电缆调制解调器服务流中的多个服务子流 【技术领域】
本发明总的来说涉及通信系统，并且具体涉及在其中将服务数据流细分成多个子流的通信系统。
背景技术
今天已经可以在达到直至56Kbps的速度下通过电话调制解调器访问互联网了。基于电话的调制解调器将数据信号进行调制和解调用以通过基于语音带宽的电话网络发送。相反，电缆调制解调器(cablemodem)提供了通过电缆电视系统接入互联网，这种系统具有更高的带宽，因而能够在比电话系统更高的数据速率下运行。电缆调制解调器提供了用户计算机与电缆系统数据转发器之间的连接，在这个点上，电缆操作者提供经过(比如)T1线，到互联网的接入。在电缆网络中，从网络数据转发器发送到计算机用户的数据被称为下行数据流；从用户发送到网络数据转发器的数据被称为上行数据流。
在图1中示出了示意性的现有技术的双向电缆系统的方框图。现有技术的电缆系统包括数据转发设备101，混合光纤同轴(HFC)电缆线路103，多个电缆调制解调器105和106(示出两个)，和通过相应通信链路116和117与电缆调制解调器105和106连接的多个用户通信设备107，108(示出两个)。用户通信设备107和108可以包括例如，计算机、电视或电话。如同本领域普通技术人员熟知的，数据转发器设备101包括处理器、路由器、交换器、宽带下行发射机、上行接收机、分解器、合成器、用户数据库、网络管理站，动态主机配置协议(DHCP)和普通文件传输协议(TFTP)服务器，呼叫代理、媒体网关和记帐系统。HFC电缆线路103包括光纤电缆、同轴电缆、光纤/同轴节点、放大器、滤波器、和分接头，它们支持通过共享下行信道110从数据转发器设备101向电缆调制解调器105和106发送，并且支持通过共享地上行信道112从电缆调制解调器105和106向数据转发器设备101发送。节目信号输入到数据转发器设备101中，用于经HFC电缆线路103向用户广播。
下行信道流110和上行信道流112使用相应的传输协议传送信息。典型地，用于通过下行信道110(例如64路(64-ary)正交调幅(QAM))传送信息的调制方案比通过上行信道112(例如，差分四相移键控(DQPSK))或16路(16-ary)QAM)传送信息的调制方案级别更高，导致下行发送比上行发送速度更高。在上行发送速度低于下行发送速度的电缆系统典型地被称为“非对称”系统。上行发送速度基本上与下行发送速度相等的电缆系统通常被称为“对称”系统。
除了用于每个信道110和112上的特别类型的调制以外，每个信道110和112的共同特征是引入其它的协议要求。例如，由于下行信道流110是共享的，下行协议包括寻址信息，并且每个电缆调制解调器105和106为向其寻址的信息分组监视下行信道流110。只有寻址到特定电缆调制解调器105或106(或附加于通信设备107或108)或寻址到所有电缆调制解调器105或106(或附加于通信设备107或108)(例如广播消息)的信息分组被电缆调制解调器105和106处理，并在合适时发送给相关的用户通信设备107或108(例如电话、个人电脑、或终端设备)。由于上行信道流112是共享的，上行信道流访问协议用于减少从电缆调制解调器105和106发出的通信信息发生冲突的可能性。存在一些多访问协议来定义上行信道流访问，包括公知的协议例如ALOHA，时隙ALOHA，码分多址(CDMA)，时分多址(TDMA)，带有冲突检测的TDMA，和载波侦听多路存取(CSMA)。
一些双工电缆系统遵守并使用新近出版的数据电缆系统接口规范(DOCSIS)版本1.0中定义的上行和下行信道协议，在此全部提出这个规范作为参考。由DOCSIS标准所定义的上行协议是TDMA方法，其中由数据转发器设备101(在DOCSIS标准中称为“电缆调制解调器终端站”(CMTS))控制定时，并通过下行信道流110上发射的时间标记同步消息来收定时发送至电缆调制解调器105和106。因此，为了使上行通信能够以顺序的，高效的方式进行，在调制解调器105和106开始发送由用户通信设备107和108提供的信息之前，每个电缆调制解调器105，106中的参考时间必须与在数据转发器设备101中的类似参考时间基本上同步；否则，来自一个调制解调器105的信息发送可能与来自另一个调制解调器106的信息发送相冲突。
通常，数据转发器设备101经合适的通信链路(例如光纤分布式数据接口(FDDI)链路或100baseT以太链路)与诸如公共电话交换网(PSTN)的外部网114或诸如互联网的广域分组网相连。
数据转发器设备101还接收(经卫星下行链路，地面微波或地面通信线)节目信号以向用户广播。通讯数据通过6MHz信道传送，这个信道是分配给电缆电视信道用于向所有用户广播电视信号的频谱大小。在用户位置，节目信号由机顶盒(见图2)所接收，同时下行数据流由电缆调制解调器105或106所单独接收。给定电缆调制解调器系统中上行和下行信道流的数量是基于服务区域、用户的数量、承诺每个用户的数据速率和可用频谱来进行设计的。
图2是与通信设备108相关的在用户站点处的电缆系统组件方框图。在用户的情况下，分解器134对来自电缆系统数据转发器101的进入信号进行分解。电视节目信号在机顶盒138的控制下显示在电视140上。来自分解器134的第二输出提供了到电缆调制解调器105的连接。将从数据转发器设备101来的下行信号流提供给RF(射频)调谐器142，该调谐器在调制解调器的上电或配置阶段期间被调谐到分配给电缆调制解调器105的频段上。如上所述，典型地，下行信道流使用正交调幅(QAM)，其在解调器144中被解调。被解调的信号输入到媒体访问控制器146。来自媒体访问控制器146的基带数据信号输入到控制电缆调制解调器105整个操作并进一步提供数据控制功能的数据与控制逻辑单元148。通信设备108与电缆调制解调器105的数据与控制逻辑单元148相连，用于接收在下行方向发送的数据，并在上行方向发送数据。
上行数据流从通信设备108至数据与控制逻辑单元148、媒体访问控制器146通过，并最终到达调制器，以进行调制。典型地，对上行数据流使用差分四相移键控(DQPSK)或16-ary QAM调制。调制类型的选择在提供给每个电缆105的配置信息中设置。上行数据通过分解器134，以经混合光纤/同轴电缆线路103向数据转发器101发送数据。最后，数据到达外部网络114，正如结合图1所讨论的一样。
在一个实施例中，下行信道使用64或256QAM调制其能够在6MHz的电缆信道上传递多达30至40Mbps数据。上行信道使用QPSK或16QAM信令，其具有从320Kbps到10Mbps的可用数据速率。上行和下行数据速率都由系统操作者配置。例如，由商业用户所使用的电缆调制解调器105可以被配置成在两个方向上以相对较高的数据速率接收并发送数据。另一方面，居民用户可以将电缆调制解调器105配置成在下行方向的带有较宽带宽访问(并且因此有较高数据速率)，用于从外部网络114接收数据，同时在上行数据发送方向上，将其限制在较低速率。在另一个实施例中，数据速率分配可以是时间敏感的。
然而应当强调，电缆调制解调器使用预先的调制类型在给定的码元速率(或数据速率)上运行。单独数据分组的优先权不影响配置的上行数据速率或带宽。所有调制解调器使用相同的码速率和调制类型在上行信道中进行传输。然而，电缆使用的实际带宽数量可能受软件控制调制解调器所限。如上面提到的，商业用户可以配置成在上行方向上使用2Mbps，而居民用户被限于使用1Mbps。但是，支持商业和居民用户的电缆调制解调器能够运行于最高的系统速率，例如10Mbps。单独数据分组的优先权不影响配置的码元速率和调制解调器类型。
当电缆调制解调器105或107上电时，经混合光纤/同轴电缆线路103建立起到数据转发器设备101的连接。这个连接使用网际协议(IP)，以便当数据转发器设备101收到来自互联网和环球网(通常被称为外部网络114)的格式为IP的数据时，能够将该数据在下行方向上发送给电缆调制解调器105或106。在电缆调制解调器启动过程期间，调制解调器从动态主机配置协议服务器(DHCP)获得IP地址、与IP有关的其它运行参数、和调制解调器配置文件的服务器地址。在网络上有许多这样的DHCP服务器可用，并且电缆调制解调器105或107简单地向所有DHCP服务器广播。任何DHCP服务器都可以回答广播请求并提供必要信息。配置文件包括各种调制解调器配置参数，诸如访问控制信息的下行和上行信道流分配、安全配置信息和普通文件传输协议服务器，从该服务器可下载调制解调器运行软件。
诸如图1中示出的电缆系统网络的分组交换网络。典型地运行于最好的(best-effort)服务传递基础。不幸的是，带有次最好的连接的传递模式的网际协议不能保证分组以有序、及时的方式传递或根本不保证传递分组。所有业务都具有相等的优先权，并有在及时方式进行传送的相等机会。当网络拥塞时，所有业务也都有相等的被延迟或撤出的机会。在许多类使用网络的应用程序中，有与环球网连接的关键任务应用程序、在线关键商业应用程序、基于多媒体的应用程序(例如桌面视频会议和基于网络的训练)和语音网际协议。某些网络应用程序或能是带宽和延迟敏感的，因此在网络上要求唯一服务等级。一些应用程序需要实时传递到接收站点，另外一些能够忍受一定的延迟。为能使用实时应用程序，例如语音IP或视频会议，使用网际协议，必须保证包括带宽等待和抖动要求在内的可接受的服务等级，并且进一步以允许实时业务与传统数据业务在网络上共存的方式来满足服务等级。使用服务等级概念允许网络操作者保证关键任务及实时应用程序业务不受其它占用带宽的应用程序的影响，同时使得次关键应用能够以合理有效的方式使用网络。为了达到这个目的，网络服务等级策略调整网络资源和网络用户对象。没有这些服务等级参数，网络资源就会以牺牲更重要的应用程序为代价，很快被非必要的应用程序耗尽。服务特征等级的实现允许网络设备识别并以可预测的方式传递优先级较高的业务。当网络拥塞发生时，服务等级机制降低，或延迟优先级低的业务以允许传递优先级高的业务。
因此，在分组交换电缆调制解调器系统中存在一种需要：建立服务等级方案，并且开发运行它的机制，从而增加优先级高的上行数据流能够以及时的方式到达其目的地的可能性。
【附图说明】
在考虑了优选实施例的描述和以下附图后，可以更容易地理解本发明和其进一步的优点，并且更为显而易见地使用它。
图1是典型的现有技术的双工电缆通信系统的电路方框图；
图2是用户前提下的双工电缆通信系统元件的电路方框图；
图3是流程图，描述了根据本发明所授的服务等级分配和方法。
【具体实施方式】
在详细描述根据本发明的用来下载用于电缆调制解调器的唯一配置文件(和它的最近版本)的特别方法和装置之前，应当注意到本发明首先属于步骤和装置的组合。因此，在附图中所描述的常规元件的硬件和方法步骤，仅示出了与本发明有关的特定细节，以不用结构详图来使本发明的公开变得模糊，这些具有在此说明的优点的结构详图对于本领域普通技术人员是显而易见的。
DOCSIS1.0协议允许给诸如电缆调制解调器105和106的电缆调制解调器配置用多个服务流，以用于在上行方向传送数据。然而，电缆操作者(cable operator)不可能利用这个特征，因为除了主服务流(primary service flow)外的，在行业中没有机制将主数据分类到服务流上。因此，所有的数据都在主上行服务流上流动。DOCSIS1.1标准包括可以通过配置设置来激活的分类器特征，以指示电缆调制解调器在指定的服务流上发送某些分组发送。例如，分类器可以配置成将所有的语音分组放在2号服务流上，而所有其它数据分组经主服务流发送。
根据本发明教导，主服务流被分成许多的多个子流。多个子流中的每一个都分配了一个服务等级，这个等级是相对的等级或优先方案，用于确定将那个子流上的已排队数据从电缆调制解调器105和106发送到数据转发器装置101。等级较高的数据在等级较低的数据之前发送。例如，语音网际协议电话呼叫必须要近乎实时地发送以避免通话过程中的延迟和中断。已经发现，大于约300毫秒的延迟通常难以为通话者所忍受。因此，代表语音网际协议的数据会被分配给较高优先等级的服务。反之，文字数据接到服务等级较低的优先级分配。
在配置文件中设定用于给定的调制解调器的服务流参数(例如发送优先级)。子流的参数来源于服务流参数，这将在下文阐述。
在本发明的一个实施例中，令牌存储段(token bucket)法管理携带数据分组的上行子流，以保证分组能根据其所分配的服务优先级从电缆调制解调器105和106发送。每个令牌存储段具有三个部分：脉冲串长度，平均速率，和时间间隔。中间(平均)速率规定了每单位时间(由时间间隔所定义的)可发送多少数据。脉冲串长度(以比特计算)规定了在一个脉冲串内可发送的、不致产生网络调度冲突的数据数量。带有5Mb令牌存储段脉冲串长度的示例性令牌存储段的算法具有1Mbps的中间比特速率和一秒的时间间隔。存储段具有最大为5兆比特的容量。当存储段变满时(即，包含了5兆令牌(worth oftoken))，则不能再加入令牌。
每个令牌代表一许可，允许电缆调制解调器将某些比特发送到数据转发器装置101。为了发送分组，电缆调制解调器从存储段中删除等于代表分组长度数量的多个令牌。如果在存储段中没有足够的令牌来发送分组，要么分组等待直到存储段具有足够的令牌，要么简单地丢弃分组。因此，在任何时候，电缆调制解调器可以向网络内发送的最大的脉冲串或分组一般来说与存储段容量成比例。
进一步根据本发明教导，来自电缆调制解调器105和106的分组发送由多个令牌存储段控制，其中，每个令牌存储段与用于每个电缆调制解调器的特定的服务等级(或子流)关联。来自主流存储段的令牌分配在多个子流存储段中。如上面提到的，令牌在主存储段中周期地得到补充。每个子流存储段从主令牌存储段中得到补充。实际上，有许多种用于补充子流存储段的算法。例如，主存储段可以被控制成为每个子流存储段分配一个已接收令牌的给定百分比。例如，最高优先级的子流存储段(存储段一)在一个给定时间间隔中可以收到主存储段令牌的50％。最低优先级子流存储段(存储段三)可在相同时间间隔内收到主存储段令牌的15％。最后，中间优先级的存储段(存储段二)可以在给定的时间间隔内收到主存储段令牌的35％。可选地，当令牌进入主存储段中时，可将它们首先指向存储段一(最高优先级子流存储段)直到它变满。这保证了最高优先级分组会具有较高的接收令牌的可能性，因而具有较高的被发送优先级。于是，后来收到的令牌被指向存储段二直到它变满，(假设存储段一维持满)最后，如果另外两个存储段都满时，到达的令牌被指向存储段三。正如那些本领域技术人员所理解的，可使用若干种技术来控制用于主存储段和多个子流存储段的补充过程。
用于补充主存储段和多个子流存储段的算法可以是电缆调制解调器105和106中的硬代码(hard-coded)。可选地，通过在启动阶段将厂商规定的TLV参数下载到电缆调制解调器105和106，也可以在配置文件中设置该算法。使用配置文件作为控制机制，允许电缆系统操作者改变用于多个子流的补充算法。电缆系统操作者也可以使用运行于简单网络管理协议(SNMP)下的网络管理应用软件来管理每个电缆调制解调器105和106。SNMP允许网络管理者改变网络设备中的网络对象从而改变网络参数。例如，可以通过基于SNMP结构实时地修改存储段补充过程。
在一个实施例中，通过包含在分组头中的信息，为每个数据分组分配子流中的一个。例如，分组头识别该分组是IP数据，LLC数据，或TCP/UDP数据。基于数据类型，数据分组被分配以合适的优先权子流，数据类型和优先权子流之间的关系已在配置文件或写入调制解调器的硬代码所设定。或选地，为了识别数据类型，调制解调器可以检查用于唯一数据签名(data signature)的数据文件。VOIP数据具有这样的唯一签名。在另一个实施例中，调制解调器能够识别数据类型并通过检查发出分组的嵌入在电缆调制解调器的软件应用程序来分配子流。例如，网络管理应用程序产生简单的网络管理协议分组。典型地，SNMP分组会被分配给高于数据分组的优先权。
代替电缆调制解调器检查头部以分配子流，产生分组的应用程序软件可以分配子流，并将信息作为参数提供。在另一个例子中，调制解调器可以包括VOIP软件应用程序，该应用程序将来自电话的可听音进行数字化，并将它们进行分组。在这个例子中，不需要检查分组以确定它们的优先权，因为调制解调器运行软件能够确定分组已来自于对语音数据进行操作的软件应用程序。典型地，这些分组将被分配给高优先权子流。
图3示出说明本发明教导的软件流程图。调制解调器105或106在步骤180处上电，并在步骤182处下载配置文件。在本发明实施例中，其中配置文件中识别多个子流和存储段补充算法的详细情况，此信息是从配置文件中导出，并被提供给调制解调器运行软件以用于控制补充过程和子流分配。在步骤186，检查准备好发送的分组以确定与其相关的服务等级。如上面其它实施例所阐述，服务等级可以由检查头部以外的其它技术所确定。在任何情况下，一旦用于分组的服务等级被确定，过程移至步骤188，在此检查与分组关联的子流(或服务等级)存储段。如果存储段中有足够的令牌可用，那么过程从决定步骤190移至192，在此将恰当数量的令牌分配给分组。在步骤194，发送分组。于是过程返回到步骤186以检查队列中的下一个分组。如果在决定步骤190没有足够数量的令牌可用，就不能发送分组，并且将其留在队列中。过程从决定步骤190返回到步骤186用于检查下一个已排队的分组。当与延迟的分组相关的子流令牌存储段已被补充过，就发送分组。尽管图3流程图中未示出，如上面所阐述，补充过程周期地将令牌放入每个子流存储段中。在一个实施例中，补充过程进行如下。令R/T为算法的中间速率，其中R以比特计算而T以秒计算。则在每T秒有R比特的令牌被加入到存储段中。例如如果R＝1百万比特，而T＝1秒，那么每秒有一百万的令牌被加入存储段中。因此中间速率为1Mbps。
如上所述，电缆系统操作者能够通过向电缆调制解调器105和06发送网络管理控制信息(使用SNMP协议)来修改子流分配过程的操作。任何这种管理信息都可以中断图3的流程。
尽管已参考了优选实施例对本发明进行了阐述，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行不同的改变和发明中的要素进行等价替换而不背离本发明的范围。此外，在不背离基本范围的情况下，可以进行修改本发明的教导以适应特定的应用。因此，本发明不应只限于作为用于试图实现本发明的最佳模式所公开的特定的实施例，而应当包括所有落入所附权利要求范围的实施例。