（信号与信息处理专业论文）向量网通信子网组建及终端协议驱动设计实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：在向量网日臻完善的理论体系基础上，本论文重点研究了如何在局域网上 搭建向量通信子网并提出了共享式局域网内虚拟融合交换机的新概念以及 t c p v n 协议栈的新设计。在综合分析了i p 网络、a t m 网络、i p v 6 + m p l s 等多项 主流网络技术以后，本论文结合对下一代网络的需求分析，具体阐述了向量网的 技术优势和应用前景。向量网理论体系符合了数据面与控制面相分离、标识地址 和交换地址相分离、低成本高q o s 等要求，提出了创新型的地址编码方法并从而 在其之上建立了一个面向连接的通信网络。 为了更好的验证向量网理论的可行性，我们设计并搭建了一个实验平台。实 验内容包括小型局域网的组建、向量网终端节点上数据面协议驱动编写、智能节 点跨等效交换机的呼叫寻由过程设计、虚拟融合交换机设计与构建以及对t c p v n 程序接口的研究和实现设计。相关实验为了保证研究工作的推广和可持续性，选 择了目前最为主流的操作系统w i n d o w sx p ，而第三层向量网络建立在了常用二层 网络以太网局域网之上。向量网终端最终通过虚拟交换机在通信子网上成功完成 了数据通信。另外，现有基于t c p 或者u d p 等协议传输的网络应用程序均可在向 量网终端节点上运行。该结果验证了向量网理论的正确性以及编程接口和实现方 案选择的合理性，在对i p v 6 实验性代码的深入研究之后，本论文很好地还原了 w i n d o w sn t 网络层的结构，为下一阶段的研究工作奠定了坚实的基础。 关键词：向量网，数据面协议，虚拟融合交换机，t c p v n ，共享式以太网 分类号：t n 9 1 5 4 1 托京交通大学硕士学僚论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：b a s e do nt h ev e c t o r - n e t w o r k ( v n ) t h e o r e t i c a ls y s t e mw h i c h i sg r a d u a l l y p e r f e c t e d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nh o w t oc o m p l e t et h et r a n s m i s s i o no fd a t at h r o u g h v e c t o r - n e t w o r ko nl o c a la r e an e t w o r ka n dp r o p o s e san e wc o n c e p t i o no fv i r t u a lf u s i o n s w i t c hi ns h a r e de t h e r n e t an e ws t r u c t u r eo ft c p v ns t a c kh a sb e e nd e s i g n e d ，t o o a f t e rt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fc u r r e n tp o p u l a rn e t w o r kt e c h n o l o 西e si n c l u d i n gi p ， a t m ，i p v 6 + m p l s ，e t c ，t h i sp a p e re l a b o r a t e st h es p e c i a la d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n p r o s p e c to fv e c t o r n e t w o r k a n dt h ev e c t o r - n e t w o r ka l s os a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so f t h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) l o wc o s to fq o s ，s e p a r a t i o no fr o u t i n gf r o m f o r w a r d i n ga n ds e p a r a t i o no fi d e n t i t yf r o ms w i t c h i n ga d d r e s sa r ea l ld i s c u s s e di nt h i s i n n o v a t i v es y s t e m o nt h eb a s i so ft h en e wa d d r e s sc o d i n gm e t h o d ，v e c t o r - n e t w o r kc a l l c r e a t et h ec o n n e c t i o n i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i st h e o r y , w eh a v ed e s i g n e da n dc o n s t r u c t e dt h e e x p e r i m e n tp l a t f o r m 。 弧ee x p e r i m e n tc o n t e n t sh a v ec o v e r e dt h ec o n s t r u c t i o no f e t h e m e t ，t h ep r o g r a m m i n go fp r o t o c o ld r i v e ro nt h ev e c t o r - n e t w o r kt e r m i n a ln o d e ，t h e d e s i g no fv i r t u a ls w i t c ha n dt h er e s e a r c ho nt c p v np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e b e s i d e s ， i ta l s oc o m p l e t e st h ed e s i g no fc a l la n dr o u t i n gp r o t o c o lo v e rt h ee q u i v a l e n ts w i t c h 。f o r t h es a k e o fs p r e a d i n ga n da p p l i c a t i o n ，w eh a v ec h o s e nt h ep o p u l a ro p e r a t i n g s y s t e m w i n d o w s x pa n dt h e l i n k - l a y e r n e t w o r k - e t h e m e tt o d e v e l o p o u r v e c t o r - n e t w o r k ，f i n a l l y , t e r m i n a l n o d e sh a v es u c c e s s f u l l yf i n i s h e dt h ed a t a t r a n s m i s s i o n t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n tv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so fv e c t o r - n e t w o r k a n dt h er a t i o n a l i t yo ft h es e l e c t i o no fp r o g r a m m i n gi n t e r f a c e t h i sp a p e rh a sr e s t o r e dt h e s t r u c t u r eo ft h en e t w o r kl a y e rw e l la f t e rt h er e s e a r c ho ni p v 6e x p e r i m e n ts o u r c ec o d e 。i t l a y sag o o df o u n d a t i o nf o r t h en e x tw o r k ，t o o k e y w o r d s ：v e c t o r - n e t w o r k ，t h ep r o t o c o lo ft r a n s m i s s i o np l a n e ，v i r t u a l f u s i o n s w i t c h ，t c p n ，s h a r e de t h e m e t 。 c 薹。a s s n o ：t n 9 l5 。4 l v l l 学饿论文舨权健用授权徽 率学位论文律者完全了解：i 敬索交逶太学肖关傈惩、德精学位论文豁矮定。蒋 授权北京交通大学可以将学能论文的全部溅部分内容缡八有关数掀麟进行检索， 爨擞趣整蠢魏势袋瓣影霉、壤臻囊鎏恭簿整黎手嚣器嚣、筻缀囊缨粪粪鍪鎏藤静 藏慧学校鑫蘸家蠢美蒸羹或撼褥送交谂文靛襄露薅纛磁蠹。 ( 保密的学橼论文在解密尉适用本授槲说明) 糊炼黼刊交经 譬麟塞冀彩麦 签字雾鬻：知嘏攀善强勰塑 喜 签字趟剃：移罗霉g 冀啪 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 朗支1 甚签字日期：7 7 年多月“日 致谢 本论文的工作是在我的导师梁满贵教授的悉心指导下完成的，梁满贵教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 梁满责老师对我的关心和指导。 梁满贵教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向梁满贵老师表示衷心的谢意。 梁满贵教授对予我的科研工俸和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郭东超、杜永娜、孙振斌、陈晓伟、刘广开、 夏崇彦、张金鑫、张皓、王兆伟等同学对我论文中的相关研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业，还要特别感谢浙江大学的潘教授，给予我人生重要的启迪。衷心感谢所有在 我攻读硕士学位期闯给予帮助和支持的老耀、同学、亲人和朋友娴。 北京交通大学硕士学位论文 序 序 本论文的研究工作是在国家8 6 3 项目向量地址分形特征通信网技术，以 及北京交通大学科技基金重点项目的资助下完成的，论文对建立向量网通信子网 的方法，实现终端节点上的数据面协议驱动以及t c p v n 协议栈的架构设计方面 都给出了极具意义的指导作用。研究的内容具有较高的理论意义和现实意义，建 于理论基础上的实验也很好地验证了理论的准确性和合理性。 引言 1 引言 本章主要介绍了当今世界科技在本论文课题上的研究进展及论文完成的主要 工作，并清晰地给出了论文的组织结构说明。 1 1 论文研究背景 因特网i n t e m e t 是全球最大的互联网络，也是最有价值的信息资源宝库。2 0 世纪9 0 年代，世界经济的发展推动着信息产业的发展，信息技术和网络应用已成 为衡量2 1 世纪综合国力的重要标准。1 9 9 3 年9 月，美国公布了国家信息基础设施 ( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ，n i i ) 建设计划，又称为信息高速公路。各国都开 始认识到信息产业发展对经济发展的重要作用。1 9 9 5 年2 月，全球信息基础设施 委员会( g l o b mi n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r ec o m m i t t e e ，g i i c ) 成立，目的是推动与协调 各国信息技术与信息服务的发展与应用。全球信息化的发展趋势已经不可逆转。 i n t e m e t 网络拓扑结构是非常复杂的，它是由分布在世界各地的广域网、城域网、 局域网通过路由器等网络互联而成，并不是一种简单的层次结构关系，因此从网 络结构的角度来看i n t e m e t 是一个结构复杂并不断变化的网际网。 随着互联网的迅速发展，i n t e m e t 的商业化造成网络通信量的剧增，也导致了 网络性能的急剧下降。在这种情况下，一些大学申请了国家科学基金，用于建立 一个新的、独立的、内部使用的网络。1 9 9 7 年l o 月1 0 日，美国克林顿政府提出 了下一代互联网e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e t ) 1 】行动计划。这里的n g i 讨论的是下一代 i n t e m e t 技术，而下一代网络( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 讨论的是由于i n t e r n e t 应用给 传统的电信业带来的技术演变，导致新型的下一代电信网络出现的问题。 1 1 1 主流网络分析 目前主流网络中如i p 网、a t m 网等相关技术，虽然为全球互联网的建设奠定 了重要基础，但由于本身地址编码的特点和网络设计思想的局限性，仍然导致这 些网络自身的发展遇到瓶颈。 以i p v 4 为例，它面临的主要问题【2 】有： ( 1 ) 随着i n t e m e t 规模呈指数级的增长，i p 地址空间耗尽问题已经成为制约网络 技术进一步发展的重要瓶颈。为了解决这个供需矛盾，人们提出了划分子 网、构成超网、可变长度子网与网络地址转换等方法。实践证明，这些仅 北京交通大学硕七学位论文 可以暂时缓和i p 地址短缺的矛盾，要想真正改变该问题，必须研究新的地 址编址方案； ( 2 ) i n t e m e t 规模的扩大与i n t e m e t 骨干路由器维护大路由表的能力的矛盾日渐 突出； ( 3 ) 网络地址转换( n a t ) 技术可以通过将一个公用的i p 地址映射为多个i p 地址 的方法来支持内部口地址的重用，但它对网络性能、安全和应用产生了很 大的影响； ( 4 ) 简便配置i p 地址。i p v 4 协议的实现方案中，多数情况下主机i p 地址都要 进行手工配置，或者使用动态主机配置协议( d h c p ) 。需要一种简便或者自 动的地址分配方法； ( 5 ) 对i p 安全性的需求越来越高。为了在i n t e m e t 上数据传输安全性的需要， 人们已经制定了通信加密服务的标准i p s e c ，但是这个标准只是可选的，人 们需要研究新的网络层通用的安全协议标准； ( 6 ) 对网络层实时数据传送服务质量q o s 提出了更高的要求。尽管i p v 4 中已有 q o s 标准，但对实时通信流的传送，还是依赖于传统的i p v 4 协议中的服务 类型t o s 字段以及报文标识。i p v 4 的t o s 字段功能有限，不能满足实时数 据传送服务质量的要求。 同样的，目前正在实施的i p v 6 具有很多优点【3 】：新的协议头格式、巨大的地 址空间、有效的分级寻址和路由结构、有状态和无状态的地址自动配置、内置的 安全性、更好地支持q o s 、用新协议处理邻节点的交互、扩展性。但是由于i p 的 基因概念性的根本原因，仍然有各种问题，如幻网络地址仍然不可相重。整个通 信网中的所有电子设备的网络地址不能有相同的，必须在整个通信网范围协调解 决重名问题。通常建立一种申请分配制度来解决，不能随意扩展通信网，扩展之 前必须办理申请分配手续，这就限制了通信网扩展的方便性；b ) 地址范围固定。首 先对于大通信网，存在地址资源枯竭问题。而对于孤立小网，偏长的网络地址很 浪费，带来包头丌销相对过大的问题。 基于i p 的分组交换网不能保证q o s ，但灵活性好，而电路交换的实时性和q o s 性能好。异步传递方式( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，a t m ) 4 】就是建立在电路交换 和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。a t m 能够针对连接提 供q o s 保障，提供高带宽高速率的网络，能有效利用带宽全面支持多媒体。但是 a t m 还存在着一些不足：a ) 信元首部的开销太大，5 字节的信元首部在整个5 3 字 节的信元中所占比例太大；b ) a t m 网的转发设备过于复杂，导致建网成本昂贵。 a t m 网的转发地址只是一个网段上的虚连接标识，不直接反映数据的转发信息。 一个信元如何转发，要依靠存储在转发设备( 即交换机) 中的转发信息表来查询 2 引言 判断。首先，数据通信前需要通过呼叫连接过程在转发设备上建立连接信息，每 个连接在所经过的转发设备中都会在转发信息表中增加一个记录；其次，转发设 备是大量用户共同使用的设备，使用大量转发信息消耗巨大的计算资源，致使a t m 网的转发设备要求的存储空间和计算能力很高，建设成本高，存在高速瓶颈，影 响通信网的应用。另外，a t m 网为支持q o s 、流量控制等网络控制功能开销很大， 也是导致a t m 交换机过分复杂的重要原因。 1 1 2 改进传统网络方法 上- - d 节的主要网络协议面临的很多问题已经无法用“打补丁，【3 】的办法去解 决，提出一种新的协议才是真正的解决之道。由于未来网络多媒体应用和q o s 服 务质量的要求，而传统的基于口协议的网络通信协议没有考虑这些需求，目前人 们所倾向的改进传统网络方法【3 】有以下几点： ( 1 )增大带宽。主要包括两方面增大带宽方法：路由器性能和传输介质带宽； ( 2 ) 改进协议。如a ) 支持i p 多播；b ) 用来支持多媒体网络q o s 的资源预留协议 ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 r s v p ) 。r s v p 允许应用程序在源节点与目的 节点之间建立一条数据传输通道，根据应用的需求在各个交换节点预留资 源，从而保证沿着这条通道传输的数据流能够满足q o s 要求； ( 3 ) 区分服务。d i f f s e r v 是根据每种服务的服务质量要求分别进行控制。它利用 i p 分组头对数据的服务级别进行标识。 ( 4 ) 多协议标记交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 的提出可以更好地实 现i p 分组的快速交换。 但正如上一小节所提到的需要一种新的地址编码方法、新的承载网络，我们 需要提出一种新型的网络协议。因此，向量数据通信网应运而生，向量数据通信 网是以向量地址为交换地址的数据通信网【5 】，简称向量网，是数据面和控制面功能 分离的通信网，对应的传送网和控制网，分别称为向量传送网和向量控制网( 分 形网络) 4 2 】。向量网在继承现有网络基本技术基础上，提出了全新体系结构的新 网络。它继承了a t m 网的数据面和控制面分离、标识地址和交换地址分离的思想， 继承了帧中继网简化包头和简化网络第三层功能等等思想。向量网借鉴a t m 的p n n i 对等组分层结构，提出了五标识和三架构体系结构【6 | ，并从信息网络的社会属性为 出发点建立了一套具有分形特征的数据通信网技术体系。 随着向量网体系的日臻完善，向量网已经拥有了五项发明专利，有“一种向 量网络地址编码方法”、“一种向量数据通信网上建立向量连接的方法、“一种向量 数据通信网上实现多播路由的方法”、“一种通信网络的层次接入控制方法 和 3 北京交通人学硕+ 学位论文 “一种通信网络拥塞控制的方法向量网的提出旨在实现无限可扩充、可信，支 持q o s ，其中可信包括安全、可靠、可控和可管等要求，其最核心价值为低成本 实现服务质量q o s 。相较于前面所述的几种改进方法，向量网【5 】具有以下优势： ( 1 ) 交换设备简单，向量交换机无地址表，数据交换不涉及查表操作，可以更 有效地完成高带宽的数据交换任务； ( 2 ) 地址可加密性，向量地址不可解读，并且可以加密； ( 3 ) 地址无限可扩展，地址长度随需而定，无地址枯竭问题； ( 4 ) 面向连接的通信网络都具有虚信道。核心网的虚信道轻量级，面向连接的 通信网络都有的虚信道概念，向量网的虚信道本身不消耗网络资源，多径 连接不增加成本； ( 5 ) 数据面和控制面分离，交换机和路由器功能分离； ( 6 ) 具有自组织、分布式，全面支持移动和多播等特点； ( 7 ) 全新定义端口角色和作用，不同于i p 端口号，端口作为地址分量简化了网 络复杂性； ( 8 ) 具有分形特征，网络拓扑结构多变； ( 9 ) 易于与现有主流网络融合，i p 网可以被封装为一个向量融合交换机； ( 1 0 ) 通信网体系中没有顶级d n s 等全球范围的集中性服务节点，可靠性和容 错性增强； 1 2 主要工作内容 建立完整的向量网体系架构中需要完成的工作内容分为真实实验网搭建和体 系架构设计及仿真。体系架构h 翮又分为标识架构、位置架构、自组织网络、接入 控制和呼叫寻由信令设计、寻由算法、网络融合及网络管理等。真实实验网部分 分为交换机间通信、交换机终端程序编写、功能交换机硬件实现。另外鉴于局域 网具有地理覆盖范围小、传输速率高、组网方便、使用灵活并且适用于中、小单 元计算机联网的特点，位于0 s i 参考模型的第三层的向量网选择建立在二层局域 网之上。 本论文及后续工作主要研究实现交换机终端程序开发，具体工作包括：v n 驱 动设计与开发，t c p n 协议栈设计及程序接口设计和功能测试。除了需要深入研 究现有通信子网和w i n d o w s 网络驱动实现等相关知识外，本论文还很好地结合了 已开发实现的端口发现协议并在其之上进一步研究，从而为后续研究奠定了良好 的基础。 本论文的重点研究对象是向量网传输面协议驱动的实现，详细地工作如下所 4 引言 充分研究现有口v 4 ，i p v 6 ，a t m ，局域网，w i n d o w s n t 用户态和核心态实 现体系，尤其是对n d i s ( 网络驱动程序接口规范) 进行了深入了解。另外， 由于w i n d o w sn t 中的t c p i p 封装性，本论文选择从i p v 6 的实验性代码入 手，逐步还原网络层功能，为下一步工作提供了值得借鉴的方法； 理论方面，在向量网已有成果之上，进一步明确虚拟融合交换机相关概念 和数据面协议传输数据的处理流程。提出t c p v n 协议栈设计和程序接口 设计； 实验方面，在共享介质局域网内安装有v n s y s 传输面协议驱动的p c 交换 机可按照虚拟融合交换机所定义的方式传输数据。另外，本论文相关实验 有效实现了现有应用程序在v n 向量网局域网上的运行。 1 3 论文组织结构 本论文组织结构如下，重点研究工作集中在第三、四、五章进行介绍： ( 1 ) 第一章先对现行主流网络技术进行了综合分析比较并提出了改进方法，继 而提出了我们研究的新型向量网体系结构。这里还详细阐述了论文主要研 究工作内容； ( 2 ) 第二章主要介绍了与本论文重点研究工作相关的向量网原理部分，包括向 量网标识体系架构、向量地址编码和向量报文； ( 3 ) 第三章给出虚拟融合交换机的重要概念及引入意义并介绍了如何实现虚拟 交换机。随后在装载口v 6 主机接收和发送数据流程的研究基础上，提出了 t c p v n 协议栈的原理设计； ( 4 ) 第四章主要介绍了实现数据面协议驱动所依据的w i n d o w s n t 网络驱动程序 原理介绍和内核模式驱动如何开发编译； ( 5 ) 第五章分步骤叙述了实验过程，步骤一实现了应用程序与网络层直接通信， 步骤二实现了现有应用程序在v n 层上的运行。每个步骤都介绍了相关的 原理设计、驱动程序开发，用户模式应用程序开发； ( 6 ) 第六章给出结论，总结了相关实验工作的意义并给出下一步研究工作开展 的建议。 ) ) ) ： l 2 3 述0 0 向量网原理概述 2 向量网原理概述 网络层是通信子网的最高层，主要任务是设法将源节点出的数据包传送到目 的节点，向传输层提供端到端的数据传送服务。网络层【6 】具有的基本功能可以概括 为( 1 ) 组合数据包和拆分数据包；( 2 ) 根据路由选择算法选择路由；( 3 ) 为传输层提供 服务，包括面向连接服务和无连接服务( 虚电路服务是网络层向运输层提供的一 种使所有数据包按顺序到达目的结点的可靠的数据传送方式，进行数据交换的两 个结点之间存在着一条为它们服务的虚电路；而数据报服务是不可靠的数据传送 方式，源结点发送的每个数据包都要附加地址、序号等信息，目的结点收到的数 据包不一定按序到达，还可能出现数据包的丢失现象。) ；( 4 ) 流量控制。 作为o s i 第三层网络层，向量网的提出旨在解决现有网络体系安全性不高， 网络体系复杂，网络体系的扩展和适应性不好等问题。该概念的提出和设计按照 下一代互联网络的指标要求，综合分析了a t m 网、i p v 6 、m p l s 等现有网络层技 术的优缺点。它包含“向量连接 、“向量交换和“向量地址 等基本概念。向 量网是一套具有分形特征的数据通信网技术体系，该分型网络具有五标识和三架 构体系，能实现接入认证、呼叫映射、寻由接纳、移动、计费、q o s 、安全等。 2 1 向量分形网控制面体系结构 在t c p i p 协议中，口地址具有双重功能【7 】，即身份标识和交换地址不相分离。 由于这种功能，在主机移动或多宿主情况下，无法提供良好服务。如果在主机移 动时改变其i p 地址，通信双方将无法在原始网络层通信连路上传输数据，就导致 了导致无法支持主机和i p 地址的动态绑定。它也破坏了i n t e r n e t 分层结构中不同 层次之间尽量减少耦合的原则，网络层和传输层的耦合也不利于各层独立发展。 将身份标识和位置标识相分离已经成为下一代互联网发展的关键内容之一。 就此，向量网提出了五标识三架构体系【4 2 1 。 2 1 1向量网五标识和三架构体系 在通信网络中，如果一台主机需要与另一台主机通信必须通过相应的地址标 识，比如i p 地址、域名地址、a t m 交换地址等等。不同的地址有不同的用途，向 量网分型网络具有五种标识【4 2 1 ，包括身份标识、标识口令、位置地址、位置口令 和交换标签。这五种标识都具有分形特征，不定长。 7 北京交通大学硕十学位论文 ( 1 ) 身份标识即i d ，一个节点拥有一个身份标识。身份标识主要根据网络对象 之间的社会地属关系赋予，也可以随意赋予，但身份标识( 多层次名称) 必须在 本组织架构中具有唯一性。身份标识的聚合关系形成标识架构，在呼叫过程中， 该标识作为呼叫目标，通过呼叫过程映射给出位置地址，为寻由提供信息。i d 身 份标识可以分为无层次定长标识和层次标识，其中层次标识包括定长数字型层次 标识、变长层次号码标识和域名形式。 ( 2 ) 标识口令即i d p w ，通过标识口令可以向上请求认证。变长的和非层次的标 识口令由网域的身份标识i d 和设置的密码k e y 通过r s a 算法得到，这里的k e y 是上一代给下一代所形成的私密串，因此后代就知道所有祖先的私密。r s a 算法 为k e y + i d = i d p w 。 ( 3 ) 位置地址即l o c a t o r ，简称地址，一个端口是一个位置地址，这个端口对应 的位置地址是位置架构中逻辑意义上的一条层次端口序列。一条链路( 实际的物 理链路) 连接有两个位置地址。一个网络对象与位置架构( 由网络拓扑关系决定) 连接关系决定了该网络对象的位置地址。通过接入过程，通信的节点就获得了由 位置标识分量构成位置地址串。该位置地址在路由收集和寻由过程使用，是寻由 的目标。节点l o c a t o r 是层次号码标识，分为定长层次号码标识和变长层次号码标 识。 ( 4 ) 位置口令一即l o c p w 。用于寻由接纳的位置口令，在接入时赋予位置标识的 分量和位置密码k e y , 位置口令的分量由位置标识的分量和位置密码k e y 通过 r s a 算法得到，经常会改变。位置口令也是层次的，整个位置口令由本网域、其 父等祖先的位置口令的分量序列组成。 ( 5 ) 交换标签即l a b e l ，简称标签，交换过程使用的交换地址，也就是向量地址 v a 。 图l 身份标识到向量地址的一对多映射 f i g u r e 1 o n e t o m u l t i p l em a p p i n gf r o mi dt ol o c a t o r 向量网原理概述 图l 所示过程即为呼叫、寻由过程的标识映射关系图，身份标识i d - ) 位置地 址l o c a t o r ( s ) 的映射代表呼叫过程，而位置地址l o c a t o r - - ) 交换标签l a b e l ( s ) 的映射 代表寻由过程。前一部分的一对多映射有一种情况是由于保持身份标识不变的某 个节点跨越到另一对等组时，l o c a t o r 在位置架构中的相对位置发生改变，l o c a t o r 也随之改变。还有一种情况，就是某一固定位置本身就可以有多个l o c a t o r ，这多 个l o c a t o r 是由对等组节点的对端端口所形成的组合所决定的，此时也会造成同一 个i d 且在固定位置的多个l o c a t o r 不同深度。后面这种情况因在本论文中不是研 究重点，这里不做赘述。从某个l o c a t o r 到v a ( s ) 的映射，是因为寻由时到达某一 个位置标识会有很多条路径，这时就需要合适的路由选择算法来确定一条最佳的 通信路径。在第五章实验部分讨论整个数据报文传输过程时会涉及到呼叫与寻由 过程。 向量分形网三架构包括两个基本架构标识架构和位置架构，以及一个网域架 构。这里重点介绍一下相关的标识架构和位置架构。a ) 标识架构，它是是标识对等 组构成的一个树形架构，由标识对等组及其关系构成。用标识架构进行呼叫映射 一个连接一次呼叫映射，得到层次的对端位置地址。标识架构的标识是节点i d ， 标识架构用于i d 到l o c a t o r 的映射。b ) 位置架构是寻由对等组构成的一个树形架 构，由寻由对等组及其关系构成，其功能是定义分层l o c a t o r ，聚合节点和链路， 为寻由提供基础信息，用位置架构进行寻由接纳，每个通信路径都必须经过寻由 接纳得到。位置架构用于l o c a t o r 到路径的映射。 2 1 2 向量地址编码方法 在网络上传输的数据，从信源设备出发，经过一定数量的转发设备转发，最 终到达信宿设备。传输过程中数据所经过信源设备、转发设备、信宿设备形成的 设备序列称为数据传输路径。在序列中，设备的次序就是数据经过的次序。 向量地址编码方法【5 】依据数据传输路径方向上的信源设备和转发设备的输出 端口名进行地址编码，每个输出端口名作为一个分量地址，这些分量地址依路径 方向次序组成一个序列，这个序列就是向量地址编码方法的编码结果，即向量地 址。该向量地址v a ( v e c t o ra d d r e s s ) 就是上- - d , 节提到的交换标签或者称为交换地 址。本论文主要研究基于向量地址的数据传输。 9 北京交通人学硕士学位论文 图2 基于二迸制的向量地址编码方法f 5 j f i g u r e 2 v e c t o ra d d r e s sc o d i n gm e t h o db a s e do nb i n a r y 上图中的a ，b ，c ，d 均为向量网终端设备，n 为向量网交换机，虚线框表示 网络的边界。实粗短线表示由信源设备a 到信宿设备d 的数据传输路径，向量网 地址编码记录传输路径方向上的每个输出端口，由分量地址组成的这一向量序列， 因此可看出从a 到d 的向量地址为 1 ，2 ，3 ，2 ) ，二进制编码为 1 ，1 0 ，0 1 1 ，1 0 。 向量网协议是面向连接的协议，当源主机向目的主机发送数据之前，源主机会通 过呼叫寻由建立好到宿主机的连接，在将要转发的数据包头中填入向量地址序列。 在这里的例子中，向量地址序列是1 1 0 0 1 1 1 0 ，转发设备转发数据时，在读取自己能 够辨识出的分量地址后，会切除这一部分地址，再继续转发数据。详细的转发过 程在程序设计与实现章节会有详述。 2 1 3向量地址的性质说明 相较于i p 地址、a t m 信道地址这两种目前最为常用的交换地址，主要区别是 i p 地址本身具有双重性，即是身份标识也是交换地址。a t m 在数据传输开始之f j 将包按虚拟路径( v p i ) 和虚拟信道( v c i ) 变成独立号码。总之，i p 地址是电子设备编 码，a t m 地址是链路编码，向量地址是端口号编码。 向量网具有以下几种特性【5 】【8 】： ( 1 )无限多值性。从一个信源设备到一个信宿设备的向量网络地址有无限多 个。比如在图2 中，从a 到d 的向量网络地址有 a l ，g 2 ，1 3 ，j 2 ) ， a l ，g 2 ，h ， 一h 4 ，j 2 ) ， a l ，g 3 ，e 3 ，f 2 ，i - h ，j 2 ) 等等。一条路径在网络中可以有任意多个局 l o 向量网原理概述 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 部循环，所以从a 到d 的向量网络地址可以有无穷多个。实际采用最短 或次短的一条路径即可，但是，一定的循环对于加密有用。 不可解读性。一个转发设备只可以解读自己用到的分量地址。比如转发 设备g ，它能看到的地址只有1 0 0 11 1 0 ，前面的1 已经被前面的设备用 掉并删除。而且，对1 0 0 11 1 0 来讲，转发设备g 知道自己的位数是2 ， 所以切出1 0 去使用，但是剩下的0 1 1 1 0 有多种可能的组合方法：0 1 + 1 1 0 ， 0 1 1 + 1 0 ，0 1 + 1 + 1 0 ，转发设备g 并不知如何分开，从而它不能解读之后 的地址分量是什么。总之，转发设备g 只能解读属于它的l o ，之前和之 后的向量网络地址分量它不可知，都不能解读。 可加密性。在不改变向量网络地址分量的二进制分配位数情况下，对向 量网络地址加密，对于数据传输路径上的任一个转发设备，只要知道自 己用到的那一个地址分量如何解密就可以完成数据的转发设备任务。这 样，信源设备只要在正式通信之前，通过协商与路径上的每一个转发设 备建立保密字，就可以进行地址完全加密的通信。 网络设备较为简单。向量网不需要依靠路由器查询路由表，向量地址本 身带有路由信息。 地址不定长性及有效性。向量地址不限定长度，能适应任何大小的网络， 而不会发生网络地址枯竭。小型通信网络由于转发设备数量较少，其向 量地址就较短。而大型向量网的平均地址长度与因特网i p 地址长度相 当，地址带来的数据传输负担很小，所以通信线路资源的使用效率高。 2 2 向量网报文设计及转发过程 本论文主要研究的v n 数据面协议，需要传输向量数据报文。同时，完成一 次数据报文传输，也需要使用到呼叫、寻由等向量网控制报文。本节对向量网报 文做出分类，并介绍了每种报文的详细构造，以及分析报文种类的程序流程。 2 2 1向量网报文分类 向量网报文9 】主要分为两大类报文格式：向量控制报文和向量数据报文。其中 向量数据报文可分为由向量数据报文承载的向量控制报文及由向量数据报文承载 的用户数据。 向量网报文格式定义 ( 1 ) 向量控制报文 北京交通大学硕士学位论文 ( 2 ) 向量数据报文 臣五四 向量数据报文又可以分为： 由向量数据报文承载的向量控制报文 h e a dv ah e a dc m d is i g n a l l i n gl 由向量数据报文承载的用户数据 其中v a 为向量地址，d a t a 为传输数据，s i g n a l l i n g 定义为不同种类的信令信 息。 h e a d 表示报文头部信息，定义为： l o w2 5 l bl bl bl bl b l bl bl bh i g h h e a d 的各个字段定义如下： f c s u s e r ：l b i t 奇偶校验位可用于包头的检错等方面，扩展包头可由网域边境 决定其用途，或者由用户定义，比如包括循环冗余校验等。 f e c n ：前向显示拥塞通知，该比特由一发生拥塞的网络来设置，用于通知用 户启动拥塞避免程序，它说明与载有f e c n 指示的帧同方向的信息量情况。 b ：带宽( b w = i ) 和实时( r r _ 0 ) ( d e = o ) 。可丢弃数据包( d e = i ) 时，b 代 表b e c n ，即后向显示拥塞通知，用于通知用户启动拥塞避免程序，它说明与载有 b e c n 指示的帧反方向的信息量情况。在边境才检查b ，b = i 表示是带宽占用包。 d e ：可丢弃指示比特，d e = 1 用于当网络发生拥塞时，可考虑丢弃，以便于 网络进行带宽管理。 t ：报文类型区分字段，t = 0 表示向量数据包，t = i 表示向量控制报文。 v p f ：协议类型字段，v p f = 0 表示该数据包是向量包；v p f = i ，表示i p 数据 包。若v p f , r e s 字段值为0 1 ( b i n a r y ) 表示向量网协议，0 0 ( b i n a r y ) 保留， 1x ( b i n a r y ) 是i p 协议或其他协议。 r e s ：保留位，占l b i t ，目前置为l 。 d ：头长度控制位有2 种可选的包头格式，d = 0 不扩展，向量包头为1 字节； d = i 为向量包头扩展为4 字节。 b d e 意义 t0 t ，不丢弃 b e c n 1 b e c n ，可丢弃 1 2 向量网原理概述 表1 向量网服务类型 4 3 1 t a b l e 1 t y p eo fs e r v i c ef o rv e c t o r - n e t w o r k 从网络角度看，向量网提供3 种流的类型，若d e = 0 ，t = - 0 表示为最高级别的 服务类型，即带宽时延约束；用t = - i ，d e = 0 表示有带宽保证( b g ) 要求，但是有 时延；第三种服务类型是“尽力而为 。而交换机则可以支持2 或3 种，同时支持 2 种类型时r t 和b g 合并，即把b g 提高级别。 2 2 2 向量网数据报文 本论文主要研究向量数据报文在向量网局域网的传输。针对向量数据报文， 除了h e a d 部分和d a t a 部分，v a 地址结构如下所示： 0o1分量地址分量地址 l l o w ( 填充位) 1 - 8 b i t 从这个第一个“1 一以后就为有效的v a 地址。h i g h 填充位占1 - 8 b i t ，由若干0 和一个1 组成，如果v a 字段非整数个字节，填充 位用来将此字段补充为整数个字节。第一个“1 以后就是有效的向量地址序列( 由 分量地址组成) 。另外，向量网数据报文的d a t a 部分的前8 个比特位用来作为向 量网扩展包头，类似于i p v 4 的协议类型字段，用来指示上层使用的协议类型，如 t c p 或者u d p 等。向量数据报文将在程序设计实现部分详细描述。 2 2 3向量网控制报文 向量控制报文包括向量协议支持报文和用户信令报文。其中，向量协议支持 报文分为：端口发现报文、h e l l o 报文、拓扑信息洪泛报文( v t s p ) 、路由节点位置 通告报文等。用户信令报文分为：呼叫报文、寻由报文。向量协议报文可以由二 层、三层来承载，就是说向量数据报文本身可以承载向量控制报文，这时数据包 的最后分量地址为o 。 向量控制报文中，c m d 用于区别信令s i g n a l l i n g 的类型： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 图3 向量网控制报文详解 f i g u r e 3 v e c t o r - n e t w o r kc o n t r o lm e s s a g ei n t r o d u c t i o n 向量网控制报文分为以下详细几类： s b 6c m d p a r a信令类型 oo任意呼叫 0 1任意寻由 lo 0 ，0 ，x ，x ( 动态) 端口发现信令 1o 0 ，1 ，x ，x h e l l o 信令 1o 1 ，1 ，0 ，x 拓扑状态洪泛 1o 1 ，1 ，1 ，x路由节点位置通告 l1 1 ，0 ，x ，x 带宽保持( 用户定义) 表2 向量控制报文分类 t a b l e 2 v e c t o r - n e t w o r kc o n t r o lm e s s a g et y p e 不同信令的意义解释如下： ( 1 ) 端口发现报文：通过运行该协议发送“端口发现协议 发送端口发现 请求包和接收端口发现回应包建立邻居节点物理地址与端口相对应的 端口表； ( 2 ) h e l l o 报文：确认链路状态并获取与邻居节点之间的双向链路信息； ( 3 ) 拓扑信息洪泛报文( v t s p ) ：通过该洪范报文，对等组内的路由节点( 对 等组组长) 可以建立或者更新网络拓扑数据库； ( 4 ) 路由节点位置通告报文：路由节点向对等组内的节点通告自己的确切 位置，用来接收对等组内的路由请求； ( 5 ) 呼叫报文：建立向量连接的步骤一，实现身份标识i d 到对端位置地址 l o c a t o r 的映射； ( 6 ) 寻由报文：建立向量连接的步骤二，实现位置地址l o c a t o r 到交换标