专利名称：提高信元传输可靠性的网络传输方法和通信实现系统的制作方法
技术领域：
本发明属于一种网络传输方法及其通信实现系统，尤其是一种采用信元为信息传输单位的分组网络传输方法和通信实现系统。
ATM传输网络提供直到ATM协议层为止的功能，这些功能通过信头来实现，在传送信息时只对信头进行操作而不处理信息字段(净荷)的内容。ATM只通过信头提供有限的差错检测操作，不提供反馈重传。这种分层处理原则简化了ATM的网络处理，对于提高网络的规模扩展能力是必要的。但是当前的层次划分过于简单，终端处理能力提高以后，网络在传输质量控制方面就显得能力不足，产生了一些难以克服的问题。
首先ATM协议是一个链路层的传输技术，它负责在两通信端点之间通过虚连接进行信元传递。早期ATM终端只支持少量并发通信，在两通信端点之间建立连接等价于在两个用户终端之间建立连接，用户应用的服务质量要求等价于用户终端连接的服务质量要求。但是随着终端智能化程度的提高，目前一个ATM终端已经可以同时运行数以百计的应用和成千上万的进程，终端之间的并发通信数量也很多。如果仍然为每一个应用会话建立一条通信虚连接，将很快耗尽网络的连接识别号资源。实际上从网络优化的角度来看，通信网络的任务是在两通信终端之间传递信元，因此在任意两通信终端之间只需要建立一条连接。为每一个应用会话都建立一条端到端的连接，不必要地加重了网络负担。但是如果不为每个应用会话建立连接，ATM将无法通过连接建立过程进行服务质量协商，不能支持有定时关系的业务类型，也会限制ATM的应用范围。
互联网络协议(IP)使用了两个独立的协议层来解决一个终端中的多个应用并发通信问题。在分组包的网络层控制头中，标明了终端的网络地址，传输网络根据该网络地址进行分组包寻路和转发。在分组包的传输层控制头中，用端口号来区分每个不同的应用。终端可以据此把到达分组包送到合适的应用。但是这种方法在各层都要设置和处理控制头开销，并且在每一个分组包中都要传输这些控制头开销，降低了链路传输效率。
其次ATM信头中没有定义序列号字段，不能恢复由于传输引起的信元乱序。这就要求在网络的任何地方，同一个虚信道中后发出的信号决不超越先到达的信号。绝对的信元“先发先至保证”增加了信元交换的复杂性，限制了一些有效技术的采用。显然经过不同物理路径的信元流不能保证一致的信元顺序，这意味着同一个虚信道不能由多条物理通道来实现，也不能在几条物理通道之间动态切换。前者排除了将几条低速链路合成一条高速链路来使用的可能，后者大大增加了实现动态路由、无线应用中的越区切换以及管理交换机中的交换缓存的难度。
本发明的网络传输方法的是根据应用会话的通信请求和服务质量要求，通过信令协商建立通信虚连接，其特征在于将通信虚连接分成两层，其中一层识别通信虚连接在两通信终端主机之间的部分，用链路识别号表示，另一层进一步识别通信虚连接从终端主机到本地终端应用的部分，用会话识别号表示。传输网络只根据链路识别号转发信元，终端主机和终端应用同时使用链路识别号和会话识别号来识别通信虚连接。其特征还在于发送端在产生和发送信元数据时，同一个通信虚连接中数据信元的信元序列号依次递增，接收端根据信元序列号的值对接收到的数据信元重新排序，纠正在信元传输过程中产生的信元乱序。上述的链路识别号、会话识别号和信元序列号都放在信头中传送，使用同一个信头校验编码加以保护。
本发明改进的方法的特征在于将通信虚连接分成两层，其中一层识别通信虚连接在两通信终端主机之间的部分，用链路识别号表示，另一层进一步识别通信虚连接从终端主机到本地终端应用的部分，用会话识别号表示。传输网络只根据链路识别号转发信元，终端主机和终端应用同时使用链路识别号和会话识别号来识别通信虚连接。其特征还在于发送端在产生和发送信元数据时，同一个通信虚连接中数据信元的信元序列号依次递增，接收端根据信元序列号的值对接收到的数据信元重新排序，纠正在信元传输过程中产生的信元乱序。上述的链路识别号、会话识别号和信元序列号都放在信头中传送，使用同一个信头校验编码加以保护。发送端通过主动查询了解接收端的信元序列号完整情况，重传使信元序列号不连续的信元。
本发明进一步改进的方法的特征是所述的信元包括信头和信元净荷25两部分，信头中包括通信虚连接识别号21、信元序列号22、信元类型字段23和信头纠错校验编码24，通信虚连接识别号中包括网络链路识别号(NLI)211和终端应用会话识别号(TAI)212，网络链路识别号中包括虚通路识别号(VPI)2111和虚信道识别号(VCI)2112，信元类型字段中包括信令/数据指示字段23 1和其它控制字段232。
本发明的通信实现系统包括用户终端和传输网络，所述系统包括用户终端(11、13)和传输网络，所述的传输网络包括通信传输链路(121、122)和传输节点交换机12，其特征在于所述的各用户终端中包括在通信前根据应用会话的通信请求和服务质量要求，通过与传输网络之间的信令协商而建立通信虚连接的多个终端应用(111、113)和(131、133)。所建立的通信虚连接分为两层，其中一层识别通信虚连接在两通信终端主机之间的部分，用链路识别号表示，另一层进一步识别通信虚连接从终端主机到本地终端应用的部分，用会话识别号表示，传输网络只根据链路识别号转发信元，终端主机和终端应用同时使用链路识别号和会话识别号来识别通信虚连接，其特征还在于发送端处的用户终端在产生和发送信元数据时，同一个通信虚连接中数据信元的信元序列号依次递增，接收端处的用户终端根据信元序列号的值对接收到的数据信元重新排序，纠正在信元传输过程中产生的信元乱序，所述的链路识别号、会话识别号和信元序列号都放在信头中传送，使用同一个信头校验编码加以保护。
本发明的优点在于1.适合于大量并发通信本发明将通信虚连接分成了两个层次来识别和处理，其中一个层次用链路识别号来标识通信虚连接在两通信终端主机之间的部分，另一个层次用终端应用会话识别号来进一步标识通信虚连接从终端主机到本地终端应用的部分。这样两相同通信终端主机之间的多个并发通信虚连接可以公用相同的链路识别号，传输网络只处理通信虚连接中的链路识别号部分，这就大大降低了传输网络处理的工作量，而且使网络处理的连接数量与并发通信数量无关，适合于大量并发通信的情况。
2.链路传输效率高本发明通过建立通信虚连接，只用很少的比特就可以识别通信的转发目的地，与IP网络每一个包都要携带冗长的源和目的地址相比，大大减少了传输的控制开销。本发明还将与终端应用有关的识别信息和信元序列号都放在信头中，并使用信头纠错编码统一加以保护，避免了将这两部分信息分在两个独立的协议层中分别处理带来的额外开销。通过减少控制开销，本发明提高了链路传输效率。
3.能够同时支持实时与非实时业务本发明通过建立连接时的信令协商过程，为每一个通信虚连接预留必要的网络资源，可以保证以较低的传输延迟支持实时业务。同时本发明利用信元序列号来重传丢失和出错的信元，可以保证非实时的数据业务较高的可靠性要求。因此本发明能够同时支持实时与非实时业务。
4.传输性能稳定可靠本发明通过在通信前建立连接和预留必要的网络资源，使得每一个通信连接都可以保留一个最小传输带宽。即使发生网络拥塞，仍然能够使用这个最小传输带宽，保证少量信令信元及时准确地传递到通信对端，确保通信双方能够可靠地实施传输流量和差错控制，实现通信传输性能的稳定可靠。
5.易于实施采用本发明的方法，传输网络只需要象ATM那样根据链路识别号进行信元转发，即可实现主机之间的信元传输，终端主机再进一步通过应用会话识别号寻址和分发信元，就可以实现终端应用端到端的通信。而且本发明的网络传输比ATM更容易，因为本发明不需要处理全部长度的虚连接识别号，只需要处理其中的链路识别号部分即可，同时还取消了对信元传输次序的严格要求。在用户终端部分，不再需要区分实时与非实时业务，用一种方法就能够支持多种ATM业务类型，降低了终端应用的复杂性。由于可以通过反馈重传来确保数据传输的正确可靠，因此实施本发明的网络系统中还可以包含一些传输可靠性较低的链路，如铜缆和无线链路，从而方便了实施方案选择。
图2是用于本发明的信元帧结构示意图。
图3是本发明的连接建立过程示意图。
图4是本发明中节点交换机12的结构框图。
图5是发送端和接收端缓存队列的变化示意图。
图6是查询控制信元和状态应答信元的信元净荷格式图。
考虑终端应用111与终端应用131之间的会话通信。通信前终端应用参照国际电信联盟建议的Q.2931通信协议，通过默认的信令传输连接建立用于传输应用数据的通信虚连接。其连接过程如图3所示，其中包括连接步骤31-38，图中还显示了主叫终端应用111、主叫终端主机11、节点交换机12、被叫终端主机13、被叫终端应用131、终端应用的会话识别号A212和B212、以及网络链路识别号A211和B211。
主叫终端应用111首先向主叫终端主机11提出通信请求(步骤31)，请求中包括被叫终端主机13的网络地址、被叫终端应用的内部识别地址132和传输服务质量要求。终端主机使用主机代理子模块来实现终端主机的功能。因此这个通信请求实际上由终端主机11中的主机代理115受理。
主叫终端主机11通过其主机代理115为终端应用111分配一个应用会话识别号A212，然后使用信令传输连接向交换机12提出连接建立请求(步骤32)，连接请求中包括了主叫终端主机11的网络地址、主叫终端应用会话识别号A212、被叫终端主机13的网络地址、被叫终端应用131的本地识别地址132和所需要的服务质量。
交换机内部结构如图4所示，其中包括交换矩阵123、信令数据通道124、连接控制模块125、资源控制模块126、用户数据通道127和多优先级队列128。
主叫终端主机11发出的连接请求到达交换机12以后，交换矩阵123将它沿着信令数据通道124送到连接控制模块125。连接控制模块125根据收到的连接请求识别出被叫终端主机13；又通过查本地存储的连通关系资料，得知被叫终端主机13与其有直达链路相连。连接控制模块125还通过资源控制模块126检查交换机的可用资源数量当交换机12有建立新连接并支持所需服务质量的资源时，为到达链路121和转发链路122分别分配链路识别号A211和B211，同时通过资源控制模块126预留必要的网络资源，然后再经交换矩阵123、用户数据通道127和多优先级队列128，向终端主机13转发连接建立请求(步骤33)。交换机转发的连接建立请求中包括了转发链路122的链路识别号B211、主叫终端应用会话识别号A212和被叫终端应用131的本地识别地址132。
被叫终端主机13通过其主机代理135处理收到的连接请求。它根据连接请求中的应用识别地址132，识别出被叫终端应用131，为被叫终端应用131分配一个应用会话识别号B212，然后将主叫终端应用111的通信请求传递给被叫终端应用131(步骤34)。
如果终端应用131接受终端应用111的通信请求，就向被叫终端主机13反馈一个肯定的应答(步骤35)，并由被叫终端主机13使用信令传输连接向交换机12回送连接确认信号(步骤36)。连接确认信号中包括被叫终端应用会话识别号B212、主叫终端应用会话识别号A212和转发链路识别号B211。
交换机12收到被叫终端主机13的肯定应答以后，通过信令传输连接向主叫终端主机11发送连接确认信号(步骤37)，连接确认信号中包括被叫终端应用会话识别号B212、主叫终端应用会话识别号A212和链路识别号A211。
主叫终端主机11在收到连接确认信号以后，根据主叫终端应用会话识别号A212识别出主叫终端应用111，然后向其反馈通信请求已被被叫终端应用131接受的确认消息(步骤38)，该确认消息中包括主叫终端应用会话识别号A212、被叫终端应用会话识别号B212和链路识别号A211。
经过上述步骤31-38，通信网络系统根据应用的会话通信请求和服务质量要求，通过信令协商建立了传输层的通信虚连接。在这个通信虚连接中，终端主机到交换机之间的部分，即终端主机之间属于传输网络的部分用链路识别号(A211和B211)加以识别，而通信虚连接从终端主机到内部应用会话之间的部分，用终端应用会话识别号(A212和B212)进一步加以识别。
在建立起来的通信虚连接上，终端应用111和131之间可以进行双向通信。
与ATM类似，从终端应用111发往终端应用131的数据，由终端应用111封装在图2所示的信元中进行传输。信头中的链路识别号字段211填链路识别号A211，会话识别号字段212填被叫会话识别号B212。取一个随机数作为第1个数据信元的信元序列号，填入信元序列号字段22。后继的每一个数据信元，信元序列号依次递增1。运算溢出时舍弃超出表达范围的运算进位，只保留序列号的有效尾数部分。信令/数据指示字段231填表示用户数据的数值0。信头校验编码字段24填信头数据的校验编码数据。信元净荷部分25装载终端应用真正的消息数据。
交换机12收到终端主机11传来的信元，交换矩阵123根据连接识别号21中的链路识别号A211，确定下一跳向链路122转发。交换矩阵123用下一段链路识别号B211置换链路识别号字段211中的A211，然后沿着用户数据通道127，通过多优先级队列128将信元沿着链路122转发出去。
终端主机13收到交换机12发来的信元以后，主机代理135根据链路识别号B211确认终端主机13是信元的正确接收方，然后将具有相同会话识别号的信元按照它们信元序列号递增的顺序进行排序。会话识别号212为B212的信元经过排序以后，被送到终端应用131。
终端应用131发往终端应用111的数据也封装成信元进行传输。信头中的链路识别字段211填链路识别号B211，会话识别号字段212填接收终端应用会话识别号A212。第一个数据信元的信元序列号取一个随机数，填入信元序列号字段22。后继的数据信元信元序列号依次递增1，只保留字段长度以内的有效尾数部分。信令/数据指示字段231填表示用户数据的数值0。信头校验编码字段填信头数据的校验编码数据。信元净荷部分装载终端应用真正的消息数据。
交换机12收到终端主机13传来的信元，交换矩阵123根据连接识别号21中的链路识别号B211，确定下一跳向链路121转发。交换矩阵123用下一段链路识别号A211置换链路识别号字段211中的B211，然后沿着用户数据通道127，通过多优先级队列128将信元沿着链路121转发出去。
终端主机11收到交换机12发来的信元以后，根据链路识别号A211确认自己是信元的正确接收方，然后将具有相同会话识别号的信元按照它们信元序列号递增的顺序进行排序。会话识别号212为A212的信元经过排序以后，被送到终端应用111。
根据上述步骤，实施方案给出的通信系统可以实现终端应用之间双向的通信和数据传输。对于数据传输可靠性要求较高的终端应用，本发明使用查询反馈重传的方法确保数据传输的正确性。
本发明的查询反馈重传方法在终端应用的发送端维持2个信元缓冲队列，包括发送缓存队列T5和已发送缓存队列S5，在接收端维持1个信元缓冲队列R5。实现方法可以用图5所示的缓存队列状态变化来说明，图中包括接收信元缓存队列状态R51和R52，已发送信元缓存队列S51-S54，发送信元缓存队列T51-T54。队列状态中用Cxx代表信元，下标xx代表该信元的信元序列号，接收队列中信元带阴影表示已经收到，信元无阴影表示尚未正确接收，已发送队列中信元带阴影表示已被证实收到，信元无阴影表示信元是否被收到尚无法证实。
终端应用的发送端每发送4～64个数据信元就向通信对端发送一个查询控制信元。查询控制信元信头中的连接识别号21与正常传输的数据信元相同，但是信元序列号22保持与前一个数据信元相同，并且信令/数据指示字段231填表示信令数据的数值1。查询控制信元净荷部分按图6所示的格式解释，其中包括命令代码61、命令参数62、其他参数63-67。所述查询控制信元中的命令代码61用十六进制数1表示查询控制，其余未用到的部分填0。
终端应用的接收端收到发送端发来的查询控制信元时，接收缓存队列R5正处于状态R51。接收端使用状态应答信元向发送端回报信元差错情况。状态应答信元的连接识别号与正常传输的数据信元相同，但是信元序列号保持与前一个数据信元相同，并且信令/数据指示字段231填表示信令数据的数值1。由于已经收到了信元序列号为9的信元C9，因此接收端认为信元序列号小于9的信元都应该已经被正确接收。在状态应答信元净荷部分，命令代码61用2表示查询应答，命令参数62填3表示有3个重传信元序列号。其他参数63用来汇报已经连续接收到的最后一个信元序列号，这里填2。其他参数64用来汇报最后收到的信元序列号，这里填9。它们之间没有正确接收的3个信元序列号3、4和8依次填入其他参数65、66和67。
终端应用的发送端收到通信对端反馈回来的状态应答信元时，发送缓存队列T5正处于状态T51，其中有两个信元C11和C12正等待发送，已发送缓存队列S5正处于状态S51，其中信元C1尚没有被证实收到。根据收到的状态应答信元，发送端得知序列号小于等于2的信元都已被正确接收，因此把它们从已发送缓存队列中删除。同时它将未正确接收的信元C3和C4插到发送缓存队列T5的最前面，以便能够尽快发送。信元C8尽管没有正确接收，但是因为它与接收到的最后一个信元C9的序列号非常接近，发送端认为这可能是网络传输乱序造成的，因此可以不发以减少不必要的重传。这样已发送缓存队列S5变成状态S52，发送缓存队列T5变成状态T52。
发送端发送了4个信元以后，又发出了一个查询控制信元。当接收端收到这个查询信元时，它已经收到了重新发来的信元C3和C4，于是它把序列号连续的信元都送给终端应用。信元C8仍未收到，因此接收缓存队列成为R52所示的状态。接收端通过状态应答信元向发送端表明序列号连续的最后一个信元序列号是7，目前收到的最后一个信元序列号是12，需要重传的信元的序列号是8。
当发送端收到状态应答信元时，发送缓存队列T5正处于状态T53，已发送缓存队列S5正处于状态S53。根据收到的状态应答信元提供的信息，发送端将信元C8插入到发送缓存队列T5的最前端，发送缓存队列状态变成T54；同时将已经被证实收到的信元C3～C7从已发送缓存队列S5中删除，已发送缓存队列状态变成S54。
这样经过对差错和丢失信元的反复重传，可以将差错和丢失信元的概率减小到可接受的程度，保证数据传输的正确性。
终端应用还可以采用其它查询策略，例如每隔一段时间(如0.1～1秒)发送一个查询控制信元，这样查询控制信元的速率就不会随传输带宽的变化而改变。也可以选择在发送了特别重要的数据信元以后才发送查询控制信元，从而减少查询控制信元占用的传输链路带宽。
权利要求
1.提高信元传输可靠性的网络传输方法，所述的方法根据应用会话的通信请求和服务质量要求，通过信令协商建立通信虚连接，其特征在于将通信虚连接分成两层，其中一层识别通信虚连接在两通信终端主机之间的部分，用链路识别号表示，另一层进一步识别通信虚连接从终端主机到本地终端应用的部分，用会话识别号表示，传输网络只根据链路识别号转发信元，终端主机和终端应用同时使用链路识别号和会话识别号来识别通信虚连接，所述通信终端中的发送端在产生和发送信元数据时，同一个通信虚连接中数据信元的信元序列号依次递增，接收端根据信元序列号的值对接收到的数据信元重新排序，纠正在信元传输过程中产生的信元乱序，所述的链路识别号、会话识别号和信元序列号都放在信头中传送，使用同一个信头校验编码加以保护。
2.根据权利要求1所述的提高信元传输可靠性的网络传输方法，其特征在于发送端通过主动查询了解接收端接收数据的信元序列号完整情况，重传使信元序列号不连续的信元。
3.根据权利要求1或2所述的提高信元传输可靠性的网络传输方法，其特征在于所述的信元包括信头和信元净荷两部分，信头中包括通信虚连接识别号(21)、信元序列号(22)、信元类型字段(23)和信头纠错校验编码(24)，通信虚连接识别号中包括网络链路识别号(211)和终端应用会话识别号(212)，网络链路识别号中包括虚通路识别号(2111)和虚信道识别号(2112)，信元类型字段中包括信令/数据指示字段(231)和其它控制字段(232)。
4.根据权利要求1或2所述的提高信元传输可靠性的网络传输方法而提出的通信实现系统，所述系统包括用户终端(11、13)和传输网络，所述的传输网络包括通信传输链路(121、122)和传输节点交换机12，其特征在于所述的各用户终端中包括在通信前根据应用会话的通信请求和服务质量要求，通过与传输网络之间的信令协商而建立通信虚连接的多个终端应用(111、113)和(131、133)。
全文摘要
本发明公开了一种提高信元传输可靠性的网络传输方法和通信实现系统,它属于以信元为信息传输单位的网络传输方法及其通信实现系统,其特征在于该方法显式地将虚电路号分解成链路识别和会话识别两部分,网络只根据链路识别号部分寻路;终端主机和终端应用根据链路识别号和会话识别号识别通信连接。在信头中设置信元序列号,同一个会话连接的信元序列号依次递增,会话应用据此对到达信元排序,并通过反馈重传进一步提高传输可靠性。采用该方法能增强网络的规模扩展能力,提高数据的传输可靠性。
文档编号H04L12/54GK1390017SQ0212560
公开日2003年1月8日 申请日期2002年7月24日 优先权日2002年7月24日
发明者陈相宁, 王京 申请人:清华大学