配；和
利用响应于所述的地址匹配所确定的第二协议层(MAC)地址转发所述所接收到的IP分组的有效载荷。
7.按照权利要求6的方法，包括步骤：
利用所述的第二协议层(MAC)地址接收所述重发的有效载荷，和
响应于接收到所述重发的有效载荷而启动一个应用。
8.按照权利要求6的方法，其中
所述预定的IP地址在指定给专用或非公用因特网用途的一个或多个地址的类别。
9.按照权利要求6的方法，其中在所述转发步骤中
所述转发步骤包括将所述第二协议层(MAC)地址替代所接收的第二协议层(MAC)地址。
10.按照权利要求6的方法，其中
所述转发步骤从一个第一网络向一个不同的第二网络逐帧地转发所述所接收的IP分组的有效载荷。
11.按照权利要求10的方法，其中
所述所接收的IP分组的所述有效载荷被从第一公共因特网网络向一个第二本地网转发，其中第二本地网包括下列之一：(a)以太网，(b)通用串行总线(USB)网络，(c)家庭电话联网联盟(HPNA)网络。
12.按照权利要求6的方法，其中
所述转发步骤从一第一网络向在所述双向通信装置中的一个通信缓冲器转发所述所接收的IP分组的有效载荷。
13.按照权利要求12的方法，其中
所述转发步骤从一个第一网络向在所述双向通信装置中的一个通信缓冲器转发所述所接收的IP分组的有效载荷以便支持一个本地的应用，包括下列的一个或多个：(a)家用设备控制，(b)外围设备控制，(c)通信功能，(d)诊断功能，和(e)安全专用因特网或内联网通信功能。
14.按照权利要求12的方法，其中
对于独立的所接收的IP分组，所述转发步骤通过将所述第二协议层(MAC)地址替代一个所接收的第二协议层(MAC)地址，从第一网络向在所述双向通信装置中的一个通信缓冲器转发所述所接收的IP分组的有效载荷。
15.按照权利要求12的方法，其中
所述双向通信装置是一个电缆调制解调器。
16.按照权利要求6的方法，其中
所述第二协议层(MAC)地址被从一个数据库确定，所述数据库将所述所接收的IP分组目的地址映射到所述第二协议层(MAC)地址。
17.按照权利要求6的方法，其中
所述第二协议(MAC)层是一个与IP层不同的分层通信层。
18.在一种利用以太网协议(IP)的双向通信装置中，一种用于启动一个应用的方法，包括步骤：
将一个所接收的IP分组目的地址与一个预定的IP地址相比较来确定是否存在地址匹配；
在没有地址匹配的情况下，向第一目的地传输所述所接收的IP分组的有效载荷数据，
响应于所述的地址匹配而向第二目的地传输所述所接收的IP分组的所述有效载荷，并启动一个应用。
19.按照权利要求18的方法，其中
所述所接收的IP分组的所述有效载荷被传输到在所述双向通信装置中的一个通信缓冲器以支持所述应用。
20.按照权利要求18的方法，其中
所述应用包括下列的一个或多个：(a)家用设备控制，(b)外围设备控制，(c)通信功能，(d)诊断功能，和(e)安全专用因特网或内联网通信功能。
21.在一种双向通信系统中，一种用于利用通信协议的分层在不同网络之间通信分组数据的方法，包括步骤：
如果一个域名与在一个域名数据库中一个预定的输入项匹配，则截收域名解析请求；
将所述截收的域名翻译为预定的IP地址；和
转发目的地为所述预定IP地址的一个所接收的IP分组的有效载荷。
22.按照权利要求21的方法，其中
所述转发步骤包括步骤：
将一个不同的MAC层地址替代一个所接收的MAC层地址。
23.按照权利要求21的方法，包括步骤：
向一个请求的客户通信所述的预定IP地址。
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