CN106130833B - 基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法及装置 - Google Patents
基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于Inter‑MAC层的家庭网络融合方法及装置，在MAC层和网络层中间定义为各种家庭网络MAC层之间融合提供统一架构的Inter‑MAC层；Inter‑MAC层支持MAC层帧交换和链路调度，实现各个底层技术之间的无缝集成；进一步包括：拓扑发现模块、认证模块、桥接模块、协议适配模块、接口配置模块、链路调度模块、链路复用模块。本发明聚合可用的带宽和促进无缝集成，能够简化设置，例如，消除了用户访问每一个链接都需要输入不同的密码的必要。同时，简化新设备网络接入、建立安全连接、扩展网络覆盖和提供包括发现、路径选择和服务质量(QoS)谈判的先进网络管理等功能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法及装置。
背景技术
在过去的十几年中，超过十亿家庭网络设备已经部署在市场上，家庭网络的数据流量呈现出***式的增长，家庭网络技术已经成为网络服务提供演变中最新的前沿。用于建设和升级家庭接入网的支出不断增加，各种接入网络重复多重覆盖，却仍无法实现家庭网络全面的覆盖。
现有的不同家庭接入网设备之间互联互通性差，接入网的认证过程复杂，终端设备在接入网之间的无法自动切换，这严重影响家庭用户的体验。此外，不同家庭接入网之间无法共享带宽能力，各种家庭接入网技术的带宽利用率很低，因此任何提议的解决方法必须能与已部署网络互操作。在这个情况下，寻找一种适合移动互联网的高性能和低费用的家庭网络融合方法显得相当重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法及装置，旨在解决现有的不同家庭接入网设备之间互联互通性差，接入网的认证过程复杂，终端设备在接入网之间的无法自动切换，不同家庭接入网之间无法共享带宽能力，带宽利用率很低的问题。
本发明是这样实现的，一种基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法包括：
发现邻居设备，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的对应CAM表，进行周期的更新；
家庭网络中家电设备提供准入控制，进行家庭网络的认证；
Inter-MAC的认证模块支持用户的接入认证和接入记录；对于不同的底层接入，Inter-MAC层支持统一的认证，不同技术的接入链路时，具有相同的认证密码。在一个较短的时间内，离线的用户设备重新通过相同或者不同底层链路技术接入时，不需再次要输入认证密码，直接允许入网，除非之前主动申请过下线。Inter-MAC的认证模块大大简化了家庭网络的认证过程。
数据在不同底层互连链路接口之间无缝传输，将各个不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网；
连接不同家庭网络接入，对不同类型接入协议进行适配、帧分片和重组；
家庭网络中各种接入媒质的传输特性不同，允许传输帧的最大长度不同，协议适配模块必须根据不同传输技术进行帧分片和重组。具体而言，Inter-MAC层发送或转发的某个帧大于底层链路最大帧长限制时，将这个帧根据底层链路最大帧长分割成多个小的帧分片。接收端Inter-MAC层接收到这些帧分片后，进行该帧的重组，当接收到所有帧分片后，将该帧传给网络层或者进行转发。
底层接口的通信；
多流接入负载均衡、可选的流量控制和网络切换；
负载均衡，对于多流接入的装置将数据内容分配到多条底层链路上，避免出现一条链路拥塞，而其他连接链路容量占用率很低，以至导致拥塞的情况。具体而言，在收发节点间存在多条链路同时连接的情况下，根据负载均衡算法均衡分配数据，使每条链路都以较高容量占用率工作，负载均衡算法同时考虑用户服务类型、业务的QoS需求、用户优先级和当前的链路负载、链路信道质量和干扰情况等因素，分配给用户相应的链路资源，以保证用户QoE(Quali ty of Experience)，实现家庭网络更高的可靠性和更低的延迟。
来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，即将底层多条链路的上行数据进行复用融合为一条链路，融合的数据帧统一经过网络层送至多接入终端的网络层；
来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，将数据帧按照分配策略分发到一至多条底层链路进行转发。分配策略根据用户服务类型、业务的QoS需求、用户优先级、当前的链路负载和链路信道质量等进行综合决策。
进一步，所述协议转换步骤如下：
步骤一：初始化接口，根据接口类型加载协议转换驱动；
步骤二：接口监听等待是否接收到MAC帧，分析接收到的MAC帧是上行数据还是下行数据类型，根据数帧类型存入对应的上行接收缓冲区和下行接收缓冲区，如果未收到帧就一直循环监听等待；
步骤三：从缓冲区中去读取未转换的协议帧数据，按驱动配置中协议对应的格式进行转换；对帧解封装和重新封装，上行缓冲区的帧转化为以太网帧格式，下行缓冲区的帧转化为特定的非以太网帧格式；
步骤四：将转换后的帧存入上下行发送队列，等待发送；
步骤五：重复步骤二，继续等待监听；
步骤六：直到退出程序。
进一步，所述流量控制采用PAUSE帧，PAUSE帧实现流量控制的流控方法如下：
(1)设计上下门限，上限防止缓冲区不会出现溢出，下限使缓冲区的数据发送不会暂停；
(2)当达到缓冲区上限时，发送参数非零的PAUSE帧来暂停帧发送；
(3)当缓冲区到达下限时，需要发送参数为零的PAUSE帧来结束流控；
(4)在准备发送帧阶段，数据帧的发送优先级低于PAUSE帧；
(5)当缓冲区达到上限或者在暂停时间结束后缓冲区仍然达到上限，发送参数非零的PAUSE帧；
(6)根据缓冲区是否有完整帧并且是否有暂停时间，决定是否进行数据帧发送；
(7)在暂停时间内缓冲区达到下限时，发送参数为零的PAUSE帧；
(8)其他情况下都禁止数据帧和PAUSE帧的发送。
进一步，所述网络切换中由WIFI网络切换到LTE蜂窝网络的流程如下：
步骤一：在接入家庭融合网关的WIFI网络时，多模终端物理层对WIFI网络和蜂窝网络信号强度进行实时测量上报；
步骤二：家庭融合网关根据测量上报的实时信息进行分析和判决，当发现WIFI信号强度小于固定阈值时，触发切换；
步骤三：家庭融合网关基于测量上报的信息，比较各个蜂窝基站之间的切换代价函数，选择最小的蜂窝基站进行切换；否则，执行步骤二；
步骤四：家庭融合网关向选中切换的蜂窝基站发送切换请求；
步骤五：选中的蜂窝基站向家庭融合网关进行应答，如果可以切换，同时进行链路资源的分配；否则，执行步骤二；
步骤六：家庭融合网关收到可以切换的应答，向服务网关发起双播请求；否则，执行步骤二；
步骤七：家庭融合网进行切换控制，向终端发送出切换命令，同时向服务网关发起双播释放请求，服务网关更新路由表；
步骤八：多模终端通过蜂窝基站和服务网关进行数据交互，切换完成。
进一步，所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法包括以下步骤：
(1)网络初始化，驱动融合装置的所有底层接入链路，实现底层接口的正常通信；
(2)提取底层接口的MAC层参数，统计各个MAC层的通信能力，实现多流接入负载均衡的功能、可选的流量控制功能和网络切换功能；
(3)家庭网络设备接入基于Inter-MAC家庭融合网络时，通过认证进行准入认证；
(4)进行邻居设备发现，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的映射表，并进行周期的更新；
(5)当家庭网络设备的一条QoS数据流请求到达时，根据统计的链路信息、拓扑信息和QoS需求，为QoS数据流进行链路配置，选择合适的路径转发；
(6)对需要转发的不同类型接入协议QoS数据流，进行协议类型转换，实现不同传输技术间传输帧的分片和重组；
(7)基于路径选择结果，根据选择的路径进行数据的转发，实现底层互连链路接口之间无缝传输，进行流量的控制；
(8)对于多接入终端设备，对QoS数据流进行上行复用和下行解复用功能，上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一送至多接入终端的网络层；下行解复用，将来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，进行链路配置，将数据帧分配到1至多条底层链路进行转发；
(9)终端设备在家庭WIFI网络和蜂窝网络之间切换时，通过切换控制实现WIFI网络和蜂窝网络的无缝融合。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法的家庭网络融合装置，所述家庭网络融合装置在MAC层和网络层中间定义为各种家庭网络MAC层之间融合提供统一架构的Inter-MAC层；Inter-MAC层支持MAC层帧交换和链路调度，实现各个底层技术之间的无缝集成。
所述家庭网络融合装置进一步包括：
拓扑发现模块，用于发现邻居设备，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的对应CAM表，并进行周期的更新；
认证模块，用于为家庭网络中家电设备提供准入控制，简化家庭网络的认证过程；
桥接模块，用于实现网桥功能，支持数据在不同底层互连链路接口之间无缝传输，将各个不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网；
协议适配模块，是连接不同家庭网络接入的桥梁，用于对不同类型接入协议进行适配，根据不同传输技术进行帧分片和重组；
接口配置模块，用于驱动融合装置的具体底层接入接口，以实现底层接口的通信；
链路调度模块，用于实现多流接入负载均衡的功能、可选的流量控制功能和网络切换功能；
链路复用模块，包含上行复用和下行解复用功能；上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一送至多接入终端的网络层；下行解复用，将来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，将数据帧分配到1至多条底层链路进行转发。
进一步，所述桥接模块包括：
过滤单元，用于判断一个数据帧是转发还是丢弃；
转发单元，用于进行数据帧过滤后，根据算法和配置决定一个数据倾转发到哪一个底层端口。
进一步，所述协议适配模块包括：
消息解析功能模块，用于解析标准消息和提取有用数据；
消息封装功能模块，用于将有用数据按特定协议数据格式进行打包。
本发明提供的基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法及装置，为多种家庭网络提供一个公共接口，家庭网络包含了家庭中广泛部署的接入网络技术，如IEEE 802.11无线局域网技术，802.3以太网技术(双绞线上)，无线蜂窝网技术，IEEE 1905.1电力线通信技术和MoCA 1.1同轴电缆技术，通过相同机制能融合其他更多的网络接入技术，能够实现所有家庭网络的融合，同时支持家庭WIFI网络和无线蜂窝网络之间的网络无缝切换。对于不同的底层接入，Inter-MAC层支持统一的认证，不同技术的接入链路时，具有相同的认证密码。在一个较短的时间内，离线的用户设备重新通过相同或者不同底层链路技术接入时，不需再次要输入认证密码，直接允许入网，除非之前主动申请过下线。Inter-MAC的认证模块大大简化了家庭网络的认证过程。
本发明在MAC层和网络层中间定义了一个Inter-MAC层，为多种家庭网络提供一个公共接口。与现有技术相比具有以下特性：
(1)基于Inter-MAC层的家庭网络融合装置提供对应的协议转换功能，为各种底层接入接口实现适配。通过可扩张机制能融合其他更多的网络接入技术。不要求修改任何底层家庭网络技术的具体操作或实现。抽象了各个底层接口的详细信息，能够聚合各种技术的可用带宽。
(2)简化接入认证，用户设备切换连接到不同接入技术或同时连接到不同接入技术的链路时，Inter-MAC层支持统一的一次认证。
(3)融合装置支持MAC桥接功能，支持数据在不同底层互连链路之间无缝传输，这些数据帧可以是来自任何高层或底层的接口，将各种不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网。
(4)根据接口配置程序为底层接入接口分配地址，驱动不同底层接入技术接口的正常工作。
(5)拓扑发现，融合装置能发现邻居设备，建立设备MAC地址和底层接入接口的MAC地址路由映射表。
本发明是一个介于网络结构的2层和3层之间的软件层，它抽象化每一个接口的具体细节，聚合可用的带宽和促进无缝集成，能够简化设置，例如，消除了用户访问每一个链接都需要输入不同的密码的必要。同时，简化新设备网络接入、建立安全连接、扩展网络覆盖和提供包括发现、路径选择和服务质量(QoS)谈判的先进网络管理等功能。本发明操作简单：网络的建立和使用必须对于用户是透明。本发明对网络中新设备的接入链接的建立、QoS实现和网络管理提供了通用的设置程序；备用：当一个链路暂时中断或是拥挤时，存在另一种可用的路线提供选择，减少了许多问题和用户体验的中断；聚合吞吐量：能够通过不同的接口使用所有混合网络可用的吞吐量对于最大限度地提高网络吞吐量是至关重要的；多个同步数据流：在一些应用程序中，如交互式电视，甚至是一个人可都能同时观看多个数据流的节目；负载均衡：混合网络必须能够智能地分配视频数据流到不同路径以限制网络的拥塞和维护网络的可靠性；QoS：本发明在不影响任何协议的内部完整性或数据传输媒质的选择的情况下，规定了端到端的QoS；向后兼容性：许多服务提供商已经在用户家里安装使用IEEE 1901协议、Wi-Fi、以太网和同轴电缆联盟的MoCA多媒体协议等技术规范的设备；安全性：本发明允许的相同方式将设备配置，即用一个简单的按钮操作，例如：本发明对于传统的设备还能使用一致密码和认证程序；高级诊断：网络整体进行自我监控，以确保可靠和不间断运行；自安装性：设备对于消费者来说易于安装和能够自配置；例如，当房主插头是第二接入点，不论它是IEEE1901协议，MoCA协议或是基于Wi-Fi技术，主要的AP将会自动配置，获取网络名称和密码；配对是通过一个标准的简单按钮来实现，避免了复杂的密码配置；移动性：无线连接支持移动PDA、手机和平板电脑；通用连接线：为真正的实现透明，消者在没有意识到网络中的哪一部分接口目前与他们的设备相连情况下，能够在房屋里每个房间里连接到混合网络。也保证用户从一个房间到另一个房间时实现无缝切换；能源管理：通过不同技术优化网络电力使用，使得操作更高效和环保。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭网络融合网桥的新型协议栈示意图。
图2是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭融合网桥的结构框架示意图。
图3是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭多接入终端的结构框架示意图。
图4是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭网络融合装置中协议适配模块的协议转换流程图。
图5是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭网络融合装置中链路调度模块的流控机制算法流程图。
图6是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的多协议家庭融合网关的WIFI网络与LTE蜂窝网络融合的协议栈示意图。
图7是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层融合的家庭网络中终端由WIFI网络切换到LTE蜂窝网络的流程。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方法及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
随着带宽密集型的家庭网络应用增加和消费者对网络服务无穷的需求欲望，家庭网络技术已经成为网络服务提供演变中最新的前沿。目前，有线和无线家庭网络技术具有重要的市场地位，这是由于它们为最终用户创建了巨大的价值。无线网络为用户提供了移动性，有线网络提供了巨大的带宽或无处不在的接入网端口。有线和无线技术相互补充，提供了全面的家庭网络覆盖。
为了解决各种各样不同应用、地区、环境和拓扑结构的网络接入，需要融合多种连接技术。在过去的十几年中，超过十亿家庭网络设备已经部署在市场上，因此任何提议的解决方法必须能与已部署网络互操作。
本发明提供了一种基于Inter-MAC层的家庭网络融合的新型协议栈架构，如图1所示。该新型协议栈架构在MAC层和网络层中间定义了一个Inter-MAC层，为各种家庭网络提供一个公共接口。在融合网桥装置中该Inter-MAC层支持传送数据帧的MAC层帧交换，这些数据帧可以是来自任何高层或底层的接口。该Inter-MAC层抽象了各个底层接口的详细信息，利用链路调度聚合各种技术的可用带宽，实现各个底层技术之间的无缝集成。该融合方法不要求修改任何底层家庭网络技术的具体操作或实现。该融合方法统一了以太网技术和非以太网技术，常见的家庭非以太网技术如IEEE 802.11无线局域网技术，蜂窝网技术，IEEE 1905.1电力线通信技术和MoCA 1.1同轴电缆技术，通过相同机制能融合其他更多的网络接入技术。同时，支持家庭WIFI网络和无线蜂窝网络之间的网络切换。本发明定义了一种跨越了现有的家庭网络技术的通用的结构，定义了一个公共数据和控制服务的接入点。数据帧可以到达和被传输到任何接口，无论是哪种上层协议或底层网络技术。
本发明是一个介于网络结构的2层和3层之间的软件层，它抽象化每一个接口的具体细节，聚合可用的带宽和促进无缝集成。这一层能够简化设置，例如，消除了用户访问每一个链接都需要输入不同的密码的必要。同时，简化新设备网络接入、建立安全连接、扩展网络覆盖和提供包括发现、路径选择和服务质量(QoS)谈判的先进网络管理等功能。本发明提供的主要优势有：
操作简单：网络的建立和使用必须对于用户是透明。本发明对网络中新设备的接入链接的建立、QoS实现和网络管理提供了通用的设置程序。
备用：当一个链路暂时中断或是拥挤时，存在另一种可用的路线提供选择。这样就减少了许多问题和用户体验的中断。
聚合吞吐量：能够通过不同的接口使用所有混合网络可用的吞吐量对于最大限度地提高网络吞吐量是至关重要的。
多个同步数据流：在一些应用程序中，如交互式电视，甚至是一个人可都能同时观看多个数据流的节目。
负载均衡：混合网络必须能够智能地分配视频数据流到不同路径以限制网络的拥塞和维护网络的可靠性。
QoS：本发明在不影响任何协议的内部完整性或数据传输媒质的选择的情况下，规定了端到端的QoS。
向后兼容性：许多服务提供商已经在用户家里安装使用IEEE 1901协议、Wi-Fi、以太网和同轴电缆联盟的MoCA多媒体协议等技术规范的设备。本发明正是被设计来实现已部署技术之间的互操作性。
安全性：本发明允许的相同方式将设备配置，即用一个简单的按钮操作，例如：本发明对于传统的设备还能使用一致密码和认证程序。
高级诊断：网络整体进行自我监控，以确保可靠和不间断运行。
自安装性：这个元素对降低成本至关重要。为了实现这一目标，设备对于消费者来说易于安装和能够自配置。例如，当房主插头是第二接入点，不论它是IEEE 1901协议，MoCA协议或是基于Wi-Fi技术，主要的AP将会自动配置，获取网络名称和密码。配对是通过一个标准的简单按钮来实现，避免了复杂的密码配置。
移动性：无线连接支持移动PDA、手机和平板电脑。
通用连接线：为真正的实现透明，消者在没有意识到网络中的哪一部分接口目前与他们的设备相连情况下，能够在房屋里每个房间里连接到混合网络。也保证用户从一个房间到另一个房间时实现无缝切换。
能源管理：通过不同技术优化网络电力使用，使得操作更高效和环保。
结合图2，为本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭融合网桥的结构框架示意图，该融合装置由一系列相互关联功能模块组成，包括：
拓扑发现模块：用于发现邻居设备，推断在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的对应CAM表(ContentAddressable Memory，内容寻址存储器)，并进行周期的更新。拓扑发现具体步骤如下
步骤1：截取接收到的数据帧中的源MAC地址，与CAM表中的MAC地址进行匹配。
步骤2：有匹配的MAC地址并且对应端口号也相同，则更新时间戳。
步骤3：有匹配的MAC地址，但对应端口号不相同，改写对应的端口号，更新时间戳。
步骤4：未找到匹配的MAC地址，则将数据帧中的源MAC地址、融合装置的对应端口以及时间戳***CAM表中。
步骤5：如果表中的某个MAC地址项在周期时间内一直没有被更新过，则将被移除。
认证模块：为家庭网络中家电设备提供准入控制，简化家庭网络的认证过程，保证家庭网络的安全性。
桥接模块：实现网桥功能，支持数据在不同底层互连链路接口之间无缝传输。将各个不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网，所有的家庭网络设备都在该局域网下，实现网络的全面覆盖。桥接模块的帧转发步骤如下:
步骤1：融合装置从各个端口接收数据帧，暂存到融合装置的高速缓存中。
步骤2：截取接收到的数据帧中的目的MAC地址，与CAM表中的MAC地址进行匹配。
步骤3：如果找到了匹配的MAC地址，则获得相应端口，然后从融合装置缓存中取出相应的数据帧转发到对应端口上。
步骤4：如果没有找到匹配的MAC地址，则从融合装置缓存中取出对应数据帧进行广播，转发到融合装置的所有端口。
步骤5：转发完毕。
协议适配模块：连接不同家庭网络接入技术的桥梁，对不同类型接入协议进行适配，根据不同传输技术进行帧分片和重组。融合网桥中协议适配模块包括协议转换功能即，对不同协议数据帧进行解析和封装。消息解析功能模块负责解析标准消息和提取有用数据，消息封装模块将有用数据按以特定协议数据格式进行打包。如图4，协议转换包含如下步骤：
步骤1：初始化接口，根据接口类型加载协议转换驱动。
步骤2：接口监听等待是否接收到MAC帧，分析接收到的MAC帧是上行数据还是下行数据类型，根据数帧类型存入对应的上行接收缓冲区和下行接收缓冲区。如果未收到帧就一直循环监听等待。
步骤3：从缓冲区中去读取未转换的协议帧数据，按驱动配置中协议对应的格式进行转换，帧的解封装和重新封装；上行缓冲区的帧转化为以太网帧格式，下行缓冲区的帧转化为特定的非以太网帧格式。
步骤4：将转换后的帧存入上下行发送队列，等待发送。
步骤5：重复步骤二，继续等待监听。
步骤6：直到退出程序。
接口配置模块：驱动融合装置的具体底层接入接口，以实现底层接口的正常通信。
链路调度模块：可以实现流量控制和多流接入负载均衡的功能。采用PAUSE帧实现了一种简单链路层的停-等式流量机制。图5是本发明实施例提供链路调度模块的PAUSE帧流控机制的算法流程图，PAUSE帧流量控制具体包含如下流控策略：
(1)设计上下门限，上限的选择要防止缓冲区不会出现溢出，而下限的选择要使缓冲区的数据发送不会暂停；上下门限同时考虑到收发接口之间的链路延迟、数据接收和发送处理延迟及相邻MAC帧时间间隔等因素。
(2)当达到缓冲区上限时，就要发送参数非零的PAUSE帧来暂停数据发送。
(3)当缓冲区到达下限时，需要发送参数为零的PAUSE帧来结束流控。
(4)在准备发送帧阶段，数据帧的发送优先级低于PAUSE帧。
(5)当缓冲区达到上限或者在暂停时间结束后缓冲区仍然达到上限，发送参数非零的PAUSE帧。
(6)根据缓冲区是否有完整帧并且是否有暂停时间，可以决定是否进行数据帧发送。
(7)在暂停时间内缓冲区达到下限时，发送参数为零的PAUSE帧。
(8)其他情况下都禁止数据帧和PAUSE帧的发送。
图3是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的家庭多接入终端的结构框架，该融合装置由一系列相互关联功能模块组成，包括：
链路复用模块，包含上行复用和下行解复用功能。上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一送至多接入终端的网络层。下行解复用，将来自多接入终端网络层的IP包通过链路调度机制进行下行解复用，将数据帧分配到1至多条底层链路，即通过以太网的MAC层和其他非以太网MAC层模块进行下行数据的转发。基于Inter-MAC层的家庭多接入终端的拓扑发现模块，认证模块、接口配置模块、协议适配模块和链路调度模块与图2融合网桥装置功能类似，进行部分功能简化即可，具体的实施步骤和图2融合网桥装置基本相同。
图6是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层的多协议家庭融合网关的WIFI网络与LTE蜂窝网络融合的协议栈示意图。无线WIFI网络技术和蜂窝网技术具有重要的市场地位，它们为最终用户创建了巨大的价值。WIFI网络技术和蜂窝网技术同时为用户提供了移动性，WIFI网络提供了巨大的带宽，蜂窝网络拥有无处不在的接入网。WIFI技术和蜂窝网技术相互补充，提供了全面的家庭网络覆盖和用户移动性的延伸。图6家庭融合网关是对图2家庭融合网桥的扩展，包含网络层和传输层，拥有完整的协议栈。家庭融合网关Inter-MAC层的链路调度模块，支持终端在家庭WIFI网络和LTE蜂窝网络之间切换，其余功能与网桥功能一样，这里不再赘述。图7是本发明实施例提供的基于Inter-MAC层融合的家庭网络中，终端由家庭WIFI网络切换到LTE蜂窝网络的流程示意图，具体流程如下：
步骤1：在接入家庭融合网关的WIFI网络时，多模终端物理层对WIFI网络和蜂窝网络信号强度进行实时测量上报。
步骤2：家庭融合网关根据测量上报的实时信息进行分析和判决，当发现WIFI信号强度小于固定阈值时，触发切换。
步骤3：家庭融合网关基于测量上报的信息，比较各个蜂窝基站之间的切换代价函数，选择最小的蜂窝基站进行切换；否则，执行步骤2。
步骤4：家庭融合网关向选中切换的蜂窝基站发送切换请求。
步骤5：选中的蜂窝基站向家庭融合网关进行应答，如果可以切换，蜂窝基站同时进行链路资源的分配；否则，执行步骤2。
步骤6：家庭融合网关收到可以切换的应答，向服务网关发起双播请求；否则，执行步骤2。
步骤7：家庭融合网进行切换控制，向终端发送出切换命令，同时向服务网关发起双播释放请求，服务网关更新路由表。
步骤8：多模终端通过蜂窝基站和服务网关进行数据交互，切换完成。
下面结合家庭网络融合装置中各个模块相互协调工作的流程，进一步说明基于Inter-MAC家庭网络融合的方法。主要流程如下：(1)网络初始化，接口配置模块驱动融合装置的所有底层接入链路，实现底层接口的正常通信；(2)链路调度模块提取底层接口的MAC层参数，统计各个MAC层的通信能力，用于实现多流接入负载均衡的功能、可选的流量控制功能和网络切换功能；(3)家庭网络设备接入基于Inter-MAC家庭融合网络时，通过认证模块进行准入认证；(4)拓扑发现模块进行邻居设备发现，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的映射表，并进行周期的更新；(5)当家庭网络设备的一条QoS数据流请求到达时，链路调度模块根据统计的链路信息、拓扑信息和QoS需求，为该QoS数据流进行链路配置，选择合适的路径转发；(6)协议适配模块对需要转发的不同类型接入协议QoS数据流，进行协议类型转换，实现不同传输技术间传输帧的分片和重组；(7)基于路径选择结果，桥接模块根据选择的路径进行数据的转发，实现底层互连链路接口之间无缝传输，同时为防止流量拥塞，链路调度模块进行流量的控制；(8)对于多接入终端设备，链路复用模块对QoS数据流进行上行复用和下行解复用功能。上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一送至多接入终端的网络层；下行解复用，将来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，链路调度模块进行链路配置，将数据帧分配到1至多条底层链路进行转发；(9)终端设备在家庭WIFI网络和蜂窝网络之间切换时，链路调度模块通过切换控制实现WIFI网络和蜂窝网络的无缝融合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，其特征在于，所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法包括：
发现邻居设备，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的对应内容寻址存储器表CAM，进行周期的更新；
为家庭网络中家电设备提供准入控制，进行家庭网络的认证；
数据在不同底层互连链路接口之间无缝传输，将各个不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网；
连接不同家庭网络接入，对不同类型接入协议进行适配、帧分片和重组；
驱动融合装置的具体底层接入接口，以实现底层接口的正常通信；
多流接入负载均衡、可选的流量控制和网络切换；
来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一经过网络层送至多接入终端的网络层；
来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，将数据帧分配到一至多条底层链路进行转发。
2.如权利要求1所述的基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，其特征在于，连接不同家庭网络接入，对不同类型接入协议进行适配、帧分片和重组，协议转换步骤如下：
步骤一：初始化接口，根据接口类型加载协议转换驱动；
步骤二：接口监听等待是否接收到MAC帧，分析接收到的MAC帧是上行数据还是下行数据类型，根据数据类型存入对应的上行接收缓冲区和下行接收缓冲区，如果未收到帧就一直循环监听等待；
步骤三：从缓冲区中去读取未转换的协议帧数据，按驱动配置中协议对应的格式进行转换；对帧解封装和重新封装，上行缓冲区的帧转化为以太网帧格式，下行缓冲区的帧转化为特定的非以太网帧格式；
步骤四：将转换后的帧存入上下行发送队列，等待发送；
步骤五：重复步骤二，继续等待监听；
步骤六：直到退出程序。
3.如权利要求1所述的基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，其特征在于，所述流量控制采用PAUSE帧，PAUSE帧实现流量控制的流控方法如下：
(1)设计上下门限，上限防止缓冲区出现溢出，下限使缓冲区的数据发送不会暂停；
(2)当达到缓冲区上限时，发送参数非零的PAUSE帧来暂停帧发送；
(3)当缓冲区到达下限时，需要发送参数为零的PAUSE帧来结束流控；
(4)在准备发送帧阶段，数据帧的发送优先级低于PAUSE帧；
(5)当缓冲区达到上限或者在暂停时间结束后缓冲区仍然达到上限，发送参数非零的PAUSE帧；
(6)根据缓冲区是否有完整帧并且是否在暂停时间内，决定是否进行数据帧发送；
(7)在暂停时间内缓冲区达到下限时，发送参数为零的PAUSE帧；
(8)其他情况下都禁止数据帧和PAUSE帧的发送。
4.如权利要求1所述的基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，其特征在于，所述网络切换中由WIFI网络切换到LTE蜂窝网络的流程如下：
步骤一：在接入家庭融合网关的WIFI网络时，多模终端物理层对WIFI网络和蜂窝网络信号强度进行实时测量上报；
步骤二：家庭融合网关根据测量上报的实时信息进行分析和判决，当发现WIFI信号强度小于固定阈值时，触发切换；
步骤三：家庭融合网关基于测量上报的信息，比较各个蜂窝基站之间的切换代价函数，选择最小的蜂窝基站进行切换；否则，执行步骤二；
步骤四：家庭融合网关向选中切换的蜂窝基站发送切换请求；
步骤五：选中的蜂窝基站向家庭融合网关进行应答，如果可以切换，同时进行链路资源的分配；否则，执行步骤二；
步骤六：家庭融合网关收到可以切换的应答，向服务网关发起双播请求；否则，执行步骤二；
步骤七：家庭融合网进行切换控制，向终端发送出切换命令，同时向服务网关发起双播释放请求，服务网关更新路由表；
步骤八：多模终端通过蜂窝基站和服务网关进行数据交互，切换完成。
5.如权利要求1所述的基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法，其特征在于，所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法包括以下步骤：
(1)网络初始化，驱动融合装置的所有底层接入链路，实现底层接口的正常通信；
(2)提取底层接口的MAC层参数，统计各个MAC层的通信能力，实现多流接入负载均衡的功能、可选的流量控制功能和网络切换功能；
(3)家庭网络设备接入基于Inter-MAC家庭融合网络时，通过认证进行准入认证；
(4)进行邻居设备发现，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的映射表，并进行周期的更新；
(5)当家庭网络设备的一条QoS数据流请求到达时，根据统计的链路信息、拓扑信息和QoS需求，为QoS数据流进行链路配置，选择合适的路径转发；
(6)对需要转发的不同类型接入协议QoS数据流，进行协议类型转换，实现不同传输技术间传输帧的分片和重组；
(7)基于路径选择结果，根据选择的路径进行数据的转发，实现底层互连链路接口之间无缝传输，进行流量的控制；
(8)对于多接入终端设备，对QoS数据流进行上行复用和下行解复用功能，上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一送至多接入终端的网络层；下行解复用，将来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，进行链路配置，将数据帧分配到1至多条底层链路进行转发；
(9)终端设备在家庭WIFI网络和蜂窝网络之间切换时，通过切换控制实现WIFI网络和蜂窝网络的无缝融合。
6.一种如权利要求1所述基于Inter-MAC层的家庭网络融合方法的家庭网络融合装置，其特征在于，所述家庭网络融合装置包括：
拓扑发现模块，用于发现邻居设备，确认在其某个特定的端口是否存在一个或多个设备与之相连，建立邻居设备MAC地址与融合装置底层接口的对应CAM表，并进行周期的更新；
认证模块，用于为家庭网络中家电设备提供准入控制，简化家庭网络的认证过程；
桥接模块，用于实现网桥功能，支持数据在不同底层互连链路接口之间无缝传输，将各个不同的家庭接入网络扩展成一个大的局域网；
协议适配模块，是连接不同家庭网络接入的桥梁，用于对不同类型接入协议进行适配，根据不同传输技术进行帧分片和重组；
接口配置模块，用于驱动融合装置的具体底层接入接口，以实现底层接口的通信；
链路调度模块，用于实现多流接入负载均衡的功能、可选的流量控制功能和网络切换功能；
链路复用模块，包含上行复用和下行解复用功能；上行复用，将来自以太网的MAC层的上行数据流和来自非以太网的MAC层的上行数据流的分组数据进行汇聚，将融合的数据帧统一经过网络层送至多接入终端的网络层；下行解复用，将来自多接入终端网络层的下行IP包通过链路调度机制进行下行解复用，将数据帧分配到1至多条底层链路进行转发。
7.如权利要求6所述的家庭网络融合装置，其特征在于，所述桥接模块包括：
过滤单元，用于判断一个数据帧是转发还是丢弃；
转发单元，用于进行数据帧过滤后，根据算法和配置决定一个数据帧转发到哪一个底层端口。
8.如权利要求6所述的家庭网络融合装置，其特征在于，所述协议适配模块包括：
消息解析功能模块，用于解析标准消息和提取有用数据；
消息封装功能模块，用于将有用数据按特定协议数据格式进行打包。
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