基於重疊網絡多徑傳輸的ims客戶端及媒體交換方法

2024-03-05 03:05:15

專利名稱：基於重疊網絡多徑傳輸的ims客戶端及媒體交換方法
技術領域：
本發明涉及通信網絡技術領域，特別涉及一種基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端及媒體交換方法。
背景技術：
傳統網絡會話一直使用會話開始前選定的單一路徑進行數據傳輸，但隨著通信網絡的不斷發展，網絡接入方式的種類越來越多，個人計算機或手機都已經具備或可擴展為同時具有兩條以上的網絡連接，比如個人計算機可以同時選擇多個網絡服務提供商，通過多個網絡地址接入網絡；手機同時具有WIFI和3G上網條件，這些都為通信雙方同時使用多條路徑傳輸數據提供了便利條件。國內外很多研究組織和學者已經在利用多徑傳輸數據方面做了大量的工作，但是當前的研究對於實時媒體多徑傳輸還處於空白階段，而隨著交互式網絡電視(Interactive Personality TV，IPTV)、網絡音視頻會話等應用的普及，實時媒體對傳輸性能的要求越來越高。目前在IMS(IP Multimedia Subsystem, IMS, IP多媒體子系統)體系結構中，IMS客戶端媒體交換仍然主要沿用傳統只支持單徑傳輸的路由和交換技術，在網絡傳輸服務質量(Qos)約束條件下，已有網絡條件無法滿足多媒體通信不斷增長的使用需求，除了需要運營商不斷進行網絡基礎設施的擴容更新，更迫切需要研究和改進提高網絡資源利用效率的媒體傳輸機制。重疊網絡(Overlay)的基本含義是在現有的IP傳輸網絡之上構建一個完全位於應用層的網絡系統，其優勢是可以充分兼容目前承載網絡的路由和交換體系結構，而在應用層實現網絡資源的組織和調度。會話初始化協議(Session Initiation Protocol, SIP) 是當前主流的IP通信信令(即在電信網的兩個實體之間，傳輸專門為建立和控制連接的信息)控制協議，並在IMS體系中廣泛應用，其優勢是將信令與媒體傳輸分別實現，而應用於媒體會話描述的會話描述協議(Session Description Protocol, SDP)提供了擴展SDP頭部欄位及添加標籤的功能。通過在SIP通信消息中攜帶SDP報文，並對SDP協議進行擴展可以實現多徑協商建立機制，為IMS客戶端媒體傳輸提供多條路徑，保證傳輸可靠性，提高傳輸速度，進一步改善媒體業務的用戶體驗。為了實現多徑傳輸，IMS客戶端可以利用本身具有的多宿特性在重疊網絡中建立多條傳輸路徑，並根據路徑質量監測結果隨時切換或加入新路徑。如圖1所示，重疊網絡中具有多宿特性的兩個IMS客戶端經過協商建立起3條傳輸路徑，接下來IMS客戶端就可以使用這些路徑進行數據傳輸。會話雙方可通過發送網絡探測分組實時監測當前使用路徑的質量，並根據時延、 丟包率、抖動中的一個或幾個性能質量參數決定當前路徑是否滿足媒體傳輸的最低要求， 如判斷當前路徑質量不滿足媒體傳輸要求或路徑已中斷，則使用備用路徑或嘗試建立新的路徑進行切換，比如圖1中每個IMS客戶端具有兩個網絡地址，這樣就有4條可供選擇的傳輸路徑，當選擇其中3條路徑進行傳輸的過程中出現路徑質量惡化或中斷時，就可以嘗試使用第4條路徑進行傳輸。
現有的多徑傳輸一般側重於使用一條路徑傳輸，而其他路徑作為備用路徑使用， 這種方式沒有考慮同時使用多條路徑的傳輸能力，對傳輸性能的提高意義不大，另外採用這種方式傳輸的音視頻媒體都是已經提前獲得全部內容的媒體，這種媒體的時效性要求不高，使用的傳輸協議也有很大的局限性，大多需要對協議進行大的修改才可使系統同時使用多條路徑傳輸，而本發明側重於傳輸要求高時效性的實時媒體，以SIP協議和SDP協議為基礎加以實現，不影響默認使用單一路徑的傳統普通應用，充分利用多條路徑的傳輸能力， 必然會有效地提升實時媒體傳輸性能。

發明內容
針對現有方法存在的不足，本發明提出一種基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端及媒體交換方法，以達到實時媒體高效傳輸的目的。本發明的技術方案是這樣實現的一種基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端，包括多徑協商單元、路徑選擇和切換單元、實時媒體數據劃分單元和媒體數據緩衝重組單元， 其中多徑協商單元，用於通信雙方根據歸屬域網絡是否支持多徑傳輸，確定是否使用多徑傳輸；路徑選擇和切換單元，用於維護當前使用的多條路徑，監測路徑的性能，根據路徑質量是否滿足實時媒體要求選擇傳輸路徑，並進行路徑切換；實時媒體數據劃分單元，用於根據當前使用的路徑數目及實時媒體有時間限制的特性，將媒體數據劃分到多條傳輸路徑，支持數據冗餘傳輸；媒體數據緩衝重組單元，用於從多條路徑上接收數據，刪除冗餘數據，並在實時媒體滿足用戶實際需求的前提下按照數據先後次序重組媒體；採用基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端的媒體交換方法，該方法包括路徑協商過程、路徑選擇切換過程、實時媒體數據劃分過程和媒體數據緩衝重組過程，其中，路徑協商過程為a.發起方的IMS客戶端向會話被叫方的IMS客戶端發送包含本身所有網絡地址的通信請求；b.被叫方的IMS客戶端收到請求後，根據歸屬域網絡是否允許多徑傳輸及自身網絡地址數量，向發起方的IMS客戶端發送響應，如不允許多徑傳輸，則默認採用單一傳輸路徑，如允許，則在響應中包含被叫方的所有網絡地址，經過雙方的協商從所有可能的路徑組合中選取性能最優的多條路徑作為傳輸路徑；c.如果由於會話任意一方歸屬域網絡(CSCF)不允許使用多徑傳輸而導致使用單一路徑傳輸，在會話開始後，由歸屬域網絡不支持多徑傳輸的IMS客戶端周期性地向歸屬域網絡(CSCF)確認當前網絡是否支持多徑傳輸，一旦發現網絡支持，即由首先發現的一方的IMS客戶端，向另一方的IMS客戶端發送申請建立新路徑的請求，如對方同意，則添加新路徑建立起多徑傳輸；d.如果使用多徑傳輸過程中任意一方的IMS客戶端出現新的可用網絡地址時，可經雙方協商嘗試使用該地址建立新的傳輸路徑；路徑選擇切換過程為
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多徑傳輸會話雙方周期性地監測所有使用路徑的性能，如果性能無法達到被傳輸媒體的質量要求，則擇優選取其他路徑進行切換；實時媒體數據劃分過程為會話雙方採用建立起來的多條路徑傳輸實時媒體，每條路徑分別傳輸媒體的一部分，實時媒體數據被劃分到多條路徑上冗餘傳輸；媒體數據緩衝重組過程為媒體數據在到達被叫方緩存後進行數據重組，被叫方的IMS客戶端根據數據流號的先後次序重組後播放；路徑選擇切換過程中所述的路徑的性能包括時延、丟包率和時延抖動。發明優點本發明基於多宿特性建立起多條路徑傳輸實時媒體，路徑建立後採用重疊網絡路由分組，並根據路徑質量評估策略選擇不同傳輸路徑進行切換，實現實時媒體的高效多徑傳輸，提升了重疊網絡中實時媒體的傳輸效率和服務質量。


圖1為本發明基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端多路徑傳輸機制原理圖；圖2為本發明基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端的總框圖；圖3為本發明基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端中路徑選擇和切換單元的框圖；圖4為本發明基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端與歸屬域網絡(CSCF)、重疊網絡之間的交互關係圖；圖5為本發明採用基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端的媒體交換方法中多徑協商和建立實施例的流程圖；圖6為本發明基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端中路徑選擇和切換單元的流程圖；其中，501、多徑協商單元502、路徑選擇和切換單元503、實時媒體數據劃分單元 504、媒體數據緩衝重組單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。本實施例採用的基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端如圖2所示，本實施例的發起方的IMS客戶端與接收方的IMS客戶端結構相同，均包括多徑協商單元501、路徑選擇和切換單元502、實時媒體數據劃分單元503、媒體數據緩衝重組單元504。其中，多徑協商單元501，用於完成整個多徑協商建立過程。向歸屬域網絡(CSCF) 確認是否支持多徑傳輸，向會話被叫方的IMS客戶端發送多徑傳輸申請或接收申請給出響應，以及當傳輸開始後某一方出現新的可用網絡地址時，使用所述的可用網絡地址建立新路徑進行傳輸。路徑選擇和切換單元502，用於周期性地發送網絡探測數據包(ping數據包)確定當前使用路徑的性能是否滿足實時媒體傳輸質量要求，如不滿足則在剩餘路徑中擇優選取進行切換。
其中路徑選擇和切換單元又包括路徑監測與評價單元、路徑選擇單元和路徑切換單元。圖3給出了路徑選擇和切換單元的框圖，其中，路徑監測與評價單元601，用於周期地發送端到端的網絡探測數據包(ping數據包)，以測量路徑的性能參數，包括時延、丟包率、抖動，並根據這些參數計算和預測每條路徑的服務質量。路徑監測與評價單元601， 還用於對收到的網絡探測數據包(ping數據包)，立即從原路徑回送一個網絡探測響應數據包(pong數據包)；路徑選擇單元602，根據用戶指定的策略及路徑質量，為每個業務選擇最優的路徑。用戶策略可選擇音頻質量優先、視頻質量優先、音視頻質量並重。選擇的過程中，需要根據用戶指定的策略及路徑質量，對所有業務的傳輸路徑進行調度，並計算出最優的路徑組合；路徑切換單元603，用於當某個業務的媒體傳輸路徑發送改變時，實現媒體流的無縫路徑切換。實時媒體數據劃分單元503，用於根據使用的媒體傳輸協議，將媒體數據劃分到多條傳輸路徑中，要求當可使用路徑數大於3條時，擇優選取其中3條進行冗餘劃分，任意2 條路徑的內容都可以在數據接收方恢復出原媒體數據。媒體數據緩衝重組單元504，用於刪除接收到的多徑傳輸數據中的冗餘數據，重組原數據，任何數據傳輸都不可避免會出現數據丟失，由實時媒體的特性決定，只要丟失數據不影響用戶的體驗效果即可。本實施例給出基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端媒體交換方法，圖4為重疊網絡IMS客戶端與歸屬域網絡(CSCF)之間、CSCF與策略決策功能(Policy Decision Function，PDF，PDF主要完成基於策略的業務控制和QoS控制，完成與應用伺服器以及策略信息庫的查詢、交互等功能)之間的交互關係圖。IMS客戶端使用SIP協議向CSCF確認歸屬域網絡是否支持多徑傳輸，並通過在SIP消息體中包含的SDP內容與遠端IMS客戶端完成使用多徑傳輸媒體的協商工作，並最終使用信令建立起客戶端之間的媒體會話；同時處於重疊網絡中的IMS客戶端使用重疊網絡路由協議與其他IMS客戶端完成實時媒體的傳輸。在多徑傳輸建立階段，會話發起方的IMS客戶端根據歸屬域網絡是否支持多徑傳輸與被叫方的IMS客戶端進行多徑傳輸協商和建立，如建立成功則使用多徑傳輸，如任意一方歸屬域網絡不支持多徑傳輸則採用傳統的單一路徑傳輸，另外當會話雙方歸屬域網絡由不允許多徑傳輸轉換為允許時，由歸屬域網絡狀態首先發生變化的一方發起建立多徑傳輸；在多徑建立的過程中，默認的單一路徑按照傳統方式存儲在SDP消息中，其他網絡地址採用標籤擴展機制放置在SDP頭部的後面，所述的標籤擴展機制是指為SDP協議中描述會話屬性的a屬性行添加一個新的會話屬性，該會話屬性包括數據傳輸使用協議、網絡地址、 埠三個數據項。圖5為會話雙方多徑協商建立過程，圖中還包含會話主叫方的IMS客戶端在多徑建立一段時間後出現新的可用網絡地址時，使用所述新的可用網絡地址建立其他傳輸路徑的過程，圖5中INFO是SIP協議支持方法，用於傳送會話相關的控制信息，這些信息是在會話過程中生產的，圖中所指主要是會話雙方的網絡地址，其中INFO(I)和INF0(2)為多徑建立時交換的網絡地址，INFO(I) 』和INF0(2)』為主叫方出現新的可用網絡地址時雙方交換新地址時涉及的相關信息，會話雙方多徑協商建立過程步驟如下
步驟301 發起方的IMS客戶端發送多徑傳輸服務請求到歸屬域網絡CSCF，並接收響應，該過程通過SIP協議中的OPTIONS類型請求(該請求允許IMS客戶端查詢伺服器能力)實現，歸屬域網絡(CSCF)針對OPTIONS請求會產生一個200 OK的響應，該響應列出所述歸屬域網絡(CSCF)的所有選項和能力，只需根據其他已有選項定義一個新的代表歸屬域網絡是否支持多徑傳輸的選項即可；通過步驟301，發起方的IMS客戶端了解歸屬域網絡是否支持多徑傳輸，如不支持，則使用傳統單一路徑傳輸數據；步驟302 發起方的IMS客戶端發送包含IMS客戶端所在計算機的所有網絡地址和埠的多徑協商建立請求消息到被叫方的IMS客戶端，通過SDP協議的標籤擴展機制實現。使用SDP協議中描述會話屬性的a屬性行，定義新的代表其他網絡地址的屬性關鍵字， 在其後的三個數據項分別代表數據傳輸使用的協議、網絡地址、埠。該屬性作為媒體m屬性行(在SDP協議中主要用於描述傳輸的媒體類型、傳輸使用埠、使用的傳輸協議)的一個屬性，而且同一m屬性行可同時包含多個該屬性，表示IMS客戶端所在計算機上所有的網絡地址；本實施例中定義新的代表其他網絡地址屬性的關鍵字為alternate，具體格式如下a = alternate <數據傳輸使用的協議X網絡地址X埠〉上式表示將新定義的代表其他網絡地址屬性的關鍵字alternate賦值給SDP協議中描述會話屬性的a屬性行；其中alternate即為定義的新關鍵字，表示其他網絡地址；本實施例中發起方的IMS客戶端發送的包含IMS客戶端所在計算機的網絡地址和埠的SDP多徑建立請求消息格式如下所示(SDP協議的其他會話描述屬性)c = IN IP[版本號]默認連接的IP位址m = audio port RTP/AVP RTP 負載格式a = alternate :RTP IPl 埠 1a = alternate :RTP IP2 埠 2式中，c為SDP協議中描述連接信息的屬性，IN表示網絡協議、IP4為網絡地址類型、默認路徑的IP表示連接的IP位址；m描述了媒體信息的詳細內容，表示會話的音頻數據(audio)是通過實時傳輸協議(Real-time Transport Protocol, RTP)以RTP負載格式屬性中描述的音視頻傳輸條件參數(Audio Video Profile, AVP)傳送，數據傳送使用埠為port。綜上，與傳統單徑傳輸方式不同的是除了使用的默認網絡地址外，由於IMS客戶端本身可以擁有多個網絡地址，又額外提供了兩個可供建立連接的網絡地址和埠。步驟303 被叫方的IMS客戶端接收到多徑傳輸申請後，使用OPTIONS請求向歸屬域網絡CSCF發出多徑傳輸申請，並接收200 OK響應。如被叫方歸屬域網絡支持多徑傳輸， 則在響應中給出肯定的應答。步驟304 被叫方的IMS客戶端向發起方的IMS客戶端發送多徑建立協商響應消息，如被叫方也具有多個網絡地址，使用SDP協議標籤擴展機制將其具有的所有網絡地址發送至發起方。
步驟305 發起方的IMS客戶端出現了新的可用網絡地址，如之前會話雙方都已確定歸屬域網絡支持多徑傳輸，這時直接由發起方的IMS客戶端發送添加網絡地址請求給被叫方的IMS客戶端，被叫方的IMS客戶端收到請求後給出響應，之後就可以使用該地址建立傳輸路徑。如原會話由於有任意一方歸屬域網絡不支持多徑傳輸而導致使用單一路徑傳輸，則需要首先與歸屬域網絡CSCF確定此時是否支持多徑傳輸。步驟306 根據會話雙方具有的網絡地址數及路徑建立策略，從不同的網絡地址組合中選取符合傳輸性能要求的路徑建立起多條傳輸路徑，並在傳輸開始後，周期性地監測所使用的路徑性能，根據事先選定的QoS參數進行評估，當發現有路徑質量下降或路徑中斷導致不能滿足傳輸需求時，擇優選擇其他路徑進行切換。圖6為路徑性能評估和切換的過程示意圖，如圖6所示，包括以下三個步驟步驟401 路徑性能測量發起方的IMS客戶端周期地發送網絡探測數據包(ping 數據包)測量所有使用路徑的性能，包括時延、丟包率、抖動。步驟402 路徑性能的評估發起方的IMS客戶端根據獲得的路徑參數評估路徑質量，參照實時媒體傳輸要求的時延、丟包率、抖動進行。步驟403 路徑選擇和切換IMS客戶端根據步驟402獲得結果從其他路徑中選擇最優路徑進行切換。在發起方的IMS客戶端將實時媒體數據劃分到多條傳輸路徑中，保證傳輸數據的冗餘性，任意兩條路徑的數據都能夠恢復出原數據，並且根據實時媒體的特性保證能夠區分時間範圍內數據的先後次序；在被叫方緩衝集中處理從多條路徑成功接收的數據，去掉冗餘數據，並根據時間次序恢復原數據，在保證滿足實時媒體播放要求的前提下處理數據丟失情況，並將數據傳遞給應用。
權利要求
1.一種基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端，包括路徑選擇和切換單元、實時媒體數據劃分單元和媒體數據緩衝重組單元，其特徵在於還包括用於通信雙方根據歸屬域網絡是否支持多徑傳輸、確定是否使用多徑傳輸的多徑協商單元；其中，路徑選擇和切換單元，用於維護當前使用的多條路徑，監測路徑的性能，根據路徑質量是否滿足實時媒體要求選擇傳輸路徑，並進行路徑切換；實時媒體數據劃分單元，用於根據當前使用的路徑數目及實時媒體有時間限制的特性，將媒體數據劃分到多條傳輸路徑，支持數據冗餘傳輸；媒體數據緩衝重組單元，用於從多條路徑上接收數據，刪除冗餘數據，並在實時媒體滿足用戶實際需求的前提下按照數據先後次序重組媒體。
2.採用權利要求1所述的基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端進行媒體交換的方法， 其特徵在於包括路徑協商過程、路徑選擇切換過程、實時媒體數據劃分過程和媒體數據緩衝重組過程，其中，所述的多徑協商單元的多徑協商過程步驟如下a.發起方的IMS客戶端向會話被叫方的IMS客戶端發送包含本身所有網絡地址的通信請求；b.被叫方的IMS客戶端收到請求後，根據歸屬域網絡是否允許多徑傳輸及自身網絡地址數量，向發起方的IMS客戶端發送響應，如不允許多徑傳輸，則默認採用單一傳輸路徑， 如允許，則在響應中包含被叫方的所有網絡地址，經過雙方的協商從所有可能的路徑組合中選取性能最優的多條路徑作為傳輸路徑；c.如果由於會話任意一方歸屬域網絡不允許使用多徑傳輸而導致使用單一路徑傳輸， 在會話開始後，由歸屬域網絡不支持多徑傳輸的IMS客戶端周期性地向歸屬域網絡確認當前網絡是否支持多徑傳輸，一旦發現網絡支持，即由首先發現的一方的IMS客戶端，向另一方的IMS客戶端發送申請建立新路徑的請求，如對方同意，則添加新路徑建立起多徑傳輸；d.如果使用多徑傳輸過程中任意一方的IMS客戶端出現新的可用網絡地址時，可經雙方協商嘗試使用該地址建立新的傳輸路徑；所述的路徑選擇切換過程為多徑傳輸會話雙方周期性地監測所有使用路徑的性能，如果性能無法達到被傳輸媒體的質量要求，則擇優選取其他路徑進行切換；所述的實時媒體數據劃分過程為會話雙方採用建立起來的多條路徑傳輸實時媒體，每條路徑分別傳輸媒體的一部分， 實時媒體數據被劃分到多條路徑上冗餘傳輸；所述的媒體數據緩衝重組過程為媒體數據在到達被叫方緩存後進行數據重組，被叫方的IMS客戶端根據數據號的先後次序重組後播放。
3.根據權利要求2所述的基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端進行媒體交換的方法， 其特徵在於在路徑選擇切換過程中所述的路徑的性能包括時延、丟包率和時延抖動。
全文摘要
基於重疊網絡多徑傳輸的IMS客戶端及媒體交換方法，IMS客戶端可基於重疊網絡進行多徑實時媒體傳輸協商，若協商成功，可建立多條路徑傳輸實時媒體，傳輸過程中可根據路徑質量監測結果進行路徑切換。實現IMS客戶端實時媒體多徑傳輸，可有效提升IMS通信中實時媒體網絡傳輸性能。
文檔編號H04L29/06GK102546418SQ201210012048
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者劉軍, 張偉, 戴明珠, 陳梟, 雷為民 申請人:東北大學