專利名稱：提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法和通信實現系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種網絡傳輸方法及其通信實現系統，尤其是一種采用信元為信息傳輸單位的分組網絡傳輸方法和通信實現系統。
ATM傳輸網絡提供直到ATM協議層為止的功能，這些功能通過信頭來實現，在傳送信息時只對信頭進行操作而不處理信息字段(凈荷)的內容。ATM只通過信頭提供有限的差錯檢測操作，不提供反饋重傳。這種分層處理原則簡化了ATM的網絡處理，對于提高網絡的規模擴展能力是必要的。但是當前的層次劃分過于簡單，終端處理能力提高以后，網絡在傳輸質量控制方面就顯得能力不足，產生了一些難以克服的問題。
首先ATM協議是一個鏈路層的傳輸技術，它負責在兩通信端點之間通過虛連接進行信元傳遞。早期ATM終端只支持少量并發通信，在兩通信端點之間建立連接等價于在兩個用戶終端之間建立連接，用戶應用的服務質量要求等價于用戶終端連接的服務質量要求。但是隨著終端智能化程度的提高，目前一個ATM終端已經可以同時運行數以百計的應用和成千上萬的進程，終端之間的并發通信數量也很多。如果仍然為每一個應用會話建立一條通信虛連接，將很快耗盡網絡的連接識別號資源。實際上從網絡優化的角度來看，通信網絡的任務是在兩通信終端之間傳遞信元，因此在任意兩通信終端之間只需要建立一條連接。為每一個應用會話都建立一條端到端的連接，不必要地加重了網絡負擔。但是如果不為每個應用會話建立連接，ATM將無法通過連接建立過程進行服務質量協商，不能支持有定時關系的業務類型，也會限制ATM的應用范圍。
互聯網絡協議(IP)使用了兩個獨立的協議層來解決一個終端中的多個應用并發通信問題。在分組包的網絡層控制頭中，標明了終端的網絡地址，傳輸網絡根據該網絡地址進行分組包尋路和轉發。在分組包的傳輸層控制頭中，用端口號來區分每個不同的應用。終端可以據此把到達分組包送到合適的應用。但是這種方法在各層都要設置和處理控制頭開銷，并且在每一個分組包中都要傳輸這些控制頭開銷，降低了鏈路傳輸效率。
其次ATM信頭中沒有定義序列號字段，不能恢復由于傳輸引起的信元亂序。這就要求在網絡的任何地方，同一個虛信道中后發出的信號決不超越先到達的信號。絕對的信元“先發先至保證”增加了信元交換的復雜性，限制了一些有效技術的采用。顯然經過不同物理路徑的信元流不能保證一致的信元順序，這意味著同一個虛信道不能由多條物理通道來實現，也不能在幾條物理通道之間動態切換。前者排除了將幾條低速鏈路合成一條高速鏈路來使用的可能，后者大大增加了實現動態路由、無線應用中的越區切換以及管理交換機中的交換緩存的難度。
本發明的網絡傳輸方法的是根據應用會話的通信請求和服務質量要求，通過信令協商建立通信虛連接，其特征在于將通信虛連接分成兩層，其中一層識別通信虛連接在兩通信終端主機之間的部分，用鏈路識別號表示，另一層進一步識別通信虛連接從終端主機到本地終端應用的部分，用會話識別號表示。傳輸網絡只根據鏈路識別號轉發信元，終端主機和終端應用同時使用鏈路識別號和會話識別號來識別通信虛連接。其特征還在于發送端在產生和發送信元數據時，同一個通信虛連接中數據信元的信元序列號依次遞增，接收端根據信元序列號的值對接收到的數據信元重新排序，糾正在信元傳輸過程中產生的信元亂序。上述的鏈路識別號、會話識別號和信元序列號都放在信頭中傳送，使用同一個信頭校驗編碼加以保護。
本發明改進的方法的特征在于將通信虛連接分成兩層，其中一層識別通信虛連接在兩通信終端主機之間的部分，用鏈路識別號表示，另一層進一步識別通信虛連接從終端主機到本地終端應用的部分，用會話識別號表示。傳輸網絡只根據鏈路識別號轉發信元，終端主機和終端應用同時使用鏈路識別號和會話識別號來識別通信虛連接。其特征還在于發送端在產生和發送信元數據時，同一個通信虛連接中數據信元的信元序列號依次遞增，接收端根據信元序列號的值對接收到的數據信元重新排序，糾正在信元傳輸過程中產生的信元亂序。上述的鏈路識別號、會話識別號和信元序列號都放在信頭中傳送，使用同一個信頭校驗編碼加以保護。發送端通過主動查詢了解接收端的信元序列號完整情況，重傳使信元序列號不連續的信元。
本發明進一步改進的方法的特征是所述的信元包括信頭和信元凈荷25兩部分，信頭中包括通信虛連接識別號21、信元序列號22、信元類型字段23和信頭糾錯校驗編碼24，通信虛連接識別號中包括網絡鏈路識別號(NLI)211和終端應用會話識別號(TAI)212，網絡鏈路識別號中包括虛通路識別號(VPI)2111和虛信道識別號(VCI)2112，信元類型字段中包括信令/數據指示字段23 1和其它控制字段232。
本發明的通信實現系統包括用戶終端和傳輸網絡，所述系統包括用戶終端(11、13)和傳輸網絡，所述的傳輸網絡包括通信傳輸鏈路(121、122)和傳輸節點交換機12，其特征在于所述的各用戶終端中包括在通信前根據應用會話的通信請求和服務質量要求，通過與傳輸網絡之間的信令協商而建立通信虛連接的多個終端應用(111、113)和(131、133)。所建立的通信虛連接分為兩層，其中一層識別通信虛連接在兩通信終端主機之間的部分，用鏈路識別號表示，另一層進一步識別通信虛連接從終端主機到本地終端應用的部分，用會話識別號表示，傳輸網絡只根據鏈路識別號轉發信元，終端主機和終端應用同時使用鏈路識別號和會話識別號來識別通信虛連接，其特征還在于發送端處的用戶終端在產生和發送信元數據時，同一個通信虛連接中數據信元的信元序列號依次遞增，接收端處的用戶終端根據信元序列號的值對接收到的數據信元重新排序，糾正在信元傳輸過程中產生的信元亂序，所述的鏈路識別號、會話識別號和信元序列號都放在信頭中傳送，使用同一個信頭校驗編碼加以保護。
本發明的優點在于1.適合于大量并發通信本發明將通信虛連接分成了兩個層次來識別和處理，其中一個層次用鏈路識別號來標識通信虛連接在兩通信終端主機之間的部分，另一個層次用終端應用會話識別號來進一步標識通信虛連接從終端主機到本地終端應用的部分。這樣兩相同通信終端主機之間的多個并發通信虛連接可以公用相同的鏈路識別號，傳輸網絡只處理通信虛連接中的鏈路識別號部分，這就大大降低了傳輸網絡處理的工作量，而且使網絡處理的連接數量與并發通信數量無關，適合于大量并發通信的情況。
2.鏈路傳輸效率高本發明通過建立通信虛連接，只用很少的比特就可以識別通信的轉發目的地，與IP網絡每一個包都要攜帶冗長的源和目的地址相比，大大減少了傳輸的控制開銷。本發明還將與終端應用有關的識別信息和信元序列號都放在信頭中，并使用信頭糾錯編碼統一加以保護，避免了將這兩部分信息分在兩個獨立的協議層中分別處理帶來的額外開銷。通過減少控制開銷，本發明提高了鏈路傳輸效率。
3.能夠同時支持實時與非實時業務本發明通過建立連接時的信令協商過程，為每一個通信虛連接預留必要的網絡資源，可以保證以較低的傳輸延遲支持實時業務。同時本發明利用信元序列號來重傳丟失和出錯的信元，可以保證非實時的數據業務較高的可靠性要求。因此本發明能夠同時支持實時與非實時業務。
4.傳輸性能穩定可靠本發明通過在通信前建立連接和預留必要的網絡資源，使得每一個通信連接都可以保留一個最小傳輸帶寬。即使發生網絡擁塞，仍然能夠使用這個最小傳輸帶寬，保證少量信令信元及時準確地傳遞到通信對端，確保通信雙方能夠可靠地實施傳輸流量和差錯控制，實現通信傳輸性能的穩定可靠。
5.易于實施采用本發明的方法，傳輸網絡只需要象ATM那樣根據鏈路識別號進行信元轉發，即可實現主機之間的信元傳輸，終端主機再進一步通過應用會話識別號尋址和分發信元，就可以實現終端應用端到端的通信。而且本發明的網絡傳輸比ATM更容易，因為本發明不需要處理全部長度的虛連接識別號，只需要處理其中的鏈路識別號部分即可，同時還取消了對信元傳輸次序的嚴格要求。在用戶終端部分，不再需要區分實時與非實時業務，用一種方法就能夠支持多種ATM業務類型，降低了終端應用的復雜性。由于可以通過反饋重傳來確保數據傳輸的正確可靠，因此實施本發明的網絡系統中還可以包含一些傳輸可靠性較低的鏈路，如銅纜和無線鏈路，從而方便了實施方案選擇。
圖2是用于本發明的信元幀結構示意圖。
圖3是本發明的連接建立過程示意圖。
圖4是本發明中節點交換機12的結構框圖。
圖5是發送端和接收端緩存隊列的變化示意圖。
圖6是查詢控制信元和狀態應答信元的信元凈荷格式圖。
考慮終端應用111與終端應用131之間的會話通信。通信前終端應用參照國際電信聯盟建議的Q.2931通信協議，通過默認的信令傳輸連接建立用于傳輸應用數據的通信虛連接。其連接過程如圖3所示，其中包括連接步驟31-38，圖中還顯示了主叫終端應用111、主叫終端主機11、節點交換機12、被叫終端主機13、被叫終端應用131、終端應用的會話識別號A212和B212、以及網絡鏈路識別號A211和B211。
主叫終端應用111首先向主叫終端主機11提出通信請求(步驟31)，請求中包括被叫終端主機13的網絡地址、被叫終端應用的內部識別地址132和傳輸服務質量要求。終端主機使用主機代理子模塊來實現終端主機的功能。因此這個通信請求實際上由終端主機11中的主機代理115受理。
主叫終端主機11通過其主機代理115為終端應用111分配一個應用會話識別號A212，然后使用信令傳輸連接向交換機12提出連接建立請求(步驟32)，連接請求中包括了主叫終端主機11的網絡地址、主叫終端應用會話識別號A212、被叫終端主機13的網絡地址、被叫終端應用131的本地識別地址132和所需要的服務質量。
交換機內部結構如圖4所示，其中包括交換矩陣123、信令數據通道124、連接控制模塊125、資源控制模塊126、用戶數據通道127和多優先級隊列128。
主叫終端主機11發出的連接請求到達交換機12以后，交換矩陣123將它沿著信令數據通道124送到連接控制模塊125。連接控制模塊125根據收到的連接請求識別出被叫終端主機13；又通過查本地存儲的連通關系資料，得知被叫終端主機13與其有直達鏈路相連。連接控制模塊125還通過資源控制模塊126檢查交換機的可用資源數量當交換機12有建立新連接并支持所需服務質量的資源時，為到達鏈路121和轉發鏈路122分別分配鏈路識別號A211和B211，同時通過資源控制模塊126預留必要的網絡資源，然后再經交換矩陣123、用戶數據通道127和多優先級隊列128，向終端主機13轉發連接建立請求(步驟33)。交換機轉發的連接建立請求中包括了轉發鏈路122的鏈路識別號B211、主叫終端應用會話識別號A212和被叫終端應用131的本地識別地址132。
被叫終端主機13通過其主機代理135處理收到的連接請求。它根據連接請求中的應用識別地址132，識別出被叫終端應用131，為被叫終端應用131分配一個應用會話識別號B212，然后將主叫終端應用111的通信請求傳遞給被叫終端應用131(步驟34)。
如果終端應用131接受終端應用111的通信請求，就向被叫終端主機13反饋一個肯定的應答(步驟35)，并由被叫終端主機13使用信令傳輸連接向交換機12回送連接確認信號(步驟36)。連接確認信號中包括被叫終端應用會話識別號B212、主叫終端應用會話識別號A212和轉發鏈路識別號B211。
交換機12收到被叫終端主機13的肯定應答以后，通過信令傳輸連接向主叫終端主機11發送連接確認信號(步驟37)，連接確認信號中包括被叫終端應用會話識別號B212、主叫終端應用會話識別號A212和鏈路識別號A211。
主叫終端主機11在收到連接確認信號以后，根據主叫終端應用會話識別號A212識別出主叫終端應用111，然后向其反饋通信請求已被被叫終端應用131接受的確認消息(步驟38)，該確認消息中包括主叫終端應用會話識別號A212、被叫終端應用會話識別號B212和鏈路識別號A211。
經過上述步驟31-38，通信網絡系統根據應用的會話通信請求和服務質量要求，通過信令協商建立了傳輸層的通信虛連接。在這個通信虛連接中，終端主機到交換機之間的部分，即終端主機之間屬于傳輸網絡的部分用鏈路識別號(A211和B211)加以識別，而通信虛連接從終端主機到內部應用會話之間的部分，用終端應用會話識別號(A212和B212)進一步加以識別。
在建立起來的通信虛連接上，終端應用111和131之間可以進行雙向通信。
與ATM類似，從終端應用111發往終端應用131的數據，由終端應用111封裝在圖2所示的信元中進行傳輸。信頭中的鏈路識別號字段211填鏈路識別號A211，會話識別號字段212填被叫會話識別號B212。取一個隨機數作為第1個數據信元的信元序列號，填入信元序列號字段22。后繼的每一個數據信元，信元序列號依次遞增1。運算溢出時舍棄超出表達范圍的運算進位，只保留序列號的有效尾數部分。信令/數據指示字段231填表示用戶數據的數值0。信頭校驗編碼字段24填信頭數據的校驗編碼數據。信元凈荷部分25裝載終端應用真正的消息數據。
交換機12收到終端主機11傳來的信元，交換矩陣123根據連接識別號21中的鏈路識別號A211，確定下一跳向鏈路122轉發。交換矩陣123用下一段鏈路識別號B211置換鏈路識別號字段211中的A211，然后沿著用戶數據通道127，通過多優先級隊列128將信元沿著鏈路122轉發出去。
終端主機13收到交換機12發來的信元以后，主機代理135根據鏈路識別號B211確認終端主機13是信元的正確接收方，然后將具有相同會話識別號的信元按照它們信元序列號遞增的順序進行排序。會話識別號212為B212的信元經過排序以后，被送到終端應用131。
終端應用131發往終端應用111的數據也封裝成信元進行傳輸。信頭中的鏈路識別字段211填鏈路識別號B211，會話識別號字段212填接收終端應用會話識別號A212。第一個數據信元的信元序列號取一個隨機數，填入信元序列號字段22。后繼的數據信元信元序列號依次遞增1，只保留字段長度以內的有效尾數部分。信令/數據指示字段231填表示用戶數據的數值0。信頭校驗編碼字段填信頭數據的校驗編碼數據。信元凈荷部分裝載終端應用真正的消息數據。
交換機12收到終端主機13傳來的信元，交換矩陣123根據連接識別號21中的鏈路識別號B211，確定下一跳向鏈路121轉發。交換矩陣123用下一段鏈路識別號A211置換鏈路識別號字段211中的B211，然后沿著用戶數據通道127，通過多優先級隊列128將信元沿著鏈路121轉發出去。
終端主機11收到交換機12發來的信元以后，根據鏈路識別號A211確認自己是信元的正確接收方，然后將具有相同會話識別號的信元按照它們信元序列號遞增的順序進行排序。會話識別號212為A212的信元經過排序以后，被送到終端應用111。
根據上述步驟，實施方案給出的通信系統可以實現終端應用之間雙向的通信和數據傳輸。對于數據傳輸可靠性要求較高的終端應用，本發明使用查詢反饋重傳的方法確保數據傳輸的正確性。
本發明的查詢反饋重傳方法在終端應用的發送端維持2個信元緩沖隊列，包括發送緩存隊列T5和已發送緩存隊列S5，在接收端維持1個信元緩沖隊列R5。實現方法可以用圖5所示的緩存隊列狀態變化來說明，圖中包括接收信元緩存隊列狀態R51和R52，已發送信元緩存隊列S51-S54，發送信元緩存隊列T51-T54。隊列狀態中用Cxx代表信元，下標xx代表該信元的信元序列號，接收隊列中信元帶陰影表示已經收到，信元無陰影表示尚未正確接收，已發送隊列中信元帶陰影表示已被證實收到，信元無陰影表示信元是否被收到尚無法證實。
終端應用的發送端每發送4～64個數據信元就向通信對端發送一個查詢控制信元。查詢控制信元信頭中的連接識別號21與正常傳輸的數據信元相同，但是信元序列號22保持與前一個數據信元相同，并且信令/數據指示字段231填表示信令數據的數值1。查詢控制信元凈荷部分按圖6所示的格式解釋，其中包括命令代碼61、命令參數62、其他參數63-67。所述查詢控制信元中的命令代碼61用十六進制數1表示查詢控制，其余未用到的部分填0。
終端應用的接收端收到發送端發來的查詢控制信元時，接收緩存隊列R5正處于狀態R51。接收端使用狀態應答信元向發送端回報信元差錯情況。狀態應答信元的連接識別號與正常傳輸的數據信元相同，但是信元序列號保持與前一個數據信元相同，并且信令/數據指示字段231填表示信令數據的數值1。由于已經收到了信元序列號為9的信元C9，因此接收端認為信元序列號小于9的信元都應該已經被正確接收。在狀態應答信元凈荷部分，命令代碼61用2表示查詢應答，命令參數62填3表示有3個重傳信元序列號。其他參數63用來匯報已經連續接收到的最后一個信元序列號，這里填2。其他參數64用來匯報最后收到的信元序列號，這里填9。它們之間沒有正確接收的3個信元序列號3、4和8依次填入其他參數65、66和67。
終端應用的發送端收到通信對端反饋回來的狀態應答信元時，發送緩存隊列T5正處于狀態T51，其中有兩個信元C11和C12正等待發送，已發送緩存隊列S5正處于狀態S51，其中信元C1尚沒有被證實收到。根據收到的狀態應答信元，發送端得知序列號小于等于2的信元都已被正確接收，因此把它們從已發送緩存隊列中刪除。同時它將未正確接收的信元C3和C4插到發送緩存隊列T5的最前面，以便能夠盡快發送。信元C8盡管沒有正確接收，但是因為它與接收到的最后一個信元C9的序列號非常接近，發送端認為這可能是網絡傳輸亂序造成的，因此可以不發以減少不必要的重傳。這樣已發送緩存隊列S5變成狀態S52，發送緩存隊列T5變成狀態T52。
發送端發送了4個信元以后，又發出了一個查詢控制信元。當接收端收到這個查詢信元時，它已經收到了重新發來的信元C3和C4，于是它把序列號連續的信元都送給終端應用。信元C8仍未收到，因此接收緩存隊列成為R52所示的狀態。接收端通過狀態應答信元向發送端表明序列號連續的最后一個信元序列號是7，目前收到的最后一個信元序列號是12，需要重傳的信元的序列號是8。
當發送端收到狀態應答信元時，發送緩存隊列T5正處于狀態T53，已發送緩存隊列S5正處于狀態S53。根據收到的狀態應答信元提供的信息，發送端將信元C8插入到發送緩存隊列T5的最前端，發送緩存隊列狀態變成T54；同時將已經被證實收到的信元C3～C7從已發送緩存隊列S5中刪除，已發送緩存隊列狀態變成S54。
這樣經過對差錯和丟失信元的反復重傳，可以將差錯和丟失信元的概率減小到可接受的程度，保證數據傳輸的正確性。
終端應用還可以采用其它查詢策略，例如每隔一段時間(如0.1～1秒)發送一個查詢控制信元，這樣查詢控制信元的速率就不會隨傳輸帶寬的變化而改變。也可以選擇在發送了特別重要的數據信元以后才發送查詢控制信元，從而減少查詢控制信元占用的傳輸鏈路帶寬。
權利要求
1.提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法，所述的方法根據應用會話的通信請求和服務質量要求，通過信令協商建立通信虛連接，其特征在于將通信虛連接分成兩層，其中一層識別通信虛連接在兩通信終端主機之間的部分，用鏈路識別號表示，另一層進一步識別通信虛連接從終端主機到本地終端應用的部分，用會話識別號表示，傳輸網絡只根據鏈路識別號轉發信元，終端主機和終端應用同時使用鏈路識別號和會話識別號來識別通信虛連接，所述通信終端中的發送端在產生和發送信元數據時，同一個通信虛連接中數據信元的信元序列號依次遞增，接收端根據信元序列號的值對接收到的數據信元重新排序，糾正在信元傳輸過程中產生的信元亂序，所述的鏈路識別號、會話識別號和信元序列號都放在信頭中傳送，使用同一個信頭校驗編碼加以保護。
2.根據權利要求1所述的提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法，其特征在于發送端通過主動查詢了解接收端接收數據的信元序列號完整情況，重傳使信元序列號不連續的信元。
3.根據權利要求1或2所述的提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法，其特征在于所述的信元包括信頭和信元凈荷兩部分，信頭中包括通信虛連接識別號(21)、信元序列號(22)、信元類型字段(23)和信頭糾錯校驗編碼(24)，通信虛連接識別號中包括網絡鏈路識別號(211)和終端應用會話識別號(212)，網絡鏈路識別號中包括虛通路識別號(2111)和虛信道識別號(2112)，信元類型字段中包括信令/數據指示字段(231)和其它控制字段(232)。
4.根據權利要求1或2所述的提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法而提出的通信實現系統，所述系統包括用戶終端(11、13)和傳輸網絡，所述的傳輸網絡包括通信傳輸鏈路(121、122)和傳輸節點交換機12，其特征在于所述的各用戶終端中包括在通信前根據應用會話的通信請求和服務質量要求，通過與傳輸網絡之間的信令協商而建立通信虛連接的多個終端應用(111、113)和(131、133)。
全文摘要
本發明公開了一種提高信元傳輸可靠性的網絡傳輸方法和通信實現系統,它屬于以信元為信息傳輸單位的網絡傳輸方法及其通信實現系統,其特征在于該方法顯式地將虛電路號分解成鏈路識別和會話識別兩部分,網絡只根據鏈路識別號部分尋路;終端主機和終端應用根據鏈路識別號和會話識別號識別通信連接。在信頭中設置信元序列號,同一個會話連接的信元序列號依次遞增,會話應用據此對到達信元排序,并通過反饋重傳進一步提高傳輸可靠性。采用該方法能增強網絡的規模擴展能力,提高數據的傳輸可靠性。
文檔編號H04L12/54GK1390017SQ0212560
公開日2003年1月8日 申請日期2002年7月24日 優先權日2002年7月24日
發明者陳相寧, 王京 申請人:清華大學