СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ДАННЫХ МЕЖДУ ТЕРМИНАЛОМ И ШЛЮЗОМ, В ЧАСТНОСТИ ПОСРЕДСТВОМ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
METHODS FOR TRANSMITTING AND RECEIVING DATA BETWEEN TERMINAL AND GATEWAY, IN PARTICULAR VIA SATELLITE LINK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу передачи данных между терминалом (или множеством терминалов) и шлюзом и к способу приема данных. Изобретение относится, в частности, к спутниковой связи и, еще более конкретно, к спутниковой передаче пакетов Ethernet по протоколу DVB.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Протокол Ethernet был первоначально разработан для использования в локальных сетях (LAN, от английского ʺLocal Area Networkʺ), но его успех был такой, что в настоящее время он также используется для создания городских сетей (MAN, от английского ʺMetropolitan Area Networkʺ) или глобальных сетей (WAN, от английского ʺWide Area Networkʺ), в том числе с использованием спутниковой связи. В последнем случае, терминалы общаются с одним или несколькими шлюзами (ʺGatewayʺ, на английском) через спутник, обмениваясь кадрами Ethernet, инкапсулированными в пакеты нижнего уровня, например пакетами DVB (ʺDigital Video Broadcastʺ, ʺцифровое видеовещаниеʺ).
Каждый кадр Ethernet - как и каждый пакет DVB или эквивалент - включает в себя ʺполезную нагрузкуʺ и заголовок, последний включает, в том числе, адрес источника и адрес назначения. Полезная нагрузка пакета DVB состоит из кадра Ethernet, включающего в себя, в том числе, свой заголовок. Таким образом, каждый сетевой уровень добавляет заголовок к передаваемым данным, что порождает дополнительные издержки (ʺoverheadʺ на английском).
Из-за их большого размера заголовки Ethernet порождают значительные дополнительные издержки, приводя к резкому ухудшению емкости для решений соединения уровня 2, используемых, в том числе, для частных виртуальных сетей (“VPN” от “Virtual Private Networks”), сетей сбора или доставки (“backhauling (транспортная сеть)”) и многих сетей проводных и беспроводных стандартов. Эти дополнительные издержки являются препятствием для внедрения в спутниковых сетях привычных решений передачи Ethernet.
Способы удаления заголовков известны; в качестве примера можно привести способ ʺPHSʺ(что означает ʺPayload Header Suppressionʺ, ʺудаление заголовков пакетовʺ). Этот способ включает в себя следующие этапы: во-первых, идентифицируется ʺконтекстʺ пакета или кадра, который должен быть передан, то есть набор информации, позволяющий определить поток, которому принадлежит упомянутый пакет. Этот контекст однозначно определяет некоторые поля в заголовке пакета (адрес источника, адрес назначения, длину пакета и т.д.), называемые ʺстатическимиʺ, поскольку они являются общими для большого числа передаваемых пакетов (всех тех, что принадлежат к одному потоку); потом, взаимно-однозначно ассоциируется идентификатор для каждого упомянутого контекста (PHSI: ʺPHS Identifierʺ). Затем, “статические” поля заголовка удаляются и заменяются одним идентификатором контекста. Так заголовок удаляется полностью или частично до передачи и заменяется более компактным идентификатором, что приводит к значительному сокращению дополнительных издержек.
На стороне приема удаленные поля заголовка реконструируются из идентификатора контекста. Тем не менее в случае связи терминал-шлюз, и в особенности, когда такая связь является частью спутниковой системы, число потоков и, следовательно, различных контекстов очень высоко. Это означает, что идентификаторы контекста должны включать в себя минимальное число байтов (обычно 3 байта, что позволяет идентифицировать более 16 миллионов потоков), что ограничивает выигрыш в эффективности, который может быть достигнут. Рассмотрим, например, случай голосового пакета с полезной нагрузкой 20 байтов и заголовком DVB из трех байтов; дополнительная издержка трех дополнительных байтов, вносимая идентификатором контекста, представляет 13% от объема.
Есть также методы сжатия заголовка, основанные на дельта-кодировании (например, ROHC, от ʺRobust Header Compressionʺ, то есть ʺсильное сжатие заголовковʺ). Эти методы являются более сложными, чем просто удаление заголовка, позволяя, в том числе, сжимать некоторые динамические поля; однако они были разработаны для стеков уровня 3 (уровень сети, например, IP) или вышележащих и, следовательно, не поддерживают сжатия заголовков Ethernet.
Способы удаления и/или сжатия заголовков, согласно с прототипом, описаны, например, в ЕР 1298887, WO 2008/03893 и в статье L. Nuaymi и др. “Headers Overhead Estimation, Header Suppression and Header Compression in WiMAXʺ, 3rd IEEE International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications 2007 (WIMOB 2007), Piscataway NJ, Etats-Unis, 8 октября 2007, стр. 17.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на преодоление указанных выше недостатков прототипа и на обеспечение уменьшения дополнительных издержек, вызванных заголовками при передаче кадров Ethernet между терминалом и шлюзом, в частности, с помощью спутниковой связи.
Для достижения этой цели, настоящее изобретение основано на следующем наблюдении. В связи терминал-шлюз адрес доступа к среде (SVN-MAC к примеру, в DVB-RCS2, метка GSE в DVB-S2, Logonld/Groupld в DVB- RCS), содержащийся в заголовке пакета нижнего уровня, является избыточным с контекстом потока Ethernet. Другими словами, идентификатор контекста (PHSI), который полностью или частично заменяет заголовок Ethernet и адрес доступа к среде в заголовке нижнего уровня, передает ту же самую информацию. Таким образом, можно заменить адрес доступа к среде с помощью PHSI и использовать последний для выполнения фильтрации потока. Таким образом, PHSI не добавляется в заголовок пакета нижнего уровня, но заменяет одно из его полей, следовательно, он не вызывает никаких дополнительных издержек.
Это решение может быть объединено с использованием метода удаления или лучше сжатия заголовков слоев верхних уровней Ethernet (в том числе IP). Оба метода реализуются независимо.
Дополнительный прирост скорости может быть получен удалением контрольной последовательности кадра (FCS, от английского ʺFrame Control Sequenceʺ). Это допустимо ввиду очень низкого коэффициента ошибок спутниковой связи, порядка 10-10. FCS пересчитывается на уровне приемника, что не усложняет обработку, поскольку проверка последовательности эквивалентна ее расчету с точки зрения вычислительной нагрузки.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предоставление способа передачи данных между терминалом и шлюзом, причем данные, перемещаются кадрами Ethernet, включающими в себя заголовок Ethernet и полезную нагрузку, сами инкапсулированы в пакеты нижнего уровня, включающий в себя заголовок, содержащий индикатор адреса доступа к среде, причем способ характеризуется тем, что он содержит следующие этапы, на которых:
a) определяют общие контексты кадров, заголовки Ethernet которых имеют статические поля, и определяют идентификатор для каждого упомянутого контекста;
b) ассоциируют все или часть упомянутых кадров с соответствующими идентификаторами контекста и удаляют упомянутые поля из их заголовков Ethernet; и
c) вводят идентификатор контекста каждого кадра, поля заголовка Ethernet которого были удалены из заголовка пакета нижнего уровня, инкапсулируя его взамен индикатора адреса доступа к среде.
В соответствии с различными преимущественными особенностями изобретения, взятыми отдельно или в сочетании, способ может дополнительно содержать этап, на котором:
d) удаляют информацию контроля кадра упомянутых кадров Ethernet.
Передача пакетов между упомянутым терминалом и упомянутым шлюзом может быть выполнена с помощью спутниковой связи.
Упомянутые пакеты могут быть переданы от шлюза к терминалу, и пакеты нижнего уровня могут быть GSE пакетами.
Упомянутые пакеты могут быть переданы от терминала к шлюзу, и пакеты нижнего уровня могут быть RLE пакетами.
Индикаторы адреса доступа к среде заголовков пакетов нижнего уровня могут быть адресами DVB.
Указанный этап a) определения контекстов и определения идентификаторов может быть выполнен путем создания в статическом виде множества соединений между терминалами и упомянутым шлюзом, причем каждое соединение соответствует указанному контексту.
Во время этапа a) могут быть определены контексты, и определяются соответствующие идентификаторы на лету упомянутым или каждым шлюзом и сообщаются одному или множеству упомянутых терминалов.
Способ может также содержать этап фильтрации потока с помощью идентификаторов контекста, содержащихся в заголовках пакетов нижнего уровня.
Другой задачей настоящего изобретения является предоставление способа приема данных, передаваемых между терминалом и шлюзом, содержащего следующие этапы, на которых:
i) принимают пакеты данных, каждый из которых содержит заголовок и полезную нагрузку, упомянутая полезная нагрузка содержит кадр Ethernet, по меньшей мере, некоторые поля заголовка Ethernet которого были удалены;
ii) извлекают идентификатор контекста на основании поля индикатора адреса доступа к среде из заголовка по меньшей мере одного упомянутого пакета; и
iii) на основании идентификатора восстанавливают поля заголовка Ethernet кадра, которые были удалены.
В соответствии с различными преимущественными особенностями изобретения, взятыми отдельно или в сочетании, кадр Ethernet может не включать информацию контроля кадра, способ дополнительно содержит этап, на котором:
iv) пересчитывают информацию контроля кадра Ethernet на основании его полезной нагрузки и его восстановленного заголовка и повторно вводят эту информацию в заголовок.
Передача пакетов между упомянутым терминалом и упомянутым шлюзом может быть выполнена с помощью спутниковой связи.
Упомянутые пакеты могут быть переданы от шлюза к терминалу, и пакеты нижнего уровня могут быть GSE пакетами.
Упомянутые пакеты могут быть переданы от терминала к шлюзу, и пакеты нижнего уровня могут быть RLE пакетами.
Индикаторы адреса доступа к среде заголовков пакетов нижнего уровня могут быть адресами DVB.
Способ может включать в себя этап составления базы данных, связывающей одно или несколько полей заголовка Ethernet с каждым идентификатором контекста, упомянутая база используется для осуществления этапа iii).
Этап составления базы данных может быть выполнен путем создания в статическом виде множества соединений между терминалами и упомянутым шлюзом, причем каждое соединение соответствует контексту.
Как вариант, во время упомянутого этапа составления базы данных, шлюз может идентифицировать каждый новый контекст, определить одно или несколько полей заголовка Ethernet, ассоциированных с контекстом, и сообщить их терминалу с соответствующим идентификатором контекста.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие отличия, детали и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при чтении следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, приведенные в качестве примера и которые представляют соответственно:
Фиг. 1 - система спутниковой связи, подходящая для осуществления способов настоящего изобретения;
Фиг. 2А - пакет DVB, инкапсулирующий обычный кадр Ethernet в соответствии с прототипом;
Фиг. 2В - пакет DVB, модифицированный в соответствии с вариантом реализации изобретения;
Фиг. 2C - осуществление этапа удаления заголовка согласно с вариантом реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - осуществление этапа восстановления заголовка согласно с вариантом реализации настоящего изобретения; и
Фиг. 4 - переговоры между шлюзом и терминалом для определения ''на лету'' контекста и определения соответствующего идентификатора.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует, очень схематично, систему спутниковой связи, в которой настоящее изобретение может быть реализовано. Эта система включает в себя множество терминалов TS (показан только один), которые взаимодействуют со шлюзами GW через спутник SAT. Связь осуществляется путем обмена кадрами Ethernet EF, которые инкапсулированы в пакеты DVB перед передачей и которые извлекаются оттуда после получения. Связь - двунаправленная; связь шлюз-терминал называется ʺпрямой каналʺ FC, а связь терминал-шлюз - ʺобратный каналʺ RC. Эти два соединения могут использовать различные протоколы инкапсуляции и передачи, например GSE для прямого канала и RLE для обратного канала. Изобретение может увеличить пропускную способность системы за счет сокращения дополнительных издержек, вносимых заголовками Ethernet, что хорошо, как на прямом канале, так и на обратном канале.
Структура обычного пакета DVB иллюстрирована на фиг.2А под эталонным DVB-P. Такой пакет содержит заголовок DVB-H и полезную нагрузку DVB-PL. Заголовок DVB-H содержит, среди прочего, адрес доступа к среде DVB-MAC. Полезная нагрузка DVB-PL состоит из кадра Ethernet EF, который в свою очередь включает в себя заголовок Ethernet EH, полезную нагрузку Ethernet EPL и контрольную последовательность кадра FCS. Заголовок Ethernet EH содержит и даже исключительно состоит из полей, называемых ʺстатическимиʺ, которые являются одинаковыми во всех кадрах одного потока; к ним относятся адреса отправителя и получателя.
В этих обстоятельствах, в соответствии со способом PHS, статические поля заголовков Ethernet EH могут быть заменены идентификатором контекста PHSI, содержащим меньшее количество байтов; к примеру, с длиной PHSI в три байта возможно управлять более чем 16 млн контекстов и, таким образом, различными потоками.
В соответствии с изобретением, однако, идентификатор контекста PHSI не занимает место статических полей, которые он заменяет, но место индикаторов адреса(ов) MAC(DVB), содержащихся в заголовке DVB-H пакета DVB-P. Действительно, как описано выше, в случае связи между терминалом и шлюзом, информация, передаваемая в MAC-адресе заголовка DVB, является излишней со статическими полями заголовка кадра Ethernet. Этот индикатор адреса MAC(DVB), излишний при идентификаторе контекста PHSI, более не передается непосредственно, что не влияет на остальную часть обработки. В частности, фильтрация потоков может быть сделана на основании идентификаторов контекста PHSI без особого труда.
В варианте реализации фиг.2А-2С заголовок Ethernet содержит только статические поля; поэтому он может быть полностью удален. Кроме того, как упоминалось выше, контрольная последовательность кадра FCS также может быть удалена из передачи для восстановления при приеме на основании полезной нагрузки и EH, восстановленного заголовка Ethernet. Полученный таким образом, как показано на фиг. 2B, пакет DVB, модифицированный DVB-P’ заголовок которого DVB-H’ не содержит MAC-адрес, но идентификатор контекста PHSI, и полезная нагрузка которого DVB-PL’ содержит кадр Ethernet, модифицированный EF’ без заголовка и без контрольной последовательности FCS, таким образом, совпадая на практике с полезной нагрузкой EPL (в других вариантах реализации, может существовать уменьшенный заголовок, содержащий только нестатические поля). Этот модифицированный пакет DVB передается с помощью системы, показанной на фиг.1, идентификатор контекста PHSI используется на концах (TS и / или GW) для фильтрации потока вместо МАС-адреса.
Фиг. 2C иллюстрирует этап удаления заголовка Ethernet (а также последовательности FCS) и его замену на поле PHSI, вставленное в заголовок DVB. Этот этап использует базу данных CBD, которая ассоциирована с каждым заголовком Ethernet (или с каждым набором статических полей такого заголовка) идентификатора соответствующего контекста.
Со стороны приема приступают к восстановлению кадра Ethernet, как показано на фиг. 3. Идентификатор контекста извлекается из заголовка DVB-H’ пакета DVB, модифицированного DVB-P’, и используется для запроса указанной базы данных CDB, используя для ассоциации к каждому контексту соответствующий заголовок Ethernet, который вводится в начале модифицированного заголовка EF’ кадра Ethernet. Кроме того, контрольная последовательность FCS пересчитывается на основании полезной нагрузки Ethernet EPL и восстановленного заголовка EH и вводится в конец модифицированного кадра EF', чтобы восстановить исходный кадр Ethernet EF, который может быть передан по наземной сети.
Существуют в основном два способа создания базы данных CDB.
В соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения, она создается статическом образом: при параметризации ''по управлению'' терминалов создается множество соединений, каждое из которых соответствует соответствующему контексту. Набор контекстов, управляемых системой, таким образом, устанавливается заранее.
Другой подход, используемый в других вариантах реализации изобретения, базируется на динамической конфигурации. Различные методы могут быть использованы для этой цели, либо на основе протоколов динамического создания VLAN (виртуальной частной сети), либо на основе протоколов доступа к созданию соединений (типа C2P), либо, наконец, определяя контексты удаления заголовка (PHSI и статические поля Ethernet) на лету. В этой связи, сети VLAN могут быть сконфигурированы динамически или нет. В этом случае необходимо определить контекст и ассоциированный PHSI и отправить его в другой конец спутниковой связи через конкретный протокол, аналогично случаю WiMAX с PHS. Выбор PHSI может быть реализован централизованным образом в центре управления сетью (ʺNetwork Control Centerʺ или NCC). Возможный вариант реализации показан на фиг. 4. Первый кадр Ethernet EF потока передается полностью, инкапсулированный в пакет DVB-Р, и идентификатор PHSI его контекста также передается через конкретное расширение GSE или RLE, как упоминалось выше, что позволяет создать базу данных CDB на уровне приемника. Последний посылает сообщение подтверждения ACK (также определенное в рамках рассматриваемого расширения GSE или RLE) для заверения модулю удаления заголовка отправителя, что идентификатор контекста может быть использован для потока, соответствующего кадру EF. Затем, заголовки Ethernet кадров в рамках того же контекста удаляются, и передача осуществляется с помощью пакетов DVB-P’ так, как описано выше.
Кадры DVB позволяют передавать различные типы протоколов нижнего уровня; по этой причине протоколы и RLE, и GSE предоставляют поле ʺprotocol_typeʺ, позволяя идентифицировать вид передачи. Это поле может быть использовано, чтобы различать пакеты, инкапсулирующие кадры Ethernet ʺобычныеʺ или с удаленным заголовком. Это позволяет, в том числе, смешивать два типа потоков.
Фиг. 4 относится к частному случаю передачи по прямому каналу; стрелка ʺtʺ, направленная вниз, указывает направление времени.
Таблица ниже позволяет оценить техническое преимущество, обеспечиваемое изобретением. Рассматривается случай, когда удаление заголовка (с идентификатором контекста в 3 байта) объединено со сжатием заголовка типа ROHC. В зависимости от рассматриваемого протокола сокращение дополнительных издержек, связанное с удалением заголовка Ethernet с тегом 802.1Q, может достигать 73%.
RTP/UDP/IPv4/Ethernet
RTP/UDP/Ipv6/Ethernet
RTP/UDP/IPv4/ROHC/Ethernet
RTP/UDP/IPv6/ROHC/Ethernet
Длина до удаления заголовка
82 байта
106 байтов
44 байта
46 байтов
Длина после удаления заголовка
60 байтов
84 байта
22 байта
24 байта
Выигрыш сжатия
27%
21%
50%
48%
Изобретение было описано применительно к частному случаю системы спутниковой связи на основе протокола типа DVB. Тем не менее, это не является существенным ограничением, и другие системы связи, спутниковой или даже наземной, могут получить выгоду от способа удаления заголовков Ethernet, описанного выше.