专利名称：自适应以太网交换系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种系统、方法和计算机程序产品，用于使具有以太网交换机的网络能够支持服务质量。
更具体地说，本发明涉及一种基于交换的集合(aggregation)系统、一种方法和一种计算机程序产品，用于将服务质量(QoS)提供给包括用于基于IP层3业务的面向连接的交换装置的网络。
背景技术：
因特网包括大量的通过计算机互连的不同网络。互通是指互连系统达成允许每台计算机与任一其它计算机通信的协定。具体而言，因特网将允许两台机器通信，即使它们之间的通信路径跨越其任何一个都没有直接连接到的网络。只在计算机达成一组通用标识符和一组用于将数据传送到其最终目的地的程序时，这样的协作才是可能的。
在因特网内，通过连接到两个或更多网络的称作IP路由器或IP网关的计算机形成网络之间的互连。网关通过从一个网络接收分组并将它们发送给另一个网络在网络之间转发分组。
通常在基于数据的网络上例如在基于网际协议的网络上执行数据通信。通常将类似ATM(异步传输模式)的异步数据传输技术用作层2。ATM是在最低层上使用小型固定大小信元的面向连接的网络技术。它具有能够利用单一基础技术支持话音、视频和数据的潜在优点。
然而，因特网快速地从异步数据传输管道改变成多媒体骨干网。诸如音频或视频会议、因特网无线电、在线研讨会或按需视频系统的连续媒体应用正在普及。这些应用在定期间隔上发送数据，并需要在最大时延和最小带宽上的严格保证。用户习惯于由固定网络连接以及其它多媒体业务提供的高带宽。随着其转变到无线设备，用户甚至在通过低带宽无线连接进行连接时也将期望类似的业务。
在传输层上，使用实时传输协议(RTP)在因特网上支持多媒体业务。使用RTP的一些优点是并不需要改变现有的路由器和网关，它可以在用户数据报协议(UDP/IP)或ATM的顶部实现，并且它利用多媒体骨干网的优点，这通过删除冗余分组传输允许到多个用户的数据带宽高效分配。
已经在因特网工程任务组(IETF)中设计了RTP。应当指出，标记“传输协议”可能被误解，因为它当前最经常地与也标记为传输协议的UDP一起使用。RTP是端到端协议。RTP包括两个部分，即数据部分和控制部分。在RTP数据分组中承载类似于音频和视频的连续媒体数据。
RTP提供支持协议功能的称作RTCP的控制协议。RTP消息包括多个“可堆叠”分组，每个分组具有它自己的类型代码和长度指示。它们的格式非常类似于数据分组；具体而言，类型指示在相同的位置上。RTCP分组作为数据分组定期地多播到同一多播组。因而，甚至在不存在发送媒体数据的情况下，它们也用作对话成员的活跃度(liveness)指示符。
RTCP分组包括用于服务质量(QoS)监视的必要信息。如果它们被多播，则所有的对话成员可以查看其它参与者是如何进行的。最近已经发送音频或视频数据的应用生成发送器报告。它包括对于媒体间同步以及所发送的分组和字节的累计计数器有用的信息。这些允许接收器估计实际的数据速率。对话成员发出针对它们最近已经收听的所有视频和数据音频源的接收器报告。它们包含与所接收的最高顺序号、丢失的分组数量、计算发送器与发出报告的接收器之间往返行程延迟的估计值需要的到达间抖动和时间标记的测量值有关的信息。
接收端应用将接收器报告发送给信源。这些报告包括能够计算分组丢失和分组延迟抖动的信息。对于分组丢失，存在两个原因由于缓冲器溢出或者由于比特错误导致分组丢失。比特错误的概率在大多数网络上是很低的。在TCP协议中已经考虑到丢失主要是因为拥塞而非比特错误导致的。缓冲器溢出可能发生在拥塞链路上或者在端设备的网络接口上。
文献WO 0079830 A1公开了一种电信系统，其向用户(A1)提供了选择所希望的从业务供应商通过业务网络传送的业务的选项。在这篇文献中解决的问题之一是如何保证业务传输质量。这通过向这些业务提供与其实时传输的需求相对应的优先级来解决。讨论了在数据分组内的两种优先级字段CoS，即业务类别(Class of Service)，这是在链路层(层4)中的字段；和ToS，即业务类型(Type of Service)，这是因特网等级(层3)内的字段。从第10页第6行到第13页第34行更详细地讨论了此优先级方法。
文献WO 0131969 A1公开了一种以太网类型的边缘交换机，它与传输多媒体信息的基于信元(ATM)的网络接口。介绍了在ATM系统内提供端到端服务质量的系统。使用CIF填隙(shim)层来根据为每种业务流指定的服务质量管理所有业务的传输(参见第18页第20行-第19页第20行)。
文献WO 0003521 A1公开了一种基于中间设备的实时通信系统。当前以太网网络的节点包括应用层、中间件实时以太网(MRTE)层和以太网协议层。MRTE层在逻辑上包括用于在应用层内生成的以发送给另一个节点的数据业务或分组的一对队列。第一队列包括实时队列，用于排队对于实时传输已接受的信息分组。实时业务已经利用关键程度进行分类，并保证将在没有冲突的情况下被发送。第二队列包括非实时队列，用于对于接收节点具有益处的并不需要实时抵达目的地的数据分组。这个队列利用先进先出进行分类。MRTE层进一步被划分成QoS适配业务和确定性的调度业务。QoS适配业务包括QoS管理器和QoS适配算法。QoS管理器及其相关的QoS适配算法提供基于QoS的协商和适配业务，诸如改变非实时数据业务的持续时间或者暂停低关键程度的业务，从而确保将足够的无冲突带宽被提供给高优先级的实时业务。确定性的调度业务包括冲突解决协议、MRTE协议和MRTE调度器及其相关调度算法和MRTE库。确定性的调度算法利用QoS管理器控制通信流，所述QoS管理器进一步使用应用程序和QoS适配算法控制通信流(参见第7页第34行至第8页第21行和第10页第24行至第14页第15行)。
文献EP 1 146 704 A2公开了一种提供用于VOIP呼叫管道建立的中间层的系统和方法。提供生成QoS以太网层，插入在IP协议话音通信层和QoS以太网层之间。生成QoS以太网层截取诸如建立呼叫命令的呼叫命令，并识别特定呼叫所需要的QoS(参见 节)。
文献WO 9965196 A1公开了一种局域网(LAN)，包括通信交换模块。所述模块控制来自数字电话机的延迟敏感话音数字话音信号和来自个人计算机的非延迟敏感用户数据的流。该模块连接到WAN。以太网LAN使用恒定比特率信道。
当不控制QoS时，对于许多应用来说可能会出现许多问题。
例如，当媒体流抵达并不支持QoS特性的网络时，将产生一个问题。网络的交换机可以是以太网层2类型的或者提供面向连接业务的ATM。不存在向不同IP数据分组提供类似于优先的选择优先级的可能性。因此，不提供在IP等级层3上的服务质量(QoS)。
当基于IP的应用由于来自基于窄带网络接入技术的WAN或者无线网络的服务质量而需要优先级时，需要一种解决方法，所述窄带网络接入技术类似于有线电视(CaTV)、xDSL(各种DSL系统数字用户线路，例如不对称DSL)，所述无线网络类似于无线局域网(WLAN)、802.11b或固定无线接入(FWA)技术。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题。
本发明的另一个目的是将服务质量(QoS)提供给包括面向连接交换装置的层2配置网络。
而且，本发明的一个目的是通过能够向实时应用的IP数据分组或者非实时应用或服务上的业务或者寻址到某个终端用户或寻址到属于一个MAC地址、IP地址、对话IP等的端口的不同的IP数据分组给予类似于优先的选择优先级来提供服务质量(QoS)。
通过本发明的基于交换的集合系统、方法和计算机程序产品来实现所述目的，所述集合系统、方法和计算机程序产品用于将服务质量(QoS)提供给层2配置网络，该层2配置网络包括连接到具有诸如恒定比特率(CBR)信道的至少一个明确带宽限制信道的广域网(WAN)的面向连接交换装置，其中在网际协议(IP)上提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务，其中所述系统包括连接到所述交换装置的自适应服务质量(AQS)装置。自适应服务质量(AQS)装置包括监视装置，用于监视系统的总IP数据吞吐流和RTCP报告；滤波(filtering)装置，能够滤波总IP数据吞吐流；和控制装置，用于根据总IP数据吞吐流的监视和可适配滤波标准控制所述滤波装置。
更详细地，本发明涉及一种用于给连接到广域网(WAN)的以太网交换装置提供服务质量(QoS)的方法，所述WAN具有至少一个带宽限制信道，其中通过使用IP数据分组提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务的总IP数据吞吐量，其特征在于，以太网交换装置逻辑地连接到自适应服务质量(AQS)装置，并且该方法包括下述步骤—获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息；—比较至少一个QoS值Qn与相应的QoS接受比，其中每个Qn基于来自RTP/RTCP数据分组的服务质量信息；—当至少一个QoS值对于所述相应QoS接受比具有不可接受等级时，执行滤波。
此外，本发明涉及一种用于将服务质量(QoS)提供给连接到广域网(WAN)的以太网交换装置的系统，所述广域网具有至少一个带宽有限信道，其中通过使用IP数据分组提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务的总IP数据吞吐量，其特征在于所述以太网交换装置逻辑地连接到自适应服务质量(AQS)装置，该AQS装置包括控制装置，该控制装置在监视装置的比较装置根据在RTP/RTCP数据分组内承载的监视服务质量信息指示不可接受的QoS等级时控制滤波装置。
本发明还涉及一种可直接装载在控制装置内的处理装置的内部存储器内的计算机程序产品，包括用于执行权利要求1至12之中任一权利要求的步骤的软件代码装置。
一个优点是本发明解决方案提供了大大提高在当前在IP等级层2上并不支持服务质量的频带网络上运行的基于IP的实时应用和业务的QoS的可能性。
另一个优点是加密的数据分组业务不受这个解决方案的影响。本发明对于加密数据业务来说是透明的。
另一个优点是本发明确保终端用户的用于实时业务的最低可用带宽，GMB。
本发明的另一个优点提供成本有效的处理，因为它并不读取RTCP接收器报告，除非总数据吞吐量超过最低值。
另一个优点是本发明以一种新的和创造性的方式基于并支持标准化通信配置，例如ATM等，以获得希望的结果。
另一个优点是本发明仅在需要时分配带宽。在RSVP和CBR技术中，始终给每个用户分配信道上用于专用应用的带宽。因此，本发明提供了信道可用带宽的更佳使用。
而且，除了支持保证的最低吞吐量带宽GMB之外，本发明还独立于任何销售商提供的窄带网络容量。
通过下述描述和附图将更好地理解本发明，在附图中图1是分组交换网络配置的方框图；图2是图示本发明的基于交换的集合设备的第一实施例的方框图；图3a和图3b分别图示发送器报告和接收器报告；图4图示基于交换的集合设备的第二实施例；图5图示本发明方法的一种实施例的流程图；图6图示本发明方法的另一种实施例的流程图；图7a是图示在时间间隔A-F期间作为在基于交换的集合设备上假设信号和业务负载的函数的AQS装置的操作；图7b是图示在时间间隔A-H期间作为在基于交换的集合设备上假设信号和业务负载的函数的不同操作AQS装置的操作。
具体实施例方式
本发明涉及一种系统、方法和计算机程序产品，用于使网络能够支持服务质量。
本发明涉及连接在任意类型的广域网(WAN)和不可能识别出不同类型的输入业务诸如因特网冲浪、FTP下载、非实时应用、话音、视频和/或其它实时应用等的住宅网络及终端设备之间的基于交换的集合系统。
图1是分组交换网络配置的方框图。交换机12通过广域网(WAN)16互连到骨干网络18，其中通过网际协议(IP)或多协议交换标签交换(MPLS)、层2上的ATM和以太网来上行和下行地提供话音、视频和/或其它实时应用以及非实时应用。交换机12位于客户/订户/用户的房屋内。多个终端设备14a-c连接到网络，每个终端设备向客户提供特殊业务/应用。在图1中，仅图示了三个终端设备，用于话音通信的电话机14c，用于数据通信的PC 14b和用于视频通信的诸如电视机或其它装置的媒体设备14a，但是用于多媒体通信和业务的大量其它终端设备也有可能连接到交换机12。交换机12连接到广域网(WAN)16，WAN 16连接到支持服务质量的骨干网18。骨干网包括大量不同的服务器20或者提供诸如话音、视频和数据的应用/业务的业务提供商以及将媒体流择路发送给正确客户的网络。在这种情况下，通信链路是基于带宽有限频带网络接入技术的WAN，所述技术类似于例如有线电视(CaTV)、xDSL(各种DSL系统(数字用户线)，例如不对称DSL)或无线局域网(WLAN)。
为了使描述具体化并涉及可用的硬件，在下面的例子中将使用异步传输模式(ATM)。ATM可以用于局域网和广域网，并支持包括实时音频和视频以及常规数据通信的各种应用。然而，本发明并不限制于与这个通信技术的终端组合，本发明也可以与其它技术一起应用。
交换机互连WAN与多个终端设备，如在图1中概述的。终端设备分别连接到合适的端口，例如LAN端口或POTS(老式普通电话业务)端口。
作为带宽有限网络的WAN互连交换机和LAN与宽带骨干网，例如因特网。在这个例子中，WAN可以包括连接到ATM交换机的ADSL调制解调器，DSLAM。ATM提供到所连接主机的面向连接的接口。DSLAM将数据分组和信令业务交换到所有连接的DSL的正确DSL(数字用户线)。
这些广域网WAN中的一些网络并不支持IP等级层3上的服务质量(QoS)，并且不可预测和控制诸如饱和、分组丢失、抖动和延迟等问题。因为带宽是稀缺资源以及来自用户的对话不同步地变得活动和不活动，因此应当仅根据需要使用带宽。如果交换设备12或接入网络并不具有足有的带宽处理能力，则所希望的实时业务对话不能通过满足希望QoS要求的网络。可能存在同时共存的多个应用对话或业务，并且它们可以被不同步地建立和拆除。
对于本系统来说，必需满足两个条件。第一个条件是实时媒体流的发送器或接收器中的至少之一使用支持用于实时媒体传输的RTP/RTCP协议的网关或终端设备。
第二个条件是系统保证WAN网络内的最低吞吐量，这意味着保证每个用户通过接入网络的最低带宽。
根据本发明，可以使用类似于H.323、MGCP、SIP等任一种类型的信令协议来建立基于IP的话音呼叫。对于媒体流，使用RTP/RTCP。
图2是图示本发明的基于交换的集合系统12的第一实施例的方框图。该基于交换的集合系统12可连接到广域网(WAN)16，该WAN具有至少一个明确限制的带宽信道或恒定比特率(CBR)信道，其中作为数据分组流通过网际协议(IP)提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务。系统12具有多个端口，用于通过系统12将WAN连接到多个终端设备(图1中的14)。来自WAN输入下行的IP数据分组流必须连接到正确端口，而来自不同端口的IP数据分组流必须予以收集，并在WAN上行发送。终端设备14生成上行发送和传输的数据分组。
根据本发明的优选实施例，基于交换的集合系统12包括交换装置22和自适应QoS(AQS)装置24。在这个实施例中，网关26同样被包括和被集成在系统结构内。
交换装置22将下行输入IP数据分组流的每个IP数据分组连接到不同端口之中的正确端口，或者收集来自不同端口的数据分组以便进一步在诸如恒定比特率(CBR)信道的信道上上行传输。在这个实施例中，端口是用于连接到诸如数据终端、PC、视频装置、电视机数字机顶盒等的不同终端设备14的LAN端口。
在这个实施例中，LAN端口之一被连接到网关，用于为IP电话、POTS和ISAN BRA提供端口。
交换装置22的特征可以在于，提供面向连接业务的ATM交换机或以太网层2交换机不可能通过监视RTCP报告将类似于优先的选择优先级提供给不同的IP数据分组。因此，并不提供IP等级层3上的服务质量(QoS)。
根据本发明，在网络内集成自适应QoS装置(AQS)24，以提供这样的特性。此系统包括用于控制交换装置22的计算机装置。计算机装置包括至少一个处理单元，该处理单元被连接到用于存储软件计算机程序产品和数据的存储装置。计算机装置还包括必要的输入和输出装置(I/O)。自适应QoS装置可以通过将所述计算机程序软件下载和存储在计算装置的程序存储器内并由处理单元运行而被实施为集成在系统和交换装置内的计算机软件程序。
AQS装置24主要包括监视装置28、控制装置30和滤波装置32。
监视装置28包括用于获取总IP数据吞吐量的带宽值TB的第一获取装置34a和用于比较总IP数据吞吐量值TB与最小值m的第一比较装置36a。此外，AQS装置24包括用于获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息的第二获取装置34b和用于比较包含在RTP/RTCP数据分组内承载的至少一个QoS值Qn的服务质量信息与相应的QoS接受比的第二比较装置36b。通常，监视装置的功能是识别、检测、比较和检查，换句话说，监视总IP数据吞吐量的参数。
在传输层上，使用实时传输协议(RTP)在基于因特网或IP的网络上传输多媒体业务。RTP包括两个部分即数据部分和控制部分。在RTP数据分组内承载类似于音频或视频的连续媒体数据。RTP已经在因特网工程任务组(IETF)内设计。RTP是端到端协议。
RTP提供称作RTCP的支持协议功能的控制协议。最近发送实时媒体流和RTP音频或视频数据的应用生成发送器报告，并且类似于用户终端的接收终端设备14必须返回接收器报告编号。在诸如话音等的UDP业务中并不提供这样的报告或确认。自适应QoS装置24以在RTP端口上接收到的分组内的RTP首部字段和在RTCP端口上接收到的RTCP报告内容的获取和分析为基础。
第二获取装置34b或者从每个报告中读取分组丢失Q1、可选抖动Q2和延迟Q3的值，如果可能的话，或者读取QoS信息并计算/确定用于分组丢失Q1、可选抖动Q2和延迟Q3的相应值。随后，在第二比较装置36b内使用这些值，在下文中将更详细地解释第二比较装置的操作。
监视装置28启动或停用滤波控制装置30和滤波装置32。
可以配置最小值m以使其等于或小于由WAN接入网络提供或为虚拟信道定义的诸如ATM定义的恒定比特率(CBR)的信道的限制带宽的有限GMB。最小值m可以定义在间隔
内，其中M是可以等于基于RTP/RTCP业务的最大允许吞吐量带宽的最大值，并且在第一设备达到饱和之前在基于交换的集合设备或终端设备上不可能存在基于RTP/RTCP的业务。
如果实际使用的总IP吞吐量带宽值TB超过最小值m，启动用于获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息的第二获取装置34b。如果检测到预定等级的分组丢失、可选抖动或延迟，则启动滤波控制装置30和滤波装置32。
如果实际使用的吞吐量低于最小值m，则第一比较装置34a应当停用滤波装置32以及滤波控制装置30。通过将最低保证带宽GMB定义为零，第二获取装置34b将独立于IP数据吞吐量TB而是继续活动的。
根据用于控制所述滤波装置的控制装置30内的可配置滤波标准，滤波装置能够根据端口、MAC地址、IP地址、对话ID或其它标准自适应地在总IP数据吞吐量之间滤波。AQS装置24是通过所述标准可配置和自适应的。它还可以作为标准应用防火墙等工作。
滤波装置可以根据标准抛弃并非RTP/RTCP相关业务或诸如H.323信令的其它类型的高优先级数据业务的所有或一部分业务。
基于交换的集合系统包括多个端口，每个端口分别连接到相应的LAN端口，LAN端口可连接到独立的终端设备或其它端口，例如POTS等等。控制装置30被设计为控制滤波装置32。数据业务流将不受干扰地流过开启模式中的滤波器32，但是在关闭模式中将没有业务。仅允许通过根据滤波标准允许通过的业务。
滤波控制装置30可以操作在以下两种模式中—第一模式，简单模式，当发现只有一个QoS值是不可接受的时；或—第二模式，高级模式，当发现所有的QoS值都是不可接受的时。
当检测到分组丢失、可选抖动和延迟在可接受的范围内，则应由控制装置30停用滤波装置32。
为了避免AQS装置的滤波控制装置30中的任何不稳定性，定义滤波器停用阈值Fd。Fd可以定义为可用吞吐量缓冲器等级(buffer level)(参见图7a、图7b)。另一个稳定性测量方法是编程控制装置30以便将滤波装置停用从检测到最小值降低时的时间点开始的预定义截止时间周期t。
AQS在逻辑上和/或在物理上被连接到至少一个集合设备，例如交换机。必须在网络内具有最低保证IP数据吞吐流。还必须具有诸如网关的设备和上面举例说明的生成RTP/RTCP分组的终端设备。
监视装置28的获取装置34向网络提供用于读取、记录和/或登记由发送器和接收报告承载的QoS信息以及在必要时计算不同的QoS值Qn的必需工具。图3a和图3b分别图示RTP/RTCP分组发送器报告和RTP/RTCP分组接收器报告。每个发送器报告将预定发送给并寻址到特定终端设备。终端设备使用接收器报告来响应发送器。
RTP消息包括多个“可堆叠”分组，每个分组带有它自己的类型码和长度指示。它们的格式非常类似于数据分组；具体而言，类型指示在相同的位置上。因而，甚至在不发送媒体数据时，它们也用作对话成员的活跃度指示符。
RTCP分组包括用于服务质量(QoS)监视的必需信息。它们包含有关接收的最高序列号、丢失的分组数量、到达间抖动的测量值和计算发出报告的发送器和接收器之间来回行程延迟的估计值需要的时间标记的相关信息。
图3b图示可以使用的接收器报告。接收终端应用将接收器报告传送给信源。这些报告包括能够计算分组丢失、分组延迟和抖动的信息。对于分组丢失存在两个原因由于缓冲器溢出或者由于比特错误导致的分组丢失。在大多数网络上比特错误的概率非常低。在TCP协议中已经考虑到丢失主要是拥塞而非比特错误导致的。缓冲器溢出可以发生在拥塞链路上或者在终端设备的网络接口上。
图3b图示在RTCP接收器报告中的不同数据字段及其相对位置。最感兴趣的字段是“部分丢失(Fraction Lost)”、“分组丢失的累计数量(Cumulative # ofPackets Lost)”、“到达间抖动(Interarrival Jitter)”和“自最后一个SR(发送器报告)的延迟(Delay Since Last SR)”。这些字段提供确定服务质量的可能性。
自适应QoS装置24包括用于监视在基于交换的集合系统上的总IP数据吞吐量的监视装置28；能够滤波总IP数据吞吐量的滤波装置32；和用于根据在基于交换的集合系统上总IP数据吞吐量的监视和滤波标准来控制所述滤波装置32的控制装置30，所有的装置和滤波标准都可以实施为在用于在专用计算机、服务器、个人计算机、数字处理器和中央处理单元等内处理的在计算机可读产品上或计算机可读存储器内存储的软件程序和计算机可读代码。
如图2所示，可以将计算机程序作为FTP(通用文件传输协议)文件传输、TFTP(普通文件传输协议)或其它适合于计算机程序传输的传输协议从服务器38装载到AQS 24。管理平台40可以远程地控制AQS装置24和基于交换的集合系统12，并使用抖动比、分组丢失比、分组延迟、滤波方法、滤波标准、启动上行流和/或下行流来配置AQS装置24。
图4图示基于交换的集合系统的第二实施例。这个实施例类似于图2所示的实施例。唯一的不同在于，网关位于基于交换的集合设备之外。该网关连接到基于交换的集合设备的LAN端口之一。本发明的AQS装置将如上所述地操作。
在上面描述的本发明的实施例中，用于在基于交换的集合系统上监视总IP数据吞吐量的监视装置28、能够滤波总IP数据吞吐量的滤波装置32和用于根据在基于交换的集合系统12上总IP数据吞吐量的监视与滤波标准来控制所述滤波装置32的控制装置30都被集中在自适应QoS装置AQS 24内。然而，也可以将AQS的不同装置分布在网络内。例如，监视装置可以移动和连接到分层网络的更高层次上。必需将通信链路和合适的协议用于监视装置28和控制与滤波装置30，32之间信息、信令和交互作用的通信。还有可能与交换装置分开地放置AQS，但是在逻辑上例如通过合适的协议相连。
本发明的另一方面是一种在下文中将参考图5和图6更详细描述的方法。
这是一种用于向连接到广域网(WAN)的以太网交换装置提供服务质量(QoS)的方法，所述广域网具有至少一个带宽限制信道。在所述信道内，通过使用IP数据分组提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务的总IP数据吞吐流。以太网交换装置逻辑地连接到自适应服务质量(AQS)装置。该方法包括下述步骤—获取在IP数据吞吐流的RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息，步骤110，126；—比较至少一个QoS值Qn与相应的QoS接受比，每个Qn基于来自RTP/RTCP数据分组的服务质量信息，步骤112，128；—当至少一个QoS值对于所述相应QoS接受比具有不可接受等级时执行滤波，步骤114，130。
该方法还包括下述步骤—获取总IP数据吞吐量的使用带宽的值TB，步骤102，122；—比较总IP数据吞吐量的使用带宽的值TB与最小值m，步骤104，104；—如果总数据吞吐量超过最小值m，则获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息，步骤110，126。
通过读取话音、视频和/或其它实时应用或业务的传送RTP/RTCP报告，可以执行QoS值的获取。QoS值可以是分组丢失比、抖动比和/或最大延迟，可以比较它们与相应的QoS接受比。通过获取和分析在WAN上下行分组的RTP首部字段与RTCP发送器报告和/或接收器报告的内容来提供QoS值。
如果总IP吞吐量降低停用阈值Fd，或者如果至少一个QoS值Qn是可接受的，则停止滤波，步骤116，132。
该方法还包括根据可配置的滤波标准控制滤波装置，使滤波装置能够根据端口、MAC地址、IP地址、对话ID或其它标准自适应地在总IP数据吞吐量之间执行滤波。
控制装置可以设置在以下两个操作模式之一内
—第一模式—简单模式—当发现只有一个QoS值是不可接受的时；或—第二模式—高级模式—当发现所有的QoS值都是不可接受的时。
停用阈值Fd可以设置为预定义的可用吞吐量缓冲器等级上。滤波器停用阈值Fd也可以配置为等于或小于最小值m，其是正数。最小值m可以配置为等于或小于WAN的保证最低带宽(GMB)。
为了系统更好的稳定性，从检测到最小值的降低的时间点开始的预定义时间周期(t)可以在停用滤波处理之前期满。
现在，将参考图5描述本发明方法的一个实施例。本方法主要包括四个方法循环步骤循环Ia、循环Ib、循环II和循环III。因此，AQS将操作在三个状态中监视状态(对应于循环Ia和循环Ib)、接收器报告监视状态(对应于循环II)和滤波状态(对应于循环III)。
该方法开始，步骤100，并且AQS开始监视总数据吞吐量TB，步骤102。从第一获取装置34a提供这个表示所用带宽的这个信息。比较当前带宽值TB与最小值m，步骤104。如果TB并未超过最小值m，则在步骤106内AQS将检查滤波装置是否是活动的。如果滤波装置在活动，则滤波装置将在循环Ia的步骤108中被停用。如果滤波装置被停用或者在步骤108中滤波装置已经被停用之后，继续监视数据吞吐量，步骤102。只要带宽值TB不超过最小值m，则该方法和AQS将保持在第一循环Ib和第一监视状态中。
如果总数据吞吐量值TB超过最小值m，则监视接收器报告，如在图5内流程图的步骤110图示的。根据这个描述的本发明的实施例，进入新的步骤循环，并改变AQS的状态。从每个接收到的接收器报告的首部读出分组丢失、分组延迟和抖动的值。在步骤112中比较所述值与不同的接受标准。如果这些值的任一个都是不可接受的，则必须执行滤波，并且如果滤波装置还不是活动的，则在步骤114中激活滤波装置。因此，当该方法进入和运行第三循环，即滤波循环，循环III时，AQS进入第三状态，也称作滤波状态或状态III。只要发现分组丢失值、延迟或抖动值中的任一个或者所有值是不可接受的和总数据吞吐量值TB超过最小值m，则AQS将保持在这个状态中。
如果发现所有的分组丢失值、延迟或抖动值是可接受的，但是总数据吞吐量值TB依然超过最小值m，则AQS从滤波状态改变成第二状态，即接收器报告监视状态。将在步骤116中停用滤波装置。
如果滤波装置是活动的，步骤114，或者在步骤116中已经停用滤波装置之后，则继续数据吞吐量的监视，步骤102。
只要总数据吞吐量值TB并未超过最小值m，则AQS将返回到监视状态。如果在步骤106中检查滤波器是活动的，则在循环Ia的步骤108内停用它。随后，AQS将根据循环Ib的步骤操作。
现在将参考图6描述本发明方法的另一个实施例。这个方法主要包括三个方法循环的步骤循环I、循环II和循环III。AQS将操作在三个状态中监视状态(对应于循环I)、接收器报告监视状态(对应于循环II)和滤波状态(对应于循环III)。
该方法开始，步骤120，并且AQS开始监视总数据吞吐量TB，步骤122。从第一获取装置34a提供这个表示所用带宽的信息。比较当前带宽值TB与数据吞吐量窗口的最小值m，步骤124。只要带宽值TB并未超过最小值m，则在步骤102继续监视总数据吞吐量，并且该方法和AQS将保持在第一循环I和第一监视状态中。
如果总数据吞吐量值TB超过最小值m，则监视接收器报告，如在图6内流程图的步骤126图示的。根据这个描述的本发明的实施例，进入新循环步骤，并改变AQS的状态。在步骤126中从每个接收到的接收器报告的首部读出分组丢失、延迟和抖动的值。在步骤128中比较所述值与不同的接受标准。如果这些值的任一个都是不可接受的，则必需执行滤波，并且如果滤波装置尚未活动，则在步骤130中激活滤波装置。因此，当该方法进入步骤126和运行第三循环即滤波循环时，AQS进入第三状态，即也称作滤波状态或状态III。只要发现分组丢失值、延迟值或抖动值中的任一个或者所有值是不可接受的，则AQS将保持在这个状态中。
如果发现所有的分组丢失值、延迟或抖动值是可接受的，但是总数据吞吐量值TB依然超过最小值m，则AQS从滤波状态改变成第二状态，即接收器报告监视状态。如果在步骤128中检查出滤波器是活动的，在监视总数据吞吐量的操作步骤122之前，在循环II的步骤132中停用它。随后，AQS将根据循环II的步骤即第二状态操作。
当总数据吞吐量值TB并未超过最小值m时，AQS将返回到监视状态和循环步骤I。但是也有可能所监视值中的任一值在第二状态期间是不可接受的，并因此必需执行滤波。滤波装置在步骤130被启动，并且AQS再次进入滤波状态，即状态III。
所描述的实施例仅仅是AQS可以如何根据本发明操作的例子。在本发明的范围内，可以以许多不同的方式实现AQS，并且这些例子不应当视为对范围的限制。
本发明还涉及可直接装载到计算机装置内处理单元的存储器内的计算机程序产品，包括用于执行权利要求1至12中任一权利要求的步骤的软件代码装置。
计算机程序产品可以存储在计算机可用媒体上，包括用于使计算机装置内的处理单元控制权利要求1至12中任一权利要求的步骤的的执行的可读程序。
利用包括用于执行本方法的步骤的软件代码装置的计算机程序产品实现该方法。计算机装置的处理单元运行计算机程序产品。从诸如软盘、CD、ROM、PROM、EEPROM、因特网等计算机可使用媒体直接或间接地装载计算机程序。
在图7a中，作为在时间间隔A-F期间在基于交换的集合系统上假设信号和业务负载的函数图示AQS装置的操作。该图的横轴是时间轴，而纵轴表示以兆比特/秒(Mbit/s)为单位的带宽。绘制了两条曲线来表示这种假设情况。一条曲线即TB负载是在时间上通过基于交换的集合系统的业务负载的总带宽要求，而第二条曲线即QB流是用于在时间上在通过滤波器之后的相同业务负载的吞吐量带宽。在图中还将保证最小带宽GMB图示为第一水平虚线。为了避免控制装置30内的任何不稳定性，使用预定义的滤波器停用阈值Fd(在图7a内较低的水平虚线)或预定义的截止时间周期t被用作在停用滤波装置32之前的附加标准。
在间隔A-B期间，存在信号和分组业务负载的微小增加。因为在所接收的RTCP分组内不存在任何分组丢失的指示并且QB流等效于TB负载，如图7a所示，所以停用滤波器32。在时间点B上，一个接收的RTCP报告表示诸如10％的分组丢失比，并且滤波控制启用QoS滤波器，它将在通过设备的总业务中扫描并非实时业务的业务。根据导致QB流将降低的预先确定的滤波标准，临时地降低或全部停止在端口之一上的分组流之一或属于一个MAC地址、IP地址和对话ID等的分组流。在间隔B-C期间，分组丢失是可接受的，并且既不降低也不改善，而且QB流是恒定的。然而，在时间点C上，新RTCP报告表示增加的分组丢失，这根据预先确定的分组丢失标准是不可接受的，并且必需进行进一步的扫描和滤波，导致较少的但是可接受的QB流进入或输出SBA设备，如在C上表示的。
在C-D间隔期间，测量分组丢失的轻微改善，并且QB流可能升高。
在时间点D上，接收到表示大的分组丢失率的新RTCP报告。因此，将所有的QB流降低到保证GMB等级。在这个等级上的数据分组传输临时地不被允许。当在时间点E上报告网络内的业务情况改善时，允许QB流增加到TB负载，只要分组丢失比在增加或者是可接受的。信令和数据分组的完全传输在时间点F上实现。
图7a中的上述例子图示通过滤波控制装置的软件控制。图7b图示通过控制装置的硬控制。
在图7b中，将第二AQS装置的操作图示为在时间间隔A-H期间在基于交换的集合系统上假设信号和业务负载的函数。该图的横轴是时间轴，而纵轴表示以兆比特/秒为单位的带宽。绘制两条曲线表示这个假设情况。一条曲线即TB负载是在时间上通过基于交换的集合系统的业务负载的总带宽要求，而第二条曲线即QB流是用于在时间上在通过滤波器之后的相同业务负载的吞吐量带宽。在图中还将保证最小带宽GMB图示为水平线。
在间隔A-B期间，存在信号和分组业务负载TB的微小增加。因为QB流并未超过GMB并且QB流等效于TB负载，如图7a图示的，滤波器不是活动的。第一获取装置34a用于获取总IP数据吞吐量的使用带宽，步骤102；122，和第一比较装置36a用于比较总IP数据吞吐量的使用带宽与最小值m，步骤104；104，在这种情况下m为保证最小带宽值GMB。在时间点B上，TB负载超过GMB等级，并且监视装置28的第二获取装置34b开始获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息，包括至少一个QoS值，步骤110；126，和启动并运行用于比较每个QoS值Qn与相应的QoS接受比的第二比较装置36b，步骤112；128。只要在所接受的RTCP报告中不存在任何分组丢失、抖动或延迟的指示，则不启动滤波装置和处理。
在处理点C上，一个所接收的RTCP报告表示诸如10％的分组丢失的不可接受的分组丢失。因此，至少一个QoS值具有相对于所述相应QoS接受比是不可接受的等级，并且滤波控制器启用QoS滤波器，步骤114和130。滤波装置32将在总的基于IP的吞吐量中扫描并非实时业务的业务。根据导致允许的QB流将迅速降低的预先确定的优先级规则，临时地完全停止基于交换的集合系统LAN端口的至少之一的UDP分组流。因此，将所有的QB流降低到滤波器停用阈值Fd，接近于低于保证GMB等级。因此，在时间点D上停用滤波装置，并且QB流可以再次升高。在C-D间隔期间，测量分组丢失的改善。监视并测量网络内的业务情况以使其改善和可接受。
在时间点E上，一个所接收的RTCP报告表示例如5％的延迟。因此，至少一个QoS值具有相对于所述相应QoS接受比是不可接受的等级，并且滤波控制器启动QoS滤波器，步骤114，130。对于间隔E-G将重复对于间隔C-E描述的事件的处理和过程。
在时间点G上，允许QB流增加到TB负载，因为发现Qn值在可接受的范围或比值内。在时间点G上达到信令和数据分组的完全传输。
本发明并不限制于上面描述的优选实施例。可以使用各种替代、修改和等价物。因此，上述实施例不应当视为限制本发明的范围，本发明的范围由权利要求书来定义。
权利要求
1.用于向连接到广域网(WAN)的以太网交换装置提供服务质量(QoS)的一种方法，所述广域网具有至少一个带宽限制信道，其中通过使用IP数据分组提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务的总IP数据吞吐量，其特征在于，以太网交换装置逻辑地连接到自适应服务质量(AQS)装置，并且该方法包括下述步骤—获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息(步骤110；126)；—比较至少一个QoS值Qn与相应的QoS接受比，每个Qn基于来自RTP/RTCP数据分组的服务质量信息(步骤112；128)；—当至少一个QoS值相对于所述相应QoS接受比具有不可接受等级时，执行滤波(步骤114；130)。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤—获取总IP数据吞吐量的瞬时使用带宽的值(TB)(步骤102；122)；—比较总IP数据吞吐量的使用带宽值(TB)与最小值m(步骤104；104)；—如果总数据吞吐量超过最小值m，则获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息(步骤110；126)。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，—获取通过话音、视频和/或其它实时应用或业务的传送RTP/RTCP数据分组承载的QoS值；—比较用于分组丢失比、抖动比和/或最大延迟的QoS值与相应的QoS接受比。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，如果总IP吞吐量的使用带宽值(TB)降低停用阈值(Fd)，则停止滤波。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，如果至少一个QoS值是可接受的，则停止滤波(步骤116；132)。
6.根据权利要求1的方法，其特征在于以下步骤根据可配置滤波标准控制滤波装置，使滤波装置能够根据端口、MAC地址、IP地址、对话IP或其它标准自适应地滤波总IP数据吞吐流。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于以下步骤将控制装置设置在以下两个操作模式之一内—第一模式—简单模式—当发现至少一个QoS值是不可接受的时；或—第二模式—高级模式—当发现所有的QoS值都是不可接受的时。
8.根据权利要求4的方法，其特征在于，停用阈值(Fd)是预定的可用吞吐量缓冲器等级。
9.根据权利要求4或5的方法，其特征在于，使用从停用滤波处理之前检测到最小值(m)降低时的时间点开始的预定义时间周期(t)。
10.根据权利要求2的方法，其特征在于，将最小值(m)配置为等于或小于WAN的保证最小带宽(GMB)。
11.根据权利要求3的方法，其特征在于，将滤波器停用阈值(Fd)配置为等于或小于最小值(m)，其中最小值(m)是正数。
12.根据权利要求2的方法，其特征在于以下步骤获取并分析在WAN上下行分组的RTP首部字段的QoS信息与RTCP发送器报告和/或接收器报告的QoS信息。
13.用于向连接到广域网(WAN)的以太网交换装置(22)提供服务质量(QoS)的一种系统(12)，所述广域网具有至少一个带宽有限信道，其中通过使用IP数据分组提供话音、视频和/或其它实时应用或业务以及非实时应用或业务的总IP数据吞吐流，其特征在于所述以太网交换装置(22)逻辑地连接到自适应服务质量(AQS)装置(24)，所述自适应服务质量装置(24)包括监视装置(28)的获取装置(34)和比较装置(36)，所述监视装置能够根据在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息的监视识别不可接受的QoS等级，并将所述不可接受的QoS状态指示给滤波控制装置(30)，该滤波控制装置控制用于滤波总IP数据吞吐流的滤波装置(32)。
14.根据权利要求13的系统(12)，其特征在于，自适应服务质量(AQS)装置(24)包括第二获取装置(34b)，用于获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息；第二比较装置(36b)，用于比较基于在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息的至少一个QoS值(Qn)与相应的QoS接受比；和滤波装置(32)，用于在至少一个QoS值(Qn)具有与所述相应QoS接受比相比不可接受的等级时滤波总IP数据吞吐流。
15.根据权利要求14的系统(12)，其特征在于，自适应服务质量(AQS)装置(24)还包括第一获取装置(34a)用于获取用于总IP数据吞吐流的瞬时使用带宽的值(TB)；和第一比较装置(36a)，用于比较带宽值(TB)与最小值(m)
16.根据权利要求15的系统(12)，其特征在于，如果带宽值(TB)超过最小值(m)，则启动用于获取在RTP/RTCP数据分组内承载的服务质量信息的第二获取装置(34a)。
17.根据权利要求15的系统(12)，其特征在于，第一比较装置(36a)包括最小值(m)，该最小值有可能配置为等于或小于WAN的保证最小带宽(GMB)。
18.根据权利要求16的系统(12)，其特征在于，第一比较装置包括滤波器停用阈值(Fd)，该阈值有可能配置为等于或小于最小值(m，其为正数)。
19.根据权利要求15的系统(12)，其特征在于，如果带宽值(TB)降低停用阈值(Fd)，则第一比较装置(36a)停用滤波装置(32)和所述控制装置(30)。
20.根据权利要求13的系统(12)，其特征在于，滤波控制装置(30)根据可配置滤波标准控制滤波装置(32)，使滤波装置(32)能够根据端口、MAC地址、IP地址、对话ID或其它标准在总IP数据吞吐量之间自适应地滤波。
21.根据权利要求14的系统(12)，其特征在于，第二获取装置(36b)获取和分析WAN上的下行分组的RTP首部字段的QoS信息与RTCP发送器报告和/或接收器报告的QoS信息。
22.根据权利要求14的系统(12)，其特征在于，控制装置(30)操作在以下两种模式之一内—第一模式—简单模式—当发现至少一个QoS值Qn是不可接受的时；或—第二模式—高级模式—当发现所有的QoS值Qn都是不可接受的时。
23.根据权利要求13的系统(12)，其特征在于，当由第二比较装置(36b)检测到用于分组丢失、可选抖动和延迟的QoS值Qn在可接受的范围内时，停用滤波装置(32)。
24.根据权利要求15的系统(12)，其特征在于，控制装置(30)使滤波装置(32)停用从检测到最小值(m)降低的时间点开始的预定义截止时间周期(t)。
25.根据权利要求13的系统(12)，其特征在于，该设备包括网关(26)。
26.根据权利要求13的系统(12)，其特征在于，自适应QoS装置(24)包括监视装置(28)，用于监视在基于交换的集合系统(12)上的总IP数据吞吐量；滤波装置(32)，能够滤波总IP数据吞吐量；和控制装置(30)，用于根据在基于交换的集合系统(12)上的总IP数据吞吐量的监视和滤波标准来控制所述滤波装置(32)，所述所有的装置和滤波标准可以实施为计算机程序和计算机可读代码，所述计算机程序和计算机可读代码存储在计算机可读产品上或者存储在计算机可读存储器内，以便在专用计算机、服务器、个人计算机、数字处理器、中央处理单元等内进行处理。
27.根据权利要求26的系统(12)，其特征在于，可以作为FTP(通用文件传输协议)文件传输、TFTP(普通文件传输协议)或其它适合于计算机程序传输的传输协议将计算机程序从服务器(38)装载到AQS(24)，而且管理平台(40)可以远程地控制AQS装置(24)和基于交换的集合系统(12)，并使用抖动比、分组丢失比、分组延迟、滤波方法、滤波标准、启动上行流和/或下行流来配置AQS装置(24)。
28.一种计算机程序产品，可直接装载到计算机装置内处理单元的内部存储器内，包括用于执行权利要求1至12之中任一权利要求的步骤的软件代码装置。
29.一种计算机程序产品，可存储在计算机可用媒体上，包括可读程序，用于使计算机装置内的处理单元控制权利要求1至12之中任一权利要求的步骤的执行。
全文摘要
本发明涉及基于交换的集合系统、方法和计算机程序产品，用于向包括连接到广域网(WAN)的面向连接的交换装置的层2配置网络提供服务质量(QoS)。该系统包括连接到所述交换装置的自适应服务质量(AQS)装置。该自适应服务质量(AQS)装置包括用于监视系统内的总IP数据吞吐流和RTCP报告的监视装置；能够滤波总IP数据吞吐流的滤波装置；和用于根据总IP数据吞吐流的监视和可适应滤波标准控制所述滤波装置的控制装置。
文档编号H04L12/24GK1618212SQ03802309
公开日2005年5月18日 申请日期2003年1月14日 优先权日2002年1月18日
发明者M·朱格佩德森 申请人:艾利森电话股份有限公司