CN102546418B - 基于重叠网络多径传输的ims客户端及媒体交换方法 - Google Patents

Abstract

基于重叠网络多径传输的IMS客户端及媒体交换方法，IMS客户端可基于重叠网络进行多径实时媒体传输协商，若协商成功，可建立多条路径传输实时媒体，传输过程中可根据路径质量监测结果进行路径切换。实现IMS客户端实时媒体多径传输，可有效提升IMS通信中实时媒体网络传输性能。

Description

基于重叠网络多径传输的IMS客户端及媒体交换方法

技术领域

本发明涉及通信网络技术领域，特别涉及一种基于重叠网络多径传输的IMS客户端及媒体交换方法。

背景技术

传统网络会话一直使用会话开始前选定的单一路径进行数据传输，但随着通信网络的不断发展，网络接入方式的种类越来越多，个人计算机或手机都已经具备或可扩展为同时具有两条以上的网络连接，比如个人计算机可以同时选择多个网络服务提供商，通过多个网络地址接入网络；手机同时具有WIFI和3G上网条件，这些都为通信双方同时使用多条路径传输数据提供了便利条件。国内外很多研究组织和学者已经在利用多径传输数据方面做了大量的工作，但是当前的研究对于实时媒体多径传输还处于空白阶段，而随着交互式网络电视(Interactive Personality TV，IPTV)、网络音视频会话等应用的普及，实时媒体对传输性能的要求越来越高。目前在IMS(IP Multimedia Subsystem,IMS，IP多媒体子***)体系结构中，IMS客户端媒体交换仍然主要沿用传统只支持单径传输的路由和交换技术，在网络传输服务质量(Qos)约束条件下，已有网络条件无法满足多媒体通信不断增长的使用需求，除了需要运营商不断进行网络基础设施的扩容更新，更迫切需要研究和改进提高网络资源利用效率的媒体传输机制。

重叠网络(Overlay)的基本含义是在现有的IP传输网络之上构建一个完全位于应用层的网络***，其优势是可以充分兼容目前承载网络的路由和交换体系结构，而在应用层实现网络资源的组织和调度。会话初始化协议(Session Initiation Protocol，SIP)是当前主流的IP通信信令(即在电信网的两个实体之间，传输专门为建立和控制连接的信息)控制协议，并在IMS体系中广泛应用，其优势是将信令与媒体传输分别实现，而应用于媒体会话描述的会话描述协议(Session Description Protocol，SDP)提供了扩展SDP头部字段及添加标签的功能。通过在SIP通信消息中携带SDP报文，并对SDP协议进行扩展可以实现多径协商建立机制，为IMS客户端媒体传输提供多条路径，保证传输可靠性，提高传输速度，进一步改善媒体业务的用户体验。

为了实现多径传输，IMS客户端可以利用本身具有的多宿特性在重叠网络中建立多条传输路径，并根据路径质量监测结果随时切换或加入新路径。如图1所示，重叠网络中具有多宿特性的两个IMS客户端经过协商建立起3条传输路径，接下来IMS客户端就可以使用这些路径进行数据传输。

会话双方可通过发送网络探测分组实时监测当前使用路径的质量，并根据时延、丢包率、抖动中的一个或几个性能质量参数决定当前路径是否满足媒体传输的最低要求，如判断当前路径质量不满足媒体传输要求或路径已中断，则使用备用路径或尝试建立新的路径进行切换，比如图1中每个IMS客户端具有两个网络地址，这样就有4条可供选择的传输路径，当选择其中3条路径进行传输的过程中出现路径质量恶化或中断时，就可以尝试使用第4条路径进行传输。

现有的多径传输一般侧重于使用一条路径传输，而其他路径作为备用路径使用，这种方式没有考虑同时使用多条路径的传输能力，对传输性能的提高意义不大，另外采用这种方式传输的音视频媒体都是已经提前获得全部内容的媒体，这种媒体的时效性要求不高，使用的传输协议也有很大的局限性，大多需要对协议进行大的修改才可使***同时使用多条路径传输，而本发明侧重于传输要求高时效性的实时媒体，以SIP协议和SDP协议为基础加以实现，不影响默认使用单一路径的传统普通应用，充分利用多条路径的传输能力，必然会有效地提升实时媒体传输性能。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种基于重叠网络多径传输的IMS客户端及媒体交换方法，以达到实时媒体高效传输的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于重叠网络多径传输的IMS客户端，其包括多径协商单元、路径选择和切换单元、实时媒体数据划分单元和媒体数据缓冲重组单元，其中：

多径协商单元，用于通信双方根据归属域网络是否支持多径传输，确定是否使用多径传输；

路径选择和切换单元，用于维护当前使用的多条路径，监测路径的性能，根据路径质量是否满足实时媒体要求选择传输路径，并进行路径切换；

实时媒体数据划分单元，用于根据当前使用的路径数目及实时媒体有时间限制的特性，将媒体数据划分到多条传输路径，支持数据冗余传输；

媒体数据缓冲重组单元，用于从多条路径上接收数据，删除冗余数据，并在实时媒体满足用户实际需求的前提下按照数据先后次序重组媒体；

采用基于重叠网络多径传输的IMS客户端的媒体交换方法，该方法包括路径协商过程、路径选择切换过程、实时媒体数据划分过程和媒体数据缓冲重组过程，其中，

路径协商过程为：

a.发起方的IMS客户端向会话被叫方的IMS客户端发送包含本身所有网络地址的通信请求；

b.被叫方的IMS客户端收到请求后，根据归属域网络是否允许多径传输及自身网络地址数量，向发起方的IMS客户端发送响应，如不允许多径传输，则默认采用单一传输路径，如允许，则在响应中包含被叫方的所有网络地址，经过双方的协商从所有可能的路径组合中选取性能最优的多条路径作为传输路径；

c.如果由于会话任意一方归属域网络(CSCF)不允许使用多径传输而导致使用单一路径传输，在会话开始后，由归属域网络不支持多径传输的IMS客户端周期性地向归属域网络(CSCF)确认当前网络是否支持多径传输，一旦发现网络支持，即由首先发现的一方的IMS客户端，向另一方的IMS客户端发送申请建立新路径的请求，如对方同意，则添加新路径建立起多径传输；

d.如果使用多径传输过程中任意一方的IMS客户端出现新的可用网络地址时，可经双方协商尝试使用该地址建立新的传输路径；

路径选择切换过程为：

多径传输会话双方周期性地监测所有使用路径的性能，如果性能无法达到被传输媒体的质量要求，则择优选取其他路径进行切换；包括：周期地发送端到端的网络探测数据包，以测量路径的性能参数，包括时延、丢包率、抖动，并根据这些参数计算和预测每条路径的服务质量；对收到的网络探测数据包，立即从原路径回送一个网络探测响应数据包；根据用户指定的策略及路径质量，为每个业务选择最优的路径；当某个业务的媒体传输路径发送改变时，实现媒体流的无缝路径切换；

实时媒体数据划分过程为：

会话双方采用建立起来的多条路径传输实时媒体，每条路径分别传输媒体的一部分，实时媒体数据被划分到多条路径上冗余传输；

媒体数据缓冲重组过程为：

媒体数据在到达被叫方缓存后进行数据重组，被叫方的IMS客户端根据数据流号的先后次序重组后播放；

路径选择切换过程中所述的路径的性能包括：时延、丢包率和时延抖动。

发明优点：本发明基于多宿特性建立起多条路径传输实时媒体，路径建立后采用重叠网络路由分组，并根据路径质量评估策略选择不同传输路径进行切换，实现实时媒体的高效多径传输，提升了重叠网络中实时媒体的传输效率和服务质量。

附图说明

图1为本发明基于重叠网络多径传输的IMS客户端多路径传输机制原理图；

图2为本发明基于重叠网络多径传输的IMS客户端的总框图；

图3为本发明基于重叠网络多径传输的IMS客户端中路径选择和切换单元的框图；

图4为本发明基于重叠网络多径传输的IMS客户端与归属域网络(CSCF)、重叠网络之间的交互关系图；

图5为本发明采用基于重叠网络多径传输的IMS客户端的媒体交换方法中多径协商和建立实施例的流程图；

图6为本发明基于重叠网络多径传输的IMS客户端中路径选择和切换单元的流程图；

其中，501、多径协商单元502、路径选择和切换单元503、实时媒体数据划分单元504、媒体数据缓冲重组单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例采用的基于重叠网络多径传输的IMS客户端如图2所示，本实施例的发起方的IMS客户端与接收方的IMS客户端结构相同，均包括多径协商单元501、路径选择和切换单元502、实时媒体数据划分单元503、媒体数据缓冲重组单元504。

其中，多径协商单元501，用于完成整个多径协商建立过程。向归属域网络(CSCF)确认是否支持多径传输，向会话被叫方的IMS客户端发送多径传输申请或接收申请给出响应，以及当传输开始后某一方出现新的可用网络地址时，使用所述的可用网络地址建立新路径进行传输。

路径选择和切换单元502，用于周期性地发送网络探测数据包(ping数据包)确定当前使用路径的性能是否满足实时媒体传输质量要求，如不满足则在剩余路径中择优选取进行切换。

其中路径选择和切换单元又包括路径监测与评价单元、路径选择单元和路径切换单元。

图3给出了路径选择和切换单元的框图，其中，路径监测与评价单元601，用于周期地发送端到端的网络探测数据包(ping数据包)，以测量路径的性能参数，包括时延、丢包率、抖动，并根据这些参数计算和预测每条路径的服务质量。路径监测与评价单元601，还用于对收到的网络探测数据包(ping数据包)，立即从原路径回送一个网络探测响应数据包(pong数据包)；路径选择单元602，根据用户指定的策略及路径质量，为每个业务选择最优的路径。用户策略可选择音频质量优先、视频质量优先、音视频质量并重。选择的过程中，需要根据用户指定的策略及路径质量，对所有业务的传输路径进行调度，并计算出最优的路径组合；路径切换单元603，用于当某个业务的媒体传输路径发送改变时，实现媒体流的无缝路径切换。

实时媒体数据划分单元503，用于根据使用的媒体传输协议，将媒体数据划分到多条传输路径中，要求当可使用路径数大于3条时，择优选取其中3条进行冗余划分，任意2条路径的内容都可以在数据接收方恢复出原媒体数据。

媒体数据缓冲重组单元504，用于删除接收到的多径传输数据中的冗余数据，重组原数据，任何数据传输都不可避免会出现数据丢失，由实时媒体的特性决定，只要丢失数据不影响用户的体验效果即可。

本实施例给出基于重叠网络多径传输的IMS客户端媒体交换方法，图4为重叠网络IMS客户端与归属域网络(CSCF)之间、CSCF与策略决策功能(Policy Decision Function，PDF，PDF主要完成基于策略的业务控制和QoS控制，完成与应用服务器以及策略信息库的查询、交互等功能)之间的交互关系图。IMS客户端使用SIP协议向CSCF确认归属域网络是否支持多径传输，并通过在SIP消息体中包含的SDP内容与远端IMS客户端完成使用多径传输媒体的协商工作，并最终使用信令建立起客户端之间的媒体会话；同时处于重叠网络中的IMS客户端使用重叠网络路由协议与其他IMS客户端完成实时媒体的传输。

在多径传输建立阶段，会话发起方的IMS客户端根据归属域网络是否支持多径传输与被叫方的IMS客户端进行多径传输协商和建立，如建立成功则使用多径传输，如任意一方归属域网络不支持多径传输则采用传统的单一路径传输，另外当会话双方归属域网络由不允许多径传输转换为允许时，由归属域网络状态首先发生变化的一方发起建立多径传输；在多径建立的过程中，默认的单一路径按照传统方式存储在SDP消息中，其他网络地址采用标签扩展机制放置在SDP头部的后面，所述的标签扩展机制是指：为SDP协议中描述会话属性的a属性行添加一个新的会话属性，该会话属性包括数据传输使用协议、网络地址、端口三个数据项。

图5为会话双方多径协商建立过程，图中还包含会话主叫方的IMS客户端在多径建立一段时间后出现新的可用网络地址时，使用所述新的可用网络地址建立其他传输路径的过程，图5中INFO是SIP协议支持方法，用于传送会话相关的控制信息，这些信息是在会话过程中生产的，图中所指主要是会话双方的网络地址，其中INFO(1)和INFO(2)为多径建立时交换的网络地址，INFO(1)’和INFO(2)’为主叫方出现新的可用网络地址时双方交换新地址时涉及的相关信息，会话双方多径协商建立过程步骤如下：

步骤301：发起方的IMS客户端发送多径传输服务请求到归属域网络CSCF，并接收响应，该过程通过SIP协议中的OPTIONS类型请求(该请求允许IMS客户端查询服务器能力)实现，归属域网络(CSCF)针对OPTIONS请求会产生一个200OK的响应，该响应列出所述归属域网络(CSCF)的所有选项和能力，只需根据其他已有选项定义一个新的代表归属域网络是否支持多径传输的选项即可；

通过步骤301，发起方的IMS客户端了解归属域网络是否支持多径传输，如不支持，则使用传统单一路径传输数据；

步骤302：发起方的IMS客户端发送包含IMS客户端所在计算机的所有网络地址和端口的多径协商建立请求消息到被叫方的IMS客户端，通过SDP协议的标签扩展机制实现。使用SDP协议中描述会话属性的a属性行，定义新的代表其他网络地址的属性关键字，在其后的三个数据项分别代表数据传输使用的协议、网络地址、端口。该属性作为媒体m属性行(在SDP协议中主要用于描述传输的媒体类型、传输使用端口、使用的传输协议)的一个属性，而且同一m属性行可同时包含多个该属性，表示IMS客户端所在计算机上所有的网络地址；

本实施例中定义新的代表其他网络地址属性的关键字为alternate，具体格式如下：

a＝alternate:<数据传输使用的协议><网络地址><端口>

上式表示：将新定义的代表其他网络地址属性的关键字alternate赋值给SDP协议中描述会话属性的a属性行；其中alternate即为定义的新关键字，表示其他网络地址；

本实施例中发起方的IMS客户端发送的包含IMS客户端所在计算机的网络地址和端口的SDP多径建立请求消息格式如下所示：

(SDP协议的其他会话描述属性)

……

c＝IN IP[版本号]默认连接的IP地址

m＝audio port RTP/AVP RTP负载格式

a＝alternate:RTP IP1端口1

a＝alternate:RTP IP2端口2

……

式中，c为SDP协议中描述连接信息的属性，IN表示网络协议、IP4为网络地址类型、默认路径的IP表示连接的IP地址；

m描述了媒体信息的详细内容，表示会话的音频数据(audio)是通过实时传输协议(Real-time Transport Protocol，RTP)以RTP负载格式属性中描述的音视频传输条件参数(Audio Video Profile，AVP)传送，数据传送使用端口为port。

综上，与传统单径传输方式不同的是除了使用的默认网络地址外，由于IMS客户端本身可以拥有多个网络地址，又额外提供了两个可供建立连接的网络地址和端口。

步骤303：被叫方的IMS客户端接收到多径传输申请后，使用OPTIONS请求向归属域网络CSCF发出多径传输申请，并接收200OK响应。如被叫方归属域网络支持多径传输，则在响应中给出肯定的应答。

步骤304：被叫方的IMS客户端向发起方的IMS客户端发送多径建立协商响应消息，如被叫方也具有多个网络地址，使用SDP协议标签扩展机制将其具有的所有网络地址发送至发起方。

步骤305：发起方的IMS客户端出现了新的可用网络地址，如之前会话双方都已确定归属域网络支持多径传输，这时直接由发起方的IMS客户端发送添加网络地址请求给被叫方的IMS客户端，被叫方的IMS客户端收到请求后给出响应，之后就可以使用该地址建立传输路径。如原会话由于有任意一方归属域网络不支持多径传输而导致使用单一路径传输，则需要首先与归属域网络CSCF确定此时是否支持多径传输。

步骤306：根据会话双方具有的网络地址数及路径建立策略，从不同的网络地址组合中选取符合传输性能要求的路径建立起多条传输路径，并在传输开始后，周期性地监测所使用的路径性能，根据事先选定的QoS参数进行评估，当发现有路径质量下降或路径中断导致不能满足传输需求时，择优选择其他路径进行切换。

图6为路径性能评估和切换的过程示意图，包括以下三个步骤：

步骤401：路径性能测量：发起方的IMS客户端周期地发送网络探测数据包(ping数据包)测量所有使用路径的性能，包括时延、丢包率、抖动。

步骤402：路径性能的评估：发起方的IMS客户端根据获得的路径参数评估路径质量，参照实时媒体传输要求的时延、丢包率、抖动进行。

步骤403：路径选择和切换：IMS客户端根据步骤402获得结果从其他路径中选择最优路径进行切换。

在发起方的IMS客户端将实时媒体数据划分到多条传输路径中，保证传输数据的冗余性，任意两条路径的数据都能够恢复出原数据，并且根据实时媒体的特性保证能够区分时间范围内数据的先后次序；

在被叫方缓冲集中处理从多条路径成功接收的数据，去掉冗余数据，并根据时间次序恢复原数据，在保证满足实时媒体播放要求的前提下处理数据丢失情况，并将数据传递给应用。

Claims (2)

1.一种基于重叠网络多径传输的IMS客户端，包括路径选择和切换单元、实时媒体数据划分单元和媒体数据缓冲重组单元，其特征在于：还包括多径协商单元，其用于通信双方根据归属域网络是否支持多径传输，确定是否使用多径传输，完成整个多径协商建立过程；

其中，路径选择和切换单元，用于维护当前使用的多条路径，监测路径的性能，根据路径质量是否满足实时媒体要求选择传输路径，并进行路径切换；

所述路径选择和切换单元包括路径监测与评价单元、路径选择单元和路径切换单元；

所述路径监测与评价单元，用于周期地发送端到端的网络探测数据包，以测量路径的性能参数，包括时延、丢包率、抖动，并根据这些参数计算和预测每条路径的服务质量；所述路径监测与评价单元，还用于对收到的网络探测数据包，立即从原路径回送一个网络探测响应数据包；所述路径选择单元，根据用户指定的策略及路径质量，为每个业务选择最优的路径；所述路径切换单元，用于当某个业务的媒体传输路径发送改变时，实现媒体流的无缝路径切换；

实时媒体数据划分单元，用于根据当前使用的路径数目及实时媒体有时间限制的特性，将媒体数据划分到多条传输路径，支持数据冗余传输；所述将媒体数据划分到多条传输路径，要求当可使用路径数大于3条时，择优选取其中3条进行冗余划分，任意2条路径的内容都可以在数据接收方恢复出原媒体数据；

媒体数据缓冲重组单元，用于从多条路径上接收数据，删除冗余数据，并在实时媒体满足用户实际需求的前提下按照数据先后次序重组媒体。

2.采用权利要求1所述的基于重叠网络多径传输的IMS客户端进行媒体交换的方法，其特征在于：包括路径协商过程、路径选择切换过程、实时媒体数据划分过程和媒体数据缓冲重组过程，其中，所述的多径协商单元的多径协商过程步骤如下：

a.发起方的IMS客户端向会话被叫方的IMS客户端发送包含本身所有网络地址的通信请求；

b.被叫方的IMS客户端收到请求后，根据归属域网络是否允许多径传输及自身网络地址数量，向发起方的IMS客户端发送响应，如不允许多径传输，则默认采用单一传输路径，如允许，则在响应中包含被叫方的所有网络地址，经过双方的协商从所有可能的路径组合中选取性能最优的多条路径作为传输路径；

c.如果由于会话任意一方归属域网络不允许使用多径传输而导致使用单一路径传输，在会话开始后，由归属域网络不支持多径传输的IMS客户端周期性地向归属域网络确认当前网络是否支持多径传输，一旦发现网络支持，即由首先发现的一方的IMS客户端，向另一方的IMS客户端发送申请建立新路径的请求，如对方同意，则添加新路径建立起多径传输；

d.如果使用多径传输过程中任意一方的IMS客户端出现新的可用网络地址时，可经双方协商尝试使用该地址建立新的传输路径；

所述的路径选择切换过程为：会话双方采用建立起来的多条路径传输实时媒体，每条路径分别传输媒体的一部分，实时媒体数据被划分到多条路径上冗余传输；包括：周期地发送端到端的网络探测数据包，以测量路径的性能参数，包括时延、丢包率、抖动，并根据这些参数计算和预测每条路径的服务质量；对收到的网络探测数据包，立即从原路径回送一个网络探测响应数据包；根据用户指定的策略及路径质量，为每个业务选择最优的路径；当某个业务的媒体传输路径发送改变时，实现媒体流的无缝路径切换；

所述的实时媒体数据划分过程为：

会话双方采用建立起来的多条路径传输实时媒体，每条路径分别传输媒体的一部分，实时媒体数据被划分到多条路径上冗余传输；

所述的媒体数据缓冲重组过程为：

媒体数据在到达被叫方缓存后进行数据重组，被叫方的IMS客户端根据数据号的先后次序重组后播放。