通过多个网络传递数据的系统和方法

专利名称：通过多个网络传递数据的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种数据网络系统和方法；具体而言，本发明涉及一种网络结构，它将各种子网形成一个整体，更加有效地管理和控制数据通信和可用带宽。
随着拥有多数字消费电子(CE)产品的家庭和企业的数量不断增加，更加需要能够将两个或者更多PC和/或CE装置连接在一起的数据网络。在它最简单的形式中，在某种传输媒体连接起来的任意两个装置之间进行数据通信。但是一般而言这些装置不可能是点到点连接的。所有装置互相之间直接连接对于家庭和企业来说都是成本高昂的、过于庞杂的(从所需连接数的角度看)。因此，PC和/或CE装置之间通常都是通过网络连接起来的。


图1示出了现有技术中的通信网络10。网络10包括工作站11、通信节点12和通信网络13。工作站11可以是计算机、终端、电话和其它通信装置。每个工作站11都跟相应的通信节点12连接，这些通信节点12能够通过通信网络13在工作站11之间传输数据。通信网络13可以是一般类型的任意网络，比方说交换(电路或者分组交换)和宽带(分组无线电、卫星、本地总线和本地环)网络。
通信节点12采用各种通信协议通过通信网络13在工作站11之间进行通信。这些协议基本上给出了决定两个工作站11之间如何进行数据交换的规则组。协议的关键功能涉及语法、语义和时序。通信可以是直接的(点到点)，也可以是间接的(通过中间代理，例如因特网)。
在通信网络13的两个部分之间另外还有用作桥接协议数据单元的装置。在LAN中这些装置，例如路由器，用于在两个不同的通信媒体之间传输数据，例如在无线和有线媒体之间。这些装置包括每个相应媒体上的物理层和链路层通信应用，数据是用它们来进行传递的。可以将路由器用作通信节点12，将LAN(例如通信网络13)和自动装置(例如有红外接口的工作站11)连接起来。
此外，还有一些系统通过(例如建筑物内或者是建筑物之间的)电力线向远程装置传递命令。在这些系统中，消息信号调制在电力信号之上。连接远程装置和电力线的接口节点对这些命令进行译码。
家用/商用网络的一个主要功能是在建筑物或者区域内传递数据。这种数据网络概念使得多个用户能够完成各种用户任务。例如，这些任务包括-互联网访问共享，利用适当的网关，整个家庭可以用一台PC机访问因特网，因而不需要各自使用自己的调制解调器、因特网账号和电话线。
-文件夹和硬盘共享，这样就使得文件的备份和传送更加容易；-外设/装置共享，也就是打印机和传真机共享；和-音频和视频娱乐，例如家里不同位置或者邻居家的儿童能够通过网络同时玩游戏或者观看视频节目。
这种家庭/商业网络的另外一项功能是用于控制各种家庭/商业功能的智能系统(例如家庭自动化)。(控制建筑物环境的)智能能量模块和智能安全系统越来越普及。跟路由器相似，有许多接口用来将这些智能系统连接在一起，它们采用不同的通信参数。这个接口相当于各种智能系统的一个连接点(也就是交换点)。
传统的家庭/商业网络市场主要是以PC为中心例如通过局域网(LAN)连接的PC。利用已有的基础设施和技术，可以用各种方式来连接装置，例如利用同轴电缆、塑料光纤(pof)、电力线、电话线、综合业务数字网(ISDN)和无线(IR和RF)方式。同轴电缆和塑料光纤能够提供可靠的10/100Mbps以太网连接和100Mbps的1394b连接。电话线、电力线和无线方式这样的其它媒体一般都能够提供低数据率到中数据率的连接。
当然，媒体的选择很大程度上取决于是需要房间内部的连接还是房间之间的连接。对于同一房间内的装置，需要采用电缆和塑料光纤来获得可靠的高带宽连接。但是对于不同房间或者不同楼层的装置，必须在墙上打孔，将电缆/光纤穿过去。这肯定不是许多消费者的最佳选择，因为安装成本太高，还会破坏室内装修。解决这一问题的一种方法是利用已经存在的电线或者是采用无线方式。
家庭电话线联网同盟(HomePNA)最近通过了利用电话线进行家庭联网的一个标准。第一个规范中的数据率将达到1Mbps，但是它的后续版本会达到10Mbps。在这个标准中，联网协议通过建筑物内已有的电话线进行工作，而不会影响正常的话音功能。这是通过利用人类语音通信以外的频率来做到的。使用这些频率同样跟ISDN业务兼容。如上所述，另外一种方法是利用电力线，这样做的优点是家里到处都有电源插座。目前，通过电力线的最大数据率是大约350kbps。其它技术包括利用基于无线电的无线网络或者有线以太网。在美国、欧洲和日本已经提出了室内无线电网络的各种标准。跟本发明有关，可以预见的其它无线联网产品也会在市场上流行，这些产品包括蓝牙(＜1Mbps)、HomeRF(～2Mbps)、IEEE 802.11a和ETSI/BRAN(～36Mbps)。虽然基于无线电的技术能够避免连线的有关缺点，但是这些技术还有跟(到其它无线电资源的)接口和可靠性有关的缺点。
上面讨论的传统家庭网络的一个主要缺点是它们依赖于单一的媒体或者技术来进行通信和互连。此外，在某些情况下，在一座建筑物或者住宅内可能会有多个网络。这些网络会抢占同样的频带，例如无线电频率。即使多个网络不是采用同样的频带，也没有任何集成系统对这种家庭/商业网络媒体进行有效的管理和控制(例如需求和分配频带)。
因此，本领域需要改进的方法和系统来实现和控制家庭/商业网络。
数字消费电子的增长会给联网市场带来新的商机。人们预计需要在房间之间进行连接，互相补充的多重联网技术。住宅、建筑物(假设不安装任何新电线)和附近区域的基础设施会包括多个子网，例如电话线子网、电力线子网和/或无线子网。
本发明提供一种网络体系结构，它能够将这些子网结合起来形成一个互相重叠的骨干网，这个骨干网能够连接电话线网络装置、电力线网络装置、射频(RF)无绳装置以及用因特网协议(IP)、通用串行总线(USB)和P1394协议连接起来的装置，并且通过这些子网有效而可靠地传输数据。
一方面，本发明的目的是提供一种子网间的路由器。这种子网间的路由器通过路由选择数据结构中定义的一个或者多个子网将数据传递给一个目的地路由器。路由选择结构的建立是通过建立在每个连接的带宽和服务质量需求基础之上的路由建立机制来实现的。
本发明的一个实施方案涉及一个控制器，它包括多个子网的多个数据连接，多个数据装置的多个输入/输出连接，以及这多个子网中一个或者多个的带宽合并装置。这个控制器还包括利用合并以后的带宽将数据包从多个数据装置中的一个传递给多个数据装置中另外一个的装置。
本发明的另外一个实施方案涉及一种数据联网系统，它包括连接了相应数据装置的多个控制器。该系统还包括跟控制器连接的多个子网，从而使来自一个控制器的数据能够利用一个或者多个子网发送给另外一个控制器。
在再一个实施方案中提供一种方法在网络中分配带宽。该方法包括从一个数据装置接收连接请求，确定多个子网中的一个是否有带宽来支持连接请求的步骤。如果没有，判断多个子网中的一个以上联合起来是否有足够的带宽来支持被请求的这一连接。如果能够获得这样的带宽，就为这一连接请求分配可用带宽。
下面的详细说明给出本发明的这些实施方案和其它实施方案以及各个方面。
可以通过下面对本发明优选实施方案的详细描述，同时参考附图，来了解本发明的优点和特点，在这些附图中图1是现有技术中通信网络的一个原理框图；图2是一个优选实施方案的一个原理框图；图3是本发明一个方面中子网间路由器的一个框图；图4是一个流程图，它说明按照一个优选实施方案分配带宽的步骤；和图5是另一个实施方案的一个原理框图。
图2说明本发明中关于如何在家庭网络100中使用子网间路由器也就是控制器的一个优选实施方案。当然应该明白本发明并不限于家庭网络。本发明还可以用于从商业和教育设施这样的数据联网获得好处的所有情形。
在这个实例中，住宅200有一个卧室201、一个起居室202和一个书房203。每个房间都有一个相应的子网间路由器101，将这个房间中的各种装置跟多个子网中的至少一个连接起来。这个实例包括一个电话线子网102、一个电源线子网103、一个无线子网104、一个同轴子网105、一个光纤子网106和一个外部子网107。每个房间还包括各种终端用户装置(例如TV 110、录像机111、膝上型电脑112、电话机113、VCR 114、传真机115、打印机116和个人计算机117)，它们能够通过各种子网发送和/或接收数据。
路由器101可以跟所有或者一些子网连接。例如，起居室路由器101跟所有五个子网连接，但是书房路由器101只连接除同轴子网105以外的所有子网。
也可以使这个位置的所有终端用户装置都跟一个路由器101连接。在这个实施方案中，这个路由器101随后管理这些终端用户装置和不同建筑或者位置中也能通过子网间路由器访问各种子网的外部装置之间的通信。
每个路由器101都包括跟连接有关的数据和可用带宽。例如，如下表所示每个路由器101的表格，也就是连接表和可用带宽表。连接表提供关于能否使用子网的信息。在工作过程中，路由器101跟一个或者多个子网连接的时候自动地建立连接表。可用带宽表提供子网101的可靠性和每个子网101中可用带宽的有关信息。在工作过程中，建立、释放或者改变两个路由器101之间连接的时候更新带宽表。在这个实施方案中，连接表和带宽表被用于分配子网资源和进行连接允许控制。
表1连接表
在连接表中采用以下符号ph-电话线子网102；pwr-电源线子网103；wl-无线子网；cox-同轴子网105；和fib-光纤子网106。如同上面的连接表所示，提供了通过各个子网来往于每个路由器101的连接(或者通信)路径。从这样一个子网能够很容易地找到某个路由器101处能够使用的子网。
当然，本领域中的技术人员应该明白也可以定义其它的数据结构来储存和管理连接数据。本发明并不限于矩阵一样的表格。另外，不是说每个路由器101都需要保存这样的连接和可用带宽数据。一个路由器101可以储存这些信息。需要的时候其它路由器101访问这些信息。在另一个实施方案中，这些信息可以储存在一个外部装置(例如一个本地或者远程PC)中。于是需要的时候路由器101访问外部装置里的这些信息。
表2可用带宽表
在这个可用带宽表中，采用以下符号ph_total表示电话线子网的所有可用带宽，类似的符号表示其余子网的总能力；“a”-“e”分别表示任意给定时刻相应子网中使用的带宽量。分配或者释放某个子网中的带宽时更新a-e这些值。任意时刻的可用带宽能够通过从这个子网的总带宽减去已经使用的带宽很容易地计算出来。
表2还包括跟每个子网102-106的可靠性有关的信息。这些子网中的每一个都是在收到的性能判据或者标准的基础之上评估的。一些子网固有地比其它子网更加可靠。
图3说明路由器101的内部结构。路由器101包括一个或者多个数据连接322、一个或者多个输入/输出连接324、一个处理器325、一个存储器326和一个内部时钟328。数据连接322代表各个子网102-106的接口。如上所述，数据连接322也可以表示子网102-106和/或外部子网107，例如因特网这样的全球计算机通信网、广域网、城域网、局域网、地面广播系统、电缆网、卫星网、无线网或者电话网以及这些和其它类型网络的一部分或者组合，的一个或者多个数据连接。输入/输出连接324代表各个终端用户装置(例如图2所示的110-117)的接口(例如硬件、无线、红外、视频、模拟或者数字的)。
数据连接322、输入/输出连接324、处理器325、存储器326和时钟328通过通信媒介327进行通信。通信媒介327可以代表例如总线、通信网络、电路、电路卡或者其它装置的一个或者多个内部连接，以及这些和其它通信媒介的一部分和组合。
应该明白图3所示路由器101的具体结构只是用作实例。本领域中的技术人员会认识到本发明可以用各种系统结构来实现。
图4是说明通过各种子网分配和控制终端用户装置之间连接的一个流程图。在步骤S10中，终端用户装置请求连接一个或者多个其它终端用户装置。这个终端用户装置连接的路由器101按照以下方式对这一请求进行处理。这个请求包括由路由器101解释的命令和接口协议路由。下面是被请求获得的几个这种类型的连接的实例-TV 101请求从VCR 114或者摄像机111获得视频数据；-PC 117请求访问传真机115或者打印机116；和-膝上型电脑112请求接通电话113或者外部网络107(例如为了访问因特网)。
在步骤S11中，路由器101判断到所需终端用户装置的连接是否可能。例如，如果书房中的PC 117试图连接不存在或者已经在使用的终端用户装置，就在步骤S12中发送一个错误消息。否则在步骤S13中路由器101检查是否有足够的带宽用来建立连接。这是用表1和表2所示的数据以及下面的表3所示的数据来确定的。每个路由器101都可以保存跟它连接的终端用户装置有关的这样一个终端用户装置表或者等价数据结构。
表3终端用户装置表
在终端用户装置表中，TV_MIN、TV_BW和TV_MAX这样的值是按照相应终端用户装置的带宽要求/需求来设置的。这些值表示相应终端用户装置需要的最小、典型和最大带宽。对于某些终端用户装置，最小、最大和典型值可能相同。例如电话113可能要求所有连接请求都用一个带宽。另一方面，PC 117可能根据请求类型的不同需要不同的带宽(例如视频数据用最大带宽，ASIC数据文件传输用最小带宽，所有其它类型请求用BW带宽)。每个终端用户的MIN、BW和MAX值都可以根据需要预置(或者可以使用系统默认值)和更新。
另外，可以为每个终端用户装置设置不同的分配规则。例如，一些终端用户装置可以被设置为总是请求最大带宽，不能获得最大带宽的时候可以选择较小的带宽。其它终端用户装置可以被设置成总是请求最小带宽，如果有更大的带宽可以使用就采用更大的带宽。其它终端用户装置可以被设置成只利用固定带宽工作(例如最大带宽)。
路由器101检查连接数据，以确定子网102-106中的哪一个可以使用(例如书房203和卧室201之间)。即使某个子网不跟某个路由器101连接，也可以通过跟公共子网连接的另外一个路由器101传递数据。如图5所示，路由器101B可以通过路由器101A跟路由器101C连接。在这种情况下，路由器101B利用光纤子网106和/或电力线子网103跟路由器101A连接。路由器101A随后利用同轴子网105跟路由器101C连接。
另外，在一个优选实施方案中，给予可靠性高的子网更高的优先级。这种可靠性分级可以跟上面的表2联系起来，或者可以使用另外的数据结构。多数可靠子网的使用能够确保提供能够获得的最好连接。也可以由请求连接的终端用户装置请求特定的可靠性级别(例如高可靠性)。某个连接的可靠性分级也可以按照带宽分配规则预先设置。
一旦确定能够建立连接，路由器101就检查带宽数据以确定目前能够从各个子网102-106获得的带宽量。如果某个子网能够支持所需要的带宽，就使用它。如果没有这样的子网，就使用一个以上的子网。例如，如果只有电话线子网102和无线子网104有未使用的带宽，(Ph_total-a)+(W1_total-c)将等于当前连接请求能够获得的带宽。如果这个值不等于或者大于所需带宽(例如TV_BW)，那么就在步骤S14中检查一个更小的值(例如TV_MIN)。如果这个请求不能获得足够的带宽，就在步骤S15中给出一个错误信息。
否则在步骤S16中分配需要的带宽。如上所述，这些带宽可能有一个或者多个子网102-106提供。路由器101利用相应地分配的带宽传递数据。路由器101接收数据。数据传输可以用电路交换、消息交换或者分组交换(或者它们的组合)或者任何其它相似的通信协议来实现。
例如，在分组交换网络中，用数据包格式同时在一个或者多个子网102-106上发送数据。
在电路交换网络中，根据需要建立一个或者多个临时通信信道，以提供所需带宽。例如，电话线子网102可以使用T1数字载波(也就是数字信号电平-DS1)。一条T1线路承载24个64kbps的信道(包括系统开销总共1.544Mbps)。可以将多条T1线路多路复合形成更高速率的载体(例如6.312Mbps(T2))。更高速率的载体可能需要使用光纤网络，例如光纤子网106。关于这一点，可以同时使用光纤子网106和电话线子网102的信道来提供所需带宽。
通过这种方式，将两个或者多个子网102-106的带宽用于通过路由器101从一个终端用户装置向另外一个发送一个数据组或者一个数据包。一部分数据组通过一个子网发送，其它部分数据组通过其它子网发送。对于用户而言是透明的，同时进行的。这个数据组可以代表文本文件、视频、话音或者需要的任何其它信息。
然后在步骤S17中更新可用带宽的有关数据(例如表2)。
在步骤S18中，如上所述，如果不能获得被请求的带宽，就分配一个较小的带宽。然后在步骤S17中更新跟可用带宽有关的数据。接下来跳回步骤S13，检查是否能够获得更大的带宽。如果能够获得更大的带宽，就分配下去。可以根据需要重复这一步骤。
在另外一个实施方案中，可以以脉冲串的形式分配带宽。在这种情况下，从一个或者多个终端用户装置收到连接请求的路由器101首先利用上面讨论的表格确定可以获得的最大带宽。然后在可以获得的最大带宽的基础之上，利用最大可用带宽的全部或者大多数从终端用户装置传递数据。
一个路由器101可以协调终端用户装置的请求。下面是一个动态连接请求表/队列，可以将它用于处理多个终端用户装置的请求。不同终端用户装置的请求可以根据需要按照表/队列划分优先级。
表4请求队列
在表4中，BD-TV代表卧室201里的TV 110，ST-PC代表书房203里的PC 117，LV-VCR代表起居室202里的数字录像机114。从各个终端用户装置收到请求的时候，给它们打上时间标记，记录在请求队列中。这些时间标记可以是建立在路由器内部时钟327的基础之上的(例如参考图3)。这些请求也有一个优先级，例如低、正常和高优先级。优先级标为“正常”的请求按照时间顺序处理。优先级标为“低”或者“高”的请求可以根据需要相应地晚一些或者早一些处理。当然，也可以根据需要为某种类型的请求或者终端用户装置分配其它优先级。
在一个优选实施方案中，这些步骤是用处理器325能够执行的计算机可读代码(例如软件程序)来实现的。这些代码可以储存在存储器326中，或者从CD-ROM或者软盘这样的存储媒介中读出/下载。在其它实施方案中，可以将硬件电路替代软件指令或者跟软件指令一起使用来实现本发明。
尽管已经用具体的实施方案描述了本发明，但是本发明并不限于这里公开的实施方案。相反，本发明包括后面的权利要求的实质和范围所包括的各种结构及其改进。
权利要求
1.一种数据联网系统，包括-多个控制器；-跟多个控制器中每一个连接的至少一个数据装置；和-跟多个控制器连接的多个子网，其中多个控制器之一的数据可以按照带宽分配规则利用多个子网中的至少两个发送给多个控制器中的另外一个。
2.权利要求1的系统，其中的多个控制器包括将多个子网结合成一个重叠骨干网的装置。
3.权利要求1的系统，其中的多个子网包括电话线子网、电力线子网、无线子网、同轴子网和光纤子网中的一个或者多个。
4.权利要求1的系统，其中的数据组是通过至少两个子网同时发送的。
5.权利要求1的系统，其中的至少一个数据装置包括计算机、显示器、视频装置、消费电子装置和话音通信装置中的一个或者多个。
6.权利要求1的系统，其中的多个控制器能够访问子网连接数据、子网可用带宽数据和可靠性数据。
7.权利要求1的系统，其中的子网连接数据和子网可用带宽数据储存在多个控制器的每一个里。
8.一种控制器，包括-多个子网的多个数据连接；-多个数据装置的多个输入/输出连接；-用多个子网中的一个或者多个合并带宽的装置；和-利用合并后的带宽将数据包从多个数据装置中的一个传递给多个数据装置中另外一个的装置。
9.权利要求8的控制器，还包括利用多个子网中不同的一个传递数据包提高可靠性的装置。
10.权利要求8的控制器，还包括储存连接数据和可用带宽数据的一个存储器。
11.权利要求9的控制器，还包括在多个子网上储存可靠性数据的一个存储器。
12.权利要求8的控制器，还包括通过中间装置传递数据包的装置。
13.权利要求8的控制器，其中的多个输入/输出连接包括计算机、显示器、视频装置、消费电子装置和话音通信装置中一个或者多个的接口。
14.权利要求8的控制器，其中的多个数据连接包括电话线子网、电力线子网、无线子网、同轴子网和光纤子网中一个或者多个的接口。
15.分配网络带宽的一种方法，该方法包括以下步骤-从一个数据装置接收连接请求；-判断多个子网中是否有一个的带宽能够支持这一连接请求；-如果没有，就判断多个子网中一个以上的子网组合起来是否有足够的带宽支持这一连接请求；和-如果有足够的带宽，就按照带宽分配规则为这一连接请求分配可用带宽。
16.权利要求15的方法，还包括为连接请求分配了可用带宽以后更新带宽分配数据的步骤。
17.权利要求15的方法，还包括按照多个子网中每一个的预定可靠性选择多个子网的步骤。
18.权利要求15的方法，还包括以下步骤-如果不能从多个子网中一个以上的组合中获得所需带宽，就判断是否可以将一个较小的带宽用于支持这一连接请求；和-如果可以，就从判断多个子网中是否有一个的带宽能够支持这一连接请求的步骤开始重复以上步骤。
19.权利要求15的方法，其中支持这一连接请求所需要的带宽是按照预定带宽分配规则确定的。
20.包括分配网络带宽的节点的一种存储器媒介，这个节点包括-从一个数据装置接收连接请求的代码；-判断多个子网中是否有一个的带宽能够支持这一连接请求的代码；-判断多个子网中一个以上的组合是否能够支持这个连接请求的代码；和-按照带宽分配规则为这个连接分配可用带宽的代码。
21.权利要求20的存储器媒介，还包括为这个连接分配了可用带宽以后更新带宽分配数据的代码。
22.权利要求20的存储器媒介，还包括按照多个子网中每一个的预定可靠性选择多个子网的代码。
23.权利要求20的存储器媒介，还包括如果多个子网中一个以上组合的带宽不够，就判断是否可以将一个较小的带宽用于支持这一连接请求的代码；和-从判断多个子网中的一个是否有足够带宽支持这一连接请求的代码开始重复这些代码步骤的代码。
全文摘要
公开了一种联网系统和控制器，它将各种子网组合起来更加有效地管理和控制数据连接和可用带宽。该系统将子网集成为一个重叠的骨干网，它能够连接不同的装置，比方说电话线网络装置、电力线网络装置、射频(RF)无绳装置，还能够连接用户联网协议连接起来的装置，用来通过这些子网有效、可靠地传递数据。
文档编号H04L12/54GK1435028SQ01802105
公开日2003年8月6日 申请日期2001年7月9日 优先权日2000年7月20日
发明者T·E·皮奥特罗维斯基 申请人:皇家菲利浦电子有限公司