CN1360783A - 数据包的处理 - Google Patents

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Abstract

把接收数据流做成为包流,每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成。在形成包的过程中,建立一个供该包流使用的样板内务操作部分并且对数据施加该样板以形成各个包。这避免了必须让每个包通过路由选择栈,从而降低对用来构建数据包的处理器的处理要求并且减小数据历经的传输延迟。可以通过使一个包经过路由选择栈形成样板内务操作部分。本发明另一个方面说明用来处理包的设备,其中第一处理器处理信令包而第二处理器处理实时数据包。可先利用第一处理器建立样板内务操作部分,然后把该样板信息发送到可把它用来形成实时数据包的第二处理器。

Description

数据包的处理
发明领域：
本发明涉及一种处理数据包的方法和设备，其可用于处理网际协议(IP)包。
背景技术：
由于能传送诸如话音、数据、视频等很宽范围的通信类型，包和基于信元的传送协议正日益得到认可。工业上广泛把网际协议(IP)采纳为一种连网协议，以在互连的网络之间以及带有各种硬件体系结构和操作***的计算机之间提供通信。国际电信联盟(ITU)的H.323和互联网工程特别工作组的话路启动协议(SIP)协议组作为用于IP和互联网电话的标准都正在制订之中。图1示出为了在IP网络上传送话音数据而对其进行处理的的典型方式。首先，接收(2)和通常压缩(4)话音数据并形成数据包的有效负载。使数据包路由(6)通过对包添加路由选择以及其它内务操作信息的IP栈。最后，在数据网络上发送装配好的数据包(8)。如图2中所示，这就产生包流74-77，其中每个包由一个内务操作(overhead)或头部部分70和一个有效负载部分72组成。以此相同方式处理每个数据包，即每个包74-77的内务操作部分70都是通过使包路由经过该IP栈生成的。使数据包路由通过该IP栈的步骤通常是由软件完成的，并且它对***处理器提出高要求。由于该数据是需要实时处理以避免对声音信号产生干扰性延迟的实时语音数据，因此对该处理器的要求更加复杂。
发明内容：
本发明意在提供一种更有效地处理数据包的方式。
本发明的第一方面提供一种处理接收到的数据流的方法，其中该数据流以包为形式在数据网络上传输，该方法包括：
把数据做成包流，其中每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成；其中该生成各个包的步骤建立一个供该包流使用的样板(template)内务操作部分并把该样板施加到数据以便形成各个包。
生成一个供包流使用的样板内务操作部分(或头部部分)具有明显的优点。只需要生成内务操作数据一次，而不是对包流中的每个包生成一次。这就大大减小了对构成数据包的处理器的处理要求。这就允许使用更为便宜的微处理器，或者原来的微处理器和以前相比能支持更多通信处理的信道。这还能减小数据所历经的传输延迟，从而改进数据所传递的通信的品质。
生成样板的步骤最好生成包含包的路由选择信息的样板。可以借助使包通过路由选择栈形成该样板内务操作部分。对它们施加该样板的随后数据不通过该路由选择栈，从而大大节约处理资源。
该方法最好还包括：
生成一个随后标识成样板包的包；并且其中按如下步骤形成样板内务操作部分：
使该样板包通过该路由选择栈；
随后把该包标识为样板包；以及
利用该路由选择栈已施加到该样板包的路由选择信息形成样板内务操作部分。
可以在存储器中建立样板结构，并且通过该路由选择栈的包可包含一个指向该样板结构的指针。可以在该通过路由选择栈的包的有效负载中保持该指针，并且该结构可以包括一个指示该包为样板包的标识符。
把路由选择信息从样板包拷贝到该样板结构是有好处。可以在数据链路层把该包相继地标识为样板包和对该结构拷贝信息。由于路由选择栈以常规方式操作数据的有效负载从而生成普通的路由选择以及其它内务操作信息，所以该方法和路由选择栈的内部工作完全无关。正是在数据链路层进行的对包的随后检查揭示该包是样板包并且使得样板结构填有内务操作信息。
若需要，可以在该数据流的持续期间周期性地建立新的样板内务操作部分。
这种建样板方法只适用于一些选定的包类型。因而最好包括一个确定包的类型的步骤，并且仅对一些选定的包类型执行生成样板步骤以及施加该样板步骤。该建样板方法特别适用于实时传输协议(RIP)包类型和用户数据协议(UDP)包类型。
通过利用第一处理器建立样板包和利用第二处理器对数据施加样板可以得到更多的好处。有益地，第二处理器是一个性能低于第一处理器的处理器，并且可以是第一处理器的协处理器、精简指令集(RISC)处理器或现场可编程门阵列(FPGA)。
本发明的另一个方面提供处理接收到的数据流的设备，其中该数据流以包为形式在数据网络上传输，该设备包括：
一个用于把接收到的数据做成包流的处理器，其中每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成；
其中该处理器设置成通过建立一个供该包流使用的样板内务操作部分并把该样板施加到数据形成各个包中。
该设备可全用硬件实现，或是用软件和硬件的组合来实现。
该方法可以用控制处理器的软件代码实现。从而，本发明的再一个方面是提供用以实现该方法的软件代码。该代码可存储在机器可读的媒体上，例如软盘、光盘或存储部件。
本发明的另一方面提供一种用于处理数据包的方法，其中该包分为两种类型：信令包以及携带实时数据的实时包，该方法包括步骤：
由第一处理器处理信令包；以及
由第二处理器处理实时数据包。
有益地，第二处理器是一个性能上低于第一处理器的处理器。这就大大减轻了对第一处理器的处理要求并可以产生比使用一套全功能处理器更为便宜的配置。第二处理器最好为下述之一：第一处理器的协处理器，精简指令集(RISC)处理器和现场可编程门阵列(FPGA)。
在发送数据包时，通过利用第一处理器生成用于实时数据包流的样板内务操作部分并且利用第二处理器对实时数据包施加该样板，可以得到进一步的好处。
如本领域普通技术人员所明白的那样，可对本发明各优越的特性适当地组合，并且这些优越特性能够和本发明的任一方面结合起来。
附图说明：
为了更好地理解本发明并且为了举例示出如何实施本发明，现参照各附图说明各实施例，附图中：
图1示出处理话音数据以在IP网络上对其进行传送的已知方法；
图2示出从图1的方法得到的包流；
图3示出一个用于在数据网络上传送话音业务的示例***；
图4示出IP包的格式；
图5示出UDP标题的格式；
图6示出IP标题的格式；
图7示出建立样板包的过程；
图8示出一种处理数据包以使其在数据网络上传输的方法；
图9示出用来处理包的设备；以及
图10示出一种可处理接收到的数据包的方法。
具体实施方式：
图3示出一种能通过数据网络完成电话呼叫的典型***。终端10、11和专用小交换机PBX A中的有关数字线路卡(DLC)12连接。通过时分复用(TDM)底板15，话音、传真、其它信息和信令信息一起交换到与数据网络30接口的IP网关卡20。网关卡20实现PBX使用的格式和为在数据网络30上传送所需格式之间的话务转换。网关的功能还包括处理拨打号码和互联网协议地址之间的翻译。典型地根据TCP/IP或UDP/IP格式在数据网络上传送话务；信令典型地通过TCP包传送，而语音数据典型地通过实时传输协议(RTP)用户数据报协议(UDP)包流传送。语音或其它话音频带信息封装成数据包，其中每个数据包具有一个标题，该标题携带使该包在数据网络30上路由的信息。数据网络包括路由器25，26，它们实现话务在数据网络30上的路由选择。在现有技术中上面的设备是已知的。数据网络30可以是专用的基于IP的数据网络或互联网，或者它可以是公用互联网。在用户从直接连接到数据网络30的计算机终端16进行呼叫的情况下，通过终端16本身的软件实现IP网关卡的功能(把话音数据装配成包)。
图4示出IP包或传送UDP数据的数据报的格式，其包括UDP数据的有效负载60、UDP标题(8字节)61、IP标题(20字节)62和物理或数据链路层标题63。该物理层通常是“以太”网络。有效负载60的长度可以改变。图5示出8字节的UDP标题61的格式，而图6示出20字节的IP标题62的格式。根据UDP数据60、UDP标题61和IP标题62的一部分中出现的数据计算UDP标题的16位UDP检验和(checksum)64。
图7示出一种处理数据包以使其在数据网络上传输的方法。它是参照UDP/IP包示出的，UDP/IP包用于传送在IP上的话音(Voice over IP)应用中采用的RTP话音类型数据包。但是，应理解该技术可以更广泛地应用于任何类型的流式数据包，其中与该流中的每个包关联的内务操作信息保持相同。不能以这种方式处理TCP包，因为它们各自都需要IP层的确认。
首先，为了从源通过数据网络向目的地发送数据流，在源处建立一个UDP套接字100。套接字(socket)通常是作为TCP/IP呼叫建立信令的结果建立的。在大多数现代操作***中，套接字是广泛使用的用于网络接口的编程接口。
一特殊样板包路由通过常用的UDP/IP路由选择栈105。该样板包的有效负载包含一个指向存储器中存储的唯一样板结构的指针，即该样板结构的存储地址。该指针允许数据链路层把该包标识为样板包。
样板结构的优选形式包含：
1、唯一标识符—供数据链路层使用以便迅速判定它是否是样板包。
2、信号量—一个由数据链路层使用的标志，用于通知该样板结构的发送器该样板已准备好可供使用。
3、驱动器发送功能—专用于接口的功能，各包必须通过该接口传送从而允许直接传输相继的不必路由通过UDP/IP栈的包。该功能以及包样板是由数据链路层一并填入的。
4、驱动器发送参数—能标识包流要通过的接口的参数；它和驱动器发送功能一起使用。在带有多个网络接口的***中这是需要。该参数和包样板一起由数据链路层填入。
5、样板数据一所建立的样板的实际数据。
6、样板长度—样板数据区的长度。
重要的是，数据链路层能快速地区别非样板包和样板包，从而不会负面地影响常规包通过量。设备驱动器(数据链路层110)探测样板包并把已路由的样板包送回到发送器。接着数据链路层把来自该已路由包的标题信息拷贝到存储器中的特定样板结构中，后继的数据130通过样板套接字120发送从而把后继的包直接发送到数据链路层，其中样板套接字使用该样板结构中的刚由数据链路层填入的信息。
IP协议包含一个IP标题检验和(65，图6)，后者只复盖IP标题。该检验和的值尤其取决于有效负载的长度。若数据包的长度相同则对于所有的包IP标题检验和保持相同，从而可把该检验和作为样板信息的一部分。这是通过发送其长度拉长到和UDP流包的长度相同的样板包达到的。若各包的长度不同，则必须在把每个包发送到数据链路层之前对它们重新计算IP标题检验和。
这些包不通过UDP/IP栈105直接发送到设备驱动器(数据链路层)以在数据网络上传输。只需要重新计算UDP检验和，并且如上所述若长度随包变化还需要重新计算IP检验和。从而，施加了该样板的后继数据130可得到更快的处理，因为处理器不必对每个包执行UDP/IP路由选择。再次参照图2，可以通过使样板包路由经过IP栈生成包74的内务操作部分70，而包75-77的内务操作部分70可以通过施加该样板生成，不必使每个包75-77路由经过该IP栈。
所有随后的包以这种方式，即绕过UDP/IP栈105，得到处理。为每一个新的UDP流生成一个新的样板，例如在IP上的话音的情景於新呼叫的起点处生成新样板。由于包流的路由选择趋向于固定，需要改变样板中的路由选择信息的可能性极小。然而，在较频繁地改变路由的网络中，可能修改技术从而每N个包生成一个新的样板包以适应路由改变。N值的选择成对具体网络尽可能的大。在大多数应用中，改变路由选择是少见的，只有当横跨数据网络的路由上的第一路由器25改变时才需要改变样板信息。
下面是UDP/IP环境下建立样板的进程的伪代码说明。存在两个部分：套接字侧和数据链路层侧。
套接字侧：
1、按常规方式建立用于把数据发送到目的地的套接字。
2、为前述的样板结构分配存储器空间并初始化所述唯一标识符。
3、建立信号量，该信号量将指示何时链路层建立样板，并且把该值填入该样板结构。
4、对套接字调用写函数以写入作为指向该样板结构的指针的数据。若为其建立样板的数据流为固定长度，还对套接字写入足够的填充数据以使套接字达到正确长度，例如，若每个包为X字节长，则对套接字写入指针值以及(X-指针长度的)填充字节。填充字节组的值是不重要的。仅当包长度小于UDP最大包长度时这才起作用。
5、等待信号量。
6、当链路层给出该信号量时，链路层已填满该样板结构的剩余字段，则现在样板已准备好供使用。
7、通过利用来自该样板结构的驱动器发送功能，把所有随后的数据包直接发送到链路层(110)。链路层侧：
1、通过间接引用经假定第一字节组(指针长度)为样板结构指针而回送的指针值，检验包是否为样板包。在间接引用之前检查指针的值域以确保指针位于有效的存储范围内。检查所述唯一标识符以判定它是否是有效的样板包。
2、若它不是样板包，按常规发送。
3、若它是样板包，则在样板结构中填写包标题内容和长度。利用用于该设备驱动器(链路层)的有关细节填写驱动器发送功能以及参数字段。
4、给出信号量以便告诉套接字层样板结构已准备好可供使用。
5、释放和该数据包关联的存储器，所有有关数据现在存储在样板结构中。
图8至10示出更有效地处理包的方法和设备。
IP网关传送的话务可分为两种类型：
实时传送的实时传输协议(RTP)包，例如话音业务；以及
非RTP的例如携带信令的包。
对于IP电话网关，高于99％的包是携带话音业务的RTP包。这时对处理器实时地装配包提出了繁重的要求。假如当每个包带有10毫秒话音有效负载时，对于32个未压缩的G.711话音业务信道，每秒钟有3200个发送的包和3200个接收的包。当采用实时操作***，例如Wind River***公司的VxWorksTM，的路由选择软件时，即使使用相当强的处理器例如Intel 486DX100，发送包的实时预算的一半也将用于使包通过UDP/IP/以太网栈。要增大到更强的信道能力需要使用昂贵的强力处理器。
然而，由于大多数包是RTP包，所以通过采用前述的样板包技术可得到明显的节约。如前面所说明那样，使用样板包除简化了处理要求之外，还可能通过采用样板化机制把UDP流包处理工作从主CPU转移到价格更低并且优化了对数据流施加样板工作的协处理器上而得到进一步的好处。该体系结构包含两个处理器：
第一处理器(包处理器320)，在管理RTP包的处理上对它进行优化。该处理器可以是现场可编程门阵列(FPGA)、微RISC处理器(通常它是作为嵌入式***控制器的协处理器设置)，例如Motorola公司的PowerQUICC或其它部件。
第二处理器，它管理对所有其它包即非RTP包、样板包的处理并且管理运行其它应用代码。第二处理器可以是一个CPU，诸如Intel486或Pentium处理器。
精简指令集(RISC)处理器或FPGA部件和完整CPU相比功能简化，但具有比完整CPU低得多的价格。
现参照图8和9更详细地说明该技术。图8示出处理用于传输的包中所涉及的各步骤。首先，响应用户的呼叫请求，建立呼叫(步骤200)。这典型地应使用TCP/IP信令达到。若该呼叫是要传送实时数据，例如话音业务，将在该源和固定的目的地之间生成UDP/IP包流，即该流中的每个包要到相同的目的地并因而携带相同的内务操作信息。CPU(步骤210)使样板包路由通过UDP/IP栈以生成要由随后的包使用的样板。该样板发送(步骤220)到该包处理器。该包处理器接收该样板并准备接收实时数据，从而建立(步骤240)一个用于处理数据的DSP信道。在把处理过的数据发送到(步骤260)该包处理器之前，实时数据被发送(步骤245)到对该数据进行处理(步骤250)的DSP。该包处理器对每一批被处理的数据施加该样板从而形成UDP/IP包(步骤270)并且接着经过以太网控制器把包发送(步骤280)到数据网络，在无需由CPU进行任何处理下的情况下，直接把UDP/IP包发送到网络。一旦建立样板后，CPU最好不介入RTP包的传输，但CPU可以完成某些SRAM缓冲器维护或收集统计数据的工作。CPU所完成的工作量取决于包处理器自主工作的能力。CPU具有对包处理器的最终控制，就象它管理信令以及管理处理UDP流的控制部分那样。
现参照图10说明处理接收到的包的方法。和前面一样，典型地利用TCP/IP信令建立源实体和接收实体之间的呼叫(步骤400)。CPU向包处理器发送UDP端口号和相应的DSP信道信息(步骤410)。通过以太网控制器(它直接存储器存取(DMA)指向包处理器的静态RAM325的包)从数据网络接收输入的IP包(步骤420)。包处理器检查接收包的包类型(步骤430)和端口号(步骤435)。把来自RTP包的数据发送到PSP部件以供处理，例如解压缩(步骤440)。CPU提供的端口号可确定包处理器使用的DSP信道。若包处理器判定包类型不是UDP，或者若该端口号用于非RTP端口，则把该包发送到CPU进行常规处理。取决于包处理器的性能，对于RTP包，包处理器通知CPU释放由该输入包使用的各SRAM缓冲器或者包处理器可能自己释放这些SRAM缓冲器供再使用。
包处理器320根据应用的需要，可以是复杂的或是简单的。对于一些实现，带有来自主CPU的某些帮助的FPGA是足够的，但在其它实现中，包处理器可以是一个具有自己权限的完全撑大的CPU。这些区别归因于***每秒钟需要处理的包的数量以及主CPU必须完成多少额外工作。

Claims (26)

1.一种处理接收到的数据流的方法，其中该数据流以包为形式在数据网络上传输，该方法包括下列步骤：
把数据做成包流，每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成；
并且其中该生成各个包的步骤建立一个供该包流使用的样板内务操作部分并把该样板施加到数据以便形成各个包。
2.依据权利要求1的方法，其中所述建立样板的步骤建立包含着用于包的路由选择信息的样板。
3.依据权利要求2的方法，其中通过使一个包通过路由选择栈形成样板内务操作部分，而随后的施加了该样板的数据不再通过该路由选择栈。
4.依据权利要求3的方法，还包括下列步骤：
生成一个随后可标识为样板包的包；
并且其中按如下步骤形成样板内务操作部分：
使该样板包通过所述路由选择栈；
随后把该包标识为样板包；以及
利用该路由选择栈已施加到该样板包的路由选择信息形成样板内务操作部分。
5.依据权利要求4的方法，还包括在存储器中建立样板结构的步骤，并且其中使一个包通过所述路由选择栈的步骤包括把包含着一个指针的包发送到存储器里的样板结构。
6.依据权利要求5的方法，其中所述样板结构包括一个标识该包为样板包的标识符。
7.依据权利要求5的方法，其中使用路由选择信息的步骤把路由选择信息从样板包拷贝到样板结构。
8.依据权利要求4的方法，其中在数据链路层完成随后的把该包标识为样板包的步骤。
9.依据权利要求1的方法，其中在数据流的持续期间周期性地建立新的样板内务操作部分。
10.依据权利要求1的方法，还包括判定包的类型并且仅对选定的包类型组进行生成样板步骤以及施加样板步骤。
11.依据权利要求10的方法，其中至少为实时传输协议(RTP)包类型和用户数据报协议(UDP)包类型中之一进行生成样板步骤以及施加样板步骤。
12.依据权利要求1的方法，其中包是网际协议(IP)包。
13.依据权利要求1的方法，其中所述把数据做成包的步骤生成具有长度相等的有效负载的包，并且其中只计算一次包的检验和并把该检验和生成为样板的一部分以用于施加到包流。
14.依据权利要求1的方法，其中第一处理器完成建立样板包的步骤，第二处理器完成对数据施加样板的步骤。
15.依据权利要求14的方法，其中第二处理器是一个功能低于第一处理器的处理器。
16.依据权利要求15的方法，其中第二处理器为下述之一：第一处理器的协处理器、精简指令集(RISC)处理器和现场可编程门阵列(FPGA)。
17.一种用于处理接收到的数据流的设备，其中该数据流以包为形式以在数据网络上传输，该设备包括：
一个用于把接收到的数据做成包流的处理器，其中每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成；
其中该处理器设置成通过建立一个供该包流使用的样板内务操作部分并把该样板施加到数据以形成各个包。
18.存储在机器可读媒体上的软件代码，用于使通过接收数据流并把数据做成其中每个包由一个数据的有效负载部分和一个内务操作部分组成的包流来处理接收到用于在数据网络上传输的数据流的数据流处理设备执行步骤：建立一个供该包流使用的样板内务操作部分和把该样板施加到该流中的数据上。
19.一种处理数据包的方法，其中这些包为两种类型：信令包和携带实时数据的实时包，该方法包括步骤：
由第一处理器处理信令包；以及
由第二处理器处理实时数据包。
20.依据权利要求19的方法，其中第二处理器是一个功能低于第一处理器的处理器。
21.依据权利要求20的方法，其中第二处理器为下述之一：第一处理器的协处理器、精简指令集(RISC)处理器和现场可编程门阵列(FPGA)。
22.依据权利要求19的方法，其中，为了发送包，该方法包括：
利用第一处理器生成供实时数据包流使用的样板内务操作部分；以及
利用第二处理器把该样板施加到各实时数据包。
23.一种处理数据包的设备，其中这些包为二种类型：信令包和携带实时数据的实时包，该设备包括：
用于处理信令包的第一处理器；以及
用于处理实时数据包的第二处理器。
24.依据权利要求23的设备，其中第二处理器是一个功能低于第一处理器的处理器。
25.依据权利要求24的设备，其中第二处理器为下述之一：第一处理器的协处理器、精简指令集(RISC)处理器和现场可编程门阵列(FPGA)。
26.依据权利要求23的设备，用于发送实时数据包流，其中：
第一处理器设置成生成供实时数据包流使用的样板内务操作部分并把该样板传到第二处理器；以及
第二处理器设置成把该样板施加到这些实时数据包。
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