CN101204069A - 网络连接交换单元和网络站点 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分布式站点(12到16)网络中的数据传输领域。一个问题，特别在基于UPnP的网络中，是UPnP设备需要被经常打开来使其在网络中可用。本发明针对此问题描述了一种方法，其中未用到的网络站点能够被关闭但是仍然在网络中被识别为设备。如果需要被关闭的设备，它可以自动打开。这将取得大量的能源节约。本发明为网络连接交换单元(10)提供“通信保持装置”(22到26)，它可至少在受限制的范围为未激活的网络站点(15)保持通信，代替该未激活的网络站点(15)。也提出了一种与之所匹配的网络站点(15)。

Description

网络连接交换单元和网络站点
技术领域
本发明涉及在分布式站点网络中，具体是在“家庭网络”中的数据传输技术领域。具体的，本发明涉及可在以星形布置的网络站点间建立数据连接的网络连接交换单元。本发明还涉及与其匹配的网络站点。
背景技术
对于家用领域的网络设备，各种家庭网络标准是可用的。
微软领导的一组公司，具体的是计算机产业的公司，已经率先开始基于现有因特网协议(IP)来具体化网络控制软件。该网络系统由缩写UPnP(通用即插即用：Universal Plug and Play)而公知。在该系统中，其规范不是主要为消费类电子装置做出的，而是为其它也可集成在网络中的装置做出的，具体的是个人计算机以及诸如冰箱、微波炉、洗衣机或其它加热控制器、照明控制器、报警系统之类的“白色家电”等家用电器。优选用于实现UPnP网络的传输系统是基于公知的以太网(Ethernet)总线系统。此总线系统的多种变型已经被标准化，使得在家庭网络领域有可能选择其最优的变型。
在家庭网络领域中，推荐使用“星形布线”。举例来说，可以使用标准化100Mbit/s的变型，它被称为100Base/TX并利用最大长度为100m的CAT-5线缆。在此类星形布线情形中，线缆被一起引入也被称为‘交换机’或‘交换集线器’的网络连接交换单元中的各个网络站点。该网络连接交换单元能够在各个订户站点之间承载数据包。因此具有为此目的所需的自己的控制逻辑和软件。
UPnP网络系统包含规定：新站点需要登录到网络，且被关闭的站点需要从网络注销。通过基于SSD协议(简单服务发现协议)的特殊消息完成此工作。
发明内容
基于UPnP的网络的问题是网络中可用的UPnP设备必须经常被打开。根据UPnP标准，不仅要发送网络站点需要评估的登录和注销消息，而且例如被各个网络站点用来更新(renew)所分配的IP地址并且确认它们的活动性的数个消息在运行中被周期性地重复。这些消息是诸如UPnP发现消息，例如，网络中可用的网络站点需要对这些消息做出响应。
本发明对此进行干预，并且目的是达到一种途径，其中未使用的UPnP设备可被关闭，但继续在UPnP网络中被识别为UPnP设备。
基于本发明的解决方案是提供具有附加的通信保持装置的网络连接交换单元，该通信保持装置至少在受限制的范围(restrictedextent)为未激活/关闭的网络站点保持通信。该未激活/关闭的网络站点改变到省电运行模式，以使得网络中的这些设备的电能需求被大大降低。尽管如此，未激活的设备在网络中还是可用的，以使得UPnP标准不必由于总线管理消息被改变。
从属权利要求中的措施使得本发明的网络连接交换单元的有利发展和改进得以实现。
非常有利的是，如果通信保持装置具有检测装置，它用于识别位于网络连接点的连接的中断，并且在此情况下为通过该网络连接点连接的网络站点产生注销消息。这将保证不再可用的网络站点不假装在网络中可用。
同样有利的是，当来自该网络站点的登录消息已经被识别，为该网络站点去激活(deactivate)该通信保持装置。这是因为在此情况下，开始被关闭的网络站点又被打开。该网络站点不再需要通过网络连接交换单元来表示。
同样也有利的是，当用于未激活的网络站点的消息已经到达而不能被该通信保持装置独立处理时，该通信保持装置将唤醒消息发送到该未激活的网络站点。该措施保证，已被关闭的网络站点自身如果是需要的，可被自动唤醒。有利地，唤醒机制可基于LAN唤醒数据分组(Wake-on-LAN data packet)，该LAN唤醒数据分组被发送到关闭的网络站点。在省电运行模式中，网络站点监视数据流使其能够识别唤醒数据分组。
基于本发明的网络站点具有常规运行模式和省电运行模式，其中，尽管网络站点未激活，仍具有用于唤醒消息的评估装置，当网络站点处于省电运行模式时该评估装置被激活。另外，该网络站点具有询问装置，当网络站点登录于网络中，该询问装置发送特殊消息给网络订户来确定是否它们被连接到具有本发明的通信保持装置的网络连接交换单元上，以及该询问装置被设计成评估来自具有上述通信维持装置的网络连接交换单元的响应。本发明的网络站点因此能够独立识别是否被连接到本发明的网络连接交换单元上，并且例如在特定的等待时间之后可以改变到省电运行模式。
如上所述，有利的是，如果用于网络站点中的唤醒消息的评估装置被设计成评估LAN唤醒数据分组。
附图说明
本发明的示例性实施例在附图中示出，并且在随后的描述中更详细解释。在图中：
图1示出了具有两个网络连接交换单元的示例性网络；
图2示出了本发明的网络连接单元的协议的概况；
图3示出了本发明的网络连接交换单元的方框图；
图4示出了本发明的网络站点的方框图；
图5示出了网络站点的打开阶段的顺序图；
图6a示出了网络站点的关闭阶段的顺序图；
图6b示出了网络站点在唤醒消息后的打开阶段的顺序图。
具体实施方式
图1示出了具有5个网络站点12-16以及2个网络连接交换单元10、11的示例性家庭网络。网络连接交换单元10、11和网络站点12-15之间的总线连接是基于以太网(Ethernet)技术的，具体的是100Base/TX以太网。网络站点16通过例如遵循IEEE802.11b的无线局域网(LAN)无线地连接到网络连接交换单元10。两个网络连接交换单元10和11之间的连接也是基于以太网技术的。对于每个网络连接交换单元10、11，共示出了4个网络连接点(也称为端口)。
网络中用于数据传输的传输系统是以太网总线系统的变型，100Base/TX，已经在介绍部分提到。该变型被认为是适用于所选的应用场合，但在其它应用场合不同的变型也可用作传输系统。为了更高的数据速率，例如可用使用1000Base/T或1000Base/SX或1000Base/LX等系统。在此情况下，后两种变型是基于光纤技术的。图1中所示出的网络是基于UPnP的，即，根据UPnP标准设计各个网络站点。
因为传输帧可能丢失，以太网总线系统不为更高的协议层提供安全连接。这对于传输大量有用数据来说是不充分的，这就是传输经常由更高层协议保护的原因。对于UPnP网络系统，用于数据传输的下一最高级协议层是位于开放系统互联(OSI)分层模型中网络层的IP协议(Internet协议)。数据链路层是基于其上的TCP协议(传输控制协议)首先提供的。对于不再是以太网标准的一部分的这两个协议层，可用不同的标准，对其的引用仅出于本发明的公开的目的。应用于UPnP网络系统的完整协议结构可在UPnP规范中找到(可在www.upnp.org上得到)。
图2示出了根据本发明的网络连接交换单元中所需的具体协议结构。这两个以太网协议层，即以太网PHY和以太网MAC，在最底层排列。位于其上的是上述的IP协议层。然后，传输层包括UDP协议(用户数据报协议)，它用于传输所有与设备识别有关的消息(设备发现)。
位于此上的是HTTP协议(超文本传输协议)的特殊版本。该协议是HTTPMU协议(UDP上的超文本多播)。此类HTTP消息使用内含寻址(inclusive addressing)通过底层UDP和IP协议层而转发。
在HTTPMU协议层之上还有SSDP协议(简单服务发现协议)。
除了UDP协议之外，也使用用于传输所有其它UPnP消息的TCP协议，特别是用于设备/服务描述以及用于设备控制和事件通知的消息。在此之上，有HTTP协议，在HTTP协议上面，在SSDP协议的层次上，是SOAP协议，即早期的简单对象访问协议。这用于在其它设备产生函数调用(远程过程调用，RPC)。另外，也可实现GENA(通用事件通知架构)协议，它可对其它网络站点的事件通知进行登记操作。
在图1所示的网络结构中，10、11两个网络连接交换单元中只有一个是根据本发明设计的。由此假设该网络连接交换单元10是根据本发明设计的，而网络连接交换单元11不是。参考图3在下面说明本发明的网络连接交换单元10的设计。在图3中，附图标记20表示交换矩阵。该交换矩阵可用于在通过网络连接点25连接的网络站点之间建立任何连接。利用网络连接交换单元10中的微控制器22控制交换矩阵20。该微控制器在网络连接交换单元中也执行其它任务，下面将更详细描述这些任务。接口电路21包括与以太网协议相关的电路组件。附图标记23表示存储单元或该单元的存储区域。存储器23用于登记网络连接交换单元中对关闭了的网络站点的通信保持所需的信息。附图标记24也表示该存储区域中的特殊寄存器，该特殊寄存器与设置于接口电路21中的检测装置26直接链接，以确定是否网络连接已经被手动断开。简言之，去除网络连接连接器将打开或关闭在这些检测装置上的具体触点，结果使关联的锁存触发器被设置或复位。以位于存储区域23的特殊寄存器24为例的解决方案中，触发器输出直接与中断输入连接，它寻址到微控制器22，微控制器22进行适当的评估。
合适的网络连接点25是容纳已知的RJ45连接器的常用连接器。本发明的通信保持装置基本由组件22、23、24、26构成。
图4示出了根据本发明的网络站点的设计。附图标记35表示包括以太网、IP和UDP/TCP协议层的协议栈。附图标记31是存储UpnP描述的块。附图标记32表示对时间通知进行管理的块(UPnP Eventing)。UPnP设备的标准组件也是网络服务器33。附图标记34表示UpnP发现单元。在这些块之上，通过附图标记30表示UPnP应用。所有这些单元是UPnP设备中的标准组件，并且在UPnP说明书中有详细描述。
本发明的网络站点被设计为实施两种不同运行模式。所实施的一种运行模式是常规运行模式，其中该设备被完全供电，并且独立地参加网络数据通信。另一种运行模式对应于省电运行模式，其中该设备的主板甚至在关闭状态提供待机电压，并利用它给通信接口35供电。该电压足够通信接口的芯片持续监视网络并等待“唤醒数据分组”。该数据分组包含彻底关闭该设备的指令。顶层协议层，例如TCP/UDP/IP，在省电运行模式中是不必需可用的。因此，唤醒数据分组具有很简单的设计。它们包括单一以太网数据帧，或者在其净负荷中包括6字节的前导部分，值为0xFF，接着是16次将被唤醒的网络站点的硬件地址(MAC地址)。所述唤醒数据分组对应于现有技术中如用于PC网络的LAN唤醒数据分组。对于网络站点的LAN唤醒能力的详情可以参考‘BenjaminBenz，“Netzwerkwecker”[Network interrupts]in the periodical“c’t”，2005，第二期，200到201页’。
根据本发明，所描述的唤醒消息由扩展的网络连接交换单元10产生，特别是当网络站点12已被关闭，而通信保持装置22-26不能全部处理的数据分组已经到达网络连接交换单元10时。在此情况下，关闭的设备由唤醒消息打开，且当前数据分组被转发给唤醒的网络站点。该网络站点自身能够处理其包含的请求。
将参考图5和图6详细描述本发明的网络连接交换单元和本发明的网络站点之间的互动。
图5示出了本发明的网络站点在打开操作之后的互动。在打开操作之后，网络站点15首先从网络的DHCP服务器请求IP地址。在图1所示的网络中，假设网络连接交换单元10也担任DHCP服务器的角色。DHCP服务器进行地址分配，利用DHCP协议(动态主机配置协议协议)将适当的提交(submssion)传递给网络站点15。如果网络中具有多个DHCP服务器，基于DHCP协议，网络站点15具有选择一个发送的IP地址的选择权，例如因为它具有最长的有效期限，也称为租用时间。网络站点15接着利用所选的IP地址联系DHCP服务器10，DHCP服务器10接着确认该IP地址并传输相关数据到网络站点15。下一步，网络站点15通过网络发送搜索请求，来发现网络站点15是否连接于根据本发明的网络连接交换单元。该搜索请求对应于具有下列示例性内容的UDP分组：
ESWITCH-搜索
该搜索请求是利用内含寻址(到广播地址)而发送的，并且寻址所有连接的站点。根据本发明设计的网络站点必定能够理解该消息。其它网络站点忽略该消息。不根据本发明设计的网络连接交换单元仅仅将该搜索请求转发到所有输出。本发明的网络连接交换单元10将不把该搜索请求传递到其它交换单元或网络站点。代替的是，它将自己响应该搜索请求，由此确认其自身是与该搜索请求相对应的网络连接交换单元10。该响应对应于具有下列示例内容的UDP分组：
ESWITCH-响应：直接连接
网络站点15因此知道其被直接连接到扩展的网络连接交换单元10。接着它可离开网络并在可设置的等待时间之后改变为省电模式。然而在此之前，网络站点15也发送登录消息(SSDP：活动)。
尽管网络连接交换单元根据本发明设计，当它不是直接连接到请求的网络站点时，响应的表现如下：
ESWITCH-响应：间接连接
在此情况下，该网络站点不能改变到省电运行模式。这是因为其连接的网络连接交换单元不能支持此运行模式。
随后是在UPnP网络中的常规通信，其中服务请求从网络中的控制设备16到达网络站点15(控制点设备)。为此，控制设备16请求基于UPnP标准的设备描述。这是通过标准的“获得设备描述”和“获得服务描述”HTTP：GET请求完成的。通常，控制设备16将为了具体事件的通知而在将被控制的设备15登记，该登记通过UPnP事件通知(eventing)系统完成。接着，图5示出网络连接交换单元10从网络站点15请求设备描述和服务描述。在本发明中，这将作为一个预防措施进行，以便配备网络连接交换单元10的通信保持装置，当在省电运行模式中，即在非激活运行模式中时使其也能够处理对网络站点15的请求。接收到的数据存储于存储器23中，如前所述。图5接着示出控制设备16为具体事件通知而更新登记。UPnP标准对此有规定。相类似的，登录消息SSDP：活动也被以特定间隔周期性重复。搜索请求可通过控制设备在任意时间被送到网络，即为图5示出的下一个内容。
网络站点15的IP地址的有效期根据DHCP协议具有时间限制，如前所述。图5中的下一内容因此是从网络站点15请求DHCP服务器10，要求有效期的延长。DHCP服务器10通过响应来满足此请求。在图5的最后一部分，控制请求接着也由控制设备16送到网络站点15。这可以是例如浏览指示，例如用来请求被控制的设备15中目录的内容。作为另一个实例，它可以是开始或停止命令等。
下文将说明在网络站点15改变到省电运行模式情况下设备的互动。在此情况下，与未激活的网络站点15的通信由本发明的网络连接交换单元10保持。首先示出的是，改变为省电运行的站点向网络连接交换单元宣告该运行模式的改变。这是通过具有以下内容的UDP分组完成的：
待机
网络连接交换单元返回确认分组。
根据UPnP系统，UPnP设备需要应答多种请求。扩展的网络连接交换单元10不需要被设计为应答所有这些请求。网络连接交换单元的设计具有一定的自由度。根据所选的设计，更多的请求由网络连接交换单元应答，因此呈现的设备被较少地唤醒，或者较少的请求被应答，因此该设备被较多地唤醒。网络连接交换单元需要应答的这些请求可被永久编程在其中。扩展涉及到整个协议重新定义，其中网络站点和网络连接交换单元用来协商哪些请求需要网络连接交换单元应答。另一可选实施例涉及，在第一阶段，网络连接交换单元10将所有请求记录到网络站点，包括相关响应，并且在之后独立应答每个请求，最后仅当未知请求被送到时唤醒未激活的设备。图5中示出的请求因此是例子，并不应被视为限制性的。
图6a最顶端部分示出控制设备16请求更新未激活的网络站点15上的具体事件通知的登记。该消息发送到网络连接交换单元10并在此处理。网络连接交换单元10确认请求事件通知的登记的更新，并在执行此时输入实际的未激活的网络站点作为发送方。作为第二种情况，图6a示出了代替事件通知登记的更新，产生请求来删除在未激活的设备15上的事件通知的登记。在此情况下，网络连接交换单元10将删除在存储器23的登记表上相关条目。
接着，网络连接交换单元10自主发送重复登录消息SSDP：活动到未激活网络站点15。在此情况下，网络站点15也作为发送方被输入。接着示出的是，分配的IP地址的有效期的延长也由DHCP服务器10上的网络连接站点10独立请求。由于网络连接交换单元10自身也被配置为DHCP服务器，该通知实际上并不需要通过以太网总线传输。然而，对有效期的延长的标准确认也通过内部返回到网络连接交换单元10。接着，图6a示出控制设备16从未激活的网络站点15请求设备描述和服务描述。
这些请求也由网络连接交换单元10应答。为此，网络连接交换单元10当然已经请求并存储了相关信息，如图5所示。
搜索请求也由网络连接交换单元10应答，如图6a所示。
图6a的最后部分示出，控制设备16发送控制请求到未激活的设备15。该请求不能被网络连接交换单元10处理。因此，根据本发明，网络连接交换单元10通过总线发送唤醒消息到网络站点15。该消息是用来改变网络站点15到常规运行模式，如上所述。
图6b接着示出了其余通信周期。当被重新打开，网络站点15首先发送对IP地址的请求，如图5所示。该请求被网络连接交换单元10截获，并转换为去向DHCP服务器10的、对现有的IP地址的有效期的更新请求。此处的发送方是网络站点15。有效期的更新接着被网络连接交换单元10转换为与标准兼容的消息，它包括请求的IP地址，输入的发送方是DHCP服务器10。网络站点15将接着采用提交的地址，因为只有已分配的地址被网络连接交换单元10提交，作为单一选择项。其后的通知确定服务器名、租用时间等参数，并由网络连接交换单元10仿冒地(artifically)产生，DHCP服务器被输入作为发送方。对本发明的搜索请求接着又被网络站点15发送，如图5已经示出。接着是登录消息SSDP：活动。
接着，网络连接交换单元10向网络站点15报知事件通知的登记的当前级别。这是必需的，因为在网络站点15未激活时可能已经从其它数个网络站点接收到这些登记，并且这些登记已经被网络连接交换单元处理。相反的，一些事件通知可能已经被删除，其中在此阶段，作为选择，网络站点15被通知。当对于事件通知的登记已经被同步，网络连接站点10发送实际控制请求到激活的网络站点15。该请求包括作为发送方被输入的控制设备16。该请求接着被激活的网络站点15处理并应答，如在UPnP标准提供的。
图1示出了，除了本发明的网络连接交换单元，示例性网络也包括现有的网络连接交换单元11。这表示通过此网络连接交换单元11连接的站点12和13不能进入省电模式，即使它们是为此而设计的。由于这些站点当与网络连接时也发送相关搜索请求到网络，然而，仍需要使它们能够发现它们没有与本发明的网络连接交换单元连接。本发明的搜索请求也将由现有网络连接交换单元11被传送到本发明的网络连接交换单元10。本发明的网络连接交换单元10将如同以前那样对此搜索请求作出响应。该搜索请求通过从现有网络连接交换单元11的上行连接而来并且不直接从连接的设备来这一事实可能告诉网络连接交换单元10该请求网络站点没有与之相连。它将返回具有INDIRECT-CONNECTED参数的响应。这将告诉请求设备，尽管网络包括本发明的网络连接交换单元，但它没有与之连接，并且因此当它仍希望在网络中可用时不能变换到省电模式。

Claims (19)

1.一种网络连接交换单元(10)，具有数个网络连接点(25)，具有在网络连接点(25)之间建立间断的或周期性再次出现的物理连接的交换装置(20)，其特征在于包括：评估装置，用于评估来自通过网络连接点(25)连接的网络站点的注销消息；以及通信保持装置(22到26)，该通信保持装置(22到26)至少在受限制的范围为未激活的网络站点(15)保持通信，代替该未激活的网络站点(15)。
2.根据权利要求1所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)向未激活的网络站点(15)响应搜索请求。
3.根据权利要求1或2所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)在特定的间隔内确认未激活的网络站点(15)的活动性。
4.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)保持预留分配给未激活的网络站点(15)的地址。
5.根据权利要求4所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述分配的地址是根据动态主机配置协议分配的IP地址。
6.根据权利要求5所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)被设计为可通过向动态主机配置协议服务器(10)请求更新动态主机配置协议有效期(动态主机配制协议租期)而保持预留IP地址。
7.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)具有检测装置(26)，用于识别在网络连接点(25)处的连接中断，并且所述通信保持装置(22到26)被设计成当检测装置(26)响应时为未激活的网络站点(15)产生注销消息。
8.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，在来自未激活的网络站点(15)的登录消息被识别后，所述通信保持装置(22到26)被去激活。
9.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述网络站点被登录和注销，并且根据SSDP协议发送该搜索请求，SSDP是简单服务发现协议，登录消息对应于SSDP：活动消息，注销消息对应于SSDP：再见消息。
10.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述网络连接交换单元是根据UPnP标准设计的，且所述通信保持装置(22到26)遵循未激活的网络站点的至少设备描述和服务描述的规定。
11.根据权利要求10所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)具有为未激活的网络站点(15)提交事件通知进行更新的事件管理装置。
12.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，在未激活的网络站点(15)的消息到达而不能被所述通信保持装置(22到26)独立处理时，所述通信保持装置发送唤醒消息到未激活的网络站点(15)。
13.根据权利要求12所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述唤醒消息对应于LAN唤醒数据分组。
14.根据上述权利要求任一项所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)具有用于来自网络站点的、告知网络站点的唤醒能力的特殊消息的评估装置，并且该评估装置产生确认消息作为响应向连接于具有通信保持装置(22到26)的网络连接交换单元的网络站点(15)告知。
15.根据上述权利要求14所述的网络连接交换单元，其特征在于，所述通信保持装置(22到26)在响应中指出请求网络站点是直接或间接与所述网络连接交换单元连接。
16.一种网络站点，具有通信接口(35)，具有常规运行模式和该网络站点未激活时的省电运行模式，该通信接口(35)具有用于唤醒消息的评估装置，它在网络站点处于省电运行模式中时被激活，其特征在于，所述网络站点包括询问装置，其中在网络站点登录于网络中时，该询问装置发送特殊消息到网络中的站点来确定是否该站点连接于具有通信保持装置(22到26)的网络连接交换单元，以及该询问装置被设计成评估来自具有通信保持装置(22到26)的网络连接交换单元的响应。
17.根据权利要求15所述的网络站点，其特征在于，在网络站点的活动性未被请求的特定等候时间之后，如果询问装置已经识别出网络站点连接于具有通信保持装置(22到26)的网络连接交换单元(10)，所述网络站点自动改变到省电运行模式。
18.根据权利要求17所述的网络站点，其特征在于，在改变为省电运行模式之前，所述询问装置发送消息到网络连接交换单元(10)宣布进入省电运行模式的改变。
19.根据权利要求15-18之一所述的网络站点，其特征在于，用于唤醒消息的评估装置被设计成评估LAN唤醒数据分组。
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