用于分组丢失区分的方法和实体的制作方法

专利名称：用于分组丢失区分的方法和实体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于区分从发送源发送的数据分组的丢失的方法和实体。本发明特别涉及在分组数据传输连接的终点使用的方法和实体，其用于区分不同种类的分组丢失。
背景技术：
在分组交换网络中使用可靠的传输协议以便将数据从发送源发送到发送目的地。协议描述了在网元之间交换的数据分组的格式，在接收数据分组时采取的动作和如何处理差错。常规的传输协议被设计成用于传统的网络，其包括有线链路和静态主机。这种协议假定网络拥塞主要是由分组丢失和异常延迟造成的。
在IP网络上使用的主要传输协议是用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)。TCP发送器利用它接收的累积确认来确定哪些分组已到达接收器，并通过重发丢失的分组来提供可靠性。发送器通过几个重复的累积确认的到达或在超时时段内未收到该分组的确认，来识别数据分组的丢失。TCP通过在重发数据分组之前降低其发送窗口的大小、启动拥塞控制或避免机制，以及暂停其重发计时器，来处理分组丢失。这些措施了减小中间链路的负载，从而控制了网络拥塞。
当由于拥塞之外的原因使网络中的分组丢失时，这些措施会导致不必要的端到端吞吐量的减小，并因此而降低了传输效率。对于未来的网络，网络内的无线链路将会更重要。通常，无线链路上的通信特征在于高误比特率。这种网络的TCP性能会由于吞吐量显著降低和很大的交互延迟而下降。
TCP用于字节流的可靠传输，而用户数据报协议(UDP)用于不可靠传输。除由网络层协议提供的服务之外，UDP仅提供了最少的服务，即包括在分组内的数据的校验和，UDP不包含序号，并因而不能检测分组的丢失。典型的情况是，在UDP上使用另一协议，例如，实时传输协议(RTP)。RTP提供了适于传输实时数据，例如交互式音频与视频的应用的端到端网络传输功能。这些服务包括净荷类型标识、序号、时间戳和交付(delivery)监视。典型的RTP运行于UDP之上，以便利用它的多路传输技术和差错检测服务。两种协议以这种方式部分实现了传输协议功能性。RTP内的序号允许接收器重建发送器的分组序列。但是，由于由UDP计算校验和，并由UDP丢弃损坏的分组，这样就由RTP看来损坏的分组造成丢失。
TCP也可以与其他协议结合，例如探听(Snoop)协议。探听协议在两个方向上监视每个通过TCP连接的分组，并且提供了通过链路发送且还未从接收器收到确认的TCP报文段的高速缓存。检测分组丢失，启动重发而无需让TCP知道任何误比特丢失。这种解决方案的缺点在于路径上的所有无线链路都应支持该选择。这种方法会消耗所有基站中的内存，而且不能提供正确的端到端的解决方案。
在检测到分组丢失之后，最好能根据丢失类型来改变可靠传输协议的响应。如果数据分组由于拥塞而丢失，发送源将减小其发送比特率。拥塞丢失表示至少一个网元(例如IP路由器)接收到超出了其递送能力的数据分组数。所接收的数据分组被馈送到一个队列内。由于所接收的分组填满了该队列，随后到来的输入分组被丢弃。为了保证可靠的数据分组传输，就必须减小网元中在队列内缓冲的数据分组的数量。按照预定的机制，所谓的拥塞控制通过减小所有应用程序的发送比特率来实现上述目的。
如果由于数据损坏而丢失了数据分组，发送比特率的降低并不会导致无误比特传输。只有使用改进的发送器前向纠错(FEC)编码才可以实现可靠的无差错数据传输。
换句话说，就是可以重传所丢失的数据分组。所丢失的分组的重发导致了发送比特率的提高。因此，在由误比特而不是由拥塞引起的分组丢失的情况下，才应启动数据分组的重发。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种在数据传输网络中区分分组丢失的方法和实体。
由数据分组丢失区分实体使用用于区分分组丢失的方法的权利要求1的特征和权利要求12的特征，来实现该目的。
按照本发明，在数据分组的发送目的地分析数据分组丢失是由于拥塞或数据损坏造成的。为此目的，每个所发送的数据分组随同校验和和序号一起发送。根据失败的校验和/或对丢失的序号的检测来区分各种丢失。如果检测到该数据分组的丢失的序号而没有误比特，就仅表示是拥塞引起的丢失。
最好在应用层上来执行区分。拥塞和损坏丢失的区分使得可以启动适当措施，其用于使该传输适应常规传输的特性。例如，如果检测到了损坏丢失，就提高发送比特率，而如果检测到了拥塞丢失，就降低发送比特率。适当措施通过控制网络内的拥塞并通过在一定程度上补偿误比特来提高传输性能，最好能增强网络稳定性。
依照最佳实施例，分别计算各种类型的分组丢失的所检测分组丢失的数量。根据对这些数据分组丢失的统计，可以以最佳方式来确定适当措施。
可以在接收器方或发送器方确定适当措施。当在发送器方确定适当措施时，分组丢失统计被发送给发送器。
最好以增强的差错保护来发送序号，例如，通过提高无线链路的分组报头的前向纠错编码率来增强差错保护。因此，即使所接收的分组数据已被损坏，接收器还可以提取出序号。在从每个所接收的数据分组中提取序号时，可以将检测出的分组丢失类型分别分配给每个数据分组。将特定“接收状态”分配给每个序号，以便指示该分组是否被正确接收、是否接收有损坏数据，或者是否由于拥塞而被丢失。
依照本发明的另一实施例，分组丢失区分用于未使用特殊序号的传输协议。然后，将序号插入到所用传输协议的净荷中。因此，可以在应用层使用来处理分组丢失区分。


参考附图，通过以下对本发明的各种实施例的更详细的描述，本发明的特征和优点将变得更加清楚图1显示了在无线链路上的典型丢失情况。
图2显示了用户数据报协议(UDP)分组报头格式。
图3显示了实时传输协议(RTP)报头格式。
图4是说明了依照本发明的分组丢失区分程序的流程图。
图5是说明了依照本发明的分组丢失区分实体的结构的框图。
图6是说明了包含本发明的分组丢失区分实体的发送目的地的结构的框图。
具体实施例方式
现在，参考附图描述本发明的已说明的实施例。
图1显示了在网络中的无线链路上的典型丢失情况的配置(configuration)。经基站2执行发送器1和接收器3之间的数据传送。利用有线链路4完成发送器1和基站2之间的数据传送。利用无线链路5完成基站2和接收器3之间的数据传送。
在传统网络中可靠的传输协议工作得很好，在传统网络中分组丢失的发生主要是由拥塞引起的。然而，如图1所示的具有无线以及其它损耗链路的网络还会由于误比特而遭受严重的丢失。
如图1所示，发送器的拥塞窗口由五个数据分组组成。这五个数据分组6、7正在传输中。在无线传输期间，经易于出错的链路5发送的数据分组被损坏。将确认8从接收器返回到发送器。
为了降低分组网络的复杂性，整个网络的功能被分成若干协议层。协议描述了在网元之间交换的分组的格式，在接收数据分组时采取的动作和如何处理差错。分组由初始字节组、报头和分组的其余部分组成，该报头控制该层的操作和数据分组提示组成，该分组的其余部分被无变化地传递到下一层，即所谓的净荷或数据。
在IP网络上使用的主要传输协议是用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)。UDP分组报头格式的一个实例如图2所示。如图2所示，UDP报头包括16比特的UDP校验和。
用户数据报协议(UDP)通常与实传输协议(RTP)结合使用。插入到UDP净荷中的RTP报头的结构如图3所示。V字段指出协议版本。X标志指出在固定报头和净荷之间存在报头扩展。如果设置了P比特，则填充了净荷，以确保用于加密的正确调整。通过任意的32位同步源SSRC标识来分辨组播组中的用户。净荷类型确定该分组中使用的媒体编码。序号从一个分组到下一个分组持续地增加，并且被用来检测丢失和确定数据分组次序。随媒体取样频率增大的时间戳指出何时产生媒体帧。
图4是接收器处的数据分组的丢失区分的过程的示意图。在接收到数据分组(步骤S1)之后，就执行误比特校验。一旦检测出误比特或数据损坏(步骤S3)，过程就前进到步骤S5。一旦确定所接收的数据未被损坏，过程就前进到用于分组丢失检测的步骤S4。
分组丢失检测步骤S4提取所接收数据分组的序号。根据所提取的序号，步骤S4确定在所提取的序号的序列中是否丢失了数据分组，数据分组丢失检测步骤S4将是否已经检测到分组丢失和所接收到的最大序号发送到步骤S5。根据该信息，分组丢失区分步骤S5确定由误比特和拥塞引起的分组丢失的数量。
如果在所接收的特定数据分组中检测出损坏的数据(步骤S3)，那么该分组丢失区分步骤就指出是由数据拥塞引起的分组丢失。
一旦分组丢失检测步骤S4指出丢失了数据分组，那么步骤S5就根据所接收的最大序号来确定丢失的数据分组的数量。通过所检测的损坏的数据分组的数量来降低该数量。最后，分组丢失区分步骤S5提供分组状态和由于拥塞而丢失的数据分组的序号，该分组状态是是否已被正确地接收、由损坏引起的丢失或由拥塞引起的丢失。
换句话说，特别是在以增强的差错保护来发送序号时，可以提取每个数据分组的序号。这种情况下，分组丢失区分步骤S5可以给每个序号分配特定的分组状态，即，已被正确接收，以便包含损坏数据或由于拥塞而丢失的数据。
图5显示了根据本发明的分组丢失区分实体的结构。分组丢失区分实体包含误比特校验单元11、分组丢失检测单元12和丢失区分单元13。
首先将所接收的分组提供给误比特校验单元11。误比特校验单元11确定在传输期间是否损坏了数据分组的数据。典型的做法是通过评估数据分组内发送的差错检测码，例如校验和或CRC。在发送器中插入这种差错检测码，并在接收器中验证它。
在通过噪声或易出错的信道传输期间，差错检测技术允许接收器确定报文何时被损坏。典型的做法是让发送器根据将被发送的报文来计算一个值(通常被称为校验和)。然后，该校验和被附加到将被发送的报文上。如果在发送期间出现了任何差错，由于接收了报文，接收器就可以重新计算校验和，并且与所发送的校验和比较以便确定。利用简单的求和公式计算传统的校验和。另一种常见的冗余编码是循环冗余码(CRC)。
误比特校验单元11的检测结果被提供给丢失区分单元13。如果确定了已正确地接收了所接收的数据分组，该数据分组就被转发到分组丢失检测单元12。
分组丢失检测单元12估算序号以检测数据分组丢失。如果检测出分组丢失，就将该分组丢失以及相应的序号一起指示给丢失区分单元13。另外，将所接收的数据分组的所提取的最大序号提供给丢失区分单元13。
如果已经正确接收了数据分组，由于拥塞造成了丢失或由于误比特造成丢失等情况发生时，丢失区分单元就结合所有信息以便进行评估。
如果从分组丢失检测单元接收的“所接收的最大序号”，按以下处理方案对从上次处理序号的序号到所接收的最大序号的所有序号进行分类(a)如果误比特检测结果指出在数据分组中没有误比特，将所接收的数据分组表示为已被正确接收(R)。
(b)如果误比特检测结果指出所接收的数据分组已被损坏，就将该数据分组表示为已被损坏(B)。同时，虽然该信息不一定完全可靠，如果提取了序号，丢失检测单元13就递送包含在已损坏数据分组中的序号。
(c)如果在所接收的数据分组中没有检测出误比特，但分组丢失检测单元指出该分组被丢失，就将该数据分组表示为由于拥塞而被丢失(C)。
所述的程序能够区分在数据传输期间的分组丢失，并能够提供有关各类数据丢失的信息。可以使用这种信息，例如，滤除误比特或/和启动适当措施以便提高发送效率。
当数据分组在传输期间被损坏时，应提高前向纠错(FEC)编码速率，以便使FEC编码级别适应信道特性。在发送源中可以增强FEC以便提高端到端连接数据分组吞吐量。或者，由于无线链路是端到端连接中最容易出错的部分，因此可以提高无线链路上的FEC编码率。
当由于拥塞而丢失数据分组时，就应调用传输协议的拥塞控制以便使数据分组的传输速率适应信道特性。
为了本发明可靠的操作，在将被损坏的数据分组被发送到根据本发明的分组丢失区分实体之前，不应将其丢弃。仅在将所有数据分组被转发到分组丢失区分实体时，才可以可靠地确定由于拥塞而实际丢失了未接收到的分组。在互联网中，可能有由中间链路引入的误比特。互联网中的路由器可以检测这些损坏的数据分组并丢弃这些分组。尤其当路由器检查根据IP报头计算出的校验和时，可以丢弃IP报头中的误比特。
由于在互联网内的数据传输期间，在到达终端之前丢弃已损坏数据分组的概率相当小，所以与互联网中的拥塞丢失相比，或与由无线链路所产生的误比特相比，这种数据分组丢失可以忽略不计。
另外，由于报头大小与净荷的大小相比非常小，所以误比特通常会影响数据分组的净荷。通过对数据分组施加不同的差错保护，可以进一步降低误比特概率，即，与净荷的差错保护相比，以增强的保护来发送报头。为此目的，由于无线链路是端到端连接中最易出错的部分，所以对于报头可以提高无线链路上的前向纠错编码率。或者，在发送器方，对于整个端到端连接，可以增强报头的差错保护。
在接收器中，在将已损坏的数据分组提供给根据本发明的分组丢失区分实体之前，不应丢弃它。为此目的，最好在提供误比特检查的传输协议之前或与其并行安置分组丢失区分实体。或者，可以关闭传输协议的误比特校验。
为了可靠地检测分组丢失，本发明需要估算每个数据分组的序号。为此目的，本发明的分组丢失区分实体可以存取由任何其它协议，例如RTP插入的序号。或者，本发明可以在发送源插入其自己的序号在数据分组的净荷中。
图6显示了根据本发明的数据分组接收器的典型结构。接收器包括IP实体16，该实体包括输入及输出连接17、18。首先由IP结构16接收数据分组。IP实体16验证所接收的数据分组的IP校验和、将所接收的数据分组转发到UDP实体20，并且还将所接收的数据分组的拷贝转发到数据分组丢失区分实体19。
UDP实体20验证它自己的校验和，并丢弃包含已损坏报头数据的分组。仅将未损坏的数据分组提供给由包含在数据分组内的相应端口号指出的应用21。
分组丢失区分实体19为每个所收的数据分组确定该数据是否被损坏或者该分组由于拥塞而被丢失。UDP校验和用于检测误比特。RTP序号最好用于检测分组丢失。对于属于由UDP端口指定的应用的每一个RTP序号，分组丢失区分实体19确定一个数据分组是否已经被正确接收、数据分组是否被损坏或者数据分组数据是否由于拥塞而被丢失。
本行业技术人员应了解，本发明不局限于使用特定协议或协议的特定组合。协议只是用于描述使用本发明的实例。
应用21从分组丢失区分实体19进行接收，每个所发送数据分组的接收状态。可以评估该信息以将分组丢失统计提供给发送器或应用程序内的评估阶段，例如，用于确定适当措施。发送器(或应用)可以确定适当措施以便提高发送效率/网络稳定性。例如，如果报告了误比特，就应提高发送器的前向纠错编码率。如果报告了拥塞丢失，就应降低发送比特率。
本发明提供一种用于在数据分组的传输期间区分拥塞和损坏丢失的方法和装置。分组丢失区分是基于每个数据分组的差错检测/纠错码的评估并通过检测序号来实现的。
权利要求
1.一种用于区分从发送源发送的数据分组的丢失的方法，所发送的数据分组包含在发送源插入的差错检测码和序号，该方法包括步骤根据所接收的数据分组的差错检测码来检测所接收数据分组的数据损坏，提取所接收数据分组的序号，根据所提取序号的序列来检测丢失的序号，如果已经检测到了损坏的数据分组，就指出是由数据损坏而造成的数据分组丢失，和如果已经检测到了丢失的数据分组并且没有检测到该数据分组的数据损坏，就指出是由于拥塞引起的数据分组丢失。
2.如权利要求1所述的方法，还包括计算所损坏的数据分组的数量和由于拥塞而引起的数据分组丢失的数量的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将所检测的数据分组丢失的种类发送到发送源的步骤。
4.如权利要求3所述的方法，还包括将所计算出的数量发送到发送源的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，还包括步骤确定用于提高传输效率的适当措施，以及将确定结果发送到发送源。
6.如权利要求5所述的方法，其中，如果拥塞丢失的数量超过了第一预定阈值，确定步骤就确定降低传输速率。
7.如权利要求5所述的方法，其中，如果由于数据损坏而引起的数据分组丢失的数量超过了第二预定阈值，则确定步骤确定增强要发送的数据分组的差错保护。
8.如权利要求6所述的方法，其中，如果由于数据损坏而引起的数据分组丢失的数量超过了第二预定阈值，确定步骤就确定增强要发送的数据分组的差错保护。
9.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，以增强的差错保护来发送每个数据分组的序号。
10.如权利要求9所述的方法，还包括步骤将以下接收状态之一分配给每个所发送的数据分组已正确接收的，接收已损坏的，由于拥塞而丢失的。
11.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，从每个数据分组的净荷中提取序号。
12.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，提取RTP协议的序号。
13.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，从每个数据分组的净荷中提取序号。
14.如上述权利要求中的任一项所述的方法，其中，提取RTP协议的序号。
15.一种用于区分从发送源发送的数据分组的丢失的数据分组丢失区分实体，所发送的数据分组包含在发送源中插入的差错检测码和序号，包括误比特校验单元，用来根据所接收数据分组的差错检测码来检测所接收数据分组的数据损坏，分组丢失检测单元，用来从所接收数据分组中提取序号，并用来检测所提取序号的序列中的丢失的序号，以及丢失区分单元，用来根据误比特校验单元的检测结果来指出由于数据损坏而引起的数据分组丢失，并根据分组丢失检测单元和误比特校验单元的检测结果来指出是由于拥塞而引起的数据分组丢失。
16.如权利要求15所述的数据分组丢失区分实体，其中，将丢失区分单元的指示提供给用来启动适当措施的应用，该适当措施用以根据从丢失区分单元所提供的指示来提高网络稳定性。
17.如权利要求15所述的数据分组丢失区分实体，其中，将丢失统计发送到发送源。
18.如权利要求16所述的数据分组丢失区分实体，其中，将丢失统计发送到发送源。
全文摘要
本发明提供一种用于区分在数据分组传输期间发生的拥塞和损坏丢失的方法和装置。分组丢失区分是基于对每个数据分组的差错检测/纠错码的估算，并通过检测序号进行的。
文档编号H04L29/14GK1440166SQ0311050
公开日2003年9月3日 申请日期2003年2月4日 优先权日2002年2月4日
发明者乔斯·L·雷伊, 卡斯滕·伯迈斯特, 罗尔夫·黑肯伯格 申请人:松下电器产业株式会社