一种双向网络通讯系统及其实现方法 【技术领域】
本发明涉及一种网络通讯系统。特别是一种在双向网络通讯系统及其实现方法。
背景技术
随着信息时代的来临，人们对于网络通讯带宽的要求越来越高。目前世界各国已经铺设了各种双向网络，例如有线电视网已经覆盖了大量的人口，对有线电视网进行数字化和双向改造来为用户提供廉价和宽带的通讯网络是目前最有吸引力的宽带技术之一。在双向网络通讯过程中的一个必须解决的问题就是如何对大量的用户进行带宽分配。目前主要采用的带宽分配算法包括：
1.载波侦听/冲突检测多路复用技术(CSMA/CD)。在载波侦听/冲突检测多路复用技术中，每个用户在需要发送数据时直接将数据发送出去，同时对网络进行侦听，如果发现发生了冲突则延迟一个随机的时间，然后重新进行发送。这种技术的主要优点是简单，它已经在以太网中得到了广泛的应用。然而，由于冲突的数据要重新发送，这样会对数据产生延迟，无法保证网络的服务质量(QoS)。另外，当网络很拥挤时，重发的数据会和新的数据产生更多的冲突，从而导致系统不稳定甚至崩溃。
2.载波侦听/冲突避免多路复用技术(CSMA/CA)。在载波侦听/冲突避免多路复用技术中，发送端在需要发送数据之前首先要对网络进行侦听，如果网络没有被占用则随机延迟一段时间之后再进行侦听，如果网络仍然没有被占用则发送数据。发送数据之后发送端需要等待接收端的回复，如果发送端没有收到接收端的回复表示网络发生了冲突，发送端要在一个随机的延迟之后重新发送数据。这种技术能够减小冲突发生的几率，目前主要应用于多种无线网中。载波侦听/冲突避免多路复用技术的主要缺点在于网络的利用率不高，采用载波侦听/冲突避免多路复用技术的网络吞吐量比采用载波侦听/冲突检测多路复用技术的小得多，很多带宽资源被浪费。另外，载波侦听/冲突避免多路复用技术并不能彻底避免冲突，冲突数据的重发会导致延迟过大，影响服务质量。同时在网络拥挤时冲突还会引起系统的不稳定。
3.分组预定多路复用技术(PRMA)。分组预定多路复用技术是对载波侦听/冲突避免多路复用技术地一种改进。在此技术中，客户端不是直接发送数据而是向服务器发出带宽申请，由服务器为客户端的数据传输分配空间。当有数据需要发送时，客户端通过一个控制信道对服务器发出申请。服务器在收到申请之后对网络中空闲的时隙(time slot)进行分配，并将结果通知客户端。如果客户端收到了服务器的回复，则通过所分配的时隙发送数据，否则客户端将等待一个随机的延迟，然后重新发送申请。通过发送带宽申请，分组预定多路复用技术能够极大地降低冲突的几率，并保证通讯的服务质量。分组预定多路复用技术已经在移动数据通讯和有线电视业务数字接口规范(DOCSIS)得到了应用。然而，分组预定多路复用技术无法避免申请之间的冲突，冲突的申请需要重发，这会导致数据发送的延迟。同时，在网络很拥挤的时候，重发的申请和新的申请会产生更多的冲突，可能会导致系统不稳定甚至崩溃。
【发明内容】
本发明针对上述问题提供一种双向网络通讯系统及其实现方法，以彻底消除数据传输过程中的冲突，克服上述带宽分配方法的不足。
本发明所述的双向网络通讯系统包括一个用来为多个客户端分配带宽及提供网络连接服务的服务器，多个用来为客户提供信息传输和显示等服务的客户端以及为所述服务器和客户端提供通信路径的传输网络。服务器和客户端均与传输网络相连接(见附图1)。
本发明所述的双向网络通讯系统中的传输网络可以分为用于从客户端向服务器发送信息的上行信道，用于从服务器向客户端发送信息的下行信道。还可以包含用于传输广播信号的广播信道。上行信道、下行信道和广播信道可以是同一条线路上按照频率的不同划分出来的三个部分(见附图2)，也可以是物理上隔离的三条线路。
本发明所述的双向网络通讯系统中的上行信道可以按照载波频率划分成一条用于传输客户端的带宽申请的上行控制频道和多条用于传输客户端发送的数据的上行数据频道。
本发明所述的双向网络通讯系统中的下行信道可以按照载波频率划分成一条用于传输服务器对客户端发送的控制命令的下行控制频道和多条用于传输服务器向客户端发送的数据的下行数据频道。
本发明所述的双向网络通讯系统中的上行控制频道包含多个重复的时钟周期，每个周期包含多个时隙，每个时隙与下行控制频道中的一个时隙对应，用于传输相应客户端向服务器发送的带宽申请。
本发明所述的双向网络通讯系统中的下行控制频道包含多个重复的时钟周期，每个时钟周期以一个时钟脉冲为开始，每个时钟周期中包含多个时隙，每个时隙对应于一个客户端，用于传输服务器向该客户端发送的控制命令(见附图4)。
本发明所述的双向网络通讯方法包括两部分，客户端向服务器发送数据的方法和服务器向客户端发送数据的方法。客户端向服务器发送数据的方法主要包括以下步骤(见附图7)：
1.当客户端需要发送数据时，它首先根据下行控制频道所传输的基准时钟校准本地时钟，然后等待分配给它的时隙。
2.客户端在上行控制信道通过分配给它的时隙向服务器发送带宽申请。
3.服务器收到客户端的带宽申请之后，对带宽的使用情况进行分析并根据各客户端的需求进行带宽分配，并将结果传送给客户端。
4.如果在上行数据频道和下行数据频道有足够的空闲时隙，服务器可以分配客户端所需要的带宽，客户端根据所分配的时隙通过上行数据频道发送数据并通过下行数据频道接收服务器的反馈。全部数据发送完毕之后，客户端通知服务器释放所分配的带宽。
5.如果服务器无法为客户端分配足够的带宽，客户端必须决定是否重发(根据设定或者询问用户)，如果重发，则客户端等待一段时间之后重新向服务器发送带宽申请，否则，客户端放弃发送并丢弃数据。
服务器向客户端发送数据的方法主要包括以下步骤(见附图8)：
1.服务器为数据分配带宽，并在下行控制频道向客户端发送发送数据命令。
2.客户端通过上行控制频道对服务器发送过来的命令进行回复。
3.如果客户端可以接收数据，服务器通过下行数据频道向客户端发送数据，并通过上行数据频道接收客户发送的反馈。所有数据发送完毕之后，服务器释放所分配的带宽。
4.如果客户端忙，服务器可以等待一段时间之后重新发送发送数据命令，也可以放弃需要发送的数据。
本发明所述的双向网络通讯方法中的带宽分配可以用频道和时隙的任意组合来实现(见附图5)。所发送的信息还可以用频道、时隙和编码组成的三维函数进行编码(见附图6)。
本发明的主要优点包括：
1.彻底消除冲突的可能性，减少数据发送过程中的延迟，保证服务质量并提高系统的可靠性。
2.可以根据客户的需要分配带宽，提高带宽的利用率。
3.分配给客户的带宽可以是频道和时隙的任意组合，这一方面可以提高带宽分配的灵活性，并提高带宽的利用效率，另一方面则可以增加窃听的难度，提高通讯的安全性。
4.为了进一步提高通讯的安全性，也可以通过由频道、时隙和编码组成的三维曲线对所发送的信号进行编码。
附图说明：
下面根据附图来详细说明本发明。
图1是本发明所述的双向网络通讯系统的结构示意图。
图2是本发明所述的传输网络频道分配示意图。
图3是本发明所述的双向网络通讯时序示意图。
图4是本发明所述的上行控制频道和下行控制频道分配示意图。
图5是本发明所述的带宽分配方案的一个例子。
图6是本发明所述的带宽分配方案的另一个例子。
图7是本发明所述的客户端发送数据的流程示意图。
图8是本发明所述的服务器发送数据的流程示意图。
【具体实施方式】
图1显示了本发明所述的双向网络通讯系统的基本结构。本发明所述的双向网络通讯系统包括服务器1、传输网络2、多个客户端3a、3b和3c。服务器1用于为客户端3a、3b和3c提供网络连接服务，包括上行和下行数据的带宽分配、传输控制和路由计算等等。传输网络2可以是同轴电缆、双绞线、电话线、光纤、无线网络或者微波连接等等，它主要为服务器1和客户端3a、3b和3c之间提供网络连接。客户端3a、3b和3c是客户的接入节点，客户的数据从客户端3通过传输网络2和服务器1传输到专网4和互联网5，来自专网4和互联网5的数据则通过服务器1和传输网络2传输到客户端3a、3b和3c并输出给客户。专网4提供了双向网络通讯系统和其他双向网络通讯系统(图中未显示)之间的内部连接。互联网5则提供双向网络通讯系统与其他计算机和网站(图中未显示)之间的网络连接。
图2显示了传输网络2的组成结构。传输网络2可以分为上行信道6、下行信道7和广播信道8三个部分。在图2中这三个信道是通过载波频率进行划分的，它们也可以是物理上分开的不同线路。上行信道6用于传输客户端3a、3b和3c向服务器1发送的数据，其中包括一个上行控制频道以传输客户端3a、3b和3c的带宽申请，和多个上行数据频道以传输客户端3a、3b和3c发送的数据。下行信道7用于传输服务器1向客户端3a、3b和3c发送的数据，其中包括一个下行控制频道以传输服务器1发送的客户端控制命令，和多个下行频道以传输服务器1发送的数据。广播信道8用于以广播的形式向所有客户端传输数据，如模拟或数字电视节目、音乐以及信息广播等。广播信号也可以通过下行信道7来传输。
图3显示了本发明所述双向网络通讯系统中的信息传输时序图。该时序图包含两个部分：客户端3a发送数据给服务器1和服务器1发送数据给客户端3a。客户端3a要发送数据时，它首先根据下行控制频道9所传输的时钟脉冲校准时钟，然后在上行控制频道12通过当前时钟周期中分配给它的时隙向服务器1发送带宽申请。服务器1在下行控制频道13的下一个时钟周期分配给客户端3a的时隙对客户端3a的带宽申请进行应答。如果服务器1能够为客户端3a分配足够的时隙，应答包含每个时钟周期中分配的时隙的具体位置和时钟周期的个数；如果服务器1无法为客户端3a分配足够的时隙，则拒绝客户端3a的发送申请。如果客户端3a得到了所需要的带宽，它将根据所分配的时隙在上行数据频道中发送数据，服务器将在下行数据频道中对客户端3a发送的数据进行回应。如果服务器1拒绝了客户端3a的带宽申请，客户端3a需要决定是否重新发送，如果需要重发，客户端3a将在下一个时钟周期再次发送带宽申请。如果不需要重发，则丢弃该数据。
服务器1发送数据时，它首先计算网络中的空闲时隙并根据该数据的需要分配一些时隙，然后再当前时钟周期通过下行控制频道9的特定时隙向客户端3a发送发送数据命令。客户端3a在下一个时钟周期的相应时隙通过上行控制频道12向服务器1发送回应。如果回应是可以发送，服务器1通过所分配的时隙向客户端发送数据。如果没有回应或者回应是拒绝接收，服务器需要决定是否重新发送。如果需要重发，服务器1将在下一个时钟周期再次发送发送数据命令。如果不需要重发，它将丢弃该数据。
图4显示了上行控制频道和下行控制频道的时序分配图。下行控制频道9被分为多个时钟周期，每个时钟周期以一个时钟脉冲为起始。每个时钟周期又分为许多个时隙，每个时隙对应一个客户端3a、3b或3c，服务器1可以在该时隙向相应的客户端3a、3b或3c发送控制命令。上行控制频道12也分为多个时隙，每个时隙对应于下行控制频道的一个时隙，客户端3a、3b或3c可以通过相应的时隙向服务器1发送带宽申请。
图5显示了本发明所述的带宽分配的一种方法。在本发明中，分配给客户端3a的带宽可以是频道和时隙的任意组合。这一方面可以提高带宽分配的效率，另一方面也可以使其他人很难窃听所传输的信息(必须以正确的顺序截取多个频道里发送的所有时隙)，从而提高数据传输的安全性。
图6显示了本发明所述带宽分配的另一种方法。为了进一步提高系统的安全性，数据发送时可以用频道和时隙所构成的三维函数对所发送的信息进行编码。要解码不但要按照顺序截取所有时隙，还要获得信息的编码/解码函数。这大大提高了窃取信息的难度。
图7显示了本发明所述的客户端3a发送数据的流程图。在步骤S1中，客户端3a根据下行控制频道9中的时钟脉冲校准本地时钟。在步骤S2中，客户端3a在当前时钟周期分配给自己的时隙中通过上行控制频道12发送带宽申请并等待服务器1的回复。在步骤S3中，如果服务器1的为客户端3a分配了带宽，则客户端3a按照所分配的时隙通过上行数据频道11向服务器1发送数据并接收下行数据频道10中所分配时隙中服务器1对数据的应答信息(步骤S4)。一切无误后在步骤S5结束传输并释放所分配的时隙。如果在步骤S3中服务器1没有回复，或者服务器1的回复是无法分配带宽，客户端3a需要决定是否重发(步骤S6)。如果需要重发，客户端3a将在下一个时钟周期重新进行步骤S2，否则，客户端3a将在步骤S7中结束发送并丢弃需要发送的数据。
图8显示了本发明所述的服务器1发送数据的方法。在步骤S8中，服务器1根据当前网络的状况和待发送数据的需要计算带宽分配。在步骤S9中，服务器1在当前时钟周期客户端3a对应的时隙中通过下行控制频道9向客户端3a发送发送数据命令并等待下一个时钟周期相应时隙中客户端3a通过上行控制频道12返回的回复，发送数据命令包含所分配带宽的详细信息。在步骤S10中，如果客户端3a回复可以发送，则服务器1通过下行数据频道10中所分配的时隙向客户端3a发送信息，并接收客户端3a通过上行数据频道11中所分配的时隙向服务器1传输的应答信息(步骤S11)。在数据传输完毕之后，服务器1在步骤S12中结束传输并释放所分配的带宽。如果在步骤S10中，客户端3a没有对服务器1的发送数据命令进行回复，或者客户端3a的回复是无法接收数据，则服务器1需要决定是否重新发送(步骤S13)，如果需要重新发送，服务器1将在下一个时钟周期再次进行步骤S9发送发送数据命令给客户端3a。如果不需要重新发送，服务器1将丢弃需要发送的数据并释放所分配的带宽。
本发明所述的双向网络通讯方法可以应用于双向有线电视网、卫星通讯、以及无线通讯等许多领域中，以提高网络带宽的利用效率、通讯的安全性以及服务质量。
在双向有线电视网中，有线电视头端作为服务器为客户端(机顶盒或电缆数据机)提供带宽分配、传输控制和路由计算等网络服务。传输网络(同轴电缆或光纤)在头端和客户端之间提供通信路径。有线电视主干网在头端与头端之间以及头端与有线电视台之间提供连接，而互联网则负责将头端连接到其他计算机及网站。传输网络可以按照频率分为上行信道、下行信道和广播信道。上行信道按照载波频率分为一条上行控制频道和多条上行数据频道，上行控制频道用于传输客户端的带宽申请，而上行数据频道用于从客户端向头端传输数据；下行信道按照载波频率分为一条下行控制频道和多条下行数据频道，下行控制频道用于传输头端的控制命令，下行数据频道用于从头端向客户端传输数据；广播信道用于传输对所有客户端的广播信号，如模拟和数字电视节目等。当客户端需要发送数据时，它首先通过上行控制频道中的固定时隙向头端发送带宽申请，头端在收到带宽申请之后根据需要优化分配带宽，然后客户端根据头端所分配的带宽通过上行数据频道发送数据，最后客户端结束发送而头端释放所分配的带宽。当头端需要发送数据时，它首先根据需要分配带宽，然后通过下行控制频道向客户端发送发送数据命令，得到客户端许可之后通过下行数据频道发送数据，最后在所有数据发送完毕之后释放所分配的带宽。
在卫星通讯中，卫星作为服务器为客户端提供网络服务。传输网络为连接卫星和客户端之间的微波连接，其中按照频率分为上行信道和下行信道两部分。当客户端需要发送数据时，它首先通过上行控制频道中的固定时隙向卫星发送带宽申请，卫星在收到带宽申请之后根据需要优化分配带宽，然后客户端根据卫星所分配的带宽通过上行数据频道发送数据，最后客户端结束发送而卫星释放所分配的带宽。当卫星需要发送数据时，它首先根据需要分配带宽，然后通过下行控制频道向客户端发送发送数据命令，得到客户端许可之后通过下行数据频道发送数据，最后在所有数据发送完毕之后释放所分配的带宽。
在无线通讯中，基站作为服务器为客户端提供网络服务。传输网络为连接基站和客户端之间的无线连接，其中按照频率分为上行信道和下行信道两部分。当客户端需要发送数据时，它首先通过上行控制频道中的固定时隙向基站发送带宽申请，基站在收到带宽申请之后根据需要优化分配带宽，然后客户端根据基站所分配的带宽通过上行数据频道发送数据，最后客户端结束发送而基站释放所分配的带宽。当基站需要发送数据时，它首先根据需要分配带宽，然后通过下行控制频道向客户端发送发送数据命令，得到客户端许可之后通过下行数据频道发送数据，最后在所有数据发送完毕之后释放所分配的带宽。
以上通过具体实施例对本发明进行了描述，然而，本发明不限于所描述的具体实施例。本领域技术人员根据所公开的概念可以很容易地设计出其他类似的实施方案。这些改变和改进不脱离所附权利要求精神和范围。