電纜數據機服務流中的多個服務子流的製作方法
2023-08-10 11:40:01
專利名稱：電纜數據機服務流中的多個服務子流的製作方法
技術領域：
本發明總的來說涉及通信系統，並且具體涉及在其中將服務數據流細分成多個子流的通信系統。
背景技術：
今天已經可以在達到直至56Kbps的速度下通過電話數據機訪問網際網路了。基於電話的數據機將數據信號進行調製和解調用以通過基於語音帶寬的電話網絡發送。相反，電纜數據機(cablemodem)提供了通過電纜電視系統接入網際網路，這種系統具有更高的帶寬，因而能夠在比電話系統更高的數據速率下運行。電纜數據機提供了用戶計算機與電纜系統數據轉發器之間的連接，在這個點上，電纜操作者提供經過(比如)T1線，到網際網路的接入。在電纜網絡中，從網絡數據轉發器發送到計算機用戶的數據被稱為下行數據流；從用戶發送到網絡數據轉發器的數據被稱為上行數據流。
在圖1中示出了示意性的現有技術的雙向電纜系統的方框圖。現有技術的電纜系統包括數據轉發設備101，混合光纖同軸(HFC)電纜線路103，多個電纜數據機105和106(示出兩個)，和通過相應通信鏈路116和117與電纜數據機105和106連接的多個用戶通信設備107，108(示出兩個)。用戶通信設備107和108可以包括例如，計算機、電視或電話。如同本領域普通技術人員熟知的，數據轉發器設備101包括處理器、路由器、交換器、寬帶下行發射機、上行接收機、分解器、合成器、用戶資料庫、網絡管理站，動態主機配置協議(DHCP)和普通文件傳輸協議(TFTP)伺服器，呼叫代理、媒體網關和記帳系統。HFC電纜線路103包括光纖電纜、同軸電纜、光纖/同軸節點、放大器、濾波器、和分接頭，它們支持通過共享下行信道110從數據轉發器設備101向電纜數據機105和106發送，並且支持通過共享的上行信道112從電纜數據機105和106向數據轉發器設備101發送。節目信號輸入到數據轉發器設備101中，用於經HFC電纜線路103向用戶廣播。
下行信道流110和上行信道流112使用相應的傳輸協議傳送信息。典型地，用於通過下行信道110(例如64路(64-ary)正交調幅(QAM))傳送信息的調製方案比通過上行信道112(例如，差分四相移鍵控(DQPSK))或16路(16-ary)QAM)傳送信息的調製方案級別更高，導致下行發送比上行發送速度更高。在上行發送速度低於下行發送速度的電纜系統典型地被稱為「非對稱」系統。上行發送速度基本上與下行發送速度相等的電纜系統通常被稱為「對稱」系統。
除了用於每個信道110和112上的特別類型的調製以外，每個信道110和112的共同特徵是引入其它的協議要求。例如，由於下行信道流110是共享的，下行協議包括尋址信息，並且每個電纜數據機105和106為向其尋址的信息分組監視下行信道流110。只有尋址到特定電纜數據機105或106(或附加於通信設備107或108)或尋址到所有電纜數據機105或106(或附加於通信設備107或108)(例如廣播消息)的信息分組被電纜數據機105和106處理，並在合適時發送給相關的用戶通信設備107或108(例如電話、個人電腦、或終端設備)。由於上行信道流112是共享的，上行信道流訪問協議用於減少從電纜數據機105和106發出的通信信息發生衝突的可能性。存在一些多訪問協議來定義上行信道流訪問，包括公知的協議例如ALOHA，時隙ALOHA，碼分多址(CDMA)，時分多址(TDMA)，帶有衝突檢測的TDMA，和載波偵聽多路存取(CSMA)。
一些雙工電纜系統遵守並使用新近出版的數據電纜系統接口規範(DOCSIS)版本1.0中定義的上行和下行信道協議，在此全部提出這個規範作為參考。由DOCSIS標準所定義的上行協議是TDMA方法，其中由數據轉發器設備101(在DOCSIS標準中稱為「電纜數據機終端站」(CMTS))控制定時，並通過下行信道流110上發射的時間標記同步消息來收定時發送至電纜數據機105和106。因此，為了使上行通信能夠以順序的，高效的方式進行，在數據機105和106開始發送由用戶通信設備107和108提供的信息之前，每個電纜數據機105，106中的參考時間必須與在數據轉發器設備101中的類似參考時間基本上同步；否則，來自一個數據機105的信息發送可能與來自另一個數據機106的信息發送相衝突。
通常，數據轉發器設備101經合適的通信鏈路(例如光纖分布式數據接口(FDDI)鏈路或100baseT以太鏈路)與諸如公共電話交換網(PSTN)的外部網114或諸如網際網路的廣域分組網相連。
數據轉發器設備101還接收(經衛星下行鏈路，地面微波或地面通信線)節目信號以向用戶廣播。通訊數據通過6MHz信道傳送，這個信道是分配給電纜電視信道用於向所有用戶廣播電視信號的頻譜大小。在用戶位置，節目信號由機頂盒(見圖2)所接收，同時下行數據流由電纜數據機105或106所單獨接收。給定電纜數據機系統中上行和下行信道流的數量是基於服務區域、用戶的數量、承諾每個用戶的數據速率和可用頻譜來進行設計的。
圖2是與通信設備108相關的在用戶站點處的電纜系統組件方框圖。在用戶的情況下，分解器134對來自電纜系統數據轉發器101的進入信號進行分解。電視節目信號在機頂盒138的控制下顯示在電視140上。來自分解器134的第二輸出提供了到電纜數據機105的連接。將從數據轉發器設備101來的下行信號流提供給RF(射頻)調諧器142，該調諧器在數據機的上電或配置階段期間被調諧到分配給電纜數據機105的頻段上。如上所述，典型地，下行信道流使用正交調幅(QAM)，其在解調器144中被解調。被解調的信號輸入到媒體訪問控制器146。來自媒體訪問控制器146的基帶數據信號輸入到控制電纜數據機105整個操作並進一步提供數據控制功能的數據與控制邏輯單元148。通信設備108與電纜數據機105的數據與控制邏輯單元148相連，用於接收在下行方向發送的數據，並在上行方向發送數據。
上行數據流從通信設備108至數據與控制邏輯單元148、媒體訪問控制器146通過，並最終到達調製器，以進行調製。典型地，對上行數據流使用差分四相移鍵控(DQPSK)或16-ary QAM調製。調製類型的選擇在提供給每個電纜105的配置信息中設置。上行數據通過分解器134，以經混合光纖/同軸電纜線路103向數據轉發器101發送數據。最後，數據到達外部網絡114，正如結合圖1所討論的一樣。
在一個實施例中，下行信道使用64或256QAM調製其能夠在6MHz的電纜信道上傳遞多達30至40Mbps數據。上行信道使用QPSK或16QAM信令，其具有從320Kbps到10Mbps的可用數據速率。上行和下行數據速率都由系統操作者配置。例如，由商業用戶所使用的電纜數據機105可以被配置成在兩個方向上以相對較高的數據速率接收並發送數據。另一方面，居民用戶可以將電纜數據機105配置成在下行方向的帶有較寬帶寬訪問(並且因此有較高數據速率)，用於從外部網絡114接收數據，同時在上行數據發送方向上，將其限制在較低速率。在另一個實施例中，數據速率分配可以是時間敏感的。
然而應當強調，電纜數據機使用預先的調製類型在給定的碼元速率(或數據速率)上運行。單獨數據分組的優先權不影響配置的上行數據速率或帶寬。所有數據機使用相同的碼速率和調製類型在上行信道中進行傳輸。然而，電纜使用的實際帶寬數量可能受軟體控制數據機所限。如上面提到的，商業用戶可以配置成在上行方向上使用2Mbps，而居民用戶被限於使用1Mbps。但是，支持商業和居民用戶的電纜數據機能夠運行於最高的系統速率，例如10Mbps。單獨數據分組的優先權不影響配置的碼元速率和數據機類型。
當電纜數據機105或107上電時，經混合光纖/同軸電纜線路103建立起到數據轉發器設備101的連接。這個連接使用網際協議(IP)，以便當數據轉發器設備101收到來自網際網路和環球網(通常被稱為外部網絡114)的格式為IP的數據時，能夠將該數據在下行方向上發送給電纜數據機105或106。在電纜數據機啟動過程期間，數據機從動態主機配置協議伺服器(DHCP)獲得IP位址、與IP有關的其它運行參數、和數據機配置文件的伺服器地址。在網絡上有許多這樣的DHCP伺服器可用，並且電纜數據機105或107簡單地向所有DHCP伺服器廣播。任何DHCP伺服器都可以回答廣播請求並提供必要信息。配置文件包括各種數據機配置參數，諸如訪問控制信息的下行和上行信道流分配、安全配置信息和普通文件傳輸協議伺服器，從該伺服器可下載數據機運行軟體。
諸如圖1中示出的電纜系統網絡的分組交換網絡。典型地運行於最好的(best-effort)服務傳遞基礎。不幸的是，帶有次最好的連接的傳遞模式的網際協議不能保證分組以有序、及時的方式傳遞或根本不保證傳遞分組。所有業務都具有相等的優先權，並有在及時方式進行傳送的相等機會。當網絡擁塞時，所有業務也都有相等的被延遲或撤出的機會。在許多類使用網絡的應用程式中，有與環球網連接的關鍵任務應用程式、在線關鍵商業應用程式、基於多媒體的應用程式(例如桌面視頻會議和基於網絡的訓練)和語音網際協議。某些網絡應用程式或能是帶寬和延遲敏感的，因此在網絡上要求唯一服務等級。一些應用程式需要實時傳遞到接收站點，另外一些能夠忍受一定的延遲。為能使用實時應用程式，例如語音IP或視頻會議，使用網際協議，必須保證包括帶寬等待和抖動要求在內的可接受的服務等級，並且進一步以允許實時業務與傳統數據業務在網絡上共存的方式來滿足服務等級。使用服務等級概念允許網絡操作者保證關鍵任務及實時應用程式業務不受其它佔用帶寬的應用程式的影響，同時使得次關鍵應用能夠以合理有效的方式使用網絡。為了達到這個目的，網絡服務等級策略調整網絡資源和網絡用戶對象。沒有這些服務等級參數，網絡資源就會以犧牲更重要的應用程式為代價，很快被非必要的應用程式耗盡。服務特徵等級的實現允許網絡設備識別並以可預測的方式傳遞優先級較高的業務。當網絡擁塞發生時，服務等級機制降低，或延遲優先級低的業務以允許傳遞優先級高的業務。
因此，在分組交換電纜數據機系統中存在一種需要建立服務等級方案，並且開發運行它的機制，從而增加優先級高的上行數據流能夠以及時的方式到達其目的地的可能性。
在考慮了優選實施例的描述和以下附圖後，可以更容易地理解本發明和其進一步的優點，並且更為顯而易見地使用它。
圖1是典型的現有技術的雙工電纜通信系統的電路方框圖；圖2是用戶前提下的雙工電纜通信系統元件的電路方框圖；圖3是流程圖，描述了根據本發明所授的服務等級分配和方法。
具體實施例方式
在詳細描述根據本發明的用來下載用於電纜數據機的唯一配置文件(和它的最近版本)的特別方法和裝置之前，應當注意到本發明首先屬於步驟和裝置的組合。因此，在附圖中所描述的常規元件的硬體和方法步驟，僅示出了與本發明有關的特定細節，以不用結構詳圖來使本發明的公開變得模糊，這些具有在此說明的優點的結構詳圖對於本領域普通技術人員是顯而易見的。
DOCSIS1.0協議允許給諸如電纜數據機105和106的電纜數據機配置用多個服務流，以用於在上行方向傳送數據。然而，電纜操作者(cable operator)不可能利用這個特徵，因為除了主服務流(primary service flow)外的，在行業中沒有機制將主數據分類到服務流上。因此，所有的數據都在主上行服務流上流動。DOCSIS1.1標準包括可以通過配置設置來激活的分類器特徵，以指示電纜數據機在指定的服務流上發送某些分組發送。例如，分類器可以配置成將所有的語音分組放在2號服務流上，而所有其它數據分組經主服務流發送。
根據本發明教導，主服務流被分成許多的多個子流。多個子流中的每一個都分配了一個服務等級，這個等級是相對的等級或優先方案，用於確定將那個子流上的已排隊數據從電纜數據機105和106發送到數據轉發器裝置101。等級較高的數據在等級較低的數據之前發送。例如，語音網際協議電話呼叫必須要近乎實時地發送以避免通話過程中的延遲和中斷。已經發現，大於約300毫秒的延遲通常難以為通話者所忍受。因此，代表語音網際協議的數據會被分配給較高優先等級的服務。反之，文字數據接到服務等級較低的優先級分配。
在配置文件中設定用於給定的數據機的服務流參數(例如發送優先級)。子流的參數來源於服務流參數，這將在下文闡述。
在本發明的一個實施例中，令牌存儲段(token bucket)法管理攜帶數據分組的上行子流，以保證分組能根據其所分配的服務優先級從電纜數據機105和106發送。每個令牌存儲段具有三個部分脈衝串長度，平均速率，和時間間隔。中間(平均)速率規定了每單位時間(由時間間隔所定義的)可發送多少數據。脈衝串長度(以比特計算)規定了在一個脈衝串內可發送的、不致產生網絡調度衝突的數據數量。帶有5Mb令牌存儲段脈衝串長度的示例性令牌存儲段的算法具有1Mbps的中間比特速率和一秒的時間間隔。存儲段具有最大為5兆比特的容量。當存儲段變滿時(即，包含了5兆令牌(worth oftoken))，則不能再加入令牌。
每個令牌代表一許可，允許電纜數據機將某些比特發送到數據轉發器裝置101。為了發送分組，電纜數據機從存儲段中刪除等於代表分組長度數量的多個令牌。如果在存儲段中沒有足夠的令牌來發送分組，要麼分組等待直到存儲段具有足夠的令牌，要麼簡單地丟棄分組。因此，在任何時候，電纜數據機可以向網絡內發送的最大的脈衝串或分組一般來說與存儲段容量成比例。
進一步根據本發明教導，來自電纜數據機105和106的分組發送由多個令牌存儲段控制，其中，每個令牌存儲段與用於每個電纜數據機的特定的服務等級(或子流)關聯。來自主流存儲段的令牌分配在多個子流存儲段中。如上面提到的，令牌在主存儲段中周期地得到補充。每個子流存儲段從主令牌存儲段中得到補充。實際上，有許多種用於補充子流存儲段的算法。例如，主存儲段可以被控制成為每個子流存儲段分配一個已接收令牌的給定百分比。例如，最高優先級的子流存儲段(存儲段一)在一個給定時間間隔中可以收到主存儲段令牌的50％。最低優先級子流存儲段(存儲段三)可在相同時間間隔內收到主存儲段令牌的15％。最後，中間優先級的存儲段(存儲段二)可以在給定的時間間隔內收到主存儲段令牌的35％。可選地，當令牌進入主存儲段中時，可將它們首先指向存儲段一(最高優先級子流存儲段)直到它變滿。這保證了最高優先級分組會具有較高的接收令牌的可能性，因而具有較高的被發送優先級。於是，後來收到的令牌被指向存儲段二直到它變滿，(假設存儲段一維持滿)最後，如果另外兩個存儲段都滿時，到達的令牌被指向存儲段三。正如那些本領域技術人員所理解的，可使用若干種技術來控制用於主存儲段和多個子流存儲段的補充過程。
用於補充主存儲段和多個子流存儲段的算法可以是電纜數據機105和106中的硬代碼(hard-coded)。可選地，通過在啟動階段將廠商規定的TLV參數下載到電纜數據機105和106，也可以在配置文件中設置該算法。使用配置文件作為控制機制，允許電纜系統操作者改變用於多個子流的補充算法。電纜系統操作者也可以使用運行於簡單網絡管理協議(SNMP)下的網絡管理應用軟體來管理每個電纜數據機105和106。SNMP允許網絡管理者改變網絡設備中的網絡對象從而改變網絡參數。例如，可以通過基於SNMP結構實時地修改存儲段補充過程。
在一個實施例中，通過包含在分組頭中的信息，為每個數據分組分配子流中的一個。例如，分組頭識別該分組是IP數據，LLC數據，或TCP/UDP數據。基於數據類型，數據分組被分配以合適的優先權子流，數據類型和優先權子流之間的關係已在配置文件或寫入數據機的硬代碼所設定。或選地，為了識別數據類型，數據機可以檢查用於唯一數據籤名(data signature)的數據文件。VOIP數據具有這樣的唯一籤名。在另一個實施例中，數據機能夠識別數據類型並通過檢查發出分組的嵌入在電纜數據機的軟體應用程式來分配子流。例如，網絡管理應用程式產生簡單的網絡管理協議分組。典型地，SNMP分組會被分配給高於數據分組的優先權。
代替電纜數據機檢查頭部以分配子流，產生分組的應用程式軟體可以分配子流，並將信息作為參數提供。在另一個例子中，數據機可以包括VOIP軟體應用程式，該應用程式將來自電話的可聽音進行數位化，並將它們進行分組。在這個例子中，不需要檢查分組以確定它們的優先權，因為數據機運行軟體能夠確定分組已來自於對語音數據進行操作的軟體應用程式。典型地，這些分組將被分配給高優先權子流。
圖3示出說明本發明教導的軟體流程圖。數據機105或106在步驟180處上電，並在步驟182處下載配置文件。在本發明實施例中，其中配置文件中識別多個子流和存儲段補充算法的詳細情況，此信息是從配置文件中導出，並被提供給數據機運行軟體以用於控制補充過程和子流分配。在步驟186，檢查準備好發送的分組以確定與其相關的服務等級。如上面其它實施例所闡述，服務等級可以由檢查頭部以外的其它技術所確定。在任何情況下，一旦用於分組的服務等級被確定，過程移至步驟188，在此檢查與分組關聯的子流(或服務等級)存儲段。如果存儲段中有足夠的令牌可用，那麼過程從決定步驟190移至192，在此將恰當數量的令牌分配給分組。在步驟194，發送分組。於是過程返回到步驟186以檢查隊列中的下一個分組。如果在決定步驟190沒有足夠數量的令牌可用，就不能發送分組，並且將其留在隊列中。過程從決定步驟190返回到步驟186用於檢查下一個已排隊的分組。當與延遲的分組相關的子流令牌存儲段已被補充過，就發送分組。儘管圖3流程圖中未示出，如上面所闡述，補充過程周期地將令牌放入每個子流存儲段中。在一個實施例中，補充過程進行如下。令R/T為算法的中間速率，其中R以比特計算而T以秒計算。則在每T秒有R比特的令牌被加入到存儲段中。例如如果R＝1百萬比特，而T＝1秒，那麼每秒有一百萬的令牌被加入存儲段中。因此中間速率為1Mbps。
如上所述，電纜系統操作者能夠通過向電纜數據機105和06發送網絡管理控制信息(使用SNMP協議)來修改子流分配過程的操作。任何這種管理信息都可以中斷圖3的流程。
儘管已參考了優選實施例對本發明進行了闡述，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行不同的改變和發明中的要素進行等價替換而不背離本發明的範圍。此外，在不背離基本範圍的情況下，可以進行修改本發明的教導以適應特定的應用。因此，本發明不應只限於作為用於試圖實現本發明的最佳模式所公開的特定的實施例，而應當包括所有落入所附權利要求範圍的實施例。
權利要求
1.在具有包含用於發送和接收分組的多個網絡設備的主服務流的網絡中，有一種用於管理分組發送的方法，該方法包括將主服務流分解成多個子流；為多個子流中的每一個分配一優先權；為每個分組分配優先權；和在與所分配的優先權相關的子流上發送分組。
2.如權利要求1所述的方法，其中每個優先權與一個服務等級相關。
3.如權利要求2所述的方法，其中每個服務等級與一數據發送優先權相關，其中根據分配給所述分組的服務等級來發送每個分組。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述優先權與預先確定的發送比特率相關。
5.如權利要求1所述方法，其中每個分組在發送前進入隊列，並且所述優先權與在隊列中的分組到達時間和在相關子流上發送分組時間之間的預先確定的最大時間相關。
6.如權利要求1所述的方法，其中來自網絡發送層次參數中的參數與每個優先權相關。
7.如權利要求1所述的方法，其中為發送在多個子流中的每個子流內的分組，要求為分組分配一些數量的令牌，其中所述令牌的數量基於分組長度。
8.如前述權利要求1所述的方法，其中，將多個令牌分配給主服務流被，其中所述令牌又被分配到多個子流中。
9.如權利要求8所述的方法，其中基於子流中未用的令牌數量來將令牌分配到多個子流中。
10.如權利要求8所述的方法，其中基於與子流相關的優先權來將令牌分配到多個子流中。
11.如權利要求8所述的方法，其中當令牌被分配給主服務，所述令牌又被分配到多個子流中時，其中，最高優先權的子流從主子流接收到一個給定百分比的令牌分配，並且每個較低優先級的子流接收到相對較少的百分比分配。
12.如權利要求8所述的方法，其中，所述主服務流具有與其相關的令牌存儲段，而且每個子流具有與其相關的令牌存儲段，其中對每個令牌存儲段進行了定義，脈衝串長度定義了可以在每個脈衝串中傳送的最大數據量，中間速率定義了每個定義時間間隔可發送的最大數據量。
13.如權利要求12所述的方法，其中主服務流令牌存儲段的令牌周期地得到補充，並且每個子流令牌存儲段從主服務流令牌存儲段中獲得補充。
14.如權利要求1所述的方法，其中在分組頭部中設置每個分組的優先權。
15.如權利要求1所述的方法，其中基於產生分組的軟體應用程式來確定每個分組的優先權。
16.如權利要求1所述的方法，其中網絡設備包括電纜數據機。
17.一種產品，其包括具有嵌入的計算機可讀程序的計算機可用介質，其用於在具有主服務流的網絡中管理分組發送，其中所述網絡包括用於發送和接收分組的多個網絡設備，包括對計算機可讀程序代碼進行配置，使計算機將主服務流分成多個子流；對計算機可讀程序代碼進行配置，使計算機為多個子流中的每一個分配一優先權；對計算機可讀程序代碼進行配置，使計算機為每個分組分配一優先權；對計算機可讀程序代碼進行配置，使計算機在與所分配優先權相關的子流上發送分組。
18.一種在多個網絡設備中的每一個設備中的裝置，其中所述網絡設備通過具有主服務流的網絡發送和接收分組，所述裝置用於管理分組的發送，其包括用於將主服務流分隔成多個子流的第一模塊；用於為多個子流中的每個子流分配優先權的第二模塊；用於為每個分組分配優先權的第三模塊；和用於在與所分配優先權相關的子流上發送分組的第四模塊。
全文摘要
本發明公開了一種用於將主網絡數據流細劃分成多個子流的方法。給每個子流分配了唯一的服務等級或優先值。從主流分配到每個子流的令牌調整在網絡上的數據傳輸，這樣，最高優先權的分組接收最高的傳輸優先權。
文檔編號H04L12/56GK1589542SQ01818844
公開日2005年3月2日 申請日期2001年10月30日 優先權日2000年11月17日
發明者史蒂芬·福利, 布賴恩·J·斯庫利, 託馬斯·M·費雷拉, 約翰·迪納塔萊 申請人:摩託羅拉公司