CN1459179A

CN1459179A - 用于网络协议的报头压缩方法

Info

Publication number: CN1459179A
Application number: CN01815885.4A
Authority: CN
Inventors: J·潘德尔; R·库特卡; H·-P·胡斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Nokia Solutions and Networks GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-11-26
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: EP1303966A1; DE50107510D1; US20030182454A1; AU7748301A; AU2001277483B2; EP1303966B1; JP2004505508A; ATE305199T1; CN100471195C; ES2244638T3; WO2002009386A1

Abstract

建议的编码方法采用各种类型网络协议的统计特性，无需关于单个协议字段的意义的特殊知识。网络协议一般都具有长的始终保持不变的连续的区段。因此，这些区段从前导的报头可预测出来，并且不需进行传输。要附加预测变化和不变字段的位置，以至于在大多数情况下节省传递位置坐标。该原则借助相应的差分编码获得很高的数据压缩，因为只需发射变化的数据和较小的额外开销。

Description

用于网络协议的报头压缩方法

本发明涉及在网络协议中压缩报头信息的方法，涉及按照压缩的报头信息解压的方法以及涉及相应的编码/解码器和发射/接收单元。

相当长的一段时期以来，就存在着IP协议的广泛的报头信息大量地加载到昂贵的移动无线电信道的问题。因此，该报头的压缩首先被期望用于经无线通信连接的传输。

缩写IP在此为互联网协议，一个在OSI参考模型第3层TCP/IP系列的协议。IP负责从发射机通过多个网络无连接地将数据传递到接收机，其中无须故障识别或纠错，也即IP不在乎有故障的或有丢失的分组。IP由多个上一级的协议使用，主要是TCP，还有UDP。

作为中央数据载体单元，在IP中确定的数据报长度达65535个字节。由在IP以上的协议(譬如TCP或UDP)接收要传输的数据，由发射机分段，也即分解成数据报。在接收端，这些数据报重新组合，人们称之为去分段。IP与所用的媒体无关并且象适用于WAN(广域网)那样同样也适用于LAN(局域网)。

在此，数据分组的一部分称为报头，在该数据分组部分中不包含有用数据，而是含各式各样的管理数据，例如地址、分组编号、发射机标识、分组状态等等。故障识别或纠错的数据(例如校验和CRC)通常算是有用数据。

TCP是面向通信连接的传输协议，它使逻辑的全双工点对点通信连接成为可能。在此，可保证数据无故障地和按所希望的顺序通过处于低一级的IP网络进行传输。这就扩大了低一级IP的功能使之作到数据安全和通信连接控制。

UDP作为缩写代表用户数据报协议，并表示一种无通信连接的应用协议以传输IP系列的数据报。它也象TCP那样加在IP上。与很常用的TCP比较，UDP不需要故障识别和纠错，因此工作起来更快，拥有一个小的报头，这就是为什么额外开销较小，有用数据与数据分组长度之比要好的原因。在发短信息和在紧急情况下完整地重复这些短信息的应用中，或在实时地实施(语音或视频传输)应用时，UDP更合适。

在特殊应用时，例如在实时范围内，进行故障识别和纠错时都由其它较高层次的特殊协议支持，例如RTP(实时协议)。RTP的基本原理是使用正向错误控制。通过具有附加信息的扩展的报头使之成为可能。这些例如都是传输的有用数据(语音、图象数据等等)的类型或是产生数据的时间点，以此使数据更简单地处于某个正确的顺序或在一定时间过后被丢弃。

例如在S.Casner和V.Jacobson所写的“慢速串行链路压缩IP/UDP/RTP报头”(网络工作组)文章中发现了一个公开的协议报头压缩方法，请求说明：2508；(请查阅互联网网址http：//www.ietf.org/rfc/rfc2508.txt？nummer＝2508)

在此，建议对不同的协议采用不同的编码。这样就可实现端对端通信连接的RTP报头的单独压缩，而在链路对链路通信连接的情况下实现共同压缩RTP/UDP/IP报头是可能的。

在此，设定用3个不同的代码级进行编码：

-完整的报头(FH)

-一阶差分编码(一阶差分FO)，也即通过变化长度代码说明连续的2个报头，并且

-二阶差分编码(二阶差分SO)，也即传输2个FO报头的差。

为压缩TCP报头，可在一次发射未压缩的报头后通过差分编码说明变化的字段，以减少其长度。此外，通过根据分组的长度计算变化，来完整地消除变化的字段。这基于知识：譬如在IP和TCP报头中字节的一半对通信连接的持续时间仍为不变的。

以同样方式通过解码器根据FO信息和SO信息重构完整的报头，来实现压缩RTP报头。此外，这种发现是可用的，据此尽管每个数据分组有几个变化的字段，但从数据分组到数据分组的差通常都是恒定的，并且因此2阶差SO为0。在这种情况下，只存储未压缩的报头和各自的一阶差FO，并且通知指出二阶差SO为0。

此外，这种已知的压缩方法专门用于这些特定的协议，并且只对这些协议起作用，这些都是缺点。对于各个协议或多个协议共用的编码的不同改进方案都必须分别具有不同的编码器，这些使花费提高，对经济起负面影响。

因此，本发明任务在于创造一种压缩报头信息的可能性，这种可能性与各自的协议类型无关，使用却同样地很有效，以此也比较经济。

根据本发明，该任务用下列步骤通过在网络协议中压缩报头信息的方法解决：

-在建立通信连接时传输完整的报头，以及在发射端和接收端使用该报头作为参考，

-相对于分别作为前导的报头，通过在发射端在变化的字段和不变字段中对每个其它报头进行分段来实施编码，其中具有最高间隔为m个不变符号的变化符号连续区段被作为变化字段进行分类，并且将至少m+1个不变符号的连续区段作为不变字段进行分类，

-由前导报头的字段对这些字段的位置进行预测，

-通过为每个预测的位置传递一个给出了位置是否已变化的信号的标志符，来实现差分地传递当前的报头。

在此，当最高为m个不变符号的间隔而选择值m＝2以用于分类变化字段时，证明是有利的。

一个扩展方案的特征在于以在需要时按传输期间的预定间隔重新传递完整的报头，该完整的报头在发射端和接收端都用作为新的参考。

按照另一个优选的扩展方案，除了每个为预测的位置所传输的标志符以外，

-在变化字段的情况下，在位置不变时传输该字段变化部分的内容，并且

-在变化字段或不变字段的情况下，在位置变化时分别传输一个长度代码以说明不变部分的长度和/或传输一个长度代码以说明变化部分，以及传输变化部分的内容。

在此，当每个为预测位置传输的标志符都是1个比特并且每个长度代码都以比特数给出了字段各自区段的长度时，证实为优选的，这些比特数可按下式测量：

[log₂(区段-m)]。

还有，也可将一个字节有选择地作为最小的编码单位，其中每个为预测位置传输的标志符都是1个字节，并且以字节为单位确定字段长度。在许多情况下，这将导致较小的值域，并且由此将导致更有效的编码。

当在变化位置的情况下给变化的字段补充一个相邻符号-如果该补充的字段的编码比变化位置的编码花费少，则效率会大大提高。

当[log₂(为说明字段长度所必须的数的数量-m)]＞＝2时，才优选实现这一点。

按本发明所述方法另一个优选的实施方案，共同压缩含在一个要传输的安全的报头流中的故障识别码和/或纠错码，特别是校验和。

如果压缩的数据流在需要情况下被扩充一些故障识别和/或纠错保护机制，则传输的安全性会大大提高。

以此为根据，通过在接收端根据参考报头和差分地传输后随的报头而重构各自的报头，就可在网络协议中实现对按照本发明所述的压缩的报头信息进行解压。

按照本发明前述的方法特别优选采用相应的编码器和解码器，这些编、解码器再次优选作为发射或接收单元的部分例如在移动通信终端设备中获得应用。

此外，这种方法充分利用了这种事实，即在协议报头中长的连续的区段仍不变，并且通常变化区段的位置仍不变。在这种情况下，不需要传递这些位置。

按照本发明所述的该措施不仅使单个协议的压缩(譬如RTP在端对端通信连接时)或也使多个嵌套的协议(IP/UDP/RTP，在链路对链路通信连接时)的压缩成为可能。同样，该措施也能直接地和不改变编码方法地应用到封装的协议(也即多个IP报头嵌套)上。

本发明的其它优点和细节将根据以下广泛的说明和结合图给出。各个图为：

图1为按RTP/UDP/IP报头的16进制列表形式列出的数据抽取以表示统计变化，

图2为报头序列原理图以图解表示变化和不变字段的编码，并且

图3为字段长度的代码原理图。

按照本发明所建议的编码方法使用各种类型的网络协议的统计特性，无需关于各个协议字段的意义的特殊知识。网络协议一般具有仍为不变化的长的连续的区段。还有，许多字段含有值为0。变化字段通常都按彼此有长距离的间隔进行分组。图1根据逐行列出的多个连续的RTP/UDP/IP报头的16进制数据列表给出了这种分组。黑体印刷的数字值表示变化的信息，而其它仍为不变的。

因此，这些不变的区段从前述报头预测出，并且不需要进行传输。变化和不变字段的位置也要附加地进行预测，以至于在大多数情况下可节省位置坐标的传递。该原则可获得高度的数据压缩，因为只需发射变化数据和较小的开销。

所述方法详细地实施如下：

在建立通信连接时为进行初始化和必要时按一定间隔可完整地传输全部报头。

接着，通过差分地传输接下来的报头，来实现差分编码。编码器和解码器在参考存储器中作为参考量保存完整的前导报头。

为此，当前的报头首先被分段成变化和不变字段如下：

相对于前导报头而变化的、且最高间隔为m个不变比特的连续比特区段被分类为变化字段或c字段c-F。长度为m的短的不变间隔包括在c字段内，因为单独地进行编码是无效的(对此参见下段落)。在此，适当的值是m＝2。

将不变字段或u字段u-F定义为至少m+1不变比特的连续区段。图2根据报头序列示出了该方案，其中首先在第一行给出了完整的报头FH。在其它行中，给出了跟在其后的报头，其中变化的比特为黑色。由此，就可实现分配成对应的字段u-F和c-F，其中其位置和长度都是变化的。变化和不变字段的位置可进行预测，这些用箭头标出。对此分别给出了2个变化的字段c1、c2和2个不变字段u1、u2。

对原本的编码，可由前导报头的字段的位置预测字段的位置。为每个预测的位置都可传输一个标志符M(例如一比特)，该标志符M发出位置是否变化的信号。

对此，字段代码例如可看成如下：

在不变位置：

u字段值M＝0 (1个比特)

c字段值M＝0 (1个比特)

以及变化部分的内容(未编码)

在变化位置：

对于u字段或c字段

值M＝1 (1个比特)

不变部分的长度(长度代码)

变化部分的长度(长度代码)

变化部分的内容(未编码)

以相同方式得到的其余字段

在此，长度代码例如定义如下：

长度代码按比特给出字段的长度。对于字段长度编码所需的比特数量利用底数为2的对数按照以下计算公式从值域得出结果：

比特数＝[log₂(值域-m)]

在此，角括号表示测出的值向上一个整数值取整。

值域是说明长度所需的数字的集合。这取决于字段的量值大小。对此，图3同样以图解给出了字段长度代码的原理图。区段1表明预测为不变的字段u-F。区段2给出了值域，也即所说的说明长度所必须的数的量值。最后，区段3给出了区段1中不变比特的实际数量的信号。

举例：如果在长度20的字段内传递一个新的位置，对此，需要5个比特。

当以此为根据时，即在c字段值的相同分配的概率情况下，比特变化的概率为50％时，通过以下变型方案可大大提高编码效率。由此，c字段的位置(字段边缘)同样也常变化，并且在每次出现第二种情况下都必须重新编码。

为避免出现这种情况，如果这些比特的编码比变化位置的编码花费少，则c字段应扩大一个相邻比特。当[log₂(值域-m)]＞＝2时，就是这种情况。

在大多数协议中，信息都是以字节分段存在的。所介绍的方法同样能以字节代替比特作为最小的编码单位使用。为此，用字节单位计算字段长度，这将导致较小的值域和有效地编码。在这种情况下，就会放弃将c字段扩展一个相邻的码元。在此，缺点则是对于只有1个比特变化的情况必须更换全部字节。

对数同样不变地应用到2阶差分编码，象它从前文所述的现有技术就已知的那样。

此外，按照本发明所述的方法也可以基于一种被保护的报头流。例如，对校验和共同编码，并且解码后进行分析。压缩的数据流按照需要进一步与故障保护机制结合起来。

由此，所述的方法具有压缩网络协议报头产生新标准的潜力。这将普遍地应用到单个报头、组合的或封装的报头。

Claims

1、在网络协议中压缩报头信息的方法，采用以下步骤：

-在建立通信连接时传输完整的报头(FH)，以及在发射端和接收端使用该报头作为参考，

-相对于分别作为前导的报头，通过在发射端在变化的字段(c-F；c1、c2)和不变字段(u-F；u1、u2)中对每个其它报头进行分段来实施编码，其中具有最高间隔为m个不变符号的变化符号连续区段被作为变化字段(c-F)进行分类，并且将至少m+1个不变符号的连续区段作为不变字段(u-F)进行分类，

-由前导报头的字段对这些字段(u-F、c-F)的位置进行预测，

-通过为每个预测的位置传递一个给出了位置是否已变化的信号的标志符(M)，来实现差分地传递当前的报头。

2、按照权利要求1所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中对于最高m个不变符号的间隔，为分类成变化字段(c-F)而选择值m＝2。

3、按照权利要求1或2所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中在需要的情况下在传输期间以给定的间隔重新传递一个完整的报头(FH)，该完整的报头在发射端和接收端作为新的参考。

4、按照上述权利要求之一所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中除了每个为预测的位置所传输的标志符(M)外，

-在变化字段(c-F)的情况下，在位置不变时传输该字段变化部分的内容，并且

-在变化字段(c-F)或不变字段(u-F)的情况下，在位置变化时分别传输一个长度代码以说明不变部分的长度和/或传输一个长度代码以说明变化部分，以及传输变化部分的内容。

5、按照权利要求4所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中每个为预测的位置传输的标志符(M)是1个比特，并且每个长度代码都按比特数量给出字段各自区段的长度，该长度按下式测量：

[log₂(区段-m)]。

6、按照权利要求4所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中字节作为最小的编码单位，每个为预测的位置所传输的标志符(M)是1个字节，并且字段长度用字节单位确定。

7、按照权利要求1-5之一所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中在变化位置的情况下，给变化字段(c-F)补充一个相邻符号，如果该补充的字段的编码比变化位置的编码花费小的话。

8、按照权利要求7所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中当[log₂(为说明字段长度所必须的数的数量-m)]＞＝2时，始终补充一个相邻符号。

9、按照上述权利要求之一所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中共同压缩一个包括在要传输的被保护的报头流中的、进行故障识别和/或纠错的代码，特别是校验和。

10、按照上述权利要求之一所述的在网络协议中压缩报头信息的方法，其中在需要时将压缩的数据流扩展一些故障识别和/或纠错保护机制。

11、对按照上述权利要求之一所述的在网络协议中压缩的报头信息进行解压的方法，其中根据参考报头(FH)和差分地传输跟随的报头的信息而在接收端重构各自的报头。

12、用来按照上述权利要求1-10之一在网络协议中压缩报头信息的编码器。

13、用来对按照上述权利要求1-10之一所述的在网络协议中压缩的报头信息进行解压的解码器，其中根据接收到的参考报头(FH)和差分地传输跟随的报头的信息重构各自的报头。

14、具有按照权利要求12所述的编码器的发射单元。

15、具有按照权利要求13所述的解码器的接收单元。