电讯操作方法 |
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| 申请号 | CN99813633.6 | 申请日 | 1999-09-24 | 公开(公告)号 | CN1232129C | 公开(公告)日 | 2005-12-14 |
| 申请人 | 索马网络公司; | 发明人 | 威廉·马丁·斯奈尔格鲁夫; 迈克尔·斯塔姆; 莫里希尔·德西蒙尼; | ||||
| 摘要 | 广义地说，本 发明 与电讯有关，更加具体地说，与电讯网络改进的 操作系统 和设备有关。目前，大多数电讯服务由公共 开关 电话网络和因特网提供。现有的电话通讯系统存在着包括系统复杂、在固定的 硬件 上接入和实现服务受到限制等许多问题，使得新的产品进入市场要经过很长时间，因特网应用不能保证传输的服务 质量 。因此，这些系统缺乏灵活性和有效性，限制了开展新型服务的能 力 。本发明提供了一种用于各种电讯网络的实时分布式操作系统，同时也描述了在这一网络上实现同步运行、容错、负载管理的方法。在现有网络上应用本操作系统将为客户带来新的服务。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种在实现所需通讯时协调电讯系统的操作的方法，所述电讯 系统包括传输数据包的多个电讯链路，以及具有执行实现所需 通讯需要的操作系统功能的计算资源的多个电讯节点，所述电 讯节点由所述电讯链路连接，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 本发明所属技术领域广义地说，本发明与电讯有关，更加具体地说，是关于电讯网 络的操作系统和设备。 与本发明相关的背景技术 应用在诸如电话通讯和因特网上的电讯系统的构成为；诸如电 话或个人计算机的终端设备、诸如本地电话线路或无线电连接的接 入网络、交换器或路由器、诸如公共交换电话网络(PSTN)或城 市间的数据网络的骨干网络。设计上的一个难点是位于终端的用户 有各种各样的需求，而骨干网络则必须处理高度标准化的负载，以 保证操作的可靠性和有效性。 电讯系统需要用复杂的方法处理在系统中传输的数据流，多数 情况下这些处理操作是在地理上和行政上相间隔的各个计算机系 统上进行。很多条通讯线路同时运行，应用在不同数据流上的处理 操作经常在大范围地变换，控制这些计算机系统所需要的软件一般 庞大而复杂，难于改变。 当通过系统的数据流代表的是声音，例如在现代数字电话网 络中，实现诸如三方或多方通话、语音邮件、语音识别与鉴定、 通话等待、加密、语音代码、双音多频(DTMF)探测等功能还需 要运用特殊的处理。对于一般的数据应用，诸如电子邮件、远程计 算、计算机或互联网浏览之间的文件传输，还需要诸如防火墙和加 密等安全功能以及诸如流量规划、错误处理、按优先次序排列、缓 冲储存、格式转换、多点传送等数据流功能。 尽管电讯系统已经十分复杂，而诸如视频电话、因特网游戏、 图像点播、因特网音频、远程工作合作、电话会诊等新型服务也日 益具有广泛市场。这些服务将需要在现有网络上覆盖新型系列的功 能，使软件开发的工作变得更加复杂。 同时，即使对于单一应用，不同的用户也会有不同的需求，例 如，需要不同等级或形式的加密。由于处理多种情况的复杂性，将 会延误开发通讯应用软件的进程。 图1表示的是一个电话通讯系统10的典型配置。该电话通讯 系统10包括由交换控制器14中大型计算机程序控制的交换器12。 多个交换器12之间由传输实际通讯信号的并可能由诸如光纤和同 轴电缆等各种物理介质组成的主干线16互相连接，交换控制器14 也互相连接，但连线一般是信号线18，不是通信主干线16。 这样的系统10还包括实现诸如电话会议20、语音邮件22、收 费服务24等功能的计算手段。诸如电话转接等电话通讯功能可以 通过在运行交换器12的程序中增加代码或在电话通讯系统10中增 加专用硬件实现。特殊用户所需要的功能定义在由交换器12软件 访问的数据库中，增加一种新型功能可能需要改变这些数据库以及 使用数据库的全部交换器12软件，还可能需要为网络购买和安装 新型的硬件，还需要使用特定的软件监测用于每一特殊用户的功能 的兼容性。例如，通话等待和占线时电话转接两种功能定义了受话 方占线这一同一事件的两种不同行为，因此一个用户可能就不能同 时具备这两种功能。 在传统的电话通讯系统中，电话26的接入网络基本上只包括 用户拥有的终端与电话公司运行的交换网络之间的“局部环路”线 28，进一步的功能都集中在交换器12其中。 一般地说，电话通讯的信号处理由专门用于各种工作的硬件完 成，例如，音频解码和电话会议使用不同的硬件。由于新硬件需要 设计、检测、制造和配置，新功能的引进速度就会因此受到限制。 承担工作的固定性还造成不同类型的硬件之间不能分担负载，例如 不能使用空闲的音频解码硬件帮助过载的语音电话会议硬件。 交换器软件实现诸如电话会议这样的功能的方法是，通过电话 交换器12引导代表用户声音的数据流往返于专门进行使这些语音 数据流以突出谈话者抑制背景噪音的方式形成一体所必需计算的 硬件或软件20。当一个用户由电话26的按键键入适当号码或通过 与操作员联系表示了加入电话会议的要求后，交换器12的操作系 统就在会议硬件20上搜索并为之安排一套未占用的输入输出。如 果交换器12成功，它就会在多元总线和同步光学网络的通道中继 续搜索并安排往返这些输入输出的路径，分别往返于该与会者的电 话机26。软件搜索并安排这些资源的方式完全处于交换器12的制 造商编写的软件的控制之下，并受交换器12的拥有者控制，第三 方无法进行改进。由于了解用户接口十分困难，广大用户实际上很 少能使用这些电话通讯功能。 因此，改变现有的电讯网络10十分复杂，模式固化，硬件结 构难以扩展。这就造成了现有的电讯产业无法提供诸如高质量声音 的新型功能，即使提供了，现有的电讯产业每向市场推出一项新技 术也要花费很长时间。 当前电讯系统软件的复杂性，加上其软件各元件之间广泛的相 互联系，使得开发新功能非常困难。同时，电讯服务一直由大垄断 部门提供，使用着他们才能获得的专有设备。另一项复杂性是新服 务必须能够向上兼容，以便管理现有的客户。 软件开发因此被局限于“封闭的”一些得到信任的开发商，因 而也就缩小了可以利用的技能范围，将许多具有适应市场需求新思 想的开发商拒之门外。 传统的电讯不考虑差异性，集中于提供单一服务。因此，电讯 供应商不鼓励以价格优惠的方式向用户提供多种服务，比如对圣诞 节的低质量语音电话，只是增加连接或降低价格。同时，小需求市 场又由于开发和实现附加产品的花费不能获得足够利润而完全得 不到供应。 用户可以利用自己个人计算机(PC)上运行的软件对电讯实行 小范围的控制。例如，目前有一种电话应用程序接口(TAPI)可以 使得运行在通用型计算机上的软件控制一种称为专用分组交换机 (PBX)的交换器的交换决定。 应用编程接口(API)将一系列相对简单高层次的函数转化为 执行这些函数所必需的较低层次的指令，简化操作系统的使用。例 如，程序使用WindowsTM API执行单一指令，可以打开窗口、文件、 信息框，还可以执行更加复杂的任务。WindowsTM还具有处理电话 通讯、传送信息和其他通讯事务的多种种类的API。 这些API可以由JavaTM实现，JavaTM是一种流行的计算机语言， 在通过互联网加载程序方面具有很强的功能，还能够强加严格的规 则保证这些程序不含有干扰程序所下载系统操作的软件病毒。 JavaTM还广泛应用于高级图形用户界面(简称GUI)的编程，比如 应用在网页上的某些功能，使得熟悉该领域的人可以容易地写出一 个控制电话交换器的GUI。有一个称为JTAPI的系统就是Java电话 API的一个例子。 TAPI包含大量的专门子程序，允许用户设置并拆卸连接某一 物理设备的回路，包括电话机和诸如语音信箱这些功能的服务器。 它还可以使用户定义系统对诸如挂机等事件的响应。 一种称为ParlayTM的系统实现了一个电话API，可以用于控制 由大电话公司所拥有的中央办公室电话交换器。它与使用一个电话 API控制一个PBX在概念上相似，只是将安全作为首要关注对象， 因为故障会对许多电话用户造成不便。 ParlayTM、TAPI、J-TAPI以及类似系统允许第三方对于电话交 换器怎样与终端用户和诸如语音会议等专门设备的相互连接具有 一定的控制，但是不允许第三方增加诸如加密或语音编码等新功 能。他们也不能描述对于因特网流量的管理，因此必须使用特殊系 统管理这些功能，比如通过作为安全防火墙的计算机安排因特网浏 览数据的路由。 在一个移动电话系统或个人通讯系统(PCS)中，移动电话含 有处理无线电和语音信号并实现与基站联络的控制协议的内置计 算机，基站也具有完成这些目的的内置计算机，这样大量的移动电 话和基站就构成一个网络，使得移动电话能够接入公共交换电话网 络(PSTN)或其他接入网络。 移动电话的接入网络相比传统电话要复杂的多，它需要执行诸 如语音的数据压缩等先进的信号处理功能和诸如在通话中支持由 一个基站到另一个基站的电话通话传递等先进的通话处理功能。一 个关键的困难是移动电话内置计算机所执行的功能都是预先固定 好的，程序使用只读存储器，受到与基站联络所使用的标准协议的 能力的限制。例如，降低数据流量所使用的语音压缩算法都是事先 已经固定，新的算法开发出来以后也不能轻易改变。 用于电话通讯和用于数据传输的网络是分别开发的，而建造独 特物理网络的经济理念非常软弱，因此技术上也是会聚的。它们显 得会聚到靠近数据而不是靠近电话的模式，部分原因是数据模式具 有更大的通用性。目前占统治地位的数据网络是因特网。 图2表示的是一个因特网通讯系统示例30的配置情况。因特 网32本身由多个路由器34代表，这些路由器通过设计为高速传输 大量数据的互联网骨干网络36相互连接。用户计算机38可以通过 多种方式访问因特网，包括在一条电话线上利用声频调制和解调数 据，这一方式需要一个调制解调器40并连接公共交换电话网络42， 然后再经过一个入口处44和访问控制器46连接到因特网32。另一 种连接方式是使用在高频上调制和解调数据的置顶盒50，经过现有 的电话或电视电缆网络52，通过控制器54直接与因特网相连。一 般情况下，这些高频信号是在经过这些电话或电视电缆网络52的 现有服务使用的频率范围以外传输的。 在这些系统中，接入网络的部分通常是一台位于骨干网络36 边缘的计算机系统53，执行诸如用户认证和控制加到骨干网络36 上负载的功能。通过定义通讯协议，使用户计算机38和网络36其 他部分之间的通讯标准化。 因特网上的通讯可以按照各种形式的协议，通过各种形式的物 理传输媒介。协议就是约束数据在硬件设备之间传输的一系列协定 和规定。最简单的协议只定义一个硬件配置，而比较复杂的协议则 要定义时间选择、数据格式、错误检测和纠错技术、软件结构。 因特网是一个无连接的网络服务，其中一个通讯可能会被分割 成通过相同来源和目的地之间不同路径上传输的多个数据包。传统 的电话则相反，它只建立一条所有通讯数据都由此传输的路径。 描述在诸如UNIXTM和WindowsTM这样的操作系统上运行的应 用程序之间的连接时，人们广泛采用了插口机制。它们可以用来设 置在不同计算机上运行的应用程序之间的连接，比如经过诸如以太 网或因特网等网络在不同计算机之间传输的数据包。例如在JavaTM 中，表达式“new Socket(″www.wireless-sys.com″，8888)”返回一个 对象，代表与因特网上名为“www.wireless-sys.com”的计算机“端 口8888”的连接。这一对象还可以使用其他的JavaTM方法向这一计 算机发送和接收数据。协定中“端口号”用于定义所期望的数据类 型。 使用插口与另一个计算机上的过程通讯时，程序员定义了通讯 的一方，但还必须依赖另一计算机的管理员设置另一方。协定中的 端口号用于描述所期望的程序功能。 插口通常使用网际协议(IP)，它还可以进一步设置为使用对 送出的数据包不检查是否被收到的用户数据报协议(UDP)，或者 使用反复尝试直到收到收条确定的传输控制协议(TCP)。电话通讯 应用通常使用UDP，因为不能按时到达的数据就没有价值，而文件 传输程序一般使用TCP，以确保准确发送。用户一般需要在这两种 机制之间加以选择，明确是在数据包发送过程中处理错误情况还是 从头开始写一个新的机制。因为对于电话通讯，在处理IP时增加加 密或信号处理功能是困难的。 像IP这样协议的关键优点在于，它使得一个大网络可以有效 地运行，并且为应用软件使用这个网络提供了一个标准方法。缺点 是它不允许对数据流执行特别处理，并且没有准确地指明对于服务 质量的要求。 资源保留协议(RSVP)是IP的扩展，通过使用诸如数据速率 和等待时间这些参数，允许在技术层面上确定服务质量。由于在 骨干网络上增加了复杂性并且需要更新它们的交换器硬件，它在 被接受上受到限制，而且它不能包括确定与服务质量要求QoS有关 的费用的机制。 异步传输模式(ATM)网络使用标准协议定位数据包(同IP 一样)，设置连接(同TCP一样)，指定服务质量(同RSVP一样)。 由于ATM设备运转速度很高，ATM网络大量地配置在骨干网络的 核心，但是最终用户不能直接看到它的能力(由于IP作为应用标准 的统治地位和ATM设备的高价格)。由于ATM路由器不能被直接 访问，也由于它们描述服务质量机制的复杂性，应用软件还没有使 用这些机制。同时，像RSVP这些服务质量机制，不包含描述与服 务质量要求有关的费用的方法。 除了以上提到的IP和ATM网络，还有一些其他的网络，如帧 中继网和以太网。另外，PSTN也可以用来传输数据，例如使用向 一个模拟信号映射数字数据的格架编码。各大类型的网络都有一些 差异，实现这些网络在工程学上的差异也造成了性能上的差异。由 这些变化引起的复杂性会造成用户和应用软件很难开拓所有可以 利用的网络，也很难充分利用网络。 在具有高等待时间链接网络上，即使链接运行正常，也会发生 超时，WO 97 35402 A就是有关一个克服在避免TCP超时中遇到的 困难的系统。系统采用一种“分裂的”代理服务器，在无线电链接 两端各有一半。前半个代理服务器打开TCP数据包，按照“一个能 够将数据传输过去的强壮的协议”组成数据包，送过高等待链接， 后半个代理服务器打开接收的数据包，重新组成TCP数据包，继续 完成网络其他部分的传输。该参考文件所关注的问题是在一个高等 待链接上传输一个TCP协议信号而不发生超时，提出的解决方案是 在固定的位置(链接的两端的任一端)采用分裂的代理服务器，将 协议从TCP换成一个更加适合高等待链接的协议，并在两端“哄骗” TCP协议。 WO 97 26750 A是有关一个协议转换系统，它可以将数据在 TCP/IP协议和单元数字化包数据(CDPD)之间转换，以便使传输 通过低容量无线链接往返于一个活动媒介。两种转换设备(TCP/IP 至CDPD和CDPD至TCP/IP)都是在固定位置的专用设备(相对 于无线链接而言)，根据需要在协议之间转换数据。该参考文件所 关注的问题是在TCP/IP和CDPD之间提供一种转换，使数据通过 低容量无线链接。它的解决方法是在无线链接两端提供专用的协议 转换设备。 美国5 793 762号专利是有关向活动订户提供因特网数据和语 音服务的一种方法和系统。该参考文件所关注的问题是为活动订户 提供语音和数据服务，它的解决方法是提供采用活动网际协议的强 化无线电端口控制器，正如由因特网工程工作小组所开发的项目。 相反地，本发明讲解的是一种与由链接所连接的多节点电讯网 络或者其他网络有关的系统和方法。这些节点包括可以根据需要在 上面加载操作系统功能的多种用途的硬件。操作系统决定对于一个 连接所需要的操作系统功能以及用于加载和运行这些操作系统功 能的适当的节点。操作系统功能可以已经确定了执行的时间限制。 一般的操作系统功能包括协议转换、加密与解密、收费系统等等。 本领域里人们熟知的接入网络都有着严重的局限性，因为这些 网络在设计时曾经过于狭窄地定义了电讯应用的限制，诸如仅仅是 电话或文件传输等。因此，我们需要一项使接入网络获得多种电讯 服务所必需的复杂功能的发明。 因此也需要一种灵活有效地提供电讯服务的方法和系统，并能 够改进前面所描述的问题。提供该设计必须要考虑易于实现，同时 意识到现有设施极其难以改变的特性。 发明简述 本发明的目的因此就是为电讯网络提供一种操作系统和设备， 改进上述提到的问题。 本发明在一个方面可以广泛地定义为是一种在电讯网络上实 现通讯的方法，它所包含的步骤为：将通讯设置为数据流；通过实 时地确定和执行操作系统软件功能，在电讯网络上传输数据流；这 里操作系统软件功能是分布在电讯网络上的。 本发明在另一方面可以定义为是一个电讯系统，它包含一个呼 叫方、一个被叫方、一个与呼叫方和被叫方互相连接的具有混合协 议的电讯网络，呼叫方的可操作性为：将通讯设置为数据流；电讯 网络的可操作性为：通过实时地确定和执行操作系统软件功能，向 被叫方传输数据流；这里操作系统软件功能是分布在电讯网络上 的。 本发明的另一方面包括一个计算机可读存储器介质，存储可以 执行的计算机软件代码，行使的步骤为：将通讯设置为数据流；通 过实时地确定和执行操作系统软件功能，在电讯网络上传输数据 流；这里操作系统软件功能是分布在电讯网络上的。 本发明的另一方面包括内置在一个载波中的计算机数据信号， 这个计算机数据信号包含一系列机器可执行的编码，可由计算机执 行行使的步骤为：将通讯设置为数据流；通过实时地确定和执行操 作系统软件功能，在电讯网络上传输数据流；这里操作系统软件功 能是分布在电讯网络上的。 本发明的另一个深一层的方面包括一个移动电话，其中包括： 中央处理器元件；与中央处理器元件相连接的无线通讯输入和输出 元件；与中央处理器元件相连接的存储通过无线通讯输入输出元件 下载的软件代码的存储器元件，该软件代码可以在中央处理器上执 行；可以在中央处理器上执行的实时分布式的操作系统核心软件代 码；与中央处理器相互连接的用户界面元件。 本发明提供了一个具有实时特性的分布式操作系统，并通过一 个适合于开发多种服务的API提供先进的安全、会计、管理功能。 它所提供的软件可以运行在专门用于连接诸如电话和个人计算机 等家庭和办公室使用设备的硬件上，也可以运行在连接骨干网络的 硬件上。它还提供了在这些类型硬件之间进行通讯的物理方法，并 因此构造了接入网络。 附图简要描述 本发明的这些以及其他特性将在后面加以更加清晰地描述，描 述中援引了下列附图： 图1表示一个本领域里熟知的电话通讯网络示例的物理配置； 图2表示一个本领域里熟知的因特网示例的物理配置； 图3表示广义地使用本发明实现一个通讯系统的方法流程图； 图4表示广义地使用本发明的一个通讯系统的物理示意图； 图5A和5B表示在本发明的优选实施例中实现一个通讯系统 的方法流程图； 图6表示在本发明的优选实施例中一个通讯系统的物理示意 图； 广义发明的简要描述 图3的流程图表示了一个在电讯网络上根据以上概述的目标实 现通讯的方法。使用这一方法，通讯在步骤56设置为数据流，可 以根据TCP/IP作为一系列数据包传输。在步骤58，通过实时地确 定和执行操作系统软件功能，在电讯网络上传输这一数据流，这里 操作系统软件功能是分布在电讯网络上的。 图4是这一系统的物理表示。全图表示一个使呼叫方62与被 叫方64在一个混合协议的电讯网络66上通讯的电讯系统60，电讯 网络66可以是一个网络，也可以是在相同层面或不同层面上使用 不同协议的一组网络，比如以太网、ATM、帧中继网、TCP、UDP、 IP等等，它与通讯双方物理地相互连接。作为一个例子，显示中的 呼叫方62包括一台具有声频接口的通用型计算机68，声频接口可 以是一台标准电话机70，通过电话线与计算机68相连。电话通讯 所需要的信号处理功能由一台接入电话线的专门计算机进行，而控 制功能由计算机68本身完成。这样做就可以进行复杂的接入控制， 因为计算机68可以视为接入网络的一部分。 在本图中，被叫方64被表示为一台电话机，当然它也可以是 任何其他电话设备，如一台传真机或调制解调器。对本领域熟悉的 人员应该清楚其他适宜的设备和安排。 实现发明要求呼叫方62具有将通讯设置为数据流或数据包的 功能，通过实时地确定和执行操作系统软件功能，电讯网络66可 以在网络66上传输数据流；这里操作系统软件功能是分布在电讯 网络66上的。 操作系统一般是一系列使硬件与用户或应用程序、定时任务、 存储分配、硬件的界面控制接口的软件。操作系统所提供的特性及 其一般的设计宗旨会对围绕它所驻存的机器产生的编程风格和技 术文化施加极其强烈的影响。 实时操作系统是一种某些功能需要在一定时间限制内执行的 操作系统，以便仍使用户保持机器连续运转的感觉。例如在语音通 讯中，用户一般不接受大于200毫秒的称为等待时间的完全单向的 时间延迟。因此，所有影响语音信号的功能的运行时间必须小于200 毫秒。 实时操作系统一般要把软件代码分成多个称为线程的可以执 行单元，并安排它们在各自相应的时间限制中执行。线程根据优先 性执行，例如，一个处理实际声音传输的线程通常比处理数据传输 的线程具有较高的优先权。 这些技术在计算机软件领域特别是在内置系统领域里是为人 所熟知的，但由于多种原因还没有被应用在电话通讯网络中。 首先，尽管人们认为PSTN不适合开放系统，占统治地位的电 讯供应商们却一直很难摆脱它们庞大的PSTN设施。因为外界用户 不能进入和修改PSTN，就要受到PSTN系统所提供的功能的限制。 但是，由于现有的PSTN实际上是一个实时系统，发明不对PSTN 本身进行改变，却送给它一个压缩为PSTN包并能在PSTN网络上 传输的数据流。进入PSTN通过代理服务器控制，由网关授权。 现有的电讯供应商们还在寻求继续使用它们的智能网(IN)和 高级智能网(AIN)服务，因为它们对提供这些服务的硬件和软件 进行了大量投资。由于开发新的软件提供相同服务要大大容易得 多，发明并不一定强调与这些系统的一体性，然而，发明的操作系 统最好包含SS7堆栈，使用户处理程序可以控制它并与之相互作用。 其次，在混合协议的网络上很难实现实时系统而不发生质量问 题。人们认为这一点是使PSTN与数据网络一体化的障碍。这些质 量问题及其解决方法将结合优选实施例加以更加详细的描述。 分布式操作系统是与多台计算机的运转合作的计算机程序，任 务可以在任意一台机器上互相交换运行，在应用程序和最终用户看 来，整个计算机组就像是一个统一系统。不管是位于终端设备的最 终用户，还是直接使用运行分布式操作系统的计算机，都能够利用 系统的全部资源。 在使用不同协议的多种网络上实现分布式操作系统，需要网关 (节点)与各个网络接口。这些网关应该能够识别和补偿相关网络 的需要。 在发明中，网络既是实时的也是分布式的。因此在可执行的线 程是分布式的时候，其中必须包括时间限制。 在前面论述到的多个方面，根据发明在一个混合协议的电讯网 络上应用实时分布式操作系统具有很多优点。 实时功能允许声频、视频、语音信号以用户感到舒适的速度传 输，许多现有的电讯系统，特别是那些使用因特网作为通讯媒介的 系统，都存在着严重的质量问题，包括噪音和丢失数据包。发明为 保证在这样的网络上的传输服务质量提供了一种方法，这一点将在 下文做更加详细的描述。 发明的分布特性具有许多操作上的优点，包括： 1.提高了可靠性。由于分布功能比起核心更容易出现错误， 使用这种方法，如果软件发生问题，核心不会中止操作， 系统还可能继续运转。 2.灵活性。不需要重新启动，设备就可以更新功能或者安装 新的部件。 3.在软件层面提供备件，而不是像过去使用的PSTN那样在硬 件层面提供。这一在硬件上的削减可以使资产、运行以及 维护费用、场地服务、维护人员都降低50％，这里还都没 有包含有效性和可靠性。实际上，通过增加一层软件备件， 可以很容易地将可靠性提高几个数量级。 4.系统的升级能力还能在增加设备、增加新网络时增加新网 关。随着替代PSTN、因特网、ATM等类似网络的新型网 络的发展，可以增加新的网关，淘汰现有设备。 5.由于一个节点或一条线路发生故障时，通讯还可以重新选 择线路，这一系统没有单点故障。 同时，由于传输诸如通过PSTN或PBX的语音电话，或者传 输通过因特网、局域网(LAN)或其他网络的数据的多种服务只需 要一个单一的物理网络，使得发明的系统的物理安装大为简化。这 一点削减了安装材料和人力，也削减了对必需线路和路由硬件的维 护。例如，一个标准的商务办公室过去可能需要分别的PBX和 LAN网络，但是本发明可以在单一的物理网络上提供这两种服 务。 该系统最好在安装了允许诸如电话会议或IP过滤等信号处理 功能的情况下“活动”，它应该尽可能广泛地使用多用途硬件增加 使用范围的有效性，达到一种硬件用于多种目的。 在定义诸如带宽和等待时间这些服务质量参数方面，该系统应 该包含非常普遍的机制以及为此达成协议的方法。 因为接入网络一般是连接不同的两方管理的域(比如一个最终 用户和一个服务提供商)，它应该为运行双方提供一个可信赖的运 行机制，这可以包括诸如响应各方需要和关注的软件代理服务器和 具有已知特性的过滤器库等等。 该网络还应该理想地允许新的一方增加功能，比如根据最终用 户的兴趣和要求管理技术上困难的系统。 优选实施例的详细描述发明的实时分布性操作系统最好还具有一些其他的主要特性， 包括数据包同步、负载管理、故障承受力。这些特性现在将参考优 选实施例进行描述。 图5A和5B表示根据发明在一个电讯系统上通讯的优选方法 的流程图。 该方法起始于图5A的步骤72，将通讯设置为一系列网际协议 数据包，各自包含一个用于同步的时间标志。后文将会更加详细的 描述，网际协议数据包将被压缩进在采用其他协议的网络上传输所 必需的其他协议。实际上，几乎任何传输数据的协议都可以选择为 基本协议。 每一个数据包都被预制和选择了一个时间标志，并将用于与数 据包到达目的地的时间控制同步。同步很重要，特别是使用诸如IP 这样的无连接协议的时候。由于每一个数据包独立行进，可能会没 有按照同样的顺序到达目的地，并且几乎肯定不是以原有的相同间 隔。被叫方因此使用时间标志来保证数据包的正确顺序和间隔。 标志时间可以有许多方法，一般分为本地和系统两类时钟控 制。例如，本地时钟控制包括参照全球定位系统(GPS)数据、国 家时钟广播、以及世界各地一般都可以利用的因特网时钟服务。 系统时钟则包括在ATM和T1服务的同步中所使用的时钟。例 如，一般用于ATM网络的是一种8kHz同步广播能力，它在各地都 可以使用，并且本来是用于ATM同步固定比特率传输(CBR)的。 某些网络也可以使用192kHz的ATM时钟。 如果输入数据是音频、视频或语音，这一数据就可以数字化并 按照生成数据包领域中熟知的方法连续地从来源信号流入。 或者，根据到达数据包的顺序号排序，而不使用时间标志。然 而，因为没有考虑它们本身的用时差别，这样做会造成性能低下。 在步骤74，网际协议(IP)数据包将被压缩到与系统下一个电 讯网络兼容的协议中，这一过程最好是通过网关。在网络技术中， 网关是链接两个不同类型网络的硬件和软件的结合，作用就像一个 网络到另一个网络的门户。例如，在不同电子邮件系统之间的网关 使得不同电子邮件系统的用户能够交换信息。 在本发明的优选实施例中，所有通讯都将使用IP，通过使用其 它协议的网络时再根据需要压缩。不同网络之间的网关因此将为到 达的数据包开包，并根据通过下一网络的需要改换压缩。 在步骤76，通过实时地确定和执行操作系统软件功能，压缩后 的数据包在实时、容错、分布式的电讯网络上传输。 前面已经一般性地描述了怎样实现一个实时、分布式的操作系 统，然而，操作系统及其网络还需要比其他网络具有更强的可靠性， 特别要比过去的因特网更加可靠。公众对于一个电讯系统的可靠性 有很高的期望，但是因特网系统存在着大量容易发生故障的元件。 系统因此必须能够容错，以便系统上个别节点或链接上的故障不会 引起整个系统的故障。 无论是用于电话通讯、数据、还是新的应用，都需要在构成连 接的个别节点和链接发生故障时仍能保持连接不中断。要自动实现 这一点，可以使系统具有故障时重新选择路由链接的能力，正如现 在电话通讯和因特网的连接那样；或者使用下文将谈到的各种已经 建立连接的代理服务器在发生故障时重新建立连接。如果代理服务 器本身的节点发生故障，它们应该可以在功能节点上实现复原。在 数据库技术领域里熟知的技术可以保证这些代理服务器能够通过 各种方法充分恢复它们的状态，保证继续工作，例如，方法之一是 在程序员规定的检查点恢复附加节点的程序状态。 在步骤78，数据包在目的地被接收并被解码。当然，这一步骤 还要包括去除多余的数据头部或压缩协议数据，从数据包中获得信 号数据。然后这一数据必须按照时间标志与其他的接收数据进行同 步和排列。如前所述，时间标志和同步化都可以用许多方法完成。 在步骤80，决定数据包是否已经到达目的地。如果没有，控制 返回重复步骤76和78，直到数据包通过一个或多个网络。 在步骤82，网络中的节点实时地更新它们各自的对于网络中节 点和路径的负载计划表，这样每一个节点都具有管理系统的负载平 衡和容错所必需的数据，这部分将在后文图5B的步骤84至步骤 98讲解。图中这一更新是连续的有限几步，但在要求上应该是定期 更新，甚至实时更新。 分布式操作系统的一个颇有价值的功能是负载平衡。系统为负 载不重的节点分派新的任务，并随着负载随时间的改变移动任务 (动态的负载平衡)。在一般用途的计算中，在平衡计算负载时还 要考虑文件的物理位置，以便网络流量不会成为瓶颈。对于一个电 讯系统，也需要这些优化，并且最好要将优化扩展到平衡使用关键 的数据传输链接。对一个使用无线电链接并对用户前置设备可以两 个或多个显示的电讯接入网络，如何选择这两个或几个无线电链接 也应该作为负载平衡的一部分进行优化。负载平衡可以采用在运行 研究领域里熟知的优选方法。 在计算和电讯系统上平衡负载需要估算各自应用的负载。在通 用计算环境中，通常统计应用的近期行为估算这些负载，但是在电 讯环境中，常常可以根据推算估计计算和传输负载。例如在电话通 信中，语音编码中的信号处理操作以及由此产生的数据速率都是精 确已知的。我们必须在可利用的情况下使用这些信息，改进负载平 衡的质量，以便保证不发生超载。由于这个原因，就需要使用分布 式的操作系统运行一个接入网络，使每一个过滤器都根据它们的计 算负载和数据带宽的需要设置性能。 在本发明的优选实施例中，我们试图通过协调介入网络的资 源。 因此，在图5B步骤84，系统决定超出的负载是否会引起数据 质量下降到不能接受的水平。这一分析最好在最靠近接收方的具有 做出该决定能力的节点上进行。例如，如果接收设备是一台带电话 卡的个人计算机，就可以做出这样的决定。但是，如果接收方只是 一台电话机，就不能做出决定。 如果决定了质量不能接受，系统就会参考步骤86中的资源负 载数据库，在步骤88提出并确定分流，消减负载在步骤90实行， 为使网络陷于困境的通讯重新选择路由。 在优选实施例中，采用一个漏桶流量削减模型削减负载。在 ATM和RSVP都使用漏桶规定平均带宽，按照平均输出速率和缓解 大流量达到该速率所需的输入缓冲器的大小模拟流量，一个长时间 的大流量会使桶溢出，而溢出桶的数据包都作了特别标记，如果网 络过载就将其删除。对于无线电链接，我们可以精确地判断这些参 数，根据速率分配充足的无线电插口或频道，并在发送端准备一个 缓冲器。但是对于光学链接，就可能只能根据规格判断，决定那些 数据包要打上准备舍弃的标记。 另外一种机制是“令牌桶”，在流量用光一满桶的令牌之前， 允许全速的大流量，以后就要把流量限制在所需的平均值，等待令 牌慢慢补充。这种机制直接表现了排队行为，它是网络的基础，对 于实现本发明大有益处。 在本系统中特别确定了怎样处理过载的数据包，这些数据包都 作了准备删除的标志，但是本发明的系统还具有很大的灵活性，允 许制订多种政策，比如后压机制等。 对于编码语音，平均数据速率是峰值的50％(这也称为语音活 力因子)，但是用户更愿意使峰值也得到充分的带宽，使独白也不 会在缓冲器中延迟。因为干扰降低，低语音活力对无线电系统也有 好处。对于8kb/s的编码语音，可以选择的模型是输入速率为8kb/s、 令牌重新注入的速率是5kb/s(稍多于50％的利用率)、数十秒深(对 99％的大流量谈话，桶都不会空)的令牌桶(不延迟数据)。如何处 理超运行数据的决定取决于所需的语音质量以及是否存在流量竞 争，比如可以提高价格，可以用低速率的编码器替代，或者采用更 大的结构错误速率(FER)。 漏桶模型不提供设置路径所需要知道的全部信息，在一个数据 包转换的系统，一般有一些长度是总流量函数的内部队列，源之间 的相互作用也非常重要。我们也许需要开发一种更加信息化的模 型，但是它必须要容易退化成漏桶，因为ATM和RSVP还在使用 漏桶。一个例子是在度量变化的队列大小时使用一组桶描述平均速 率，普遍的方法是一些描述队列长度和期望速率之间关系的数学函 数，而更加普遍的方法是一系列有关队列长度和一组速率统计(平 均值和离散值，或一组百分数)的函数。我们不期望一个普通的开 发人员能够解决这样的问题，但在该领域里熟练的技术人员应该可 以开发和提出应用于此的必要的特征工具。 现在回到图5B，步骤92至步骤98表示了错误检测的程序， 这段程序从步骤92检测错误开始。 当检测到错误后，在步骤94查询资源负载数据库，然后在步 骤96提出并确认分流，如前所述，资源负载数据库根据与新通讯 的协调以及其他部件的完成情况实时更新。在优化实施例中，确认 将通过资源管理器即代理器获得，网络负载由它管理。这些分流然 后在步骤98生效，通过可以接受的节点和链接重新选择该通讯的 路由。 正如步骤84一样，92中的错误检测可以用一个周期性的方式 进行，或者实时地连续进行。最好通过网络上的周期性传输提供连 续监测。 优选实施例的另一个特点将结合图6中的物理示意图描述。在 本发明的实施例中，无线数据链接100连接了两种类型的子系统， 这里最好使用向国际电讯同盟(ITU)提出的无线电传输技术之一 的第三代(“3G”)CDMA技术。一种子系统类型位于最终用户前 端并因此称为NetPort102，另外一种类型安装在电话杆或建筑物之 上，由诸如电话公司的网络服务提供商所有，因此称为NPMs(意 为NetPort管理员)104。如下所述，这些设备由一种称为NetOS 的单独的分布式操作系统运行。 在本发明的优选实施例中，NetPort102包含一个含有一个或多 个中央处理器和存储器的简单计算机106、一个调制解调器118、 无线电线路和实现3G链接所必需的天线120，以及其他部件诸如 电源和用户接口。NetPort102还包括计算机106通过一个RJ-11连 接器与常规电话100所需要的线路以及计算机106通过一个RJ-45 连接器与一个以太网本地网络(LAN)114所需要的线路。 在优选实施例中的NPM104包括：一个含有一个或多个中央 处理单元116和存储器117的高性能计算机系统、一个调制解调器 118、无线电线路和实现3G链接所必需的天线120，以及其他部件 诸如电源、用户接口、诸如磁盘驱动器等非易失性的存储器。NPM 104还包括计算机系统与诸如因特网124和公共交换电话网络 (PSTN)126等一个或多个骨干网络所需要的线路。 无论是NetPort102还是NPMs104，存储器最好同时包括动 态存储器(DRAM)和诸如ROM、EEPROM或闪光存储器等持 久存储器。持久存储器用于“启动”计算机、提供简单的初始程 序，使计算机能够从磁盘存储器或通过链接从其他计算机加载驻 存软件。 启动之后，NetPort102和NPMs104都运行一种诸如实时Linus 或VxWorks的操作系统核心，这种操作系统核心启动或停止系统和 应用过程，并控制它们访问计算机存储器和与输入输出设备的接口 等资源。某些系统过程被赋予特别的权力，比如它们对于资源的需 求将得到注意，而其他过程就没有这个条件。系统过程可以被描述 为后台程序、过滤器运行时间环境(FREs)、Java虚拟机(JVMs)， 以及后面要谈到的服务器。应用过程可以被描述为后面要谈到的过 滤器或代理器。 一种需要的后台程序类型是“认证后台程序”，其他程序用此 核实那些声称来自系统其他的NetPort102或NPMs104的信息实际 上确实由此而来，或者其他的NetPort102或NPMs104确实在运行 它们应该运行的软件。 第二种需要的后台程序类型是“远程执行”后台程序，用它可 以使一个NetPort102或NPMs104引起另一个NetPort102或NPMs 104启动另一个上面的过程。在此之前，要经过认证后台程序核实 这样一个请求是否合法，还要通过数据库检查所要求的过程是否具 有正当的权限，然后使用核心启动一个新的过程，开始遥控使用所 需资源的执行程序。 大多数诸如Unix的新型操作系统，具有许多用于控制分布性 操作系统的特色，诸如“终止”一个过程、在规定的时间执行内务 管理任务、列出当前运行的过程、列出和搜索磁盘文件。所有这些 都可以远程调用，因此也就可以用任何一个处理器控制另一个处理 器。 任何坚固的分布式系统都需要保证上述控制命令不被有意或 无意地错误使用的保护机制，这一保护机制对于在电讯接入网络上 进行分布式计算很重要的两个原因是：分布式系统的通讯链接以至 配件计算机完全暴露给恶意的用户；一个用户对可靠性具有高期待 值的大型系统必须设计为是坚固的。在优选实施例中，所有在暴露 的链接上的操作系统控制信息都使用了密码写的协议和签名，并对 请求的合法性进行了大规模的检测。 在处理器之间通讯的标准协议，比如运行在以太网或ATM上 的IP堆栈，使得软件可以按照一致的方式编写。类似地，报告性能 或故障的一致标准，比如简单网络管理协议(SNMP)，也简化了系 统维护所需要的软件。SNMP是以TCP/IP为基础的网络使用最广 泛的网络管理协议。 如果代表了特别连接的数据流，比如对声音编码的数据流，可 以通过“过滤器”，系统价值就会大大提高。对于电话通讯，过滤 器一般有以下几种： i)压缩数据流以减少所需带宽； ii)加密声音信号，使得难以中途监听； iii)对于语音邮件，在磁盘上存储信号，或将其转化为电子 邮件的附加文件； iv)在信号上应用音调控制，诸如低音强化，改进电话的主 观质量； v)对于电话会议，将多重数据流合并为一； vi)合并多重数据流，使其速率符合CDMA通讯系统； vii)监控按键式拨号的数据流； viii)监控语音命令数据流； ix)通过与存储模板比较语音模式认证人员的身份； x)从与电话连接的物理编码器和解码器获得语音数据流， 并用之处理语音数据流。 一种可以在NetPort102或NPMs104启动的特别类型的过程在 本发明中被称为过滤器运行时间环境(FRE)，它作为一个节点运行。 这个过程可以用来运行一组前文所述的过滤器。在一个实施例中， 这些过滤器由一些动态相互连接的、使一个FRE具有由其构成的过 滤器的特殊相互连接所灵活定义的行为的子程序实现。例如实行音 调控制，压缩语音，然后加密进行传输，在语音信箱中存储一份加 密的语音副本，在完成的语音邮件上根据呼叫方预先的安排用密码 署名。 一组下文将要谈到的代理服务器和协议用来构成“通话处理” 或“连接管理”的软件层面。这一软件负责协调和定义实现实际电 话通话、数据连接、以及其他电讯服务的过滤器组。 代理服务器软件代表着个体用户和终端(比如电话)的需要， 一个最终用户的代理可能限制一天中可以打入电话的时间，而一个 位于公共场所的电话的代理则可能不允许打长途电话。类似地，对 于IP数据流，一个学校计算机的代理服务器可以过滤掉色情内容。 由于要求大量的开发人员都能够编写这样的代理，同时也要求 整个系统的保安不会与他们妥协，只有让代理服务器都在诸如由 Java所提供的安全的“沙箱”其中运行。“沙箱”的安全措施是Java 小程序只能允许在特定的范围(沙箱)内运行。这种限制的运行时 间环境可以防止Java小程序进入或改变未授权的区域或者执行其 他有害的操作，比如在客户的硬盘上读写文件、建立Java小程序来 自的服务器以外的网络连接。 代理服务器软件还要求代表网络操作员的利益，网络操作员要 根据允许幅度和回程能力分配资源，可能还要受到操作员的服务层 面同骨干操作员的协议的限制。这种软件可以用Java实现，但也可 以作为C++的分布式数据库应用来实现，后者受到推荐是因为这些 代理服务器在管理具有复杂限制的大型网络时可能需要高速运行。 在各种代理服务器之间协调的标准协议允许相互操作性。在一 个简单的实施例中，起点是各方根据一个给定的最小或标准类型的 连接达成协议(比如一个使用PCM语音编码、呼叫方付钱的接至 被叫方选择的信息或终端的连接)，然后允许各方交换他们认为更 加需要的连接的提议，以便找到一个对各方都更加有用的连接。 尽管会计机制时常仅用在服务于单一组织的小网络，大型系统 更需要会计机制。使网络代理服务器保存收费时所需要的电话记录 和数据流量，或者在建立连接时就包含付账协议，就可以实现这一 机制。 由Java库或C++方法实现的应用程序接口(API)可以用来描 述所需的连通性，例如，使用连接一个特别的电话号码或IP地址的 请求，或者给出一个网站地址(URL)或公司和服务的名称。它们 也可以用来描述所需连接的质量，例如，使用所需的主观质量(平 均意见分)或带宽、故障率和延迟时间。部分描述连接的API还可 以包括故障反应机制，比如一个异常系列。 本发明的功效还可以清楚地从在移动电话上的应用看到。图7 表示了使用本发明的一个移动电话的电路框图。这一移动电话128 绝不只是一个已经预先决定并固定了功能的设备，它还会比现在具 有更强的能力和更大的灵活性，将来还会根据需要并且继续不断地 更新。 这种移动电话128包含诸如声音输入和输出130的标准元件， 而声音输入输出元件又要包括模拟到数字和数字到模拟的转换器， 使声音信号往返于中央控制器132。例如，这一中央处理器可以是 一个数字信号处理器、微处理器或者微控制器。 当前使用MMXTM技术的微处理器可以经修改用于本发明。 MMXTM是一种英特尔TM公司的奔腾TM微处理器，设计上可以更快 地运行多媒体软件。据英特尔公司说，具有MMXTM微处理器的PC 在运行多媒体软件时可比一台具有相同时钟速度但没有MMXTM的 PC速度提高60％。同时，MMXTM微处理器运行其他软件时可以快 大约10％。 MMXTM技术对于非MMXTM的奔腾TM微处理器有三项改进： 1.增加了57条设计上处理视频、音频、图像数据更加有效 的新微处理器指令； 2.一种单指令多数据(SIMD)的新过程使其可以用一条指 令对多个数据执行同样操作； 3.微处理器上的高速缓冲存储器提高到32千字节，意味着 减少了脱离微处理器进入存储器的访问。 这样的微处理器是一种常见的商品元件，具有相对较低的价格 和广泛适用的应用软件。 微处理器最好将操作系统核心储存在内部高速缓冲存储器中， 尽管这种存储器134如图7所示可能是脱离处理器的。这一脱离处 理器的存储器134最好是一种不变的存储器，比如电可擦除只读存 储器(EEPROM)或闪光ROM，但也可以是一种可变的存储器， 如随机存取存储器(RAM)。存储器134可以用于存储通过无线输 入和输出下载的所需数字化、加密、协议的算法。由于操作系统是 分布式的，不需要在移动电话128中存储很多功能，但是最好能存 储一些经常需要的功能，因为这样可以提高处理速度。 这一移动电话128还要包括一个标准的电话键盘138和显示屏 140，然而还可以使用更加先进的元件。比如，如果不用单行字母 数字的液晶显示(LCD)，显示140屏可以包含一个LCD点阵，除 了显示字母数字以外还可以显示图像。如果不用传统的电话键盘 138，键盘138可以包含一个鼠标和按钮，能够驱动光标在显示屏 140上活动，在图形用户界面(GUI)上选择图标执行所需的功能。 通过以上叙述，其他配置对于一个熟悉本领域的人员应该也是 清楚的。本发明允许移动电话通讯或者类似的电话通讯设备通过下 载所需的最新软件或新的软件功能得到更新。随着网络更新换代， 现有的移动电话的功能固定，已经落伍。 类似地，一个连接个人计算机的调制解调器也可用相同的方法 编程。毫无疑问，对于任何电话通讯设备都可以进行相似的配置， 包括个人数字助理、传真机、寻呼机、售货点的计算机、局域网、 专用分组交换机。尽管这里显示和描述了本发明的一个特别实施 例，显然这样的实施例可以变化和修改，而不偏离本发明真正的范 畴和精神。 本发明的方法步骤可以实施成为一系列存储为各种形式的可 执行机器代码，诸如目标代码或源代码。这些代码在这里统称为代 码，或简称为计算机程序。显然，可执行机器代码可以和其他的程 序代码结合在一起，形成子程序，由外部程序或由该领域里熟知的 技术调入。 本发明的实施例可以由计算机处理器或类似的设备根据方法 步骤编程执行，也可以由具有执行这些步骤手段的电子系统执行。 类似地，诸如计算机磁盘、CD-ROM、随机存取存储器(RAM)、 只读存储器(ROM)、或者类似的该领域里熟知的计算机软件存储 介质这些电子存储手段也都可以编程执行这些方法步骤。同样，代 表这些方法步骤的电子信号也可以通过电讯网络传输。 熟悉该领域的人员还应该清楚，本发明不应该局限在所描述的 计算机和计算机系统范围其中。信用、借贷、银行和智能卡都可以 编码，在各自的范围中应用本发明。并且，这样的实施对于熟悉该 领域的人员应该是清楚的，不能从本发明中划分出去。 |
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