一種層次式交換網絡系統的製作方法

2023-10-22 21:17:07 5

專利名稱：：一種層次式交換網絡系統的製作方法所屬領域本發明涉及一種網絡系統，特別的採用層次式IP交換(IPSwitching)技術取代IP路由(IPRouting)技術。
背景技術：
：隨著網絡規模和用戶數量的迅速增長，Internet正逐步成為未來信息基礎平臺，新的應用需求和通訊技術的進步驅使Internet體系結構目標從開放、集成向高性能、可擴展、可管理方向發展。原有的Internet體系結構設計條件已經發生改變，其中的一些原則在現有的網絡技術條件下不再適用。例如目前為保證網絡可靠性和方便互聯，採用的是無中心、無結構的拓撲設計和一維平鋪的地址結構，這種結構具有有靈活性、健壯性等優點。但是隨著網絡規模膨脹和用戶呈指數增長，這種結構將導致網絡在性能、效率、可擴展性、服務質量保證、可管理性等方面受到挑戰，具體表現在一維平鋪的地址結構及無結構的地址分配策略導致了龐大的路由表，造成核心路由器包轉發的瓶頸；無結構的網絡拓撲以及拓撲與地址分離的設計方案導致對複雜的全局路由信息進行交換和路由計算，從而消耗了核心路由器大量資源，並且導致大規模的、全局的、動態的路由協議存在穩定性不夠、收斂時間慢等問題；不確定的路由容易引起流量突發以及流量模式難以預測，從而導致服務質量保證和流量控制困難等等。當前Internet無結構的任意拓撲連接與地址結構，以及網絡地址與拓撲分離的特性，是造成目前Internet路由問題、服務質量保證和性能擴展等問題難以解決的根本原因。當前Internet路由由兩個層次完成，分為域間路由和域內路由。邊界網關協議BGP4(BorderGatewayProtocol4)是目前域間路由唯一的事實標準。該協議在大約10萬個路由器中運行，交換全球Internet自治系統間的可達性信息，從而使Internet成為了世界上最大的分布式系統之一。但是一維平鋪的地址結構、無序的地址分配策略、拓撲與地址分離、全局動態及其規模龐大的特徵導致了BGP4在可擴展性、收斂效率、穩定性等方面存在嚴重問題，難以承擔未來更大規模Internet路由任務。F.Kamoun和L.Kleinrock所提出的層次路由方法(″HierarchicalRoutingforLargeNetworksPerformanceEvaluationandOptimization″，ComputerNetworks，1(3)155--174，January1977)以及PNNI(PrivateNetwork-NetworkInterface)通過拓撲、地址的匯聚、和抽象技術實現信息掩藏，在任意拓撲的網絡上構造邏輯層次結構的路由，解決路由表可擴展性問題，但是代價是增加了平均路徑長度，並且信息抽象與路由計算非常複雜。為了提高路由器的轉發速度和提供服務質量保證，人們試圖儘量用交換來代替路由，提出了IP/MPLS路由/標記交換結構(Rosen，E.，Viswanathan，A.andR.Callon，″AProposedArchitectureforMPLS″，RFC3031，January2001)，綜合利用網絡核心交換技術和網絡邊緣IP路由技術的優點。在IP/MPLS結構下，路由是永遠避不開的，只能做到部分地減少路由表查找次數，這是在現有包轉發技術基礎上的一點改進，但是並沒有從根本上解決問題第一，複雜的路由表生成過程、存儲龐大的路由表、及對路由表費時的查詢工作都沒有消除；第二，沒有快速、嚴格的方法對隨機到達的獨立IP包是屬於同一個流還是非同一個流進行有效地認定；第三，標記交換技術也引入了更複雜的問題，例如標記的生成、分配、管理、標記到埠的查詢和映射、標記交換與其他協議的互操作等，使得核心網內部越做越複雜。MPLS增加了Internet核心的複雜性，偏離了Internet結構。上述方法和技術是對現有Internet結構的完善和修補，沒有重大突破。發明目的為了解決當前Internet因任意連接的拓撲、一維平鋪且無序的地址分配、以及地址與拓撲無直接關係等原因造成的路由表龐大、全局路由信息交換與計算複雜的問題，本發明提供一種層次式交換網絡(HierarchicallySwitchedNetwork)系統，以下簡稱HSNET，用於解決路由規模與網絡性能可擴展性的問題。發明的技術方案本發明所採用的技術方案如下層次式交換網絡主要通過重新規定網絡拓撲、網絡地址的規則以及二者之間必須滿足的關係，用IP交換徹底取代IP路由。其基本方案包括按層次結構構造網絡拓撲結構，同樣按層次結構分配網絡的地址空間，拓撲結構的層次與地址結構的層次嚴格匹配的；在按照以上方法組建的網絡中，實現數據包按照層次地址的快速交換，從而避免路由操作。層次式交換網絡是一組網絡組織方法與控制方法的集合，主要包括拓撲結構組織方法、地址分配方法、包交換控制方法等。1.本發明使用的基本術語(1)層次式交換(HierarchicalSwitching)網絡的拓撲與地址採用層次結構且嚴格匹配，數據包轉發依賴目標地址的相應層次實現數據包的交換。(2)層次式交換網絡(HierarchicallySwitchedNetwork，HSNET)指符合層次式交換的網絡，在該網絡中使用層次式交換。(3)節點域也叫邏輯節點或虛擬節點，是HSNET基本邏輯元素之一，指由一組互相連接的交換機和其他功能的伺服器(如策略伺服器、帶寬代理伺服器、各類管理信息庫等)所組成的自治域。(4)節點節點域內部的交換機和其他功能伺服器，統稱為節點。(5)根域處於層次式交換網絡頂層的節點域，根域可以與其他HSNET網絡或非HSNET網絡進行互聯。(6)父域處於某節點域直接上層的節點域。(7)子域處於某節點域直接下層的節點域。(8)兄弟域某節點域直接下層的所有節點域互稱兄弟域。(9)鏈路在數據鏈路層實現節點間通信的媒介或設施，如ppp鏈路、乙太網、X.25、幀中繼、ATM網、或高層隧道等。(10)外部鏈路本節點域與其他節點域相連的鏈路。(11)內部鏈路連接本節點域內部節點的鏈路。(12)邏輯鏈路也稱虛擬鏈路，是HSNET基本邏輯元素之一。一條邏輯鏈路指本節點域連接其他某節點域的所有外部鏈路的集合。一個節點域的邏輯鏈路包括一個指向父節點域的邏輯鏈路、若干個指向子節點域的邏輯鏈路、以及若干個短接邏輯鏈路。(13)埠埠是節點用來與鏈路連接的部件。在節點域中，埠由節點ID和埠在該節點的標號標識。埠一般包括輸入、輸出兩部分。在節點域內，依據所連接的鏈路不同分為外部埠和內部埠。(14)外部埠與外部鏈路相連的埠稱外部埠。一個外部埠可以分為輸入外部埠和輸出外部埠兩部分。(15)內部埠與內部鏈路相連的埠稱內部埠。(16)邏輯埠與邏輯鏈路一一對應的埠，是邏輯鏈路所包含的外部鏈路在本節點域的外部埠集合。(17)鄰居連接到同一鏈路的節點互稱鄰居。(18)邊界節點與其他網絡(HSNET網絡或非HSNET網絡)相連的節點。(19)邊界埠與其他網絡(HSNET網絡或非HSNET網絡)相連的埠。2.HSNET拓撲結構組織方法HSNET拓撲結構組織方法規定了組建層次式交換網絡拓撲結構時所採用的方法。首先根據管理域的不同，可以把網絡分為兩部分骨幹網和接入網。圖1是網絡的兩層邏輯結構示意圖，(1)為骨幹網，(2)為骨幹網內節點，(A)-(H)為接入網。骨幹網由運營商運行和管理，接入網由用戶單位管理。城域網包含在骨幹網中，由運營商負責。擁有接入網的單位，可以是一所學校、一所醫院、一個公司、一個政府部門、一個居民小區等。把所有的用戶接入網用一個骨幹網連接起來。HSNET是指骨幹網遵循HSNET組建，並且運行HSNET協議。然後，HSNET骨幹網的拓撲結構是由多個交換層次組成樹型結構。由於簡單樹型結構中任意兩個節點的鏈路是唯一的，因此簡化了路由。但是它在可靠性、擴展性、靈活性等方面存在固有的缺點例如如果存在單點故障，那麼一條信道或節點的失效，會使得該信道或節點下連的所有子樹失去連接性，從而造成一批下屬子樹的斷連；如果單根信道的帶寬和單個交換機的容量受限，則存在可擴展性問題；由於樹型結構任意節點間的路徑是唯一的，所以不能滿足多個實體間靈活的路由需求。因此在設計HSNET網絡的拓撲結構時，本發明對嚴格的樹型結構進行擴展，以避免上述缺點。擴展包括兩種第一種是基於邏輯節點域和邏輯鏈路擴展。這種擴展方法用於解決可靠性和容量可擴展性問題。該方法以邏輯節點(或稱節點域)替代樹型結構的節點，以邏輯鏈路替代樹型結構的分支，以邏輯節點和邏輯鏈路為基本元素按樹型結構組織成邏輯上的層次結構網絡，保持層次結構特點。從實現角度看，每個節點域中有多個節點互聯，這保證了交換節點容量的可擴展性和路徑選擇的靈活性。由於每條邏輯鏈路包含了多條物理鏈路，因此擴展了邏輯鏈路的帶寬，增強了抵禦單條物理信道失效的能力。因此邏輯擴展方法既保持了樹型結構的特點，又保證了可靠性和可擴展性。圖2是基於邏輯節點域和邏輯鏈路擴展的局部層次式交換網絡示意圖，(1)為節點域，(2)為邏輯鏈路，(3)為伺服器，(4)為交換機。節點域(1)是樹型結構上的一個交換節點，其功能如同一個交換機，完成流量向上和向下兩個方向的轉發。連接兩個相鄰節點域間的外部鏈路集合抽象為邏輯鏈路(2)，每個邏輯鏈路由多條外部鏈路組成。對於某一節點域而言，有一上行邏輯鏈路和一組下行邏輯鏈路上行邏輯鏈路連接父節點域；下行邏輯鏈路有多條，連接多個子節點域。每個下行邏輯鏈路由本層節點域管理，並且分配一個邏輯鏈路號，這個邏輯鏈路號其實就是下一層子域的子域號。第二種是基於短接的擴展。這種擴展方法用於解決靈活性和效率問題。該方法在不同子樹間增加直接鏈路，讓子樹間存在第二條有效路徑，從而使得子樹間的流量不一定需要它們共同的祖先節點域進行轉發。在基於短接擴展中，短接鏈路是局部自治的，只有短接鏈路兩端直接關聯的節點域感知此短接的存在。短接擴展的方法保持了拓撲的層次性，同時具有靈活的拓撲結構。短接鏈路的實現可以按照第一種擴展方法中邏輯鏈路的構造方式實現，即由一組物理鏈路組成。基於短接擴展有五種應用場景(1)第一種應用場景是在同一地區(例如同一個城市)中有兩個甚至更多的接入服務提供商採用層次式交換網絡向用戶提供網絡接入服務這些接入服務提供商(ISP)的層次網絡可能互相交叉重疊，例如處在同一城市的一批醫院接到一個接入服務提供商提供的層次網絡上，同一城市的一些保險公司接到了另一個接入服務提供商提供的層次網絡上；如果醫院與保險公司之間的通信都要繞道兩棵樹的頂層才能到達對方，而這種頂層互連可能在數千公裡以外，這是不合理的，因此需要引入短接擴展。(2)第二種應用場景是雖然一個地區(例如城市)內只有一個接入服務提供商提供層次網絡接入服務，只有一棵子樹，但某些接入用戶是一個集團，在不同的子區域有多個分支機構，分支結構之間有較大的通信量，或有較高的通信質量要求；因此要求接入服務提供商在其有大通信量的分支機構所接入的底層節點域之間增設信道，直接連通。(3)第三種應用場景是接入服務提供商自身通過對網絡流量的監測與分析，認為某兩個子區域(子樹)之間應增加一條直接的信道，可以優化網絡性能，因此在兩個子區之間進行短接。(4)第四種應用場景是HSNET與非HSNET網互連時進行短接，使得HSNET網絡與非HSNET網間不需要經過頂層網絡的轉發。(5)第五種應用場景的短接通達對方的整個網絡，而不只是對方的一棵子樹。上述前四種短接需求的應用場景都屬於局部性短接，主要目的是本地流量不要繞道遠程，使本地區內處於不同ISP的網絡或同一ISP網絡的不同分支網之間的流量更加合理，起局部優化作用；第五種則是全局性短接。為了提供連網時最大程度的靈活性，在將現有網狀連接的網絡轉換成層次式交換網絡，短接方式允許任意進行短接。任意短接包括如下方法(1)允許層次網絡中有任意多的短接鏈路；(2)允許一個節點域對其他任意多個節點域有短接鏈路；(3)允許處於樹的任意不同層次的節點域之間有短接鏈路。通過任意短接，在網絡拓撲結構不加任何改變的情況下，可以把現有的網絡改造成基於層次交換的網絡。圖3是一個任意短接擴展例子的示意圖，其中(D1)-(D10)、(D1』)-(D10』)是節點域，(A)-(H)是接入網，(1)-(8)是短接鏈路。HSNET網絡與其他網絡互聯有三種模式包括與其他HSNET互聯、與非HSNET網絡互聯、以及與接入網互聯。與其他HSNET互聯有兩種方法一種是短接互聯，即在兩個HSNET網頂層節點域間通過短接鏈路進行互聯。其優點是互聯簡單，只需要配置頂層節點域即可，而缺點是只能在兩個HSNET間互聯，不能實現多個(三個以上)HSNET的全互聯，如圖3所示。另一種是頂層擴展方法，即建立一個超級虛擬節點域作為根節點，將各個HSNET網絡的頂層節點域作為這個超級節點域的子節點域，構造新的更大範圍的HSNET網絡。圖4是頂層擴展方法示意圖，(D1)-(D10)、(D1』)-(D10』)是節點域，(A)-(H)為接入網，(1)為HSNET1，(2)為HSNET2，(D0)是超級節點域。與非HSNET網絡互聯的方法是HSNET頂層節點域直接與非HSNET網絡的核心骨幹網互聯，或者與非HSNET網絡建立一個對等關係。對等關係的建立需要運行BGP協議，或者將HSNET網絡作為非HSNET骨幹網的一個下層網絡而無需運行BGP協議。圖5是HSNET網絡與非HSNET網絡互操作示意圖，(1)是非HSNET網絡的核心層，(2)是非HSNET網絡的分布層，(3)是非HSNET網絡，(4)是HSNET網絡，(A)-(Q)是接入網。與接入網互聯有三種方法包括與當前接入網直接互聯、多宿互聯、以及HSNET末端擴展方法。直接互聯方法是最基本的方法，即將用戶網絡通過路由器直接接入HSNET葉子節點域(也稱HSNET邊緣埠)，從而實現用戶網絡的接入；多宿互聯(Multi-Homing)方法指一個用戶網絡連到不同的ISP、或同一個ISP的不同接入點，以便增加可靠性，均衡負載；HSNET末端擴展方法指接入網本身也按照層次式交換網絡構造，從而在接入時取消了路由器，實現HSNET網絡與接入網的無縫互聯。圖5反映了HSNET網絡與其他網絡互操作的場景，其中HSNET網絡在底層將不同類型的接入網連接起來，同時可以與其他HSNET網絡或非HSNET網絡在頂層互連。圖6給出兩個用戶接入網(C)、(E)採用多宿互聯方法接入HSNET網絡的示意圖，(D1)-(D10)、(D1』)-(D10』)是節點域，(A)-(Q)為接入網，(1)為HSNET1，(2)為HSNET2。用戶接入網(C)連到同一ISP網的兩個不同的子樹，用戶接入網(E)連到兩個不同ISP的HSNET網絡。3.HSNET地址分配方法HSNET地址分配方法遵循與IPv6地址結構兼容的原則，遵守IPv6地址分配方案，在統一地址空間建立一致的地址結構。該分配方法在授權的地址空間內構造層次地址結構，這種地址不僅具有命名功能，而且具有尋址功能，即網絡地址能夠表示網絡的結構化信息。HSNET是骨幹網絡，其地址分配方法主要涉及骨幹網絡層地址的設計、分配和管理，不涉及用戶接入網絡及其內部節點的地址分配與管理。本發明的HSNET地址分配方法主要考慮全局單播地址分配，將一個IP位址分為網絡地址號(NetworkID)和接口號(InterfaceID)兩部分在HSNET網絡內，任意一棵邏輯子樹是一個層次子網，其網絡地址號由子網地址前綴表示；同時上一層網絡為下一層網絡分配一個邏輯埠號，下一層子網地址是上一層子網地址前綴與其分配的邏輯埠號的組合。通過層次網絡地址號顯式地指出了數據包交換的邏輯路徑。IPv6的地址類型有三類單播(Unicast)地址、任播(Anycast)地址和組播(Multicast)地址。IPv6地址用途由地址的前導位模式指定，又稱格式前綴FP(FormatPrefix)。FP為11111111指示該地址為組播地址，其他的為單播與任播地址。以FP劃分地址空間，其用途、格式前綴、和地址空間如表1所示。表1IPv6地址圖7是IPv6可匯聚全局單播地址結構(AggregatableGlobalUnicastAddresses)格式(A)是格式前綴FP，值為001，3個比特；(B)是頂層匯聚域TLA，13比特；(C)是保留欄位RES，保留用於將來擴展TLA或NLA域，8比特；(D)是下一層匯聚域NLA，24比特；(E)是站點層域SLA，16比特；(F)是接口標識域InterfaceID，64比特；(G)是公共地址範圍；(H)是站點拓撲地址範圍。TLA、NLA、SLA將地址分成三個大的層次TLA在路由層次的頂層，由註冊機構分配給大的提供流量中轉服務的組織；NLA用於得到一個TLA地址的組織建立自己內部的地址層次並標識站點；SLA用於用戶組織建立自己的內部地址層次結構並標識子網。HSNET的地址分配是在IPv6地址分配框架下對於全局單播地址進行地址分配，有兩種方法一種方法是重新劃分IPv6的可匯聚的全局單播地址，由HSNET重新分配，建立自己的層次結構地址空間，如圖8所示。圖8是兼容IPv6的HSNET可匯聚全局單播地址結構格式(A)是格式前綴FP，值為001，3個比特；(B)是頂層匯聚域TLA，13比特；(C)是保留欄位(RES)，保留用於將來擴展TLA或HA域，8比特；(D)是層次地址域HA，32比特；(E)是站點層域SLA，8比特；(F)是接口標識域InterfaceID，64比特；(G)是公共地址範圍；(H)是層次拓撲地址範圍；(I)是站點拓撲地址範圍。另一種方法是使用IPv6未指派的地址空間，如FP位模式為010、011、100、101、110等，建立層次交換網絡的地址空間，如圖9。圖9是使用IPv6未指派地址空間的HSNET全局單播地址結構格式(A)是格式前綴FP，3個比特；(B)是層次地址域HA，61比特；(C)是站點層域SLA，16比特；(D)是接口標識域InterfaceID，64比特；(E)是層次拓撲地址範圍；(F)是站點拓撲地址範圍。本發明建議採用第一種地址方案，以便與現有的IPv6網絡直接互通。HSNET地址分配方法採用變長交換欄位，根據實際網絡拓撲結構的需要設計網絡的地址結構。HSNET地址層次數目以及各層交換欄位的長度是與網絡的拓撲結構緊密相關，由各節點域獨立決定自己交換欄位的長度以及交換欄位的值作為下一層子網的邏輯號。交換欄位的長度決定了該節點域扇出的最大子域數目。實際網絡的拓撲層次雖然沒有限制，但一般在3到5層範圍之內，地址的交換欄位數目也就在3到5的範圍內。交換數據包時，各節點域需要知道相應交換欄位的位置與長度。具體的，HSNET層次地址空間可以劃分成多個交換欄位SFi，每個交換欄位SFi有兩個參數Si和Li，其中Si是子網前綴的長度，表示SFi在IP位址中的起始位置，Li是交換欄位SFi的長度。位模式全1的地址有特別用途，用於指示本節點域地址；位模式全0的地址用於缺層時進行靈活的層次插入；是否採用長度相等的交換欄位需要考慮系統的複雜度和轉發效率。HSNET地址分配方法對節點域及其內部節點地址進行標識，包括節點域及其邏輯埠地址、節點域內部節點及其埠地址、節點域內部伺服器地址。即節點域內部地址的設計以HSNET網某分支第i層節點域A及其內部節點地址為例，其格式為FP:TLA:RES:SF1:SF2:…:SFi:…:SLA:EHA:TYPE:X:Y:其中SFi位模式為全1；EHA是可擴展的層次地址，佔4個字節；類型TYPE欄位為特殊地址的類型，佔1個字節；X欄位佔1個字節；Y欄位佔2個字節。地址解析方法根據EHA欄位的位模式是否全為「0」而不同如果EHA欄位的位模式不為全「0」，則地址解析為本節點域內部的一臺伺服器地址，這個地址的低64比特就是該伺服器EUI-64格式的接口標識號；否則如果EHA欄位的位模式為全「0」，則地址根據以下方式解析(1)如果TYPE＝0、X、Y均為0，則該地址標識節點域A自身地址；(2)如果TYPE＝1，Y取值範圍為0至65535。當Y取值為0至1023，則該地址標識本節點域A內邏輯埠號為Y的邏輯埠；當Y取值為1024至2047，則該地址標識本節點域A內短接邏輯埠號為Y的埠；當Y取值為65535，則該地址標識本節點域A內的上行邏輯埠。(3)如果TYPE＝2，則該地址標識節點域A內交換機號為X的交換機。(4)如果TYPE＝3，則該地址標識節點域A內交換機號為X、物理埠號為Y的物理埠。(5)如果TYPE＝4、X＝0、Y取值為0至255，則該地址標識節點域A內的類型為Y的伺服器。HSNET的地址分配在網絡層次空缺時可以支持層次的插入。HSNET網絡中分支網絡的層次數目可能不同，即節點域或用戶接入網絡可以跳過某些層次直接與高層的祖先節點域連接。跳過的層次是空缺層次，空缺層次的交換欄位設為0。當這部分地址空間要讓更多的用戶接入網絡使用時，就可以進行層次的插入，插入一或多個層次。在缺層分支上插入層次，即增加節點域，然後建立它的層次網絡。在缺層的分支上可以插入多個層次，但都要保證缺層分支上原來的各節點域在其上層節點域的域號為0。層次插入不影響原缺層分支上已分配的地址空間。4.數據包層次式交換控制方法上述層次式交換網絡的拓撲和地址都是層次結構，並且地址結構與拓撲結構互相匹配，因此本發明根據層次網絡的這些特徵，在層次式交換網絡內部使用層次式交換。由於HSNET網絡拓撲的層次特徵，故任意兩節點域之間的邏輯交換路徑是確定的，沒有全局的路由計算；由於HSNET地址的層次特徵並且地址與拓撲嚴格匹配，故地址反映一定的拓撲信息，地址本身具有尋徑功能，根據IP目標地址相應的交換欄位，確定邏輯路徑的下一跳，進而結合節點域配置信息與控制規程，確定實際轉發路徑，完成數據包在節點域的交換。在節點域，數據包層次式交換有三個過程確定邏輯埠、選擇目標外部埠、和選擇下一跳輸出埠。從外部埠首次到達節點域的包需要進行確定邏輯埠，選擇目標外部埠，然後選擇下一跳埠送往下一節點；而從內部埠到達的包，只需要進行最後階段的操作，即根據前面選定的目標外部埠選擇下一跳，逐跳到達目標外部埠。對於最後一個過程，由於節點進行下一跳選擇時需要知道目標外部輸出埠信息(稱為內部交換標記ISL)，因此當數據包首次進入該節點域並完成目標外部埠選擇時，需要對包進行ISL封裝。圖13是ISL封裝IP包格式其中(A)是FLAG欄位，4比特；(B)是保留欄位RES，4比特；(C)是EPID欄位，24比特；(D)是IP包；(E)是ISL。ISL由三個欄位組成，分別為FLAG、RES、以及EPID。FLAG位模式為1111時標識ISL封裝，RES保留，EPID欄位填入包的目標外部輸出埠號EPID，EPID由交換機號SID(8位)和埠號PID(16位)組成。有益效果本發明的層次式交換網絡可以消除龐大的路由表，沒有複雜的、全局的路由計算，網絡控制與管理局部自治，從而提高了網絡性能，簡化了核心網絡的複雜度。層次式交換網絡適合構造高性能、可擴展、可管理和可靠的下一代Internet，特別適合於IPv6網絡，它遵循IPv6及其相關協議(如IPv6地址體系結構)，為IPv6網絡提供了一種新的包轉發方案。本發明的有益效果包括(1)層次式交換網絡的重要特徵是網絡拓撲是按照層次結構構造的、網絡的地址也是按照層次結構分配、以及網絡的地址結構與網絡拓撲的結構是匹配的。這種特性使得Internet上數據包的轉發不依賴路由表選路，從而不需要全局的、複雜的路由信息交換與路由計算。層次交換控制過程具有局部自治性，交換控制信息局限於交換節點內部，無須在整個網絡傳播控制信息，無須考慮與其他節點域的互操作問題，不僅簡化了交換機的設計，而且簡化了網絡控制協議，大大降低了網絡協議的複雜度。複雜度的降低是構造高性能網絡的關鍵。(2)層次式交換採用IP交換代替IP路由，各層節點按照目的IP位址相應的交換欄位進行局部控制的簡單交換，不依賴於查詢龐大的路由表，不再具有傳統意義上路由選擇的含義，路由器退化成了交換機。與標記交換如MPLS相比，交換的依據是IP包的目的地址相應的交換欄位，因此不需要對很長的標記進行分配、管理、檢索，不需要為每個流生成標記交換路徑(LSP)。層次式交換中，每個節點域只使用地址中一個很短的欄位的值，決定下一跳的去向，極大地簡化了交換機的複雜度，消除了複雜的路由計算和查找龐大路由表的任務，可以用硬體完成主要交換功能，提高交換機的性能，大大減輕了路由器的瓶頸問題。(3)層次結構構造大規模網絡系統，具有性能、規模、管理上的可擴展性。隨著Internet逐步成為未來全球基礎信息傳輸平臺，用戶數量、網絡規模呈幾何級數增長。新的應用需要提供有QoS保證的大數據量實時多媒體傳輸服務。但是目前在無結構的Internet上，一條信道被不可知的用戶群體借道使用，加上通信的突發性，因此無法預測網絡的流量模式，無法合理地為每條信道及其相應的埠分配合適的資源數量，網絡的流量工程或QoS機制難以進行。這種缺陷對網絡規模擴展、網絡性能擴展的影響越來越突出，成為制約網絡發展的關鍵因素。層次式交換網絡在現有的Internet中引入結構化概念，可以把子區域內的局部通信的流量限制在子區域內部，不佔用子區域以外的網絡資源，避免了目前經常出現的混亂、低效、浪費網絡資源的現象。層次式網絡有嚴格的拓撲結構和相對固定的通信路徑，可以簡化描述網絡動態變化的模型，降低網絡資源管理和網絡流量分布預測的複雜性，為QoS機制的應用提供根本保證。同時由於層次式結構具有良好的可擴展性和可管理性，適合有效構造和管理大規模的網絡，可以成為未來Internet採用的結構。當網絡的規模擴大、用戶數量或用戶網絡增加時，擴展只需增加中間層次即可，其影響局限在局部範圍內，不會對整個網絡產生影響。(4)HSNET網絡基於邏輯節點域與邏輯鏈路的擴展，增加了網絡的可靠性和容量的可擴展性。基於短接的擴展使得層次拓撲結構更加靈活，既在邏輯上保持了層次結構的特點，又在網絡實現上具有靈活的結構。原則上，現有的任意連接的任何複雜的網絡結構，在對其拓撲結構和信道連接狀況不加任何修改的情況下，都可以變成帶短接信道的層次交換網絡。(5)HSNET的設計與現有IPv6和IPv4網絡的兼容。IPv6的網絡可以直接接入，因此HSNET將有利於推進IPv6。HSNET的設計，使現有的網絡可以有序、漸進地過渡到全HSNET結構。圖1網絡兩層邏輯結構示意2基於邏輯節點域和邏輯鏈路擴展的局部層次式交換網絡示意3一個任意短接擴展的例子示意4頂層擴展方法示意5HSNET網絡與非HSNET網絡互操作示意6接入網基於多宿方法接入HSNET網絡拓撲實例示意7IPv6可匯聚全局單播地址結構格式圖8兼容IPv6的HSNET可匯聚全局單播地址結構格式圖9使用IPv6未指派地址空間的HSNET全局單播地址結構格式圖10HSNET網絡及層次地址結構實例示意11HSNET網絡分支缺層地址表示實例示意12層次插入的實例示意13ISL封裝IP包格式圖14層次交換網絡實施例示意15ISL封裝IP包P格式示意圖實施例下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖10是一個HSNET網絡及層次地址結構實例示意圖。其中(1)是HSNET網絡，(D1)-(D10)是節點域，(V)-(Z)是接入網，(A)是格式前綴FP，值為001；(B)是頂層匯聚域TLA，13比特；(C)是保留欄位RES，8比特；(SF1)-(SF10)分別是節點域(D1)-(D10)的交換欄位；(E)是站點層域SLA，8比特；(F)是接口標識域InterfaceID，64比特；(G)是公共地址範圍；(H)是層次拓撲地址範圍；(I)是站點拓撲地址範圍。圖10(a)是一個HSNET網絡示意圖。圖10(b)是分支(D1)-(D2)-(D4)-(D7)層次地址結構示意圖，32位層次地址域(HA)被劃分為不等長的四個交換欄位，分別為SF1(24/8)、SF2(32/10)、SF4(42/6)、SF7(48/8)。一個附著於此HSNET網絡分支的接入網，網內主機地址表示為FP:TLA:RES:SF1:SF2:SF4:SF7:SLA:EUI-64，其中SF1:SF2:SF4:SF7為HSNET的層次地址，由ISP管理；SLA為用戶接入網的地址，即站點網號；EUI-64是64位的主機號。圖10(c)是分支(D1)-(D3)-(D6)-(D10)層次地址結構，其中32位層次地址域(HA)被劃分為等長的四個交換欄位，分別為SF1(24/8)、SF3(32/8)、SF6(40/8)、SF10(48/8)。圖11是HSNET網絡分支缺層地址表示實例示意圖。其中(D1)-(D7)是節點域，(W)-(Z)是接入網，(A)是格式前綴FP，值為001，3個比特；(B)是頂層匯聚域TLA，13比特；(C)是保留欄位RES，8比特；(SF1)-(SF7)分別是節點域(D1)-(D7)的交換欄位；(M)是缺層欄位；(E)是站點層域SLA，8比特；(F)是接口標識域InterfaceID，64比特；(G)是公共地址範圍；(H)是層次拓撲地址範圍；(I)是站點拓撲地址範圍。圖11(a)是一個HSNET網絡示意圖，一個骨幹伺服器或接入網直接連到該HSNET網分支(D1)-(D2)-(D4)-(D7)的第二層節點域(D2)，下層空缺。圖11(b)是分支(D1)-(D2)-(Y)層次地址結構示意圖，其中32位層次地址域(HA)被劃分為不等長的兩個交換欄位，分別為SF1(24/8)、SF2(32/10)，SF2值為0；缺層欄位M(42/14)，14比特，填充二進位0。圖12是一個層次插入的實例示意圖。其中(D1)-(D9)是節點域，(V)-(Z)是接入網，(A)是格式前綴FP，值為001，3個比特；(B)是頂層匯聚域TLA，13比特；(C)是保留欄位RES，8比特；(SF1)-(SF9)分別是節點域(D1)-(D9)的交換欄位；(M)是缺層欄位；(E)是站點層域SLA，8比特；(F)是接口標識域InterfaceID，64比特；(G)是公共地址範圍；(H)是層次拓撲地址範圍；(I)是站點拓撲地址範圍。圖12(a)是一個HSNET網絡示意圖，在圖11(a)的缺層分支上插入節點域D8(42/8)，增加了一個層次。圖12(b)是分支(D1)-(D2)-(D8)-(Y)層次地址結構示意圖，其中32位層次地址域(HA)被劃分為不等長的三個交換欄位，分別為SF1(24/8)、SF2(32/10)、SF8(42/8)，SF2和SF8值都為0；缺層欄位M(50/6)，6比特，填充二進位0；其中保持接入網(Y)地址不變的關鍵，是新插入的節點域(D8)把子域號0分配給(Y)的分支。圖12(c)是分支(D1)-(D2)-(D8)-(D9)層次地址結構示意圖，其中32位層次地址域(HA)被劃分為不等長的四個交換欄位，分別為SF1(24/8)、SF2(32/10)、SF2(42/8)、SF9(50/6)。圖14是層次交換網絡的一個綜合實施例示意圖。其中(D1)，(D2)，...，(D10)是節點域；(A)、(B)、(C)、(D)是交換機；(E)、(F)、(G)、(H)、(I)、(J)是用戶接入網；(1)-(6)是交換機(A)的埠，在交換機(A)中的編號為(1)-(6)；(7)-(12)是交換機(B)的埠，在交換機(B)中的編號為(1)-(6)；(13)-(16)是交換機(C)的埠，在交換機(C)中的編號為(1)-(4)；(17)-(21)是交換機(D)的埠，在交換機(D)中的編號為(1)-(5)；(22)-(37)是邏輯鏈路；(38)是短接鏈路。圖15是ISL封裝IP包P格式的示意圖。其中(A)是FLAG欄位，4比特，值為二進位1111；(B)是保留欄位RES，4比特，值為1111；(C)是EPID欄位，24比特，前8比特位模式為00000010，表示交換機號2，後16比特位模式為0000000000000110，表示埠號6；(D)是IP包P；(E)是ISL。下面以圖14作為一個綜合實施例說明HSNET的具體實施方式。在圖14中節點域間按層次結構組織。如(D1)是(D2)和(D3)的父節點，(D2)是(D4)和(D5)的父節點。節點域間用邏輯鏈路互連，如(22)、(23)是與(D1)相連的兩條下行邏輯鏈路，在(D1)中編號分別為(13)和(22)。邏輯鏈路號由父節點域指定如(D2)相連的上行邏輯鏈路編號為65535(由於上行邏輯鏈路號是固定的，圖中沒有標出它)，(24)、(25)是兩條下行邏輯鏈路，編號分別為(7)和(43)；(26)、(27)是(D3)的兩條下行邏輯鏈路，編號分別為(0)和(19)；(28)是(D4)的一條下行邏輯鏈路，編號為(17)；(29)、(30)是(D5)的兩條下行邏輯鏈路，編號分別為(10)和(26)；(31)是(D6)的一條下行邏輯鏈路，編號為(53；。(32)、(33)是(D7)的兩條下行邏輯鏈路，編號分別為(11)和(23)；(34)、(35)是(D8)的兩條下行邏輯鏈路，編號分別為(7)和(15)；(36)是(D9)的一條下行邏輯鏈路，編號為(14)；(37)是(D10)的一條下行邏輯鏈路，編號為(26)。(38)是(D5)與(D6)間的短接邏輯鏈路，該短接邏輯鏈路在節點域(D5)中的編號為1088，在(D6)中的編號為2018。接入網(E)、(G)、(H)、(J)與底層節點域直接連接；其中接入網(F)採用多宿主接入方式，接入節點域(D7)、(D8)；接入網(I)直接與HSNET高層節點域(D3)連接。圖14中詳細給出了節點域(D5)的內部配置實施例。(D5)由四個交換機(A)、(B)、(C)、(D)組成，編號分別為(1)、(2)、(3)、(4)，採用全互聯的拓撲結構。與交換機(1)連接的有6條鏈路，其埠在交換機(1)中編號分別為(1)-(6)。其中與埠(1)、(2)、(6)相連的鏈路為外部鏈路；與埠(1)相連的鏈路是(D5)中編號為26的邏輯鏈路的一條物理鏈路；與埠(2)相連的鏈路是(D5)中編號為10的邏輯鏈路的一條物理鏈路；與埠(6)相連的鏈路是(D5)中編號為1088的短接鏈路的一條物理鏈路。與埠(3)、(4)、(5)相連的鏈路是內部鏈路，連接節點域內部的交換機。在此實施例中，假定HSNET頂層節點的地址前綴為001111111111111111111111/24，則在此地址空間下構造自己的層次式交換網絡地址結構。根據層次式交換網絡地址分配方法，下層節點域地址前綴是上層節點域地址前綴拼接上層節點域指派給下層節點域的邏輯鏈路號，前綴長度是上層節點域的前綴長度加上上層節點域交換欄位長度之和。其中節點域的地址前綴表如表2所示表2節點域的地址前綴表接入網地址前綴是其接入節點域地址前綴拼接該節點域指派給接入網的邏輯鏈路號，前綴長度是節點域的前綴長度加上節點域交換欄位長度之和。接入網地址前綴表如表3所示表3接入網的地址前綴表接入網內部主機地址的指派由接入網用戶負責，一般有三部分組成接入網地址前綴、SLA地址(8位)、和接口號(64位，為EUI-64格式)。在圖14所示綜合實施例中，一個節點域基本層次式數據交換的實施例是接入網(E)內的一臺主機(M)與接入網(H)的一臺主機(N)通信，這裡主要分析數據包在(D5)的數據交換。假定在(E)，(M)的站點層域地址為7，接口號為EUI-64-M，則其地址IPM表示為0011111111111111111111110000110100000001110100010000101100000111EUI-64-M；在(H)，(N)的站點層域地址地址為6，接口號為EUI-64-N，則其地址IPN表示為0011111111111111111111110000110100001010110001101000111000000110EUI-64-N。則主機(M)的一個數據包(P)發送到主機(N)的過程如下(1)P的源地址填充為IPM，目的地址填充為IPN。(2)(E)內路由器將其轉發至(D7)，(D7)比較自身的地址前綴和P的目的地址IPN對應的部分，結果不相等則選擇上行鏈路，發送至(D4)。(3)在(D4)經過類似過程，P到達(D2)。(4)(D2)比較自身的地址前綴和P的目的地址IPN對應的部分，結果相等；根據(D2)的交換欄位屬性32/10選取IPN對應部分，其值為43，則選擇下行鏈路號為43的邏輯鏈路，將P發送至(D5)。(5)假定P到達交換機(3)，首先確定其邏輯鏈路；即比較(D5)自身的地址前綴和P的目的地址IPN對應的部分，結果相等；根據(D5)的交換欄位屬性42/8選取IPN對應部分，其值為26，則選擇下行鏈路號為26的邏輯鏈路。(6)根據邏輯鏈路號26查找(D5)邏輯鏈路表，根據外部埠號(SID/PID)為1/1、2/6得到兩條外部鏈路；基於保證流內包次序的分布式負載平衡方法，使用指定的Hash函數，輸入數據包(P)的源和目的IP位址計算Hash值，依據此Hash值查找邏輯鏈路號26對應的外部埠Hash表，得到目標外部埠，假定選擇的外部鏈路的埠號為2/6。圖5是ISL封裝IP包P格式的示意圖。其中(A)是FLAG欄位，4比特，值為二進位1111；(B)是保留欄位RES，4比特，值為1111；(C)是EPID欄位，24比特，前8比特位模式為00000010，表示交換機號2，後16比特位模式為0000000000000110，表示埠號6；(D)是IP包P；(E)是ISL。(7)交換機(3)對數據包進行ISL封裝，封裝格式如圖5所示；封裝後的包在節點域根據ISL標記查找內部轉發表，由於目標D_SID為2，查得結果是從內部埠1將包送出，到達交換機2；在交換機2收到包後，知道應從自已的外部埠6發出，脫去ISL封裝，將P發送到(D9)；(8)(D9)將包P發送到(H)，到達主機(N)，完成數據包P從(M)到(N)的發送。權利要求1.一種層次式交換網絡系統，通過重新規定網絡拓撲、網絡地址以及二者之間滿足的關係，用IP交換方法取代IP路由方法，其特徵在於網絡的拓撲結構按層次結構構造，網絡的地址空間也按層次結構分配，拓撲結構的層次與地址結構的層次嚴格匹配；系統包括拓撲結構組織方法、地址分配方法、和數據包交換控制方法；其中拓撲結構組織方法基於邏輯節點域與邏輯鏈路的擴展，以邏輯節點替代樹型結構的節點，以邏輯鏈路替代樹型結構的分支，以邏輯節點和邏輯鏈路為基本元素按樹型結構組織成邏輯上的樹型結構網絡，使得層次結構保持樹型結構特點；地址分配方法建立層次交換網絡的地址空間，地址採用變長交換欄位，各節點域自由決定各自相應的交換欄位長度，交換欄位的長度決定該節點域扇出的最大子域數目，反映層次特徵的拓撲信息；數據包交換控制包括確定邏輯埠、選擇目標外部埠、和選擇下一跳輸出埠三個過程，根據目標地址相應的交換欄位，確定邏輯路徑的下一跳，完成數據包在節點域的交換。2.根據權利要求1所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於在邏輯樹型結構上通過基於短接的擴展，在不同子樹間增加直接鏈路，使得子樹間存在第二條有效路徑。3.根據權利要求2所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於基於短接擴展的情景包括局部性短接和全局性短接；局部性短接直接連接本地需要大流量通信的節點域，使本地區內處於不同接入服務提供商網絡或同一接入服務提供商網絡的不同分支網之間的流量更加合理，起局部優化作用；全局性短接直接連接兩個網絡，直接通達對方的整個網絡。4.根據權利要求3所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式網絡與其他網際網路之間互聯，或者通過短接互聯方案，在兩個網絡頂層節點域間通過短接鏈路互聯；或者建立一個超級虛擬節點域作為根節點，將各個層次式網絡的頂層節點域作為這個超級節點域的子節點域，構造新的更大範圍的層次式網絡。5.根據權利要求1所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式交換網絡與其他非層次式交換網絡互聯，或者運行邊界網關協議BGP在兩個網絡之間建立對等關係；或者將層次式交換網絡作為非層次式骨幹網絡的一個下層網絡，無需運行邊界網關協議BGP而使用默認的路由。6.根據權利要求1所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式交換網絡與接入網的互聯模式有三類，包括與當前接入網直接互聯、多宿互聯以及末端擴展方法；其中直接互聯方法是將用戶網絡通過路由器直接接入層次式交換網絡邊緣埠；多宿互聯方法是將一個用戶網絡連接到不同的接入服務提供商、或同一個接入服務提供商的不同接入點上；末端擴展方法是將接入網本身也按照層次式交換網絡構造，在接入時與層次式交換網絡進行無縫的互聯。7.根據權利要求1所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式交換網絡地址分配方法是對IPv6的可匯聚的全局單播地址空間進行重新劃分，由層次式交換網絡重新分配，建立自己的層次結構地址空間；其中各層交換欄位的長度對應交換層次數目，採用變長交換欄位，由各節點域決定自己交換欄位的長度。8.根據權利要求7所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式交換網絡地址分配中，對節點域及其內部節點地址進行標識，包括節點域及其邏輯埠地址、節點域內部節點及其埠地址、節點域內部伺服器地址；地址解析根據其可擴展的層次地址和類型欄位的內容，解析為相應的伺服器地址、交換機地址、邏輯埠、或物理埠。9.根據權利要求8所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於當節點域跳過某些層次直接與高層的祖先節點域連接時即出現空缺層次時，空缺層次的交換欄位設為0；在缺層分支上可以插入層次，即增加節點域，但保證缺層分支上原來的各節點域在其上層節點域的域號為0。10.根據權利要求1所述的層次式交換網絡系統，其特徵在於層次式交換網絡交換數據包包括三個步驟，確定邏輯埠、選擇目標外部埠過程、和對數據包進行封裝及內部選路；其中各節點域確定邏輯埠通過數據包交換欄位的位置與長度，來確定該數據包到達下一個節點域需要經過的邏輯鏈路；選擇目標外部埠過程從選定的邏輯鏈路所包含的外部鏈路中，根據負載平衡機制選擇一個外部輸出鏈路；當數據包首次進入該節點域並完成目標外部埠選擇時，需要對包進行內部交換標記封裝；以後當選擇下一跳輸出埠時，則直接輸出到已知的目標外部輸出埠。全文摘要本發明涉及一種層次式交換網絡系統。層次式交換網絡系統包括一組網絡組織方法與控制方法的集合，主要包括拓撲結構組織方法、地址分配方法、數據包交換控制方法等。該系統按層次結構構造網絡拓撲結構，並且按層次結構分配網絡的地址空間，拓撲結構的層次與地址結構的層次嚴格匹配。據此組建的層次式交換網絡可以實現數據包按照層次地址的快速交換，用IP交換完全取代IP路由。文檔編號H04L12/56GK1514605SQ03120998公開日2004年7月21日申請日期2003年3月27日優先權日2003年3月27日發明者錢華林,李俊,葛敬國,馬宏偉,方蕾,代長城,牛廣鋒申請人:中國科學院計算機網絡信息中心