多路复用帧中继虚电路的电路，方法和帧中继系统 本发明涉及帧中继网络，更具体地讲，是涉及把来自不同的源的帧多路复用到一个单独的帧中继虚电路中的系统和方法。
现代通信网络通常包括多种路径或链路，这些路径或链路彼此互连以便传送从网络中的一个位置到另一个位置的语音，视频或数据(此后集中称作“数据”)业务。在各位置处，一个互连结点或局把多个源和目的地连接到网络上。在某些情况下，源和目的地被合并到一个专用线路网络中，该网络包括一系列由租用线路连接到一起的局，并与交换设施和由电信公司所有、操作并被租给用户的传输设备相连。这种网络通常被称作电路交换网络。相应地，通过其各自的交换设施在网络的一个位置处的一个源局可以向位于网络另一位置处的另一个目的地局发送数据。
通常在任一给定位置处，由于有大量的源希望通过其交换设施传送到位于网络其它位置的目的地，则首先通过源交换设施多路复用来自不同源的数据传输，接着在目地交换设施处进行多路分解并把数据最终送给适当的目的地。在专用线路网络中正在使用着各种可以有效地把来自多个源的数据复用到网络的单独一个电路上的技术。例如，时分多路复用(“TDM”)使得各个源在少量时间内可以充分利用为电路分配的带宽。电路被划分成对应于特定源的时间段以便在被访问时能够通过网络传输来自这些源结点的数据。诸如TDM多路复用技术大大地提高了整个专用线路网络的数据吞吐量。
相反，其它数据通信系统没有成功地利用多路复用技术以进一步增强网络的效率。具体地讲，与其电路交换网络的对应部分相比帧中继网络提供了更少的选择余地。帧中继网络通常被称作分组交换网络。与电路交换网不同，分组交换网络允许多个用户共享数据网络设施和带宽而不是如在TDM中那样为各用户提供一定数量的专用带宽。分组交换机把带宽划分成无连接的虚电路。虚电路带宽只在实际传输数据时被使用；当不传输数据时则不使用虚电路带宽。虽然分组交换网络看上去好象一个统计多路复用器操作的镜像(使多个逻辑用户共享一个网络接入电路)，但仍有改进帧中继和分组交换网络中的网络吞吐率的余地。
例如，在应用和帧中继虚电路之间存在一种一一对应关系，而在目前的有关端到端数据管理传输的标准中没有相应的机制。本文所参考引用的Internet Engineering Task Force Request for Comments(“IETFREC”)1490“在帧中继上的多协议互连”提供了多路复用各协议的能力，但强制一个协议等价于在给定虚电路上的一个单独的逻辑信道。另外，IETFRFC1490协议的首部无一例外必须出现在通过电路发送的每一个帧中。
因此，在本领域中所需的是把来自不同源的帧多路复用到单独一个帧中继虚电路上的电路，方法和系统。该方法和系统必须适于各个水平的容量或模式，并且不对虚电路传输的数据的格式附加额外的限制。
为了克服当前领域中的上述不足，本发明提供了一个多路复用电路以使用能够转发具有相应标志的帧的帧中继网络以及一种在网络的单独一个帧中继虚电路上提供端到端的数据管理的方法。
该电路包括：(1)一个逻辑信道创建电路，该电路定义一个信道标志和第一与第二帧头，而第一和第二帧头分别与通过在单独的帧中继虚电路上的第一和第二逻辑信道转发的帧相对应，(2)一个多路复用器，该复用器把第一和第二数据流的帧分别与第一和第二逻辑信道相关联，把信道标志和第二帧头插入第二数据流的各帧中并只把第一帧头插入第一数据流以使相应标志与信道标志、第一和第二逻辑信道匹配，从而允许通过单独的帧中继虚电路进行多路复用，第一数据流中的某些帧没有第一帧头以便减少多路复用电路的额外开销。具体说，，正确选择信道标志允许第一数据流相对没有额外的开销。第二数据流承载有大量的额外开销。
在本发明的一个最优实施例中，多路复用电路适于以虚拟辅信道模式进行操作，其中逻辑信道创建电路分别定义第一和第二逻辑信道作为主和辅信道，与第二数据流相比第一数据流服从更为严格的性能要求。在虚拟辅信道模式中，多路复用电路允许单独的帧中继虚电路转发辅信道。主信道可被用于传输用户业务，而辅信道可被用于管理业务。
在本发明的一个最优实施例中，多路复用电路适于以虚电路多路复用模式进行操作，其中逻辑信道创建电路分别定义第一和第二逻辑信道作为本地主信道和主信道，与第二数据流相比第一数据流服从更为严格的性能要求。在虚电路多路复用模式中，多路复用电路允许单独的帧中继虚电路被用作复合帧中继电路。本地主信道和主信道可被用于传送用户业务。
在本发明的一个最优实施例中，逻辑信道创建电路定义与第二逻辑信道相关的第二信道标志和一个第三帧头，逻辑信道创建电路还定义第一，第二逻辑信道和一个第三逻辑信道分别作为本地主信道，主信道和辅信道，因而多路复用电路允许单独的帧中继虚电路被用作复帧中继电路，而复帧中继电路中的一个能够转发辅信道。本地主信道和主信道可被用于传输用户业务，而对应的辅信道可被用于传送相应的管理传输。
在本发明的一个最优实施例中，信道标志和第一，第二帧头长度均为一个八位组。可选地，信道标志和帧头长度可以互不相同。
在本发明的一个最优实施例中，在一个帧中继数据服务单元(“DSU”)中实现多路复用电路。因而配备DSU可为在单独的帧中继虚电路上的多个数据终端设备(“DTE”)提供服务。
在本发明的一个相关的最优实施例中，DSU与网络相连而网络与多个其它的DSU相连，通过网络可协同操作DSU可选择地使得网络的单独的帧中继虚电路能够：(1)均用于复帧中继电路和(2)转发辅信道。因此在DSU中实现的电路可是一个更大的电信网的一部分，该网络可能具有数百万个配有DSU的能够有利地使用网络的帧中继虚电路的多路复用电路。
在本发明的一个最优实施例中，第一和第二数据流分别从第一和第二帧中继DTE发送。本发明对DTE最好是透明的。对于各DTE均与一个单独的专用帧中继虚电路相连。
在本发明的一个最优实施例中，多路复用器把第一和第二帧头插到帧的用户数据域中。用户数据域的其余部分被用来传输用户数据(用户或管理业务)。
前面相当全面地提出了本发明的最优和可选的功能，以便本领域的技术人员能够更好地理解下面有关本发明的更为详细的描述。下面将描述构成本发明的权利要求书的主题的本发明的其它功能。本领域的技术人员应当理解可以轻易地以所公开的概念和具体实施例为基础来设计或改进其它的达到与本发明同样的目的的结构。本领域的技术人员也应认识到这样的具有最广泛的形式的等价构造不会偏离本发明的宗旨和范围。
为了更全面地理解本发明，参考下面结合附图所进行的描述，其中：
图1说明了有关一个使用基于本发明的原理的实施例的帧中继或分组交换网的系统图；
图2说明了有关一个使用基于本发明的原理的可选实施例的帧中继或分组交换网的可选实施例的系统图；
图3说明了有关一个可用作针对图1或2的分组交换网络的DSU并为电路操作和本发明的方法提供环境的计算机系统的等角视图；
图4说明了有关图3的计算机系统的CPU和存储器设备的结构模块图；
图5说明了适于通过图1或2的分组交换网络进行传输并包括针对本发明的实施例的域的数据帧；
图6说明了有关本发明的方法的流图。
参照图1，其中所说明的是有关一个使用基于本发明的原理的实施例的帧中继或分组交换网100的系统图。网络100包括一个第一DTE110，DTE110与第一DSU120相连，DSU120通过一个单独的帧中继虚电路140和与第二DTE190相连的第二DSU180通信。虽然网络100只有一对DSU120，180，但网络100可以是一个更大的电信网的一部分，该网络可能具有数百万个配有DSU的能够有利地使用网络100的帧中继虚电路140的多路复用电路。虽然第一和第二DSU120，180被说明成为第一和第二DTE110，190提供服务，但第一和第二DSU可以被配备来为多个DTE提供服务。单独的帧中继虚电路140包括一个主信道150和多个辅信道160。本发明提供了在单独的帧中继虚电路140上提供基本和辅信道150，160的端到端数据管理的多路复用电路和方法。
在所说明的实施例中，第一和第二DSU120，180分别包括第一和第二多路复用电路123，183。多路复用电路123，183分别包括定义与通过基本和辅信道150，160转发的帧相关的一个信道标志和第一，第二帧头的逻辑信道创建电路126，186。由于逻辑信道创建电路126，186把逻辑信道(即第一和第二逻辑信道)分别定义成基本和辅信道150，160，这种操作模式被称作虚拟辅信道模式。
多路复用电路123，183还包括分别使第一和第二数据流的帧与基本和辅信道150，160相关联的多路复用器129，189。在所说明的实施例中，第一和第二数据流分别来自第一和第二DTE。但本发明对DTE110和119最好是透明的。多路复用器129，189把第二帧头插入与辅信道160相关的第二数据流的各帧中，并且只把第一帧头插入与主信道150相关的第一数据流的帧中，使相应标志与信道标志匹配。在单独的帧中继虚电路140上多路复用基本和辅助逻辑信道150，160，第一数据流中的某些帧没有第一帧头以便减少多路复用电路120，180的额外开销。作为正确选择信道标志的结果，第一数据流相对来说没有额外的开销，而第二数据流则承受了大量的额外开销。
在本发明中，“开销”被定义成因基于本发明向多路复用器增加信息位而导致的额外的第一虚拟信道开销。影响开销的主要因素是：(1)所选的信道标志值和(2)一个帧的数据流中第一八位组的使用性质。通信协议均把协议头放在一个帧的前几个八位组中，而第一个八位组通常具有一个可预测的值。IETF REF1490把各帧的第一个八位组规定成可以只包含三个值：0x03，0xaf或0xbf中的一个的控制域。对于在三种可能性之外的任何标志值均可保证零开销。
在多数情况下，当给定一个选好的信道标志值时，可预期该方法导致的开销为零或接近零。
表I给出了在各种标志出现率的情况下所导致的开销。
表I：主信道开销帧长度 在主信道帧的第一个八位 组中出现的标志值的频率(字节) 0％10％20％30％50％100％64 0％0.16％0.31％0.47％0.78％1.56％128 0％0.08％0.16％0.23％0.39％0.78％256 0％0.04％0.08％0.12％0.20％0.39％
表II给出了由一种用两种不同的组帧方法进行组帧的类似的使用IETFRFC1490的方案导致的开销。
第一个组帧方法使用一个网络层协议标识(“ NLPID”)0xcc，该标识指示网际协议的一种实现，而帧头长度为两个八位组。假定三个八位组的总开销的等价区分能力需要一个额外的八位组。
第二个方法将一个指示子网存取协议的一种实现的NLPID0x80，用于八个八位组的帧头长度。表II：IETF REC1490开销 帧长度 (字节) IETF RFC 1490 NLPID＝IP IETF REC 1490 NLPID＝SNAP 64 4.69％ 13％ 128 2.34％ 6.25％ 256 1.17％ 3.12％
如表I和II所示，本发明的多路复用电路和方法减少了与单独的帧中继虚电路140的主信道150相关的开销。
而且在这种操作模式中，与涉及辅信道160的第二数据流相比涉及主信道150的第一数据流服从更为严格的性能要求。多路复用电路129，189允许单独的帧中继虚电路140转发辅信道160。最后，主信道150可被用于传输用户业务，而辅信道160可被用于传输管理业务。
回到图2，其中所说明的是有关一个使用基于本发明的原理的可选实施例的帧中继或分组交换网200的可选实施例的系统图。网络200包括第一和第二DTE210，220，DTE210，220与第一DSU230相连，DSU230通过一个单独的帧中继虚电路240和与第三，第四DTE280，290相连的第二DSU270通信。虽然网络200仅示出了一对DSU230，270，但网络200可以是一个更大的电信网的一部分，该网络可能具有数百万个配有DSU，能够有利地使用网络200的帧中继虚电路240的多路复用电路。虽然第一和第二DSU230，270被说明成分别为第一，第二，第三和第四DTE210，220，280，290提供服务，但第一和第二DSU230，270可以被装备成为多个DTE提供服务。单独的帧中继虚电路240包括一个本地主信道250、多个基本255和多个辅信道260。本发明提供了在单独的帧中继虚电路240上提供本地基本，基本和辅信道250，255，260的端到端数据管理的多路复用电路和方法。
在所说明的实施例中，第一和第二DSU230，270分别包括第一和第二多路复用电路233，273。多路复用电路233，273分别包括逻辑信道创建电路236，276，用于在单独的帧中继虚电路240上定义与通过本地基本，基本和辅信道250，255，260，转发的帧相关的第一，第二信道标志和第一，第二与第三帧头。由于逻辑信道创建电路236，276把逻辑信道(即第一，第二和第三逻辑信道)分别定义为本地基本，基本和辅信道250，255，260，这种操作模式被称作虚电路多路复用模式。
多路复用电路233，273还包括分别使第一，第二和第三数据流的帧与本地基本，基本和辅信道250，255，260相关联的多路复用器239，279。在所说明的实施例中，第一，第二和第三数据流分别来自第一，第二，第三和第四DTE210，220，280，290。但本发明对于DTE210，220，280，290最好是透明的。多路复用器239，279把第二帧头插入与主信道255相关的第二数据流的各帧中，把第三帧头插入与辅信道260相关的第三数据流的各帧中，并且只把第一帧头插入与本地主信道250相关的第一数据流中的相应标志与第一信道标志匹配的帧中。通过在单独的帧中继虚电路240上多路复用本地基本，基本和辅信道250，255，260，并使得第一数据流中的某些帧不具有第一帧头以便减少多路复用电路230，270的额外开销。作为正确选择第一信道标志的结果，第一数据流相对来说没有额外的开销，而第二和第三数据流则承受了大量的额外开销。类似于参照图1所描述的虚拟辅信道模式，本发明的多路复用电路和方法减少了与单独的帧中继虚电路240的本地主信道250相关的开销。
在虚电路多路复用模式中，与涉及主信道255的第二数据流相比涉及本地主信道250的第一数据流服从更为严格的性能要求。多路复用电路239，279允许单独的帧中继虚电路240被用作复帧中继电路。本地基本和主信道250，255可被用于传送用户业务，而辅信道260可被用于传输管理业务。这种操作模式提供了在一个给定的帧中继电路上多路复用两个或更多的主信道和一个或更多的辅信道的能力。
回到图3，图中说明了有关一个可用作针对图1或2的分组交换网络100，200的DSU并为电路操作和本发明的方法提供环境的计算机系统300的等角视图。计算机系统300可以是诸如AT&TGlobalyst 3356，1006型的普通个人计算机(“PC”)，该计算机可以从位于Dayton，Ohio，U.S.A.的AT&TGIS处得到。
计算机系统300包括一个监视器310，机箱320和键盘330。监视器310和键盘330可以被其它常见的输出输入设备所代替。机箱320包括一个软盘驱动器340和一个硬盘驱动器345。软盘驱动器240用于接收，读取和写入外部磁盘；硬盘驱动器245用于快速访问存储内容和检索。软盘驱动器240可以被其它常规结构代替或与这些结构相配合以接收和发送数据与指令，这些结构包括但不仅限于磁带和光盘驱动器，电话系统和设备(如电话，可视电话或传真)，网络通信端口等等。
机箱320具有一个包括电池350，时钟360，中央处理单元(“CPU”)和存储设备380的分离部分。在CPU370中配合存储设备380实现了本发明的多路复用电路。虽然计算机系统300被说明成具有单独的CPU370，硬盘驱动器345和存储设备380，但计算机系统300也可以具有多个CPU和外设。
应注意基于本发明原理进行操作的任何常规计算机系统均可以和计算机系统300配合使用或被计算机系统300所代替，其中计算机系统300包括但不限于可视电话，电话，电视，寻呼机，高级计算器，手持电话，膝上/笔记本电脑，小型机，大型机和超级计算机，以及这些设备的处理系统网络综合。
在William Stallings所著，MacMillan PublishingCo.(3rd ed.1993)出版的计算机组织与结构一书中全面讨论了常规计算机和处理系统的结构；在数据网络设计，Darren L.Spohn，MacGraw-Hill，Inc.(1993)中全面讨论了常规处理系统网络设计；在数据通信原理，R.D.Gitlin，J.F.Hayes和S.B.Weinstein，Plenum Press(1993)和Irwin电信手册，James Harry Green，Irwin Professional Publishing(2rd ed.1992)中全面讨论了常规数据通信。这里对上述出版物均加以引用。
回到图4，图中说明的是图3的计算机系统300的CPU370和存储设备380的结构模块图。CPU370通过数据总线410与存储设备380相连。存储设备380存储CPU用来执行操作计算机系统300所必须的功能的数据和指令。存储设备380可以是任何常规存储设备。CPU370包括一个控制单元420，一个算术逻辑单元(“ALU”)430和一个逻辑存储设备440(如堆栈式超高速缓存器，多个寄存器等)。控制单元420从存储设备380取出指令。ALU430执行从存储设备380取出指令所需的多个操作，包括加法和布尔AND。本地存储设备440提供了存储ALU430产生并使用的临时结果和控制信息的本地高速存储区域。在CPU370中配合存储设备380实现了本发明的多路复用电路。
在可选的实施例中，CPU370可以被可编程逻辑设备所代替或与之配合使用，可编程逻辑设备包括可编程阵列逻辑(“ PAL”)和可编程逻辑阵列(“PLA”)，数字信号处理器(“DSP”)，现场可编程门阵列(“FPGA”)，专用集成电路(“ASIC”)，超大规模集成电路(“VLSI”)等等。
回到图5，图中说明了适于通过图1或2的分组交换网络100，200进行传输并包括针对本发明的实施例的域的数据帧500。虽然所说明的数据帧500具有Q.922帧格式，但在本发明的范围中也包括其它与帧中继网络兼容的帧格式。数据帧500包括一个第一标志域510，一个地址域520，一个控制域530，一个填充(pad)域540，一个NLPID域550，一个用户信息域560，一个帧校验序列(“FCS”)域570和第二标志域580。
第一和第二标志域510，580表示数据帧500的起始和结束。地址域520提供数据帧500通过单独的帧中继虚电路所到达的帧中继网络中的目的地(如与图1中第一DSU120相连的第一DTE110)。控制域530识别Q.922格式的控制信息。除协商成其它值之外，针对Q.922控制域530的值通常是0x03。填充域540被用来把帧的其余部分与双八位组边界对齐。在填充域540中可能有零或一个填充八位组，如果有，则必须具有零值。NLPID域550由国际标准化组织(“ISO”)和国际电报电话咨询委员会(“CCITT”)管理。它包含针对许多不同的协议的值，这些协议包括网际协议(“IP”)和电气电子工程师协会子网存取协议(“IEEE SNAP”)。NLPID域550涉及数据帧500使用的接收机协议。
用户信息域560的数据部分569在帧中继网络的目的地之间传递实际数据(即第一，第二或第三数据流)。此外，用户信息域560的第一和第二八位组563，566在必要时传递由本发明的逻辑信道创建电路产生的第一，第二或第三帧头。FCS域570保证数据帧500的数据完整性。
在帧中继网络中对于数据帧500没有单独实现的帧长度。通常，最大长度大于或等于1600个八位组，但各帧中继提供者会为其网络规定一个合适的值。帧中继网络中的DTE必须允许配置最大可接受帧长度。相反，假定有一个双八位组地址域520则帧中继网络中数据帧500的最小允许帧长度是在第一和第二标志之间的五个八位组。对于一个三八位组地址域520该最小长度增加为六个八位组，而对于一个四个八位组地址域520该最小长度增加为七个八位组。
回到图6，图中说明了有关基于图1的实施例的本发明的方法的流图。图1说明了虚拟辅信道模式，从而使逻辑信道创建电路126，186把逻辑信道定义为基本和辅信道150，160。继续参照图1和图5，现在详细描述操作的虚拟辅信道模式。
虚拟辅信道模式从步骤605开始。在基本判定步骤610确定用户信息560是否来自基本或辅信道150，160。如果数据帧500是辅助帧，则该方法前进到辅助传输步骤615，否则该方法前进到基本检查步骤620。在辅助传输步骤615，信道标志和第二帧头被附加到用户信息域560的第二数据流上，而在辅信道160上通过单独的帧中继虚电路140从第一DSU120向第二DSU180发送数据帧500。
在基本检查步骤620，在发送之前检查各基本帧的用户信息域560中的第一个八位组。在第一信道标志判定步骤625确定由本发明的逻辑信道创建电路产生的第一个八位组是否等于信道标志。如果第一个八位组不等于信道标志，则在基本发送步骤630不经修改即通过主信道 50发送基本帧。如果第一个帧头等于信道标志，则在通过第二基本发送步骤635在主信道150上发送基本帧之前把含有信道标志的一个额外八位组附加到数据帧500的用户信息域560中。连接器640说明了在帧中继网络100的发送和接收端之间的转换。
在收到帧时，数据帧500的第一个八位组等于信道标志并在检查二八位组步骤650中检查第二个八位组。在第二八位组判定步骤655确定第二八位组是否等于信道标志。如果第二八位组等于信道标志，则在去除第一八位组步骤660去除第一八位组。接着，在通过主信道传送的步骤665中在主信道150上传送数据帧500并且方法在终止步骤680结束。如果第二八位组不等于信道标志，则在检查第二帧头步骤670检查第二帧头。接着，在传送辅信道步骤675在辅信道160传送数据帧500并且方法在终止步骤680结束。
图2说明的虚电路多路复用模式以类似于虚拟辅信道模式的方式进行操作。虚电路多路复用模式把对信道标志/帧头的使用扩展到一或多个多路复用的主信道帧。信道标志被作来区分本地主信道帧。帧头被用来区分多路复用主信道和辅信道。
尽管详细描述了本发明，但本领域的技术人员应理解在不偏离本发明的宗旨和范围的前提下可以最大限度地进行各种变化，替换和选择。