一種無線區域網ip組播幀傳輸的組播成員管理方法
2023-11-12 06:14:22 2
專利名稱：一種無線區域網ip組播幀傳輸的組播成員管理方法
技術領域：
本發明涉及無線通訊領域中無線區域網組網時IP組播技術業務應用的實現方法，尤其涉及IEEE 802.11無線區域網(WLAN)組播成員的管理方法。
背景技術：
由於無線區域網布線簡易等優點，無線區域網逐漸廣泛應用於家庭網絡。並且隨著寬帶和視頻壓縮技術的不斷發展，以視頻直播和點播為主的網絡電視通過無線區域網技術傳輸，會逐漸成為今後發展的一個重要方向。
傳統的IEEE 802.11無線區域網是為數據應用設計的，對組播應用的支持比較弱。當無線區域網進行數據傳輸時，接收數據的客戶端通過802.11確認幀(ACK)來保證數據傳輸的可靠性。如果接入點設備沒有接收到客戶端的ACK幀，則會重傳這一幀。接入點設備還通過來自客戶端的802.11確認幀以及其他管理或數據幀，來檢測接收方的信號質量，並根據信號質量調整對客戶端的數據發送速率，進一步保證數據的可靠傳輸。
但是802.11協議規定，接收組播的客戶端不通過發送802.11確認幀(ACK)來確認組播幀的正確接收，因而組播數據傳輸的可靠性得不到保證。由於組播報文是發向組播組裡的所有客戶端，接入點設備為了保證所有客戶端都能接收到組播幀，通常以最保守的速率發送組播幀，如在802.11b模式下通常為1Mbps，在802.11a/g模式下通常為2Mbps，但實際的帶寬比上述組播幀的發送速率還要低，這對於至少需要2Mbps甚至更高帶寬的多媒體應用如IPTV業務來說，帶寬明顯不足，影響業務的正常開展。如果固定配置了比較高的組播數據發送速率，會導致信號質量比較低的某些無線客戶端不能正確接收，特別是當無線客戶端與無線接入點之間的距離、障礙物等環境發生變化引起的無線客戶端與無線接入點間的信號質量發生變化，如果無線接入點與無線客戶端間的組播發送速率不能實時調整，則會出現較高的組播發送誤碼率，導致無線客戶端不能正確接收組播報文。因此需要增加組播的發送速率以提高帶寬，組播發送速率必須支持可實時調整。
另外，從組播源發送一個組播報文到達無線接入點後，無線接入點將這個組播報文發送到關聯的無線客戶端，但是不屬於這個組播組並已經關聯到這個無線接入點的其他無線客戶端也可以收到這個組播報文。這對某些無線應用來說是不允許的，比如以IP組播為主的IPTV直播業務，它要求僅加入某個組播組的無線客戶端可以接收這個組播組的組播報文，其他沒有加入這個組播組的無線客戶端不允許接收這個組播組的組播報文，目前的IEEE802.11無線區域網還不能滿足這個要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種無線區域網IP組播幀傳輸的組播成員管理方法，能夠解決上述的IP組播報文在無線區域網應用中的問題，實現對組播無線客戶端有效的管理，同時提高IP組播發送速率以及IP組播傳輸可靠性。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種無線區域網IP組播幀傳輸的組播成員管理方法，每個組播組有一組播成員列表，當無線客戶端請求加入某IP組播組時，包括以下步驟(a)無線客戶端向無線接入設備發送組播加入請求報文，請求加入某組播組；(b)無線接入設備收到請求報文後，根據組播加入請求報文的目的地址判斷所述無線客戶端請求加入的組播組是否存在，如果存在，則判斷在該組播組的組播成員列表中是否有所述請求客戶端，如果有，則更新該請求客戶端的MAC地址的老化定時器，如果沒有，則在該組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端，即在組播成員列表中記錄所述請求客戶端的MAC地址，否則，新建組播組，並且在此組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端；
(c)所述無線接入設備將該組播加入請求報文轉發給組播源。
當無線客戶端請求離開某IP組播組時，包括以下步驟(A)無線客戶端向無線接入設備發送組播離開請求報文，請求離開某組播組；(B)無線接入設備收到請求報文後，在該組播組的組播成員列表中刪除該請求客戶端。
(C)無線接入設備判斷該組播成員列表是否為空，如果是，則刪除該組播組，並將該組播離開請求報文轉發給組播源，否則，將該報文丟棄。
當無線接入設備收到組播源發出的組播查詢報文時，包括以下步驟無線接入設備判斷該報文的類型，如果是通用查詢報文，則按最佳廣播報文發送速率將該報文發送給每個與該報文關聯的無線客戶端，所述最佳廣播報文發送速率是所述無線接入設備在所有無線客戶端的最佳單播報文發送速率中的選擇的最小值；如果是定組查詢報文，則將該組播報文處理為單播報文，即將該組播報文的組播目的地址替換為組播組中無線客戶端的MAC地址，以最佳單播報文發送速率發送到此組播組下的成員無線客戶端，所述最佳單播報文發送速率是所述無線接入設備根據接收的無線客戶端的802.11報文確定的。
進一步地，上述方法還可具有以下特點如果無線接入設備檢測到無線客戶端的異常下線，則查找該無線客戶端所屬組播組，在該組播組的組播成員列表中，刪除所述無線客戶端，即在組播成員列表中刪除所述無線客戶端的MAC地址，所述無線接入設備判斷若該組播組的組播成員列表是否為空，如果是，則刪除該組播組。
進一步地，上述方法還可具有以下特點刪除所述無線客戶端後，無線接入點設備模擬產生無線客戶端的組播離開請求報文，將其發送給組播源。
進一步地，上述方法還可具有以下特點所述將該組播報文處理為單播報文時，如果有多個無線客戶端，則每替換一次地址發送一次，直到向組播組中所有成員無線客戶端全部發送完畢。
進一步地，上述方法還可具有以下特點當無線接入設備重新啟動後，無線接入設備模擬產生組播源下發的組播查詢報文，喚起無線客戶端重新請求加入組播組。
為了解決在現有無線區域網，無線接入點不能限定IP組播報文只發送到加入這個組播組的無線客戶端，接收組播的客戶端不通過發送802.11確認幀ACK給接入點來確認組播幀接收，以及接入點通常以固定且最低的數據速率發送組播幀，造成接入點無法檢測傳輸錯誤、無法重新傳輸丟失的數據包，不能依據客戶端距離和環境的變化調整組播發送速率而造成誤碼率增加，以及組播傳輸達不到帶寬要求的問題，本發明提供了一種對組播無線客戶端成員進行有效管理的方法，實現了在無線區域網網絡內，高速可靠的傳輸IP組播報文。本發明通過偵聽無線客戶端發送給無線接入點的IGMP(Internet組管理協議)報文，動態維護組播成員列表。當組播源發送IP組播報文到接入點時，組播成員管理模塊通過查詢組播成員列表後對組播報文進行組播目的地址轉換為無線客戶端MAC地址的單播報文處理，使組播報文的帶寬和可靠性可以達到單播報文的帶寬和傳輸可靠性，從而提高IP組播報文的傳輸速率以及改善IP組播報文傳輸的可靠性。
採用本發明所述方法，保證了在採用IEEE 802.11a/b/g標準以及下一代無線標準IEEE 802.11n的無線區域網產品中，達到高速可靠傳輸組播報文的目的，克服了IEEE 802.11傳輸組播報文帶寬低可靠性差的缺陷，極大地拓展了無線區域網產品的應用，特別是以組播技術為主的視頻直播業務在無線區域網產品的應用，促進了通過無線區域網傳輸組播業務應用的發展。
圖1為組播傳輸設備圖；圖2為組播傳輸系統應用圖；圖3為組播傳輸方案的系統模塊圖；圖4為組播傳輸技術的應用示例圖；
圖5為本實施例組播成員管理模塊處理無線客戶端加入組播組流程圖；圖6為本實施例組播成員管理模塊處理無線客戶端離開組播組流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，傳輸組播的無線接入點設備由無線接口模塊、組播成員管理模塊、上行接口模塊、802.1d橋接模塊、IP路由模塊、協議應用模塊和配置管理模塊組成。設備的無線接口模塊接收的報文經802.1d橋接模塊或IP路由模塊轉發到上行接口模塊，上行接口模塊接收的報文經802.1d橋接模塊或IP路由模塊轉發到無線接口模塊。當無線接口模塊或上行接口模塊接收到IGMP(Internet組管理協議)報文或IP組播報文時則送由組播成員管理模塊處理組播成員管理模塊處理從無線接口模塊接收的IGMP報文，維護組播成員列表；上行接口模塊接收的IP組播報文經802.1d橋接模塊或IP路由模塊，進一步轉發到組播成員管理模塊處理，由組播成員管理模塊將IP組播報文轉發到無線接口模塊。其中無線接口模塊，包括無線驅動模塊以及硬體接口，其中無線驅動模塊用於接收和發送無線接入點和無線客戶端間的802.11管理和數據幀，並依據與無線客戶端交互的802.11幀實時檢測無線接入點和無線客戶端的連接信號質量，實時調整和確定無線接入點發送到無線客戶端的「最佳單播報文發送速率」；組播成員管理模塊，用於維護組播成員列表以及記錄組播成員無線客戶端的MAC地址信息，還負責接收和轉發組播源與組播成員無線客戶端間的IP組播報文；802.1d橋接模塊和IP路由模塊，用於轉發報文；上行接口模塊，包括驅動和上行硬體接口，用於連接外部網絡，如Internet的接口，可通過連接DSLAM、交換機、BRAS等設備間接連接到Internet，所述上行接口可以是乙太網接口、xDSL接口、xPON等接口；設備的協議應用模塊和配置管理模塊用於完成各種協議和上層應用，以及本地或遠程的配置管理。
組播傳輸系統應用如圖2所示，在組播傳輸的應用系統中至少包括無線客戶端、無線接入點、分布系統(DS)以及組播源。無線客戶端需要請求加入或離開組播源的某個組播組時，無線客戶端發送的IGMP(網際網路組管理協議)報文經無線接入點發送到組播源，無線接入點將無線客戶端加入或剔除出某個組播組。組播源發送某個IP組播報文給組播組的成員時，組播源發送的IP組播報文經無線接入點發送給組播組的成員無線客戶端，完成IP組播的傳輸。
其中組播源，用於發送組播報文；分布系統，用於連接無線接入點與組播源；一個或多個無線接入點，用於確定和選擇發送速率將組播報文發送給無線客戶端，用於將IP組播報文處理為單播報文並，以及處理無線客戶端發出的加入或離開組播組的請求信息；一個或多個無線客戶端，是使用組播業務的用戶，可以向無線接入點發出加入或離開組播組的請求。
如圖3所示，在實現本方案所述的高速可靠傳輸IP組播報文的無線接入點內，包括無線驅動模塊、組播成員管理模塊。在無線驅動模塊中針對每個無線客戶端都保存有一個最佳單播報文發送速率，當每個無線客戶端新接入到無線接入點時，無線驅動模塊確定該無線客戶端的「最佳單播報文發送速率」，或者當無線客戶端的「最佳單播報文發送速率」實時發生變化時，無線驅動模塊在所有客戶端中選擇最小的「最佳單播報文發送速率」值，作為無線接入點發送其他廣播組播報文到每個無線客戶端的「最佳廣播報文發送速率」，所述「最佳廣播報文發送速率」也可稱為「最佳組播報文發送速率」，是所有客戶端共用的速率。
組播成員列表，記錄組播組以及組播組的成員無線客戶端信息，每個組播組有一張組播成員列表，由組播成員管理模塊動態維護，可以存儲在組播成員管理模塊內，其中無線客戶端信息包括無線客戶端的MAC地址信息。
在具體應用中如圖4所示。在以IEEE 802.11a/b/g標準以及下一代無線標準IEEE 802.11n組建的無線區域網產品中，無線接入點設備接入多個無線客戶端STA。無線客戶端向無線接入點發送IGMP組播加入報文IGMPReport請求加入某個IP組播組，或者無線客戶端向無線接入點發送IGMP組播離開報文IGMP Leave請求離開某個IP組播組。無線接入點的組播成員管理模塊從無線驅動模塊接收到無線客戶端的IGMP組播加入或離開報文，動態維護組播成員列表以及無線客戶端的MAC(介質訪問控制)地址等信息。
在現有的IEEE 802.11a/b/g無線區域網網絡以及下一代無線標準IEEE802.11n無線區域網網絡內，IP組播報文的傳輸方法包括從組播源發出的IP組播報文到達無線接入點；無線接入點中的組播成員管理模塊對其進行處理，組播成員管理模塊查找組播成員列表，如果IP組播報文對應的組播組在組播成員列表內有組播成員無線客戶端存在，則將IP組播報文處理成單播報文，以最佳單播報文發送速率發送到組播組下的各個成員無線客戶端。
上述無線接入設備將IP組播報文進行組播報文轉單播報文的處理是指，將IP組播報文的組播目的地址依次替換為組播組中各無線客戶端的MAC地址，每替換一次地址發送一次，直到向組播組中所有成員無線客戶端全部發送完畢。無線接入設備根據接收的無線客戶端的802.11報文即可確定最佳單播報文發送速率。
這樣報文的發送速率和可靠性符合單播報文的性能和可靠性要求，保證了以IP組播技術為主的視頻直播業務在無線區域網產品的可靠應用。
對組播成員管理的具體實施流程如圖5和圖6所示，為了便於對組播成員進行動態管理，組播成員列表中添加了對組播成員進行管理的數據結構sta_list，主要包括mac，無線客戶端的MAC地址；mac_ageing_timer，無線客戶端MAC地址老化定時器。無線驅動模塊依據從客戶端接收的802.11管理和數據幀，檢測客戶端的信號質量，調整客戶端的發送速率，並負責把IGMP報文轉發給組播成員管理模塊用於建立動態的組播成員表。
無線接入點處理無線客戶端加入的流程如圖5所示，包括以下步驟
步驟110，無線客戶端STA向無線接入點發送組播加入報文(IGMPReport)，請求加入到某個IP組播組，無線接入點中的無線驅動模塊將此報文轉發到組播成員管理模塊處理；步驟120，組播成員管理模塊判斷IGMP Report報文的目的地址即該組播組是否存在，如果是，執行步驟130，否則，執行步驟160；步驟130，判斷組播組成員列表中是否有請求客戶端(即發送IGMPReport報文的無線客戶端)的MAC地址信息，如果有，執行步驟140，否則執行步驟150；步驟140，更新請求客戶端的MAC地址的老化定時器；老化定時器的作用是如果一個無線客戶端異常下線，則無線接入點就再也無法接收到這個客戶端發送的IGMP Report報文(以及IGMP Leave報文)，待到達超時時間，則認為該客戶端下線，從組播成員列表中刪除其MAC地址。
步驟150，在該組播組成員列表中加入此請求客戶端，記錄其MAC地址步驟160，新建組播組，並且在此組播組裡的成員列表內加入請求客戶端，記錄該客戶端的MAC地址；步驟170，組播成員列表更新完成後，組播成員管理模塊將此IGMPReport報文轉發給組播源。
組播加入與組播查詢都是組播技術中不可缺少的機制。組播加入是由無線客戶端發起的，用於加入組播；而組播查詢是由組播源發起的，用於查詢本組播源的某個組播組下有哪些客戶端，組播源每隔一段時間發送組播查詢IGMP Qurey報文，客戶端收到此查詢報文後，會返回一個IGMP Report報文。
無線接入點處理組播源查詢的流程包括從組播源發出的組播查詢報文(IGMP Query)到達無線接入點後，無線接入點中的組播成員管理模塊判斷此IGMP Query報文的類型，如果是IGMP通用查詢報文，則按最佳廣播報文發送速率將該報文發送給每個關聯上的無線客戶端；如果是IGMP定組查詢報文，則遍歷該報文目標組播組中各個無線客戶端成員，同時將組播報文的組播目的地址轉換為各成員無線客戶端MAC地址，從而把此組播報文變為單播報文，按照各無線客戶端的最佳單播報文發送速率發送到此組播組下的每個無線客戶端。
無線接入設備選擇所有無線客戶端中最小的「最佳單播報文發送速率」，作為無線接入點發送的「最佳廣播報文發送速率」。
無線接入點處理無線客戶端離開的流程如圖6所示，包括以下步驟步驟210，無線客戶端STA發送組播離開報文(IGMP Leave)到無線接入點，請求離開某個IP組播組，在無線接入點中，由無線驅動模塊將此報文轉發給組播成員管理模塊；步驟220，組播成員管理模塊根據報文的源MAC地址找到組播組成員表中對應的無線客戶端；步驟230，組播成員管理模塊刪除此無線客戶端MAC地址信息；步驟240，組播成員管理模塊判斷此組播成員列表是否為空，如果是，執行步驟250，否則，不向組播組轉發此報文，將該報文丟棄；步驟250，刪除此組播組，並且將此IGMP Leave報文轉發給相應的組播源。
當無線接入點中的組播成員管理模塊檢測到無線客戶端的異常下線，則遍歷所有組播組下組播成員列表，將異常下線的無線客戶端的MAC地址從組播成員列表中刪除。如果組播組下的無線客戶端數目減少為0(即成員列表為空)，則刪除該組播組，由於客戶端是異常下線，無法發送IGMP Leave報文，因此由組播成員管理模塊模擬產生無線客戶端的組播離開報文IGMPLeave發送給組播源，告知組播源該客戶端已離開。
當無線接入點重新啟動後，組播成員管理模塊模擬產生組播源下發的組播查詢(IGMP Query)報文，喚起無線客戶端重新請求加入組播組。
上述在以IEEE 802.11a/b/g標準以及下一代無線標準IEEE 802.11n的無線區域網中，無線區域網接入點設備通過分析IGMP報文，動態維護組播成員列表，從而通過組播成員列表對組播報文進行組播轉單播報文的處理，提高了IP組播報文傳輸速率以及改善了IP組播傳輸的可靠性。
本方法克服了IEEE 802.11傳輸IP組播報文帶寬低可靠性差的缺陷，極大地拓展了無線區域網產品的應用，特別是以IP組播技術為主的視頻直播業務在無線區域網產品的應用，為無線區域網產品在家庭網絡的普及與發展提供了有力的保證。
權利要求
1.一種無線區域網IP組播幀傳輸的組播成員管理方法，每個組播組有一組播成員列表，當無線客戶端請求加入某IP組播組時，包括以下步驟(a)無線客戶端向無線接入設備發送組播加入請求報文，請求加入某組播組；(b)無線接入設備收到請求報文後，根據組播加入請求報文的目的地址判斷所述無線客戶端請求加入的組播組是否存在，如果存在，則判斷在該組播組的組播成員列表中是否有所述請求客戶端，如果有，則更新該請求客戶端的MAC地址的老化定時器，如果沒有，則在該組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端，即在組播成員列表中記錄所述請求客戶端的MAC地址，否則，新建組播組，並且在此組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端；(c)所述無線接入設備將該組播加入請求報文轉發給組播源。當無線客戶端請求離開某IP組播組時，包括以下步驟(A)無線客戶端向無線接入設備發送組播離開請求報文，請求離開某組播組；(B)無線接入設備收到請求報文後，在該組播組的組播成員列表中刪除該請求客戶端。(C)無線接入設備判斷該組播成員列表是否為空，如果是，則刪除該組播組，並將該組播離開請求報文轉發給組播源，否則，將該報文丟棄。當無線接入設備收到組播源發出的組播查詢報文時，包括以下步驟無線接入設備判斷該報文的類型，如果是通用查詢報文，則按最佳廣播報文發送速率將該報文發送給每個與該報文關聯的無線客戶端，所述最佳廣播報文發送速率是所述無線接入設備在所有無線客戶端的最佳單播報文發送速率中的選擇的最小值；如果是定組查詢報文，則將該組播報文處理為單播報文，即將該組播報文的組播目的地址替換為組播組中無線客戶端的MAC地址，以最佳單播報文發送速率發送到此組播組下的成員無線客戶端，所述最佳單播報文發送速率是所述無線接入設備根據接收的無線客戶端的802.11報文確定的。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，如果無線接入設備檢測到無線客戶端的異常下線，則查找該無線客戶端所屬組播組，在該組播組的組播成員列表中，刪除所述無線客戶端，即在組播成員列表中刪除所述無線客戶端的MAC地址，所述無線接入設備判斷若該組播組的組播成員列表是否為空，如果是，則刪除該組播組。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，刪除所述無線客戶端後，無線接入點設備模擬產生無線客戶端的組播離開請求報文，將其發送給組播源。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述將該組播報文處理為單播報文時，如果有多個無線客戶端，則每替換一次地址發送一次，直到向組播組中所有成員無線客戶端全部發送完畢。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，當無線接入設備重新啟動後，無線接入設備模擬產生組播源下發的組播查詢報文，喚起無線客戶端重新請求加入組播組。
全文摘要
本發明一種無線區域網IP組播幀傳輸的組播成員管理方法，提高IP組播發送速率以及IP組播傳輸可靠性，當無線客戶端請求加入某IP組播組時，包括(a)無線客戶端向無線接入設備發送組播加入請求報文，請求加入某組播組；(b)無線接入設備收到請求報文後，判斷所述無線客戶端請求加入的組播組是否存在，如果是，則在該組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端，否則，新建組播組，並且在此組播組的組播成員列表中加入該請求客戶端。當無線客戶端請求離開某IP組播組時，包括(a)無線客戶端向無線接入設備發送組播離開請求報文，請求離開某組播組；(b)無線接入設備收到請求報文後，在該組播組的組播成員列表中刪除該請求客戶端。
文檔編號H04W4/06GK1929638SQ200610140250
公開日2007年3月14日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年10月20日
發明者高敏, 王佔利, 劉鵬午 申請人:中興通訊股份有限公司