CN101610407A - 以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法 - Google Patents

Abstract

一种将以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，将网络数据与数字电视视频流数据格式进行相互转换，即IP包与MPEG－2 TS流的相互转换；嵌入式处理器中采用双缓冲架构和单缓冲架构的结合，配置开机运行脚本，在两种架构中切换；双缓冲构架在IP处理层在均匀流量的同时采用多个线程对每个缓冲区进行处理；单缓冲构架是在驱动程序态采用数据缓冲的形式；在嵌入式***的上层应用程序中采用自适应邻接表法，自动获取各自网段中的邻接表并发送给对端进行交换；通过IP包封装线程和TS解封线程实现IP和TS格式的互相转换；在嵌入式***中通过TS接收线程和TS发送线程执行完全的逆功能。可以在无线设备两侧使用同一网段或者不同网段的IP地址进行工作，实现远距离的双向或单向传输。

Description

以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法

技术领域

本发明涉及一种网关实现方法，特别涉及一种基于地面数字电视信道进行IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)传输的嵌入式网关的实现方法，又称IP over TS(Transport Stream，传输流)网关。用于无线互联网传输。可实现同网段、跨网段的单工、双工传输。支持UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)及TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)。

背景技术

从互联网的构架来看，物理层链路的发展现状决定了互联网的发展趋势，物理层协同数据链路层规定了数据传输的链路特性、传输速率、封装方式和差错控制等。随着数字电视网络技术的发展，基于数字电视网络链路的互联网数据传输的研究成为当前互联网物理层链路研究的热点。基于数字电视网络的互联网数据传输的主要目的是通过利用现有的数字电视网络来传输IP数据。

因此亟待开发出一种新的以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，以解决在无线设备两侧使用不同网段的IP地址进行工作的问题。通过匹配TS流接口，进行无线传输。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，在无线设备两侧使用不同网段的IP地址进行工作。采用新的IP数据包和TS数据包的封装和解封装方法，匹配TS流接口，通过TS调制解调器实现远距离、高数据率的双向及单向传输。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种将以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，使用与以太网连接的嵌入式处理器，包括以下步骤：

1.1.将网络数据与数字电视视频流数据格式进行相互转换，即IP包与MPEG-2TS流的相互转换；

1.2.所述的嵌入式处理器中采用双缓冲架构和单缓冲架构的结合，配置开机运行脚本，在两种架构中切换；其中双缓冲构架是在IP处理层通过两个缓冲区均匀流量，在均匀流量的同时采用多个线程来对每个缓冲区进行处理；单缓冲构架是在驱动程序态采用的数据缓冲方式；

1.3.在嵌入式***的上层应用程序中采用自适应邻接表法，自动获取各自网段中的邻接表并发送给对端进行交换；

1.4.通过IP包封装线程和TS解封线程实现IP和TS格式的转换；

1.5.在嵌入式***中通过TS接收线程和TS发送线程执行完全的逆功能。

前述的1.3中的自适应链表法包括以下步骤：

2.1***开机，向全网段内发送地址解析协议数据包，在一定的时间内将收到地址解析协议回复的主机IP地址记录入存根；

2.2***两端交换存根，并将交换后的存根进行散表映射；

2.3如果有主机上线，主机将发送一个地址解析协议消息确保IP地址不冲突，***查找对端IP地址列表，如果此IP地址可用，则将该IP地址加入地址列表存根并且准备发送修改消息至对端；如果此IP地址不可用(对端存在该IP地址)，则***回复该地址解析协议消息表明此IP不可用(IP地址存在冲突)；

2.4***每隔数分钟向网络中的每台主机广播地址解析协议数据包用来轮询下线的主机同时修改存根，将修改操作发至对端网络。

前述的1.4中的IP包封装线程和TS解封线程包括以下步骤：

3.1IP包封装成TS流数据包；首先，从IP发送队列中获取IP数据包，如果没有获取到IP数据包，则继续获取；线程的等待和挂起由操作***来决定，当获取到一个IP数据包时，开始进入IP封装为TS线程；循环调用封装线程直到完全将IP数据包重新打包为TS数据包；打包完成的TS数据包将送入TS发送队列等待TS发送线程处理；

3.2TS流数据包解封为IP包；TS解封装线程从TS接收队列中循环读取TS帧；如果TS帧为包含有IP数据包的第一个TS帧时，开始循环调用TS解封装线程直到获取完整的IP数据包；当得到完整的IP数据包时，通过发送套接字接口发送IP数据包。

前述的1.5中的TS发送线程和TS接收线程包括以下步骤：

4.1.TS发送线程和IP封装为TS线程具有相同的属性，均为从线程的创建开始工作直到主线程退出或***异常；TS发送线程循环从TS发送队列中读取已经封装好的TS帧，然后调用驱动程序将TS帧送入驱动程序直到成功完成后返回；

4.2.TS接收线程和TS发送线程执行完全的逆功能，TS接收线程循环从内核中获取数据，如果成功获取到TS数据并判定其标志位符合IP数据包的发送规则，则将数据放入TS接收队列，待TS解封装线程读取。

本发明一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

嵌入式处理器中的程序采用了双缓冲架构和单缓冲架构的结合使用。双缓冲构架是在IP处理层通过两个缓冲区来均匀流量的。在均匀流量的同时采用多个线程来对每个缓冲区进行处理，尽可能提高***效率。节省了***线程调度的开销，同时节省了对缓冲区上锁和解锁等待的开销。

在地址解析机制中创新的使用了自适应邻接表法。该方法基于邻接表法，但它解决了邻接表法中缺乏灵活性的问题。自适应邻接表法不再需要手动统计IP地址和编辑邻接表。它自动获取各自网段中的邻接表并发送到对端进行交换，特别适合对移动设备和临时设备提供无线网络接入。同时自适应邻接表法也避免了发送过多的地址信息数据而占用有效数据带宽。

附图说明

图1为本发明的***框图；

图2(a)嵌入式处理器中主线程流程图；

图2(b)为IP封装为TS线程流程图；

图2(c)为TS发送线程流程图；

图2(d)为TS接收线程流程图；

图2(e)为TS数据解封装为IP数据流程图以及IP数据发送流程图。

图3为单缓冲***软件流程图；

图4为改进型TS包封装过程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的实施例做进一步的说明：

从宏观角度看，本发明具有独立的收发通路，具有全双工和单工的工作方式。对于从IP包转化成TS流数据的方向来说，嵌入式处理器的工作是获取IP数据包，根据本发明自订协议将IP包转化为TS数据包，并将其存入缓冲区内。然后接口控制器从缓存中读取TS流数据，并以TS流标准时序发送给TS调制器。对于从TS流数据转化成IP的方向来说，接口控制器首先以TS流标准时序抓取TS解调器送来的数据，并将其存入缓存中。然后嵌入式处理器负责将TS数据还原成IP包并发送到网络中。

对于协议转换网关来说，***对输出和用户输入配置的要求相对应一般的应用程序较小。因此，整个软件的构架围绕数据流的传输和***性能最优化进行。***的数据流程决定了软件的流程。因此整个***软件分为两部分。第一部分是处于用户态或内核态的网络处理程序，主要负责ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)协议的处理和IP数据包的获取，同时内部开辟新线程来处理IP数据和TS数据的相互封装。第二部分是通过缓冲区和中断来完成的接口控制器驱动部分。这一部分可以看成是一个TS流的收发装置，专门用来处理和外部调制解调器接口的匹配问题。***结构框图如图1所示。

***的软件结构由IP数据和TS数据的流向来决定，在每一个单端的程序中，需要同时考虑发送和接收的问题。又因为以太网接口和TS接口的数据速率不匹配，同时，IP数据由于存在拥塞等问题，可能会导致短时间内接收到的数据包过大和过多而导致数据丢失，因此需要用缓冲***来均匀数据传输。

嵌入式处理器中的程序采用了双缓冲架构和单缓冲架构的结合使用。双缓冲构架是在IP处理层通过两个缓冲区来均匀流量的。在均匀流量的同时采用多个线程来对每个缓冲区进行处理，尽可能提高***效率。软件流程如图2(a)-(e)所示。单缓冲构架只是在驱动程序态采用数据缓冲的策略。在这种策略下，节省了***线程调度的开销，同时节省了对缓冲区上锁和解锁等待的开销。单缓冲的程序流程图如图3所示。

在地址解析机制中创新的使用了自适应邻接表法。该方法基于邻接表法，但它解决了邻接表法中缺乏灵活性的问题。自适应邻接表法不再需要手动统计IP地址和编辑邻接表。它自动获取各自网段中的邻接表并发送到对端进行交换，特别适合对移动设备和临时设备提供无线网络接入。同时自适应邻接表法也避免了发送过多的地址信息数据而占用有效数据带宽。自适应邻接表法如下：

(1)***开机，IP over TS设备向全网段内发送ARP数据包，在一定的时间内(10s)将收到ARP回复的主机IP地址记录入存根。

(2)IP over TS两端交换存根，并将交换后的存根进行散表映射。

(3)如果有主机上线，主机将发送一个ARP消息确保IP地址不冲突。IP over TS***查找对端IP地址列表，如果此IP地址可用，则将该IP地址加入地址列表存根并且准备发送修改消息至对端。如果此IP地址不可用(对端存在该IP地址)。则IP overTS***回复该ARP消息表明此IP不可用(IP地址存在冲突)。

(4)IP over TS***每隔10分钟向网络中的每台主机广播ARP数据包用来轮询下线的主机同时修改存根，将修改操作发至对端网络。

通过上述四个步骤，IP over TS***就可以知道任意时刻网络两端的地址信息并确认是否欺骗，转发数据包。

TS的标准格式由MPEG2(Motion Picture Experts Group，动态图像专家组)制定。其中PID(特性标号)位规定了传输流中的数据类型。PID是在TS帧头中预留的13比特数据。对于第一次存根交换和IP数据交换，采用指定PID用来标识。如果要添加或删除一台主机信息，PID的生成规则如下：

PID  0b00000 0000 0000

添加：0b00001 xxxx xxxx；其中xxxx xxxx表明主机地址。

删除：0b00010 xxxx xxxx；其中xxxx xxxx表明主机地址。

在这种PID出现的情况下，TS中的数据只有两种类型：一种是带有IP数据的载荷数据包，另一种是单纯发送修改消息的数据包。这两种包可以通过IP封装算法来进行区分。同时考虑到A类和B类地址的问题，通过子网掩码的运算来确定多少个TS修改帧决定一台主机地址。A类地址需要三个TS帧来表明对一个主机地址的修改，B类地址需要两个TS帧，C类地址需要一个。

自适应邻接表法需要两个原始socket(套接字)来协同工作。ARP socket用来处理ARP相关的所有消息。IP socket用来捕获发往该MAC(Media Access Control，媒体访问控制)地址的所有数据包。同时，和邻接表法一样，自适应邻接表法由于在无线信道传输的过程中剔除了MAC层帧头信息，这样在无线信道中每传送一个IP数据包就可以节省14个字节的流量，进一步提高了***信道的有效利用率。

4.针对ULE算法中存在6个字节的冗余信息，本发明提出的TS包封装算法将冗余信息剔除，将PDU(可封装的数据单元)打包成自定义的SNDU(子网数据单元)。由于IP over TS***无线信道传输的数据只包含IP数据。因此无需额外的信息位来指明传输的数据类型。整个SNDU的构成如图下表所示。

类型：0x00表明IPv4数据。

0x11表明IPv6数据。

0x10和0x01为保留。

长度：指示IP数据报的长度。可表达长度为2-14，远大于以太网最大传输单元。

IP数据包：嵌入式处理器捕获的IP数据包。

封装的整个过程就是将SNDU数据打包成具有固定长度184字节的净负载。同时辅助利用TS帧中的特殊位来封装一个完整的IP数据。

下面结合流程图叙述一下处理器的工作。如图2(a)所示，主线程在开始时创建网络层接收socket，同时创建网络层发送socket。因为不论接收socket还是发送socket都工作在独立的线程。为了避免过多的加锁而损失***性能，因而分别创建接收socket和发送socket来独立的处理接收和发送事务。当接收socket和发送socket创建完成后，***将创建封装器。之后，主线程开始循环调用socket接收函数来获取网络层IP数据包。当有IP数据包被成功捕获时，将捕获的IP数据包送入IP接收队列等待处理。

如图2(b)所示，IP封装为TS线程在线程创建后循环执行下列任务知道***异常或线程退出。首先，封装算法从IP发送队列中获取一个IP数据包，如果没有获取到IP数据包，则继续获取。线程的的等待和挂起由操作***来决定。当获取到一个IP数据包时，开始进入IP封装为TS算法。循环调用封装算法直到完全将IP数据包重新打包为TS数据包。打包完成的TS数据包将送入TS发送队列待TS发送线程处理。

TS发送线程和IP封装为TS线程具有相同的属性，它们都是从线程的创建开始工作知道主线程退出或***异常。如图2(c)所示，TS发送线程循环从TS发送队列中读取已经封装好的TS帧，然后调用驱动程序将TS发送帧送入驱动程序知道成功完成后返回。

TS获取线程和TS发送线程执行完全的逆功能，TS获取线程循环调用读取函数从内核中获取数据，如果成功获取到TS数据并判定数据有效，则将数据放入TS接收队列，待TS解封装为IP线程读取。此过程如图2(d)所示。

如图2(e)，TS解封装线程从TS接收队列中循环读取TS帧。如果此TS帧为包含有IP数据包的第一个TS帧时，开始循环调用TS解封装算法直到获取完整的IP数据包。当得到完整的IP数据包时，通过发送socket接口发送IP数据包。至此，数据包在用户层的所有调用已经完结。

如图4所示，其中1指示的是一个IP包，2指示的是这个IP包被拆分成的TS帧中的第一帧，3指示的是这个IP包被拆分成的TS帧中的第二帧，4指示的是这个IP包被拆分成的TS帧中的第N帧。TS流帧的封装及解封算法具体实施方法如下：

(1)从SNDU截取前184字节的数据，构成TS流的第一帧。设定TS帧头的起始帧标志位，设定帧PID为0x177，TS帧头计数器设定为1。SNDU记录长度减去182。

(2)判断SNDU长度为，如果小于等于0，算法退出。如果大于0，执行(3)。

(3)从SNDU截取前184字节的数据，构成TS流的其它帧，设定帧PID为0x177，TS帧头计数器设定位上个帧计数器加1。SNDU长度减去184。转入(2)执行。

解封装的算法描述如下：

(1)判断TS帧头信息，帧ID如果不是0x177舍弃，如果TS帧头数据起始位被设定，开始从此帧中读取IP数据包长度。将其它数据存入缓冲区。

(2)如果IP数据包长度小于182字节，程序退出。如果大于182字节，接收下一个TS帧，判断PID为0x177。判断TS帧头计数器，如果不满足加1规则，丢弃该帧，并释放IP数据缓冲区。如果TS帧头计数器满足加1规则，则接收此帧，IP数据长度加184。判断读取长度小于接收到的数据长度，程序退出，反之，循环执行(2)。

Claims (4)

1、一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，使用与以太网连接的嵌入式处理器，其特征在于：包括以下步骤：

1.1.将网络数据与数字电视视频流数据格式进行相互转换，即IP包与MPEG-2 TS流的相互转换；

1.2.所述的嵌入式处理器中采用双缓冲架构和单缓冲架构的结合，配置开机运行脚本，在两种架构中切换；其中双缓冲构架是在IP处理层通过两个缓冲区均匀流量，在均匀流量的同时采用多个线程来对每个缓冲区进行处理；单缓冲构架是在驱动程序态采用的数据缓冲方式；

1.3.在嵌入式***的上层应用程序中采用自适应邻接表法，自动获取各自网段中的邻接表并发送给对端进行交换；

1.4.通过IP包封装线程和TS解封线程实现IP和TS格式的转换；

1.5.在嵌入式***中通过TS接收线程和TS发送线程执行完全的逆功能。

2、根据权利要求1所述的一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，其特征在于：所述的步骤1.3中的自适应链表法包括以下步骤：

2.1***开机，向全网段内发送地址解析协议数据包，在一定的时间内将收到地址解析协议回复的主机IP地址记录入存根；

2.2***两端交换存根，并将交换后的存根进行散表映射；

2.3如果有主机上线，主机将发送一个地址解析协议消息确保IP地址不冲突，***查找对端IP地址列表，如果此IP地址可用，则将该IP地址加入地址列表存根并且准备发送修改消息至对端；如果此IP地址不可用，则***回复该地址解析协议消息表明此IP不可用；

2.4***每隔数分钟向网络中的每台主机广播地址解析协议数据包用来轮询下线的主机同时修改存根，将修改操作发至对端网络。

3、根据权利要求1所述的一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，其特征在于1.4中的IP包封装线程和TS解封线程包括以下步骤：

3.1 IP包封装成TS流数据包；首先，从IP发送队列中获取IP数据包，如果没有获取到IP数据包，则继续获取；线程的等待和挂起由操作***来决定，当获取到一个IP数据包时，开始进入IP封装为TS线程；循环调用封装线程直到完全将IP数据包重新打包为TS数据包；打包完成的TS数据包将送入TS发送队列等待TS发送线程处理；

3.2 TS流数据包解封为IP包；TS解封装线程从TS接收队列中循环读取TS帧；如果此TS帧为包含有IP数据包的第一个TS帧时，开始循环调用TS解封装线程直到获取完整的IP数据包；当得到完整的IP数据包时，通过发送套接字接口发送IP数据包。

4、根据权利要求1所述的一种以太网数据与数字视频流转换的网关实现方法，其特征为在于：所述的1.5中的TS发送线程和TS接收线程包括以下步骤：

4.1.TS发送线程和IP封装为TS线程具有相同的属性，均为从线程的创建开始工作直到主线程退出或***异常；TS发送线程循环从TS发送队列中读取已经封装好的TS帧，然后调用驱动程序将TS帧送入驱动程序直到成功完成后返回；

4.2.TS接收线程和TS发送线程执行完全的逆功能，TS接收线程循环从内核中获取数据，如果成功获取到TS数据并判定其标志位符合IP数据包的发送规则，则将数据放入TS接收队列，待TS解封装线程读取。

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