专利名称：使用优先级与保留带宽协议提供网络服务质量的机制的制作方法
技术领域：
一般地，本发明涉及一种通信系统，更具体地讲，涉及一种在局域网或广域网中或跨网络地提供服务质量(QoS)的方法与装置。
背景技术：
传统上，因特网只提供对于“最大努力(best effort)”流量的支持。即，沿从一个源至目的地的路径，根据沿途在每一“跳”(一般为路由器)中存在的拥塞或者不拥塞，来传播流量。如果路径拥塞严重，则在拥塞位置缓冲流量(一般为先进先出)，直到可以传播为止，这可能大大地延迟流量。另外，发送方无法预先知道所希望的发送将会成功还是失败。这是因为因特网流量依照“穿针引线”的方法，其中每一跳或者路由器只知道下游的下一跳。如果下一跳上的流量非常拥塞，则路由器将仍然试图向其转发流量，而不会绕过它搜索替换路由。如果在超时时段内不能转发流量，则发送失败。
现有因特网的“最大努力”设计适合于低优先级流量，其中发送延迟是可以接受的。然而，随着使用实时应用(例如视频会议、因特网电话、以及其他音频/视频(A/V)服务)的新技术的发展，人们越来越希望具有最小的预定发送延迟的有保证的质量服务。对于传统的“最大努力”设计，这种服务是不可能的。人们希望有以太网QoS机制来确保在以太网或者因特网上生成的AV服务数据包能够以及时的方式传送。对于本地以太网/IP流量，经常使用基于优先级的方案，部分是因为其简单。
最近，人们已经尝试基于协议的QoS解决方案。一种此类解决方案为资源保留协议(RSVP)，其为应用层协议。RSVP在R.Braden等人的”ResourceReSerVation Protocol(RSVP)-Version l Functional Specificaiton”，RFC 2205，1997年9月的文献中被描述。目前，RSVP必须预先在沿发送方与接收方之间路径上的每一跳的路由器中实现。RSVP设计用于保留沿跨多个网络的路径上的资源。因为其为应用层协议，所以其不能在局域网内的层2设备(例如交换机，其经常将发送方或接收方与其至其他网络的网关相分离)理解或者实现。
人们希望有这样的设备与机制，其能够实现QoS并保留带宽，以在网络内建立从源设备至目的设备的路径，并且发送来自该设备内输出队列的、保留的以及带优先级的数据包数据两者。
发明内容
一种在能够提供带优先级的通信的网络中用来提供端点站之间的保留连接的装置，包含与端点站进行数据包通信的交换机。该交换机用来检测并且转发包含用于优先级处理的、带优先级的数据的数据包以及根据给定保留协议包含对于保留连接的请求的数据包。该交换机包含与交换机的流出端口相关联的、相应于与所接收的优先级数据包相关联的不同优先级的多个输出队列以及与保留连接数据数据包相关联的至少一个附加输出队列。该交换机用来响应于保留连接请求，确定该交换机中是否有足够的带宽可用，以在网络内建立保留路径，并且如果有的话，则为所请求的保留连接分配带宽。该交换机还用来响应于在交换机输入端收到的每个数据包，确定该数据包是否与保留连接相关联，并且将这些数据包转发至与保留连接路径相关联的流出端口上的附加输出队列，以传送至所希望的目的地。
图1为根据本发明实施方式的使用交换机实现网络设备之间保留带宽连接的高层体系结构的示范性图。
图2A为根据本发明实施方式的用来实现保留带宽连接处理的交换机的主要功能组件的示范性方框图。
图2B为根据本发明实施方式的、图2A的交换机的高层方框图，显示了多个输出队列，包含对于保留连接数据包数据的输出队列。
图3为显示根据本发明实施方式的带宽保留处理流程的示范性方框图。
具体实施例方式
现在参照图1，显示有例如家用网络系统的系统100，包含一或多个交换机，概括指示为10，用来在端点站之间的基于以太网的网络中接收并转发数据包。此类端点站包括一或多个以太网端点设备20、适配器30、以及网关40。端点站或端点设备可以是多种消费电子设备中的任何一个，包含但不限于服务器、数字电视机与监视器、MP3与DVD设备、打印机与打印服务器、个人计算机(PC)等等。与现有技术一样，这些设备的每一个都具有相关的IP地址，物理地址与子网掩码。
在一种配置中，一或多个交换机10包含第一交换机101与第二交换机102，用来通过网络协议相互通信，并且与相应端点站通过局域网(LAN)或广域网(WAN)通信。在图1的示范性实施方式中，概括标记为30的适配器包含IEEE 1394以太网适配器301、302、以及无线适配器303。端点设备201、202、以及适配器301中的每一个与交换机102进行数据包通信。适配器30用来转发来自/去向1394 AV集簇501的数据包。端点设备203、204、适配器302、303、以及内部网关40与交换机101进行数据包通信。适配器302用来转发来自/去向1394 AV集簇502的数据包，而无线适配器303用来使用适当的传送协议转发来自/去向无线集簇503的数据包。内部网关40用来传送来自/去向通过内部网络504连接的端点设备的数据包数据。
根据本发明的一方面，每个交换机10都是符合802.1 p/q的交换机，适于检测并转发包含进行优先级处理、带优先级的数据的数据以及包含根据的给定保留协议、对于端点站之间保留连接的请求的数据包。一般地，此类诸如保留请求消息的应用层消息的应用层部分对于现有交换机是透明的。然而，根据本发明的一方面，每个交换机都用来确定保留协议带宽请求消息并启动保留连接，也确定与保留连接数据包消息相关联的数据包流数据，并且转发该数据包至适当交换机输出端口上的、相应的最高优先级输出队列。
交换机10配置有符合对于交换机设备的要求的IEEE 802.1D第7部分的功能。另外，对于每个流出端口，本发明的交换机10包含一或多个附加输出队列，以容纳保留连接数据包数据。该交换机还用来保持/保留特定百分比的带宽(例如50％)，用于802.1 p/q流量与最大努力流量。在示范性实施方式中，此类保留协议可以是RSVP或者其变体。每个交换机10为层2或层3设备，用来接收IP数据包并且分析适当信息以确定特定数据包是否包含带宽保留请求。在一种配置中，交换机10被配置来索引(index)通过(past)以太网、IP、以及TCP头部信息，并且检查协议头部信息以确定该消息是否为带宽保留请求消息。如果不是，则交换机根据该数据包的优先级，将数据包转发至与其相应输出端口之一相关联的相应输出队列的之一。如果该消息是带宽保留请求消息，则交换机10执行一系列功能，以建立发起端点站与目的端点站之间的连接路径以进行数据包通信。
如图1所示，本发明的体系结构对于本地以太网设备不需要适配器，只有在IEEE 1394或者无线集簇与以太网之间才需要适配器。图1的系统还允许建立此类保留连接与通过与交换机的级联方式的或者单个交换机的直接连接的流传输，而不需要要求附加存储器与复杂度的其他外部处理与连接管理软件。
图2A为根据本发明一方面的、用来实现包含优先级与保留带宽服务的局域网QoS机制的交换机10的示范性方框图。交换机10包含输入端口I1，用来接收来自例如上游设备(或者下游设备)(诸如发起端点站(或者目的端点站或者下游中间交换机))的数据包。以太网数据包包含源与目的MAC地址、目的IP地址、源IP地址、端口号、优先级等等。交换机包含检测/解码软件模块11，其与微处理器控制器13进行通信，并且具有以下功能处理所接收的IP数据包，并且索引通过以太网、IP、以及TCP头部以根据给定的保留协议检测所接收的数据包是否包含对于保留连接的请求。除所需带宽(例如每秒比特)之外，该保留请求消息还包含在头部(例如TCP或UDP头部)中的发送设备与接收设备的源与目的MAC地址、源与目的IP地址、以及应用端口号，以有助于定义特定信号流。
应该理解本发明的系统提供了以下的灵活性根据特定网络域，确定寻址类型与所需处理，以建立保留连接路径并确定每个端点设备。例如，当本发明的系统在同构以太网局域网上实现时，可以利用MAC地址来确定与发起设备和目的设备相关联的每个端点站。在这种情况下，当最终的端点站在IEEE 1394集簇上时，图1所示的适配器作为该网络配置中的端点。在另一配置中，例如异构网络，确定并存储在其输入端接收的IP地址的交换机可以通过图1所示的适配器确定其以太网网络之外的设备端点，该交换机在该配置中作为另一交换机10。在这种情况下，该网络配置下的端点为集簇上的、由IP地址信息确定的端点设备。
如果该数据包为用来建立保留路径的带宽请求消息，则分配软件模块15响应于检测到对于保留连接的请求，确定是否存在对于所请求的连接的足够的可用带宽，并且如果有的话，则分配所要求的带宽来在交换机处建立保留连接，并且将分配请求消息转发给下一个下游设备。内部映射表18包含连接对列表存储器18a与交换表存储器18b。除检测并处理使用现有的以及以后出现的保留协议(例如上述RSVP)的会话之外，交换机处理器与监测器还执行以下常规功能根据数据包头部中的地址以及其标准交换表18b的内容，在交换机端口之间转发数据包。交换机10还比较数据包头部内的地址与在连接对列表存储器18a中包含的地址。如果输入数据包的源与目的地址匹配在其连接对列表中存储的地址对之一的两个地址，则将该数据包放入与特定流出端口相关联的保留连接输出队列，以转发到与目的地址相关联的端口。
在局域网络中配置的级联交换机的每个交换机10检测数据包，并且确定数据包是否包含保留带宽请求，以使交换机启动保留处理。当没有输入保留请求消息时，交换机接着根据数据包信息确定数据包是否包含保留连接数据。如果包含，则将该数据包转发至最高优先级输出队列，以传送到相应输出端口。否则，交换机根据802.1用户优先级处理数据，并且在相应输出队列上提供该数据包，如图2B所示。更具体地讲，一旦交换机确定输入数据包不是带宽保留请求消息，则交换机比较在存储器中存储的成对地址与输入数据包信息。如果这些对匹配并且交换机在设定带宽内，则将该特定数据包发送到保留带宽输出队列164(参照图2B)。在另一方面，如果这些对匹配(指示保留带宽连接)但是超过了来自相关对的带宽，则丢弃该数据包。最后，如果交换机确定这些对没有在保留连接带宽表中，则交换机将该数据包放入匹配数据包头部801.p/q字段的优先级的适当的输出队列中。
每次交换机10转发属于保留连接的数据包，其都重置在连接对列表18a中与该连接相关联的标志。相应地，交换机10还可以包含定期察看保留连接列表寻找非活动会话的功能。对于非活动会话，可以向上游与下游设备两者发送消息，其对该保留的路径中的所有交换机标识保留连接，并且指示带宽释放。例如，从包含待释放的保留电路连接所涉及的主机/设备的MAC地址的设备(例如下游设备)，带宽分配/保留接口模块15接收带宽保留释放请求。当收到这样的请求时，交换机分配模块删除相应于所释放的连接的连接对列表18a中的信息，并且发送标识带宽释放与会话终止的相应的消息至网络上其相应的连接的上游设备。交换机10也可以包含时钟模块17，用来确定是否在建立或维持保留连接所需的预定时间间隔内从下游设备收到响应。在未收到此类响应的情况下，可以从模块17向分配模块15发送控制信息，以进行适当的动作(例如发送另一请求，终止连接以及释放带宽等等)。
图2B提供了在根据本发明一方面的交换机10内包含优先队列的示意图。现在参照图2B，根据本发明的一个方面，交换机10用来实现包含优先级与保留带宽服务的局域网QoS机制。如上所述，交换机10包含输入端口I1，用来接收来自包含例如上游设备(诸如发起端点站)的设备的数据包。以太网数据包包含源与目的MAC地址、目的IP地址、源IP地址；端口号、优先级等等。交换机包含删除/解码软件功能，用来处理所接收的IP数据包，并且索引通过以太网、IP、以及TCP头部，以根据给定的保留协议，检测所接收的数据包是否包含对于保留连接的请求。如果数据包为用来建立保留路径的带宽请求消息，则分配软件响应于检测到对于保留连接的请求，确定并分配足够的带宽以在交换机处建立保留连接，并且将分配请求消息转发给下一个下游设备。数据包分类器14响应于在输入端口I1通过输入缓冲区结构12收到的每个数据包，确定数据包类型和/或数据包优先级。当所接收的数据包类型为优先级型(或最大努力)流量数据包，相应于数据包的优先级，分配模块将每个数据包放置在相应的输出队列161、162、163中，并且当所接收的数据包类型为保留连接类型时，将所接收的保留连接数据数据包放置在附加的输出队列164上。所述多个输出队列16与每个流出端口P1、…、PN相关联。每个输出队列相应于与所接收的优先级数据包相关联的不同优先级，并且一(或多)个附加输出队列164与保留连接数据数据包相关联，以提供最高优先级的吞吐量。
图3为显示根据本发明实施方式的带宽保留处理流程的示范性方框图。如图3所示，其中与图1相同的标号相应于相同的部件，以太网适配器301提交以太网数据包内的带宽(BW)保留请求60，其具有与端点适配器302相关联的目的地址，用来建立与在1394 AV集簇402中连接的设备的保留带宽连接。交换机102截获或者接收保留请求60，并且根据该请求确定其是否具有足够的可用带宽来允许该连接。如果有，则交换机将所请求的带宽量标记为未决，并且将该请求向下游转发至下一设备，以建立保留连接。
在图3(以及图1)所示的实施方式中，交换机101代表下一设备，该设备接收所转发的带宽保留请求消息，并且进行与上面针对交换机102描述的处理相同的处理，以确定交换机设备是否具有足够的可用带宽来建立保留连接。如果有，则交换机将带宽保留请求消息发送到端点设备302，以处理带宽请求。如果端点设备可以分配所请求的发送(例如视频流)所需的带宽，则其向上游回发带宽已分配响应(BA)消息70。交换机101截获该响应，并且通过将先前未决的带宽注册为与所请求的AV流相关联，进行其自身的BW分配，并且将BA消息向上游发送至交换机102，当确定已经分配了下游交换机的BW时，该交换机102进而分配其交换机BW，并且将该消息转发给发起设备301。建立每个交换机内具有最高优先级的输出队列164(参看图2B)，并且将其与端点站之间的保留路径内每个交换机上相应输出端口相关联，以确保QoS。
由此，连接到1394 AV集簇401的、希望与耦合至端点站设备302的1394AV集簇402上的远程设备建立具有指定带宽或者延迟的连接的发送方或者发起端点站设备(例如301)发出BW请求消息60。该消息必须在发送方与各个接收方之间路径中的每个交换机101、102等等或者适配器(例如302)处进行处理。每个交换机确定其可用性，包含在其上将要建立路径的端口，并且更新其自身用于连接的内部表(例如状态表)。每个交换机根据其保持的内部映射表，确定哪个流出端口为对于保留连接数据包的适当的端口。交换机通过在一段时间内检查源地址，了解哪些端口设备处于工作状态。这些内部映射表或者交换表用来确定转发BW请求消息的方向。在一种配置中，如果目的地址已知或者与给定的一个流出端口相关联，则交换机只在该端口上发送BW消息。然而，如果目的地址未知，则交换机用来在所有流出端口上广播BW请求消息。虽然这种方法可使系统处理比希望数目多的请求消息，但是此类保留请求一般不大，并且可以在不造成系统退化的前提下得到处理。另外，(例如)家用网络上中间交换机设备的数目也不多(例如1-3个)，从而将有关用BW请求广播消息“淹没”系统的忧虑减少到最小。
如上所述，每个交换机以其自身的已授予带宽分配/保留消息BA 70响应于BW请求消息与有关可用性的确定，从而确认所要求的服务。沿与发送BW消息相同的路径，BA消息被逐步向上游返回。如果交换机不具有所需要的资源，则其向上游朝适当的发送设备返回指示带宽不可得的错误消息80(以虚线表示)。这就使上游交换机能够释放任何未决的BW和/或使之能够在网络内建立另一个级联交换机配置已满足路径请求。在一种配置中，每个交换机都包含用来实现带宽保留协议(例如RSVP)的软件。
如图1-3所示，可以从适配器、网关、以及以太网端点发起并终止保留BW协议。如上所述，在一种配置中，由同构以太网网络上的交换机设备使用MAC地址使之能够进行在网络边界位置处终止的端点确定，例如适配器。在另一种配置中，由交换机使用IP地址使之能够在异构网络中进行实际的端到端设备确定，其中适配器作为交换机，并且可能进行ARP/RARP，以确定外部网络上设备(例如IEEE 1394AV集簇上的设备)的端点用户设备位置。
在另一配置中，可以要求客户端终点定期刷新带宽请求，以维持带宽保留。交换机可以包含时钟17(图2A)，时钟17用来向交换机内的处理器发送控制信号，该交换机用来在预定时间间隔内未收到刷新的情况下分配带宽。如果未及时收到刷新，则分配模块释放带宽，并且开始拆除连接。在偶然关闭连接的情况下，客户端设备必须识别该情况(例如通过确定缺少RTCP反馈消息)，并且发起新的BW请求。
本发明实现于交换机设备内的机器可执行软件指令，并且在处理系统内由执行这些指令的处理器实现本发明。在其他实施方式中，可以使用硬件电路，以替换或者结合软件指令来实现本发明。实现本发明的计算机指令可以从永久存储(例如海量存储设备)和/或从一或多个其他计算机系统通过网络加载到存储器中。例如，在某些下载指令可以直接由微处理器支持、并且直接由处理器执行的实施方式中的执行。可替换地，可以通过使微处理器执行解释指令的解释程序来执行指令，解释程序通过使微处理器执行将指令转换为可以直接由微处理器执行的格式的指令来解释指令。由此，本发明不限于硬件电路与软件的任何特定组合，也不限于由交换机设备执行的指令的任何特定来源。
虽然已经就示范性实施方式描述了本发明，但是其不限于此。应该广义地理解所附权利要求，以包含本领域技术人员在不脱离本发明的范围的情况下能够作出的本发明的其他变体与实施方式。
权利要求
1.一种在能够提供带优先级的通信的网络中用来提供端点站之间的保留连接的装置，所述装置包含与端点站进行数据包通信的交换机，该交换机用来检测并且转发包含用于优先级处理的、带优先级的数据的数据包以及根据给定保留协议包含对于保留连接的请求的数据包，该交换机具有与交换机的流出端口相关联的、相应于与所接收的优先级数据包相关联的不同优先级的多个输出队列以及至少一个与保留连接数据包相关联的附加输出队列，其中交换机用来响应于保留连接请求，确定是否有足够的带宽可用，以在网络内建立保留路径，并且如果有的话，则为所请求的保留连接分配带宽，并且响应于在交换机输入端收到的每个数据包，确定该数据包是否与保留连接相关联，并且将这些数据包转发至与保留连接路径相关联的流出端口上的附加输出队列，以传送至所希望的目的地。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述网络包含以太网网络。
3.如权利要求1所述的装置，其中多个所述交换机以级联方式在端点站之间相互耦合，以提供其间的保留连接路径，每个交换机用来接收保留连接请求，确定并分配其自身的可用带宽，并且将保留连接路径请求转发给下一个下游交换机。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述交换机根据内部映射表确定哪个流出端口与保留连接相关联。
5.如权利要求4所述的装置，其中当所述内部映射表没有包含所请求的目的地址时，所述交换机用来将保留连接请求转发给所有输出端口。
6.如权利要求3所述的装置，其中当所述交换机之一确定可用带宽不够时，这一交换机用来生成指示拒绝带宽分配的信号向进行请求的设备返回。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述交换机运行于服务层2与服务层3之一上。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述保留协议为RSVP。
9.一种在包含多个以太网端点站的以太网网络系统中用来在至少两个端点站之间传送信息数据包的交换机，所述交换机包含用来接收来自所述至少两个端点站之一的数据包的输入端；与流出端口相关联的、相应于与所接收的优先级数据包相关联的不同优先级的多个输出队列，以及与保留连接数据包相关联的至少一个附加输出队列；数据包分类器，用来响应于在输入端收到的每个数据包，确定a)数据包类型与b)数据包优先级中的至少一个，并且当所接收的数据包类型为优先级类型时，将每个数据包置于相应于数据包优先级的相应输出队列中，而且当所接收的数据包类型为保留连接类型时，将所接收的保留连接数据数据包置于所述至少一个附加输出队列中；检测器，用来根据给定的保留协议检测所接收的数据包是否包含对于保留连接的请求，以及分配器，用来响应于检测到对于保留连接的请求，确定并分配足够的带宽以建立端点站之间的保留连接。
10.如权利要求9所述的系统，其中多个交换机以级联方式在端点站之间相互耦合，以提供其间的保留连接路径，并且其中每个交换机用来接收从上游设备转发来的保留连接请求，确定并分配其自身的可用带宽，并且根据其自身的内部映射表，将该保留连接路径请求直接转发给下一个下游交换机。
11.如权利要求10所述的系统，其中每个交换机检查每个数据包的MAC地址信息与IP地址信息中的至少一个，以处理所述数据包。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述交换机比较输入数据包地址信息与在存储器中存储的成对地址，并且其中如果所述对匹配，即指示保留连接数据包，则将该特定数据包发送到所述至少一个附加输出队列。
13.一种在能够提供带优先级的通信的网络中提供端点站之间保留连接方法，该方法包含在第一设备中检测带优先级的数据包与包含根据预定保留协议的对于保留连接的请求的数据包；转发带优先级的数据包；在第一设备中根据所检测的对于保留连接的请求确定是否有足够的与所述第一设备相关联的带宽可用；并且如果有的话，则建立端点站之间的路径，并且沿该路径保留资源，以沿该路径提供所请求的保留连接，包括在第一设备内分配输出队列用于所述保留连接数据数据包。
14.如权利要求13所述的方法，还包含在第一设备中分析包含以太网地址、IP地址、以及TCP地址信息的头部信息，以确定所接收的数据包是否为带宽保留请求消息。
15.如权利要求14所述的方法，其中存储MAC地址，并且将MAC地址与数据包信息比较，以确定同构以太网网络上的保留连接流数据包与端点站设备。
16.如权利要求14所述的方法，其中存储IP地址，并且将IP地址与数据包信息比较，以确定异构网络上的保留连接流数据包与端点站设备。
全文摘要
一种在能够提供带优先级的通信的诸如因特网(504)等网络中用来提供端点站之间的保留连接的装置，所述装置包含与端点站进行数据包通信的交换机。该交换机检测并且转发包含用于优先级处理的、带优先级的数据的数据包以及包含根据给定保留协议对于保留连接的请求的数据包。与交换机的流出端口相关联的输出队列相应于与所接收的优先级数据包相关联的不同优先级。附加输出队列与保留连接数据数据包相关联。响应于保留连接请求，交换机确定该交换机中是否存在足够的带宽，以在网络内建立保留路径，并且如果存在的话，则为保留连接分配带宽。响应于每个收到的数据包，交换机确定该数据包是否与保留连接相关联，并且将这些数据包转发至与保留连接路径相关联的流出端口上的附加输出队列，以传送至所希望的目的地。
文档编号H04L29/08GK1679017SQ03820911
公开日2005年10月5日 申请日期2003年9月3日 优先权日2002年9月3日
发明者托马斯·A·斯塔尔, 艾扎特·H·艾扎特, 托马斯·P·纽伯里 申请人:汤姆森特许公司