用于按照服务质量级别进行传输的网络中对业务的限制

摘要

本发明涉及一种方法、一个网络、一个边缘节点和一个服务器，用于在面向数据包的无连接网络中为具有QoS级别优先化的数据包高效传输进行业务限制。按照本发明所述的方法需要进行许可性检查，这种检查包括在网络入口和网络出口处进行的许可性检查。通过按照本发明进行的许可性复查将审核，在网络中是否有与在传输一组优先级别数据包时的要求相对应的资源提供使用。通过本发明可以避免资源瓶颈，特别是在网络入口和网络出口处的资源瓶颈。这样即可保证具有QoS级别的传输。

说明书

本发明涉及一种方法、一个网络、一个边界节点和一个服务器，用于在面向数据包的无连接网络中为具有QoS(服务质量)级别的至少有一个优选权级别的数据包的高效传输进行业务限制(Verkehrsbegrenzung)。

由于电信服务和数据服务的一体化，对交换技术和网络提出了一系列的要求。为了能够同样地适用于提供信息和商务通信，所使用的网络必须具有高的容量，在实时传输时必须准确可靠和保证高的安全。此外，还提出尽可能低的费用作为另一个条件。

现在，在很大的范围内的数据服务都是通过IP网(以国际互联网协议为基础的网)进行处理，这些网都是以面向数据包的，和-在IP层上-无连接地工作。路由器技术的进步导致IP路由器的开发，这些IP路由器使涉及所传输的数据业务容量和由于等候队列引起的延迟时间，原则上使实时的电信服务和广泛的宽带服务，例如在视频点播或电视会议均成为可能。

在IP网高利用率时会造成许多困难，此时，延迟时间呈指数地增加或数据业务过度地聚集在个别地段，因此，所有这些就起到了瓶颈作用并且使传输速度受到限制。

由于有这些困难在所希望的范围内使用传统的IP网时不可能保证高的服务质量—在文献中，通常可用“服务质量”(QoS quality ofservice)表示。

对此，下一步的发展就是能对服务质量作出较好的承诺、而且并不丧失IP网复杂性小、灵活性大的优点。

这种差动服务(Diff-Serv)模型就是建立在观察的基础上的、在IP网中的数据包的最佳效力(Best effort)处理，在保证服务质量时导致上述的困难。习惯上，数据包要按照可能性快速地和完整地传输，并不必给出关于传输的可靠性和安全性方面的保证。当网络高度地满载和超载时，由于数据包的延迟或丢弃从而降低了服务质量。

差动服务方案的目的在于通过引入服务级别为高质量要求的服务提供良好服务质量。与此相关，人们也经常谈论一种CoS(Class ofservice)模型。这种差动服务方案被写入由IETF所发表的2474和2475号RFC中。RFC的2638和2998号则处理方案的其他方面。在差动服务方案的范围内，借助一个DS(Dfferentiated Service差动服务)区在数据包的IP首标区内通过DSCP(DS code point差动服务代码点)参数的采用，开始用数据包业务的优先化。借助一个“per-hop”(“按路段”)资源分配来实现这种优先化，也就是说，包在节点上各按照在DS场中通过DSCP参数确定的服务级别(Class ofservice：服务级别)给予不同的处理。与此相关，人们使用术语按路段处理(PBH per hop behavior)。例如，在PBH过程中，鉴于在节点处等候队列的排队和一个一个地处理，较高的服务级别可以得到优先的处理。

采用差动服务方案工作的网络内的核心元件是DS子网络—在英语文献中常常以DS域或单个的路由选定域来表示—和DS边缘节点。在很多情况下，子网络相当于服务提供商的网络(服务提供商域)。在DS边缘节点中，人们区分DS入口节点(ingress node)和DS出口节点(egress node)。数据包通过一个DS入口节点进入DS子网络，并通过一个DS出口节点离开DS子网络。此时，DS边缘节点就可以把进入业务的DS入口节点的功能与把出去的业务的DS出口节点的功能结合起来。DS边缘节点的功能包括对应于DSCP参数选择数据包和借助DSCP参数标记数据包。此外，在DS子网络中存在着一种可能性，就是借助管理和控制数据业务(业务调节)设备采取控制措施，如数据流的测量、数据包在等候队列上进行分配或数据包的丢弃。这些控制措施在DS入口节点或DS出口节点处是经常被采用的。在业务调节范围内可以把数据包分类并与为相应服务级别所规定的业务特征(例如带宽，资源)进行比较。在偏离业务特征的情况下可以采取措施，如采取数据包排到一个等候队列中或丢弃数据包。

典型方法就是在一个DS子网络中将流和连接优先化。在DS入口节点中会通过DSCP参数的设置或变更为相应的DS子网络进行优先化。当节点在网络内(code node核心节点)时，DSCP参数被读入并给予安排相应的优先化资源。DSCP参数的解释和各个的内部节点的资源分配彼此独立地进行(按路段处理)。在出口节点处DSCP参数的变化在某种情况下在出口节点处使复原，就是说DSCP返回原来的数值。采用此方法时DSCP是局部地匹配亦即各按照子网络和子网络的性能匹配。

差动服务方案避免了路径或带宽的复杂的贮存步骤和允许数据通信的优先权。当越过许多子网络进行传输时，借助所谓的服务级别协议(英文缩写为：SLA)为总的传输确定了服务级别并且改变为在通信调节范围内的上述单一的子网络。但在实践中存在着时间上的和/或局部上的拥塞举例来说存在着数据通信集聚在个别地段。对于通常具有相同目的的数据包来说，从它们在一个节点上相遇的时刻算起，它们就开始服从相同的标定路径。因此在拥塞时，差动服务方案所担心的是就具有较低优先权的数据包首先产生延迟或断层。高优先权的数据包的传输质量将因此而改善，但质量标准例如实时传输的质量标准就不能得到保证。在差动服务方案的范围内，如果具有QoS级别传输的可能性，只有在给出了规定的质量允诺和规定的质量允诺可以保持的情况下、才得到保证时，那么在具有一种如此低负荷的子网络的通信面上，只有通过备用带宽才能够把负荷峰值阻拦住。但由经济的理由出发亦即由因此造成的较低的网络负荷出发，在通常情况下是不能这样做的。在此基础上进行与差动服务方案相关的估价时，人们都说CoS(服务级别)的估价而不说一种QoS(质量级别)的估价。

本发明的任务是使在包交换的无连接式工作的网络中、有QoS级别的数据包的高效传输成为可能。

此任务通过权利要求1、13、18和20的主题予以解决。

本发明针对一种高效的、有QoS能力的网络。此网络是以数据包交换和以面向连接工作的。这个方案对此网络来说包括如下三种考虑：

●在选择数据包路径和在其分配时，高效率要求灵活性。用动态改变或路径匹配可以阻止例如资源阻塞的形成。

●高的复杂性可被制止，其办法是，局部地，例如各由所涉及的路由器作出决策(例如关于路径、等候队列、数据包的丢弃等方面)。而非局部的情况或路径储备则予避免。关于通路决策则可视数据包或视连接或视业务流而定。此时，个别的数据包的分配是最为灵活的。

●为了保证QoS，需要精确的边界和关于网络负荷的监控。

本专利申请讨论第三方面。

通过按照本发明所述的许可性复查将审核，在网络中是否有与传输一组优先级别数据包时的要求相对应的资源可提供使用。按照本发明对要通过网络传导的至少有一个优先级别的数据包组进行许可性检查(Zulssigkeitsprüfung)。这些许可性检查包括与在网络入口和在网络出口处有关联的许可性检查，该许可性检查也可以在网络入口和网络出口进行。只有全部许可性检查均为肯定结果的数据包组才允许具有优先级别数据包的传输。反之，那些许可性检查之一为否定结果的数据包组则将另行处理(权利要求1)。

数据包组此时可以通过业务流数据包或通过在一个物理端口，例如在网络入口，聚集的数据包给出(权利要求2)。一个业务流对应于例如一个包括一个连接的数据包或包括具有同样一个地址信息的数据包流，例如所有具有这种来源或具有这种目的地的数据包的流(权利要求3)。

为了保证按照QoS级别进行传输，必须阻止网络总容量的过载和资源瓶颈的出现。从这种意义上说，在对要传输的数据包组进行许可性检查时可以按照例如平均数据速率和/或数据包速率、峰值速率等参数进行评估，并且可以检查对用所要求的服务质量传输的业务流来说，是否有足够的传输容量可供使用。此外通过许可性检查可以保证在入口侧和在出口侧有足够的资源(例如带宽、等候队列容量.....)可供使用(权利要求4)。

这种检查可能取决于数据包的优先级别或取决于具有同样的优先权或较高优先权的业务来进行(权利要求5)。例如要通过网络的多个入口只向同一个出口进行传输时，如果对出口侧的资源不进行许可性检查则在此出口处就会出现瓶颈。于是质量保证就不能履行，而且在最佳情况下只能一与在差动服务(Diff-Serv)方案中一样-允诺涉及业务流的优先化处理。

例如阈值就可以作为许可性检查结果是肯定时的判据，阈值取决于每次所用的网络入口和网络出口的容量、网络的总容量，所期望的质量或优先级别来被确定。举例来说，对于一个要按照优先权传输的数据包组将登记业务参数，如平均数据速率和/或数据包速率和峰值速率(权利要求7)。此外可登记所希望的优先权级别。另可替代地以参数或要求为基础确定优先权级别，例如这些参数和要求是最大损耗率和实时传输。

也可料想到，对于每个优先权级别都可在不同的评估参数的基础上得出很多阈值，这些阈值都是分别的或在相应的关系中彼此分离地得到遵守。在得出许可性检查为否定的结果时，就可拒绝数据包组传输(权利要求6)或用一个较低的优先权进行传输或进行没有优先化地传输。

在许可性检查的基础上可以按照所要求的质量特征的标准进行预留资源(例如带宽、等候队列)(权利要求8)。这些预留通常涉及到有关的网络入口和网络出口以及总的网络负荷(例如容量、在相应优先的等候队列中的处理)。

中央的为当时的业务流所登记的业务参数诸如传输速率的遵守应尽可能地监控，以便保证遵守网络负荷的界限值或阈值(权利要求9)。监控功能—对此，英文概念叫：Traffic enforcement and policing(业务强制和策略)在文献中经常可以遇到—就是以合理的方式把被质量特征要求所确定了的业务参数与相应的业务流的真实的业务参数进行比较。

未登记的数据包可以被去除(权利要求10)。此外，在网络入口处可以使用熟知的业务整形(traffic shaping)机构，如漏筒(leakybucket)或排筒(token bucket)等。可能的过载防止措施是：例如

●丢弃数据包

●标记数据包

●缓冲数据包

●转接或阻塞业务流

●把违反协议的数据包或总的所属数据流都转送到一个较低的优先权等级或转送到根据最佳效力方案的处理。

具有相应的优先权级别或业务级别的QoS级别的业务流进行传输的前提是优先权级别的相应处理。仅仅给总容量的一部分用优先化的业务加载是明智的。网络容量中的其他部分然后再用非优先化的业务予以加载。这些非优先化的业务然后可以用相应的最佳效力原则给以处理(权利要求12)。许可性检查然后可以限制在优先化的业务方面(权利要求11)。通过对优先化的业务的这种限制即可保证网络容量可被全部满负荷，并且负荷高峰对优先化业务并无负面作用。以非优先化的业务传输的质量等级然后就起到了类似优先化业务的缓冲器的作用。给有优先化的业务负荷设定界限的一种可能的处理方式，就是对每个优先权级别都给出一个固定的最大百分比的负荷，用于具有同样的或较高的优先权级别的业务。例如在具有两个优先权级别的一个网络中，对于具有较高的业务级别的业务可设定负荷的界限为30％，而对于较高的或较低的优先权级别的业务负荷的界限确定为60％。于是非优先化业务的负荷的最低容量保持在40％。

在传输数据包时如此就能保证优先权级别特有的质量特征，使按照QoS等级进行传输成为可能。对此，本发明方案由这样的考虑出发，面向当时的服务确定合适的服务质量(QoS)。例如在一定的范围内人类的感官可以加工不完整的信息，而不会导致主观的质量损失。为了进行机器的交互式控制(例如由机器人进行遥控)也许提出明显是高了一些的要求。此后，还应该采用相应的更精确的判据。因此可以与服务有关地定义保证QoS级别传输的判据或界限。在面向数据包的传输中涉及的这些判据尚有

●可能的信息丢失方式和范围

●固定的和/或可变的延迟

●信息的时间一致性(顺序)。

为了传输要通过网络传导的一个优先权等级的数据包组，按照本发明在网络入口处和网络出口处给网络配备了实施许可性检查装置(权利要求13)。在传输有QoS级别的优先化的数据包的意向下来设计。对此根据确定QoS判据或因素的界限值的标准进行设计(权利要求14)。按服务可以给出统计学概率最大值，采用这个最大值时即便是超过了确定QoS的因素，但也不会导致重要的质量损害。这些统计学概率最大值可能进入网络的设计(权利要求15)。

通过遵守网络的负荷界限—也许是在一种服务特定预先给出的统计学概率的范围之内—和遵守优先化的业务限制以及通过一种良好的业务分配和把业务限制在网络的入口和出口处或把它们限制在物理端口位置，就可以给出质量损失因素的统计学数值。借助这个统计学数值和它的方差就可以保证QoS服务。

在许多情况下，网络与一个单独的路由选择域相当或与一个服务提供商的网络(Service provider domain)相当合是有意义的(权利要求16)。采用这种方式可以将许可性检查的功能和监控容易地在网络中集成。网络的秘密功能数据不需要向外给出。在经很多单独的路由选择域或服务提供商网络传输时，由有关网的网络管理和在网络入口和网络出口进行的检查作出的担保可保下作为物证予以保存，通过按照本发明的许多彼此互相联系的网络和必要时与一个按照本发明的网络相连接的主机进行QoS等级的传输就有可能。这样，一个有QoS等级传输的互联网即可由例如各包括一个单独路由选择域的具有本发明功能的网络建成。此时如在传统的互联网的范围内，以面向IP的网络即可使用(权利要求17)，例如该网络可以将非优先化的业务按照与相应的最佳效力原则进行传输。

此时网络的边缘节点起着重要的作用，通过网络的边缘节点，数据业务到达有关的网络或重又离开该网络。通过对优先化业务在网络入口和网络出口处的资源进行的许可性检查，使在过渡网络传输时的服务质量得到保持。为了进行许可性检查，可以给边缘节点在网络入口或在网络出口处安装能够实施许可性检查的装置(权利要求18)。此外这些边缘节点可以具有监控功能的装置(权利要求19)。这种装置也可以另可选择地或补充在边缘节点中提供的功能，准备一个有许可性检查装置的服务器(权利要求20)和在某种情况下可以为了进行这种监控(权利要求21)在网络中提供位置。

下面图示出在实施例的范围内的本发明目标的两种方案。它们是

图1：通过本发明的网络进行数据传输的系统

图2：按照本发明的网络

图3：在一个本发明的网络中进行两个流的路径选择时不同路径的示意图

图4：在一个本发明的网络中进行具有相同终点的两个流的路径选择时不同路径的示意图

为了直观假定，本发明应用于通过IP网络IPN打电话的范围内—在这里人们说是语音通过IP(VoIP)。在此IP网络IPN中例如可以涉及一个互联网的单独路径选择域。打电话有实时要求。因此它所属的数据业务将予优先。本发明目标按其意义可应用于类似于数据业务优先化必不可少的所有其他服务。例如这样的服务可为电视点播、网络会议、多媒体应用等。

在图1示意示出了一个VoIP传输系统。经接入网络AN-A和AN-B(AN：Access Network)把电信终端设备TLN-A和TLN-B连接在一个公共网络上，这个网络包括IP网络IPN。在实施例两种方案的范围内将采用把终端设备TLN-A与终端设备TLN-B连接以便打电话。此时将服务层SL(SL：Service level)和网络层(NL：Network level)区分开，在图中是用点划线进行标识的。在服务层SL上进行建立通信连接和服务控制的信令SIG(VA，DS)(SIG(VA，DS)：建立通信连接和服务控制的信令)传送。为此目的把控制设备CCP-A和控制设备CCP-B(CCP：Call Control Point呼叫控制点)例如媒体网关控制器或交换设备与终端设备TLN-A和TLN-B的接入网络AN-A和AN-B连接起来。有效数据的传输在网络层NL上进行并且至少有一部分经过按照本发明的网络IPN(IPN：IP Net)。这个IPN网络是以面向包的方式和无连接方式进行工作的。把在打电话的范围内由终端设备TNL-A到终端设备TNL-B传输的有效数据包，到达经边缘节点IgNd(IgNd：Ingressnode入口节点)进入IPN网络并再次通过边缘节点EgNd(EgNd：出口节点)离开该网络。

在服务层SL上建立连接的过程中，由终端设备TLN-A经由接入网络AN-A向控制设备CCP-A传送连接的愿望。终端设备TLN-A根据例如姓名或根据地址信息予以验证。紧接着被呼叫的终端设备TLN-B或被分配的控制设备CCP-B被识别和定位。一般情况下由控制设备CCP-A把建立连接消息传送给控制设备CCP-B。在控制设备CCP-B中提取有关信息并在接入网络AC-B那里检查终端设备TLN-B的可用性以及询问有关信息。这个建立连接消息最后要由控制设备CCP-B送到控制设备CCP-A作为应答，并且把连接所必需的信息例如终端设备TLN-B的地址信息予以传送。紧接着在服务层SL上的连接建立就可以结束。在成功地建立连接后即可在网络层NL上交换有效数据。

在选用的例子中在实时的亦即具有QoS级别的语音信息作为有效数据被交换。为了QoS级别的传输按照本发明进行许可性检查。在这个许可性检查的范围内产生信令，例如在传输所希望的质量要求时，传输许可性检查的结果等。下面将把这个信令称为QoS信令。有两种不同的方案，各根据这个QoS信令在许可性检查范围内是在服务层SL上进行还是在网络层NL上进行。

按照本发明的方法在服务层SL上的QoS信令可以按下法进行：通过服务层的CCP-Ig和CCP-Eg控制设备，边缘节点IgNd和EgNd被识别，通过它们，有效数据就作为有效数据包被传输。在图2上所示的控制设备CCP-Ig和CCP-Eg可能，但不是必须与分配接入网络AN-A和AN-B的控制设备CCP-A和CC-P相同。

在一般情况下，在打电话时在服务层SL上在传信令时许多控制设备是参与的。然后这些控制设备却只从整个传输线路中的一段或只从一个分网上直接存取有效数据。控制设备CCP-Ig(CCP-Ig：在入口节点的呼叫控制点)和CCP-Eg(在出口节点的呼叫控制点)的特征在于，它们与边缘节点IgNd和EgNd就可以通信。这两个控制设备CCP-Ig和CCP-Eg在此也可以合在一起。

在图2上画出了另外的边缘节点。这些内部节点CoNd(CoNd：Corenode核心节点)都不是单独示出的。此外标出了一个控制服务器NCS(NCS：Network control server网络控制服务器)，通过它履行网络管理任务。

按照本发明的许可性检查NAC(NAC：Network admission control网络进入控制)均在网络入口处和网络出口处例如在边缘节点IgNd处或边缘节点EgNd处进行。通过服务层SL的控制设备CCP-Ig和CCP-Eg可以把在终端设备TLN-A和TLN-B之间打VoIP电话的要求转达给边缘节点IgNd和EgNd。这些要求除了可包括如带宽和QoS要求等有关的业务参数以外，还包括如针对许可性检查、安全性等方面的附加参数。在网络边界上得到的许可性检查结果将发信令给控制设备CCP-A和CCP-B。与许可性检查结果有关将A侧的有效数据的传输将被释放或被闭锁和在某种情况下寻找一种替代的有效数据传输的路由(在英文文献中也称作Bearer Redirection荷载改发)。许可性检查可以在服务层SL上建立连接以后或在连接建立期间进行。在连接建立期间许可性检查在某种情况下结果为否定时，此连接建立可以被中断。

在由网络层NL上发出QoS信令时，在服务层SL上的连接建立以后许可性检查才被推动。在服务层SL上建立成功的连接以后，在网络层NL上的QoS信令将被释放，并把有关的信息例如B侧的地址信息交付使用。这可以通过一个适当的消息由控制设备CCP-A通向一个在接入网络AC-A中定位设备，例如媒体网关实现。为了发QoS信令也可以由服务层SL例如由控制设备CCP-A提出一种程序结构例如一种JAVA小程序给在入口网络中的设备使用。借助于在服务层上服务建立的范围内被询问的地址信息和也许借助于下载的程序结构将由网络层上发送一个信令消息给B侧终端设备TLN-B或B侧的接入网络AN-B。通过这些和可能其它的信令消息将确立边缘节点IgNd和EgNd的位置和促使在边缘节点上进行许可性检查。许可性检查结果随后通过消息在网络层NL上向A侧的接入网络AN-A或A侧的用户TLN-A发信令。

除了在网络入口和网络出口进行许可性检查以外，一种涉及到网络总容量的许可性检查也被采纳。这种许可性检查也可例如在两个边缘节点IgNd和EgNd中的一个边缘节点处、分布于两个边缘节点IgNd和EgNd处、或者在一个为此在网络中设置的服务器处进行。

图3示意示出在一个按照本发明的网络中两个流的路径选择的不同道路。网络的边界通过虚线来表示。网络节点通过园形给出，此时这些代表边缘节点的圆形与虚线相交。用箭头示出各个流的可能的途径。虚线箭头涉及一个在边缘节点C处进入该网络并且传输到边缘节点D处的流的可能途径，在那里流的数据包重新离开该网络。通过实线箭头示出一个由边缘节点A向边缘节点B传送的流的可能途径。在大多数内部节点上有一个以上用于流的途径的被选方案或分支路。下面将对一个确定的流说明它的不同的可能选择的路段，这些可能选择的路段是从一个内部节点向最近的一个节点的路段，亦即把“下一个接力段(next hop)”作为在相应内部节点处流的分路扇形。在位于两个流的可能途径上的内部节点上给出，流的分路扇形是相等的i，是部分地分离的t或是分离的d。

可能的途径根据网络的参数如拓扑学、个别路段的容量、延迟时间等来确定。经过路径扇形的臂，经过该臂继续传输一个包或包组的判定将局部地与当时有效的业务参数有关。按这种方式达到网络相对均匀的负荷并且避免了负荷瓶颈。

在图4中与图3不同的是：现在两条流在边缘节点B处离开该网络。位于两条流的可能途径上的内部节点处，两条流的分布扇形完全相同，节点处的i说明了这点。分布扇形在业务控制范围内或业务整形(traffic shaping)范围内互相之间可能有所不同。但对于具有相同目的的几个流来说它们至少在相当大的程度上是相同的。通过按照本发明的许可性检查可以实现，使边缘节点B和与边缘节点从拓扑学角度上讲是邻近的内部节点都不会由于两条流到达的数据包而超负荷。当两条流都不可以按登记的参数传输时，举例来说有一条流就不允许。限制在网络入口处的许可性检查可能如图4所示布局中在边缘节点B处出现阻碍QoS保证允诺的瓶颈。