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TWI419519B - 適用於多媒體串流的網路封包傳送系統與方法 - Google Patents

適用於多媒體串流的網路封包傳送系統與方法 Download PDF

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Publication number
TWI419519B
TWI419519B TW098144305A TW98144305A TWI419519B TW I419519 B TWI419519 B TW I419519B TW 098144305 A TW098144305 A TW 098144305A TW 98144305 A TW98144305 A TW 98144305A TW I419519 B TWI419519 B TW I419519B
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isochronous
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TW201123775A (en
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Chi Chun Chen
Lung Chih Kuo
Zhong Zhen Wu
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Ind Tech Res Inst
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L12/00—Data switching networks
    • H04L12/28—Data switching networks characterised by path configuration, e.g. LAN [Local Area Networks] or WAN [Wide Area Networks]
    • H04L12/40—Bus networks
    • H04L12/40006—Architecture of a communication node
    • H04L12/40013—Details regarding a bus controller

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Description

適用於多媒體串流的網路封包傳送系統與方法
本發明是有關於一種網路封包傳送系統與方法，特別適用於傳送多媒體串流(multimedia stream)的等時性封包(isochronous packet)。
隨著近年來家電數位化的興起，透過網路觀賞高品質即時視訊服務的應用大大增多，例如用住宅乙太網路(Residential Ethernet)將家中每個房間連線，然後在客廳的電視機透過網路串流(streaming)即時觀看存放在臥房裡的數位多功能光碟(DVD:Digital Versatile Disc)播放機的多媒體資料。傳統的乙太網路採用碰撞偵測式載波感應多重存取通訊協定(CSMA/CD:Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)，彼此競爭相同頻寬來傳送封包，此機制並不適合傳送如影片和語音之類對時間敏感(time-sensitive)的封包，容易造成傳送時間的延遲，導致服務品質(QoS:Quality of Service)的降低。因此在有限頻寬以及檔案傳輸趨於複雜的環境下，如何讓頻寬有效的調整達到系統效能的提升成為一個重要課題。
國際電機電子工程師協會(IEEE:Institute of Electrical and Electronics Engineers)的802.1p/q就是為了要解決傳輸服務品質所制定的一個標準，在第二層(Layer 2)的標頭(header)裡面加入4個位元組(byte)的標籤(tag)，前面兩個位元組固定為8100H，作為與一般的乙太網路封包的分別，接下來2個位元組的前3位元(bit)就是存放優先等級(priority)的地方，共可以將傳輸的封包分成八個優先等級，等級愈高愈優先傳送。如果提高影音之類的等時性封包的優先等級，確實可以改善傳統乙太網路因所有封包都是同等級而造成的傳輸延遲。但是，若出現優先等級更高的緊急封包，還是可能導致影音傳輸的延遲。
美國專利申請案編號US 2007/0025385則採用時段(time slot)的觀念，監控網路可用頻寬，使用計數器(counter)來計數傳送等時性封包的間隔。當可用頻寬較大時就用比較快的速率傳送等時性封包，可用頻寬較小時則使用比較慢的速率傳送等時性封包。
本發明提供一種網路封包傳送系統，與其對應的網路封包傳送方法，可在頻寬有限的情況下容納眾多多媒體串流，達到網路頻寬的較大利用率，以及保證服務品質。
本發明提出一種網路封包傳送系統，包括資訊模組、排程模組、以及傳送模組。資訊模組接收並記錄多個多媒體串流的媒體資訊。排程模組根據資訊模組提供的媒體資訊計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率(bit rate)，並且根據上述被保證的傳輸率，將上述多個多媒體串流的等時性封包在多個時脈週期(clock cycle)的第一時段中重新排列，使上述等時性封包的傳送滿足上述被保證的傳輸率。其中每一上述時脈週期的長度皆為一預設長度，而且第一時段的長度為上述預設長度的一預設比例。傳送模組則每隔上述預設長度的時間，將上述時脈週期其中之一的全部封包傳送至一網路。
本發明另提出對應上述網路封包傳送系統的一種網路封包傳送方法，此方法包括下列步驟。首先，接收並記錄一媒體伺服器所提供的多個多媒體串流的媒體資訊。根據上述媒體資訊計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率。根據上述被保證的傳輸率，將上述多個多媒體串流的等時性封包在多個時脈週期的第一時段中重新排列，使上述等時性封包的傳送滿足上述被保證的傳輸率。接下來，每隔上述預設長度的時間，將上述時脈週期其中之一的全部封包傳送至一網路。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一實施例的封包傳送方式示意圖。本實施例以IEEE 802.1視聽橋接標準(AVB:Audio Video Bridging)為基礎，其中封包傳送是以125微秒(microsecond)的時脈週期為單位。如圖1所示，每個125微秒的時脈週期分為兩個時段，前面的四分之三是第一時段，後面的四分之一是第二時段。第一時段用來傳送等時性(isochronous)封包，在圖1標示為ISO，第二時段用來傳送非等時性(asynchronous)封包，在圖1標示為ASY。
本發明並不以圖1為限，在其他實施例中，時脈週期的長度可以調整，第一時段和第二時段的比例也可以調整。
圖2是本實施例的網路封包傳送系統200的示意圖。網路封包傳送系統200可以是媒體伺服器(media server)的一部分，例如可以使用在住宅乙太網路中，提供多媒體串流給各種影音播放裝置。網路封包傳送系統200可用硬體或軟體方式實施。
網路封包傳送系統200包括分類模組210、資訊模組220、排程模組230、切割模組240、同步模組250、以及傳送模組260。網路介面模組270則是網路封包傳送系統200和網路之間的介面。分類模組210儲存一個非等時性佇列212以及多個等時性佇列214，每一個等時性佇列214對應媒體伺服器所提供的四個多媒體串流S1-S4其中之一。雖然圖2繪示四個等時性佇列214和四個多媒體串流S1-S4，本發明並不以四個為限。圖2的等時性佇列214都是鏈接串列(linked list)，然而本發明並不限於鏈接串列形式的佇列。
圖4是網路封包傳送系統200所執行的網路封包傳送方法的流程圖。首先，資訊模組220自媒體伺服器的應用層(Application Layer)接收並記錄多媒體串流S1-S4的媒體資訊(步驟410)。上述媒體資訊可以包括每個多媒體串流S1-S4的串流識別碼(session ID)、畫面更新率(frame rate)、以及畫面大小(frame size)等資訊。
接下來，分類模組210自應用層接收封包，辨別接收到的封包種類，根據資訊模組220提供的媒體資訊，將接收到的多媒體串流S1-S4的每一個等時性封包存入對應的那一個等時性佇列214(步驟420)，並且將接收到的非等時性封包存入非等時性佇列212(步驟430)。本實施例的每一個等時性封包其中都包括所屬的多媒體串流的串流識別碼。分類模組210可以接收資訊模組220提供的媒體資訊，根據媒體資訊其中多媒體串流S1-S4的識別碼，配置對應的四個等時性佇列214，然後比對等時性封包其中的串流識別碼和多媒體串流S1-S4的識別碼，藉此將等時性封包存入所屬的多媒體串流所對應的等時性佇列。
圖3是排程模組230的方塊圖，排程模組230包括傳輸率產生模組232和重新排列模組234。傳輸率產生模組232根據資訊模組220提供的媒體資訊計算每一個多媒體串流S1-S4所需被保證的傳輸率(步驟440)。重新排列模組234根據上述的被保證的傳輸率，將多媒體串流S1-S4的等時性封包在多個時脈週期的第一時段中重新排列，使上述等時性封包的傳送滿足上述被保證的傳輸率(步驟450)。傳輸率產生模組232可以根據媒體資訊其中多媒體串流S1-S4的畫面更新率和畫面大小計算多媒體串流S1-S4所需被保證的傳輸率，然後重新排列模組234根據上述被保證的傳輸率決定等時性封包在每一個時脈週期的傳送順序。
舉例而言，重新排列模組234可以根據多媒體串流S1-S4所需被保證的傳輸率，在每個時脈週期的第一時段內配置滿足上述被保證的傳輸率所需的等時性封包。如圖5所示，假設每個等時性封包P1-P4的大小為X位元組，多媒體串流S1、S3和S4所要求的被保證的傳輸率為每個時脈週期X位元組，而多媒體串流S2所要求的被保證的傳輸率為每個時脈週期X/2位元組。在圖5的範例中，重新排列模組234使用鏈接串列將排入每個時脈週期的等時性封包依傳送順序串聯。由於多媒體串流S1、S3和S4所要求的被保證的傳輸率為每個時脈週期X位元組，所以重新排列模組234在每個時脈週期都配置一個S1的等時性封包、一個S3的等時性封包、以及一個S4的等時性封包。由於多媒體串流S2所要求的被保證的傳輸率為每個時脈週期X/2位元組，所以重新排列模組234在每兩個時脈週期配置一個S2的等時性封包。於是如圖5所示，第一個時脈週期會傳送S1、S3和S4的第一個封包P1，第二個時脈週期會傳送S1、S3和S4的第二個封包P2以及S2的第一個封包P1，第三個時脈週期則會傳送S1、S3和S4的第三個封包P3。
如果有某個多媒體串流所要求的被保證的傳輸率為每個時脈週期2X位元組，重新排列模組234可在每個時脈週期都配置兩個上述多媒體串流的等時性封包，以保證其被保證的傳輸率。
接下來，傳送模組260依據重新排列模組234所安排的傳送順序，每隔一個時脈週期的時間，將目前時脈週期的全部封包傳送至網路，如圖6所示(步驟460)。傳送模組260使用第一時段傳送各時脈週期的等時性封包，並使用第二時段傳送非等時性佇列212之中的非等時性封包。非等時性封包不會重新排列，而是依照進入非等時性佇列212的順序直接傳送。當某一個時脈週期沒有等時性封包等待傳送，或該時脈週期的等時性封包在第一時段結束前已經傳送完畢，則傳送模組260立即切換為傳送非等時性佇列212之中的非等時性封包，以提高頻寬利用率。
如果同一個網路中存在多個相同的網路封包傳送系統，同步模組250可以確保上述網路封包傳送系統不會彼此影響傳輸的服務品質。每個網路封包傳送系統的同步模組250會互相交換各自的媒體資訊，也就是同步整個網路中所有多媒體串流的媒體資訊。在此情況下，排程模組230並非僅根據所屬媒體伺服器所提供的多媒體串流的媒體資訊來重新排列等時性封包，而是根據整個網路中所有多媒體串流的媒體資訊，在每個時脈週期的第一時段中重新排列等時性封包。
圖7是本實施例的一個同步範例，其中節點1和節點2是位於同一個網路的兩個媒體伺服器，各包括一個如圖2所示的網路封包傳送系統200。節點1提供四個多媒體串流S1-S4，節點2提供兩個多媒體串流S5和S6。節點1和節點2的同步模組250會互相交換媒體資訊，於是節點1和節點2的排程模組230都會根據所有多媒體串流S1-S6的媒體資訊來安排各自的等時性封包。如圖7的結果所示，節點1和節點2的排程模組230會彼此配合。在奇數的時脈週期，節點1僅送出三個等時性封包，讓節點2送出兩個等時性封包。在偶數的時脈週期，節點1送出四個等時性封包，而節點2僅送出一個等時性封包。這樣就能避免在有限頻寬中彼此影響傳輸的服務品質。否則，若不互相配合，可能會造成節點2在奇數的時脈週期送出一個等時性封包，在偶數的時脈週期送出兩個等時性封包，導致奇數時脈週期的網路頻寬浪費，以及偶數時脈週期的網路頻寬不足。
切割模組240的封包切割機制可利用每一個時脈週期的剩餘頻寬來傳送更多封包。等時性封包的切割機制如圖8所示。排程模組230已經安排如810所示的封包傳送時序，同時又有另一個多媒體串流的等時性封包P1等待傳送，如時序820所示。此時第一時段的剩餘頻寬不足以傳送等時性封包P1，尤其是在第三和第四個時脈週期。在此情況下，排程模組230會啟動切割模組240，使切割模組240根據目前時脈週期和後續時脈週期的第一時段的剩餘頻寬，將等時性封包P1切割成多個小封包PF。然後排程模組230將上述的小封包PF放入目前時脈週期和後續時脈週期的第一時段的剩餘頻寬之中，如傳送時序830所示。這樣等時性封包P1的傳送較能滿足其多媒體串流所需被保證的傳輸率，同時也增加了網路頻寬利用率。
非等時性封包的切割機制則如圖9所示。排程模組230利用時脈週期的第二時段傳送非等時性封包，如時序910所示，但是非等時性佇列212當中仍然有非等時性封包P1和P2等待傳送。此時第二時段的剩餘頻寬已經不足以傳送完整的非等時性封包P1和P2。在此情況下，排程模組230會啟動切割模組240，使切割模組240根據目前時脈週期和後續時脈週期的第二時段的剩餘頻寬，將非等時性封包P1和P2切割成多個小封包PF。然後排程模組230將上述的小封包PF放入目前時脈週期和後續時脈週期的第二時段的剩餘頻寬之中，如傳送時序920所示。這樣可以增加網路頻寬的利用率。
綜上所述，以上實施例的網路封包傳送系統和方法，可在頻寬有限的情況下容納眾多多媒體串流。同一個網路的媒體伺服器之間可互相交換媒體資訊，盡量不會互相干擾彼此的傳送服務品質。以上實施例的封包切割機制可將封包放入未使用的剩餘頻寬中，讓網路頻寬達到更大使用率，以保證服務品質。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
200‧‧‧網路封包傳送系統
210‧‧‧分類模組
212‧‧‧非等時性佇列
214‧‧‧等時性佇列
220‧‧‧資訊模組
230‧‧‧排程模組
232‧‧‧傳輸率產生模組
234‧‧‧重新排列模組
240‧‧‧切割模組
250‧‧‧同步模組
260‧‧‧傳送模組
270‧‧‧網路介面模組
410-460‧‧‧流程步驟
810-830、910-920‧‧‧封包傳送時序
ASY‧‧‧非等時性封包
ISO‧‧‧等時性封包
P、P1-P4、PF‧‧‧網路封包
S1-S6‧‧‧多媒體串流
圖1是依照本發明一實施例的封包傳送方式示意圖。
圖2是依照本發明一實施例的網路封包傳送系統示意圖。
圖3是圖2的排程模組的方塊圖。
圖4是依照本發明一實施例的網路封包傳送方法流程圖。
圖5是依照本發明一實施例的封包重新排列的示意圖。
圖6是對應圖5的封包傳送時序圖。
圖7是依照本發明一實施例的同步媒體資訊時的封包傳送時序圖。
圖8和圖9是依照本發明一實施例的啟動封包切割機制時的封包傳送時序圖。
200．．．網路封包傳送系統
210．．．分類模組
212．．．非等時性佇列
214．．．等時性佇列
220．．．資訊模組
230．．．排程模組
240．．．切割模組
250．．．同步模組
260．．．傳送模組
270．．．網路介面模組
P1-P4．．．網路封包
S1-S4．．．多媒體串流

Claims (22)

  1. 一種網路封包傳送系統，包括：一資訊模組，接收並記錄多個多媒體串流的媒體資訊；一排程模組，根據該資訊模組提供的上述媒體資訊計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率，並且根據上述被保證的傳輸率，將上述多個多媒體串流的等時性封包在多個時脈週期的第一時段中重新排列，使上述等時性封包的傳送滿足上述被保證的傳輸率，其中每一上述時脈週期的長度皆為一預設長度，該第一時段的長度為該預設長度的一預設比例；一傳送模組，每隔該預設長度的時間，將上述多個時脈週期其中之一的全部封包傳送至一網路；以及一切割模組，當有等時性封包在一時脈週期等待傳送而且該時脈週期的該第一時段頻寬不足時，該排程模組啟動該切割模組，該切割模組根據該時脈週期和後續時脈週期的該第一時段的剩餘頻寬，將該等時性封包切割成多個小封包，然後該排程模組將上述多個小封包放入該時脈週期和後續時脈週期的該第一時段的剩餘頻寬之中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之網路封包傳送系統，其中該媒體資訊包括每一上述多媒體串流的畫面更新率和畫面大小，該排程模組根據該畫面更新率和該畫面大小計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率，並且根據每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率決定上述等時 性封包在每一上述時脈週期的傳送順序。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之網路封包傳送系統，其中該排程模組使用鏈接串列將每一上述時脈週期的等時性封包依傳送順序串聯。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之網路封包傳送系統，更包括：一同步模組，同步該網路中所有多媒體串流的媒體資訊，其中該排程模組根據該網路中所有多媒體串流的媒體資訊，在上述多個時脈週期的第一時段中重新排列上述等時性封包。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之網路封包傳送系統，更包括：一分類模組，儲存多個等時性佇列，每一上述等時性佇列對應上述多個多媒體串流其中之一，該分類模組根據該資訊模組提供的上述媒體資訊將每一上述等時性封包存入上述多個等時性佇列其中之一。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之網路封包傳送系統，其中每一上述多媒體串流的媒體資訊包括一串流識別碼，每一上述等時性封包包括所屬的該多媒體串流的該串流識別碼，該分類模組根據該資訊模組提供的上述多個串流識別碼配置上述多個等時性佇列，並根據每一上述等時性封包的該串流識別碼將該等時性封包存入所屬的該多媒體串流所對應的該等時性佇列。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之網路封包傳送系 統，其中每一上述等時性佇列皆為鏈接串列。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之網路封包傳送系統，其中該分類模組更儲存一非等時性佇列，並且將該分類模組所接收的非等時性封包存入該非等時性佇列。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之網路封包傳送系統，其中每一上述時脈週期由該第一時段和一第二時段組成，該傳送模組使用該第一時段傳送該時脈週期的等時性封包，並使用該第二時段傳送該非等時性佇列中的非等時性封包。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之網路封包傳送系統，其中當某一時脈週期沒有等時性封包等待傳送，或該時脈週期的等時性封包在該第一時段結束前已經傳送完畢，則該傳送模組立即切換為傳送該非等時性佇列中的非等時性封包。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之網路封包傳送系統，更包括：一切割模組，當有非等時性封包在一時脈週期等待傳送而且該時脈週期的一第二時段頻寬不足時，該排程模組啟動該切割模組，該切割模組根據該時脈週期和後續時脈週期的該第二時段的剩餘頻寬，將該非等時性封包切割成多個小封包，然後該排程模組將上述多個小封包放入該時脈週期和後續時脈週期的該第二時段的剩餘頻寬之中。
  12. 一種網路封包傳送方法，包括：接收並記錄一媒體伺服器所提供的多個多媒體串流 的媒體資訊；根據上述媒體資訊計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率；根據上述被保證的傳輸率，將上述多個多媒體串流的等時性封包在多個時脈週期的第一時段中重新排列，使上述等時性封包的傳送滿足上述被保證的傳輸率，其中每一上述時脈週期的長度皆為一預設長度，該第一時段的長度為該預設長度的一預設比例；每隔該預設長度的時間，將上述時脈週期其中之一的全部封包傳送至一網路；當有等時性封包在一時脈週期等待傳送而且該時脈週期的該第一時段頻寬不足時，根據該時脈週期和後續時脈週期的該第一時段的剩餘頻寬，將該等時性封包切割成多個小封包；以及將上述多個小封包放入該時脈週期和後續時脈週期的該第一時段的剩餘頻寬之中。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之網路封包傳送方法，其中該媒體資訊包括每一上述多媒體串流的畫面更新率和畫面大小，而且該網路封包傳送方法更包括：根據該畫面更新率和該畫面大小計算每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率；以及根據每一上述多媒體串流所需被保證的傳輸率決定上述等時性封包在每一上述時脈週期的傳送順序。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之網路封包傳送方 法，更包括：使用鏈接串列將每一上述時脈週期的等時性封包依傳送順序串聯。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之網路封包傳送方法，更包括：同步該網路中所有多媒體串流的媒體資訊；以及根據該網路中所有多媒體串流的媒體資訊，在上述多個時脈週期的第一時段中重新排列上述等時性封包。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之網路封包傳送方法，更包括：儲存多個等時性佇列，其中每一上述等時性佇列對應上述多個多媒體串流其中之一；以及根據上述媒體資訊將每一上述等時性封包存入上述多個等時性佇列其中之一。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之網路封包傳送方法，其中每一上述多媒體串流的媒體資訊包括一串流識別碼，每一上述等時性封包包括所屬的該多媒體串流的該串流識別碼，而且該網路封包傳送方法更包括：根據上述多個串流識別碼配置上述多個等時性佇列；以及根據每一上述等時性封包的該串流識別碼，將該等時性封包存入所屬的該多媒體串流所對應的該等時性佇列。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之網路封包傳送方法，其中每一上述等時性佇列皆為鏈接串列。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之網路封包傳送方法，更包括：儲存一非等時性佇列；以及將接收到的非等時性封包存入該非等時性佇列。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之網路封包傳送方法，其中每一上述時脈週期由該第一時段和一第二時段組成，而且該網路封包傳送方法更包括：使用該第一時段傳送該時脈週期的等時性封包；以及使用該第二時段傳送該非等時性佇列中的非等時性封包。
  21. 如申請專利範圍第19項所述之網路封包傳送方法，更包括當某一時脈週期沒有等時性封包等待傳送，或該時脈週期的等時性封包在該第一時段結束前已經傳送完畢，則立即切換為傳送該非等時性佇列中的非等時性封包。
  22. 如申請專利範圍第19項所述之網路封包傳送方法，更包括：當有非等時性封包在一時脈週期等待傳送而且該時脈週期的一第二時段頻寬不足時，根據該時脈週期和後續時脈週期的該第二時段的剩餘頻寬，將該非等時性封包切割成多個小封包；以及將上述多個小封包放入該時脈週期和後續時脈週期的該第二時段的剩餘頻寬之中。
TW098144305A 2009-12-22 2009-12-22 適用於多媒體串流的網路封包傳送系統與方法 TWI419519B (zh)

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