（通信与信息系统专业论文）基于ipv6的ip方案及路由研究.pdf

摘要 摘要 伴随着下一代网络( n g n ) 时代的来临，人们对互联网的性能提出了更高的要 求。除了对物理带宽需求的与日俱增，人们对网络的安全性、可靠性以及业务的 多样性也提出了新的要求。 本文研究了大量有关“全球网络创新环境”计划( g e n i ) ，路由算法以及网络 结构的资料。基于下一代网络对可扩展性，安全性等方面的要求以及i p v 6 技术的 日趋成熟，本文对我国n g n 网络结构提出一种建议。在此基础之上进一步提出一 种基于地理分布特性的i p 规划方案以及一种相应的路由实现方法。 主要内容如下： 1 研究我国n g n 的整体结构。分析了我国n g n 骨干网所应该采用的分层结 构，并就n g n 分层结构的层内结构和层间结构以及整合两结构以后的立体结构进行 了较为详细的说明。 2 研究一种基于地理特性的i p 分配方案，并就该方案的可扩展性、安全性、 兼容性、可移动性进行了分析。提出了一套用于扩展设备的方案，分析该i p 分配 方案下对环路的预防以及对轨迹的追踪，给出一种兼容现有i p v 4 地址体系和支持 移动设备的具体方法。 3 研究基于上述地理i p 分配方案的路由算法。在分析了现有的主流路由协议 r i p ，b g p ，o s p f ，m p l s 等后，提出了一种物理意义上的最近距离算法( “预测 位移归零算法”) 。最后，对于上述算法的核心：控制区域的确定以及目标节点位 置的判定给出了具体的实现方法和判定流程。 4 验证了上述基于地理的i p 分配方案对于传感器网络的可扩展性。利用v c + + 语言环境实现了上述i p 分配方案对于传感器网络的口分配工作。 5 在v c + + 环境中对于控制区域算法进行模块编程。 关键词：i p ，路由，地域性，可扩展性 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee r ao ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) i sc o m i n g ，p e o p l er e q u i r e h i g h e rp e r f o r m a c ef r o mt h ei n t e r n e t b e s i d e st h en e e df o rw i d e rb a n d w i d t h ，p e o p l ea s k m o r ef o rs e c u r i t y ， r e l i a b i l i t ya n dm o r ev a r i o u so fs e r v i c e sf r o mt h en e t w o r k s a f t e rs t u d y i n gp l e n t yo fd o c u m e n t sa b o u t g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r k i n n o v a t i o n ( g e n i ) ，r o u t i n ga n dt h es t r u c t u r eo fn e t w o r k s ，a c c o r d d i n gt ot h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k sr e q u i r e m e n to ns c a l a b i l i t y , s e c u r i t ya n d 、历n 1t h em a t u r i t yo fi p v 6 t e c h n i q u e ，as u g g e s t i o no ft h es t r u c t u r ef o ro u rn g n b a c k b o n ei sp u tf o r w a r d f u r t h e r , a n e wp l a nf o ri pd i s t r i b u t i o nb a s i n go nl o c a t i o nf e a t u r ea n di t sr o u t i n gr e a l i z a t i o na r e s u g g e s t e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eh o l i s t i cs t r u c t u r eo fn g no fc h i n ai ss t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h es t r u c t u r eo f g e n ib a c k b o n e ，t h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e ，w h i c hc h i n a sn g nb a c k b o n es h o u l da d o p t ， i sa n a l y e d a n d ，s o m ed e t a i l sa b o u tt h ee x p l a n a t i o no ft h el a y e rs t r u c t u r ei sg i v e n ， i n c l u d i n gt h ei n n e r - l a y e ra n di n t e r - l a y e rs t r u c t u r ea n dt h ei n t e g r a t i o no ft h et w o ，t h e t h r e e d e m e n s i o n a ls t r u c t u r e 2 ap l a nf o ri pd i s t r i b u t i o na c c o r d i n gt og e o g r a p h i cl o c a t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h e s c a l a b i l i t y ， s e c u r i t y ， c o m p a t i b i l i t ya n dm o b i l i t yo ft h ep l a na r ea n a l y z e d as e to f p r o g r a m m ef o re q u i p m e n te x p a n s i o ni sp u tf o r w a r d ，s oi st h ep r e v e n t i o no f t h el o o pa n d t r a j e c t o r yt r a c k i n ga l g o r i t h m as y s t e m ，w h i c hi sc o m p a t i b l ew i t ht h ec u r r e n ti p v 4 a d d r e s s e sa n ds u p p o r tm o b i l ed e v i c e s ，i sa l s op u tf o r w a o dw i t ht h es p e c i f i cm e t h o d s 3 n er o u t i n ga l g o r i t h mi ss u g g e s t e d w h i c hi sb a s i n gt h ei pd i s t r i b u t i o np l a n r e f e r r e dt oa b o v e a f t e rt h em a i nr o u t i n gp r o t o c o l sr i p ，b g p ，o s p f ，m p l s ，e t c ， a r ea n a l y z e d ，as h o r t e s td i s t a n c ea l g o r i t h m ( p r e d i c t e dd i s p l a c e m e n tr e d u c i n gt oz e r o a l g o r i t h m ) i np h y s i c a ls e n s ei sp u tf o r w a r d f i n a l l y ，t h em e t h o d s , h o wt ov e r i f yt h e r e g i o nc o n t r o l l e da n dh o wt ol o c a t et h ed e t i n a t i o nn o d e ，a r eg i v e n 4 t h es c a l a b i l i t yo ft h ei pd i s t r i b u t i o np l a nr e f e r r e dt oa b o v ef o rt h es e n s o r n e t w o r ki sv a l i d a t e d w i t hv c + + l a n g u a g ee n v i r o n m e n lt h ei pd i s t r i b u t i o nf o rt h e s e n s o rn e t w o r k sa c c o r d i n gt ot h ei pd i s t r i b u t i o np l a ni sr e a l i z e d i i a b s t r a c t 5 w i t hv c + + e n v i r o n m e n t ，p r o g r a m m i n gf o rr e g i o nc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mi s c o m p l e t e d k e y w o r d s ：i p ，r o u t i n g ，l o c a t i o n a lf e a m r e ，s c a l a b i l i t y i l l 缩写字对照表 缩写字对照表 本文出现的部分英文缩写对应的英文全称以及中文翻译见下表 英文简写英文全称 中文翻译 4 d d e c i s i o np l a n e ，d i s s e m i n a t i o n 决策层，分发层， p l a n e ，d i s c o v e r yp l a n ，d a t ap l a n e 感知层，数据层 a na c e s sn e t w o r k 接入网 a s a u t o n o m ys y s t e m 自治系统 b g pb o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l边界网关协议 c m c o m p o n e tm a n a g e r 元件管理器 d ed e c i s i o ne l e m e n t决策器 g e n ig l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r k 全球网络创新环境( 计划) i n n o v a t i o n g g wg e n ig a t e w a yg e n i 网关 g p sg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m全球定位系统 o s p f o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t 开放式最短路径优先 l s pl a b e ls w i t c h i n gp a t h标签交换路径 m a m a n a g ea u t h o r i t y 管理中心 m m s m e t a m a n a g e m e n ts y s t e m 嵌入式管理系统 m m s l m e t a - - m a n a g e m e n ts e r v i c el a y e r 管理服务层 m p l sm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g多协议标签交换 n g nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s下一代网络 n g wn g n g a t e w a y n g n 网关 p 2 pp e e r t op e e r 点到点( 通信) p a p p r o g r a m m a b l ea c c e s sp o i n t 可编程接入点 p e n p r o g r a m m a b l ee d g en o d e 可编程边界节点 r i p r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l 路由信息协议 v p nv i r t u a lp r i v a t en e t w o r k虚拟个人网络 i v 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：三查煎日期：加以年f 月l ，_ d 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：銎曼】导师签名： 孛氏 日期：2 。够年b 月d 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代社会业已步入信息时代，随着人类社会对通信的需要和要求越来越高， 世界各国都致力于现代通信技术的开发及现代通信网络的建设。在各种信息技术 中，信息的传输以及通信起着对其他应用和服务的支撑作用。 由于通信技术高速发展，人们对网络功能整合的要求日趋明显。如何建立一 个集传统通信业务与新兴通信服务为一体的新一代一体化网络是最近一段时期内 一个亟待解决的课题。而在新一代一体化网络建设中如何进行骨干网标示即i p 分 配以及相应路由则是一个十分关键的基础问题。 伴随着信息时代的降临和发展，各种远程通信设施和手段的运用越来越广泛， 例如固定电话，手机，以及我们熟悉的i n t e r n e t 。不过，由于用户对远程通信服务 的要求不断提高( 通信的带宽，稳定性，安全性等方面) ，传统的固定以及移动通信 手段已愈发在承载能力上显得捉襟见肘。例如，传统的移动手机用户就很难享受 高质量的数据业务，而传统的互联网用户又经常遭到不明来路的黑客和病毒攻击。 以上问题，有的可以通过软硬件技术的改进加以解决，比如带宽的问题。而另外 一些问题就是我们网络本身的结构和创建之初就存在的隐患，必须用革命性的改 变才能将其解决【l 刃。这里最典型就是i n t e m e t 的安全问题。众所周知，最初互联网 是以学术交流为目的并且局限于少数科研单位和机构之间的一种基于计算机的通 信手段。由于把用户假设成为没有恶意且规模较小，这样的互联网一般采用”尽力 而为”的传输方式，作为中间节点，对数据的来源一般是不验证，不审查的。正因 为这种本质上的先天不足，随着网络规模的扩大，互联网用户的增加，特别是一 些恶意的用户的介入，导致今天的互联网随处可见地址的假冒，垃圾信息的泛滥， 并且大量的攻击与入侵无法跟踪。为了解决以上以及类似的种种问题，各个国家 都在积极的准备并且着手建立可信的，可控制的，安全的，综合各种通信技术的 下一代一体化( 即将手机，固定电话，i n t e m e t 等通信业务整合在一起) 互联网络。 例如，英国于2 0 0 4 年开始的2 1 c n 计划，美国的n s f 于2 0 0 5 年组织发起的 g e n i e ”加】，以及我国9 7 3 计划中关于新的网络体系基础研究等研究课题和计划， 都是为了新一代互联网络的健康，安全，稳定发展而正在进行着的科学研究。从 电子科技人学硕十学位论文 各国提出自己的科研计划并着手进行研究到今天，已经过了一段时间，初步形成 了一些框架性理论和共识。在这样的背景下，本文提出一种关于网络结构的解决 方案，并进行稳定性，安全性等方面性能分析，希冀能够解决新一代互联网中关 于命名，地址和路由的一些基本问题，并藉此达到抛砖引玉的目的。 1 2 下一代网络( n f n ) 的研究现状 随着互联网的高速发展，互联网存在的严重问题日益显现，引起世界各国的 高度关注，纷纷投入力量来研究并试图解决。互联网正处于发展的十字路口，其 发展的方向正是下一代网络。互联网技术对电信网的强烈冲击，打破了电信一统 天下的局面，促进了技术的发展。电信网也处于发展的十字路口，其发展的方向， 也是下一代网络。虽然两个下一代网络最初提出的时间和组织都不尽相同，但是， 二者发展的趋势却出奇地相似，那就是融合。电信网和互联网的融合是有基础的， 电信网和互联网的承载n ( i p 网) 由于采用的技术相同，其要求又相同，合一是必然 的事【4 5 1 。下一代网络的具体名称并不重要，重要的是技术是为之服务的，而所有 的技术和业务都必将走上一条大一统之路。 1 2 1n g n 提出的背景 数据业务的兴起特别是互联网应用的扩展从体系结构、管理理念、服务质量、 商业模式等方面对传统电信网发起了冲击，互联网和移动网对固定网业务的分流 日益增加，而互联网也遭遇困境，互联网可持续发展的难题在网络泡沫过后突显。 移动电话的快速普及加速提升了人们对更广泛业务的移动性要求，回复到理性的 宽带和多媒体业务增长给通信业带来变暖迹象的同时暴露了网络的不适应，用户 对通信永远在线与无处不在的期望对网络资源的管理和利用提出了新的要求，网 络的可扩展性尚难以应对通信对象从p 2 p ( 人与人) 扩大到p 2 m ( 人与机器) 、m 2 m ( 机 器与机器1 ，又面临未来遍布各地的传感器联网和可嵌入各种商品和用品的无线识 另i ( r f i d ) 芯片联网更大的挑战。竞争日益激烈的电信环境在拉长电信业务产业链 的同时打破了原来由网络运营商包揽产业链的格局，出现了n p ( 网络提供商) 、 s p ( x j k 务提供商) 和c p ( i 为容提供商) 分离的局面，以太网包括w l a n 等技术从局域 网扩展到城域网的应用模糊了公用网与专网以及驻地网( c p 的边界，网络架构面 临适应竞争和监管以及方便用户自由选择业务提供者的压力。由于目前网络的主 要收入来源( 话音) 与投资重点( 宽带) 不一致，运营公司既顾虑升级网络的投资能否 2 第一章绪论 回收又担心网络不改造会流失用户特别是大客户，总之无论传统电信网还是互联 网都不同程度感受到这种发展与变革的潮流，经历电信低谷而尚未完全复苏的电 信运营公司把重振的希望寄托在下一代n ( y g n ) 多t 上，肩负2 1 世纪网络重担的 n g n 成为电信界关注的热点。与此类似的是n g i 被看作新世纪的互联网。虽然迄 今为止对n g n 和n g i 还没有公认的严格定义，但就希望达到的目标而言，n g n 与n g i 没有本质的不同，如果说有点区别的话，那就是n g n 的概念源于电信背 景的标准化组织( 例如i t u - - t 和e ts i ) ，而n g i 的术语则为互联网研究部门和 标准化实体( 例如i e t f ) 所提出，两者从不同的源点( 对电话优化的网络和对数据优 化的网络) 出发朝着几乎相同的目标发展。 i t u t 将n g n 应具有的基本特征概括为以下几点：多业务( 话音与数据、固 定与移动、点到点与广播的会聚) 、宽带化( 具有端到端透明性) 、分组化、开放性( 控 制功能与承载能力分离，业务功能与传送功能分离，用户接入与业务提供分离) 、 移动性、兼容性( 与现有网的互通) 。除此之外，安全性和可管理性( 包括q o s 的保 证) 是电信运营公司和用户所普遍关心的，也是n g n 与目前的互联网的主要区别。 1 2 2n g n 的主要研究方向呻1 越是开放的体系，需要标准化的程度越高。n g n 面临繁重的标准化任务，人 们对n g n 倾注了太多甚至过高的期望，多方面的约束条件使n g n 的标准化起步 维艰，连i t u 都有点不知从何入手的感觉。i t u 经过多年的研究组会议和一些研 讨会，初步考虑从以下的领域开始研究： 1 网络体系架构和功能体系模型。体系架构涉及寻址、选路、q o s 保证、安 全、计费、业务方案、商业模式和演进路线等方面。传统电信网和互联网体系架 构设计思想的差异导致两网上述各方面截然不同，选择何种体系架构对能否全面 实现n g n 上述基本特征至关重要，设计新的网络架构方便利用现有网的一些功能 模块并具有灵活的扩展能力是n g n 标准化的首要任务。功能体系模型是规范网络 架构的有效方法，用参考点将n g n 分解为一组功能，一些参考点将被定义为接口， 功能群则用于表示某些实际的物理实现。需要指出，目前已存在的服务于同一功 能的协议太多，从实现和运用上难于管理，缺乏互操作性，如何选择合适的功能 模块和协议是体系架构设计的一大难题。 2 端到端的业务质量( q o s ) 。这是目前基于i p 协议的网络面临的难题，因而 端到端的q o s 成为n g n 跨越互联网的第一标志。标准化的工作首先从端用户对 电子科技大! 学硕七学位论文 q o s 的感受出发，定义电话和多媒体业务的端到端q o s 类型及要求，明确对多媒 体业务中的各业务成分分别登记q o s 类别的方法，给出对域| 、日j 低层q o s 的控制( 即 不同域与网络间的低层q o s 的“水平”关联) 规范以及利用低层q o s 的机理保证上层 q o s ( 且p 上下层q o s 机理的“垂直”协议关联) 的规范。在多个异构网相连时可能涉及 不同的q o s 机制( 例如r s v p 、m p l s 、d i f f s e r v 和v p n ) ，如何将端到端的q o s 指 标分解和落实到由不同的q o s 措施来保证是n g n 标准化的一个艰巨任务。 3 业务平台。业务的多样性以及业务控制与承载网络分离必然要求业务平台 提供开放的接口，以便借助a p i ( 应用程序接口) 和代理服务器引入第三方业务提供 者。为此n g n 的标准化工作需要对包括a p i 和代理服务器的业务控制体系重新定 义，涉及到对用户移动性的支持和对跨网业务漫游及业务互连性的提供机理的规 范以及对由用户控制业务客户化与属性的机理的开发。自从提出智能网概念以来 业界就一直追求上述这些能力，但实现的程度距离目标甚远，尤其是在生成新业 务的能力和运用的灵活性与方便性方面，更谈不到在异构网的环境下对这些能力 的支持。由此可知标准化n g n 业务开放平台的难度。 4 网络管理。技术的进步和竞争的需要改变了传统的对控制面和管理面功能 划分的思维定式( 自动交换光网络a s o n 概念的提出就是一例) ，重新考虑并恰当划 分控制面与管理面的功能对n g n 尤其必要。注意到传统电信网和互联网各自形成 的对网管实现的不同要求( 例如前者基于c m i p 协议，后者基于s n m p 协议) ，而且 n g n 的多业务和移动性进一步增加了网管的复杂性，诸如t m l ( 电信标记语言) 等 新技术和新体系概念的出现则为网管体系的技术进步提供了机遇，因此需要根据 n g n 的要求( 支持故障管理、性能管理、客户管理、计费与记账、流量与路由管理 等) ，应用新技术，从基本网管业务和接口的定义入手重新规范适于n g n 的网管。 5 安全性。相对于具有封闭信令系统的电路交换网，分组网易受到外来的入 侵，以开放性为特征的n g n 更面临安全性的挑战，网络的安全性与网络体系、q o s 、 网管、移动性、计费和支付等互相关联，网络开放性不应以损伤网络的安全性来 折中。除了网络安全外，信息安全更为用户所密切关注，网络功能越强，用户的 行踪无时无刻尽在网络掌握之中，隐私保护问题无法回避，电子政务和电子商务 的应用，更显信息保护的重要性。但安全性不应以降低使用方便性和过多增加网 络成本为代价，需要综合考虑体系的开放性与安全性设计n g n 组合安全体系、开 发特定的安全协议和a p i 。 6 通用移动性。与现有移动网能力相比对n g n 移动性有更高的要求，这首先 表现在n g n 终端的类型远不仅仅是手机，且可能涉及的接入手段和技术也是多种 4 第一章绪论 多样的，其次既有在运动过程中需要保持通信的用户( 真正意义上的移动通信) 也有 仅需支持漫游但不要求移动中通信的用户( n o m a d i c ) ，再者存在终端可能需要在 n g n 中支持移动接入的部分和支持固定接入的部分之间切换的要求，包括异构网 络环境下支持全球移动性。上述要求称为通用移动性，它包括终端移动性与个人 移动性及它们的组合，即用户可以从任何地方的任何接入点和接入终端获得在该 环境下可能得到的业务( 包括第三方提供的业务) ，不论在何处接入，用户有着相同 的业务感受和操作，这些接入能力仅受所在网络的条件或需要事先预约的限制。 满足上述通用移动性的要求意味着通信实现个人化，用户可以只使用同一个地址 便可实现在不同位置不同的终端上接入不同的业务，至于在哪一种终端上接受和 发出呼叫则基于用户的习惯和其当前所处状态。n g n 需要以通用移动性为目标来 标准化以下方面功能：识别与认证机理( 将对使用者的识别与接入方式分离) ；接入 控制与授权功能；位置管理( 包括几何位置与接入点) ；终端与会晤地址的分配和管 理；构造虚拟归属环境( v i l e ) 和用户属性管理的能力( 了解用户所处环境、使用习 惯、终端配置，按用户实时状况适配业务，使用户有宾至如归的感受) 。这些功能 的标准化涉及网络参考体系( 在n g n 的固定接入部分可能也需要开发移动管理功 能) 、控制面与终端的接口、与应用层的接口、与传送层的接1 5 1 等。 7 网络控制体系和协议。为了支持n g n 中控制功能的分布特性，需要定义作 为标准化控制协议基础的参考点和对应的接口以及它们之间的功能群。这些接口 包括用户与网络接口、网间接口、网络与业务应用提供者的接口。功能群则包括 媒体接入网关( 例如防火墙、网络地址翻译功能、转送策略实施功能) 、资源控制( 例 如接纳控制、接入请求处理) 、接入会晤控制( 例如斗争分配、用户位置管理、用户 接入属性管理) 、业务控制( 例如用户注册、用户业务属性管理、业务请求处理、业 务交互管理) 。 8 编号、命名和寻址。n g n 的许多业务将需要同时支持e 1 6 4 编号和i p 寻址， 通常需要实现e 1 6 4 编号和口地址间翻译，e n u m 可以提供这方面的一些功能， 但还不能满足用户和运营公司关于可靠性、安全性的要求以及端用户关心的隐私 要求。 1 2 3n g n 可能的实现过程m 1 建设n g n 并不意味着要推倒现有网络去新建一个理想的n g n 模型，而是如 何由现有网络逐步融合n g n 的技术优势以实现n g n 的演进，力争在日益激烈的 电子科技大学硕十! 学位论文 业务市场中继续保持主导地位。目前，话音业务和数据业务分别由两个分开的网 络来提供。传统的电话网在发达国家基本不再投入，但在中国发展潜力依然很大， 而且电话业务仍然是电信公司的主要收入来源；数据通信网主要以i p 网络为主， i p 技术发展速度很快，在灵活性、开放性等方面具有很大优势，但在服务质量、 可靠性等方面还有很多不足。因此，在向n g n 演进的同时，应考虑如何保护现有 电话网的资源和由其带来的经济效益。目前看来，以软交换为核心的重叠网策略 是一种优选的演进策略。 以软交换为核心的重叠网策略的核，t l , 思想是保留现有电路交换网资源不变， 让其独立发展，同时在s c n ( 交换电路网) 与a t m 或i p 网间设置网关和软交换设 备，网关完成s c n 与a t m 或口的互通功能，软交换完成呼叫控制功能，从而建 立s c n 与a t m 或i p 网的呼叫关系。重叠网策略着重于业务层的融合，便于对网 络进行统一管理和快速部署新业务，可作为向n g n 演进的长远解决方案。在演进 次序上，可从长途局、汇接局到端局和接入网，从支持多媒体等新型业务到支持 移动语音、高速移动数据，分步推进。 从网络角度看，通过软交换机结合媒体网关和信令网关跨接和互联电路交换 网和分组交换网后，尽管两个网络仍基本独立，但业务层已实现基本融合，可统 一提供管理和快速扩展部署业务。等到数据业务逐渐成为网络的主要业务后再考 虑将电路交换网上的话音业务逐渐转移到分组化网上来，最终形成一个统一的融 合的网。 这种网络演进思路的基点在于网络和业务的融合，而不在于节点的融合，允 许不同的网按各自的最佳方向独立演进，不受限于节点结构。 1 2 4n g n 网络的控制面研究现状睁伽侧 在传统的互连网中，由于采用尽力而为的传输方式，要求的是最大化网络的 使用效率，这样对网络本身整体的结构，网络构成元素( 包括路由器，交换机等) 的控制一般是忽略的，即使有，也是通过应用层的软件进行调控而非直接从底层 核心进行。随着人们对网络安全的日益重视，在网络核心结构中增加一个控制层 面越发必要。同时，由于要控制一个对象不可避免的要知道被控制对象的状态， 而控制的本质也是改变被控制对象的状态，这样，网络中一些与被控制对象状态 相关的功能也可以自然的融入到控制层面中。具体的讲就是，网络控制面控制网 络器件( 如路由器等设备) 的工作状态，而与这些设备状态密切相关的各种网络功 6 第一章绪论 能，特别是路由的选择，必须依赖控制面对于网络拓扑的认知。【1 7 】 关于下一代互联网的控制面具体应该具有什么样的功能业界还没有统一的意 见，不过大家比较一致的认为，控制面至少需要具备以下几种功能： 1 对网络结构以及结构的动态变化具有即时的认知能力； 2 对网络器件具有一定权限的控制能力； 3 能够在认知网络结构的基础上对路由进行一定的判断和控制。 1 2 4 14 d 结构 4 d 1 2 主要是一种基于如今c p u 和通信信道带宽的发展速度远远高于交换设 备的交换能力发展速度，为了能够减轻交换设备的负担，尽量使其避免复杂的路 由运算而把该任务集中起来处理的一种体系结构。 其基本工作原理为： 首先通过数据层发现网络设备，再将这些设备的工作状态汇总到一种叫做决 策器( d e ，d e c i s i o ne l e m e n t ) 的器件处，然后由决策器通过一定的控制逻辑 ( m a n a g e m e n tl o g i c ) 得知整个网络的结构并对路由做出优化，最后由决策器将得出 的结论反馈到各个网络设备并对其进行直接的控制。 回 山 r e a ds t a t ei n f o r e a ds t a t el n f o 图1 - 1d e 工作原理示意图 一般来说，一定规模的网络只需要数量有限的决策器，决策器之间通过洪泛 的方式相互告知网络结构和状态，并互为备份。其他网络器件要得知具体路由时 会向最近的正常工作的决策器询问并接受其控制。图1 2 为具有5 个d e 和4 9 个 7 电子科技大学硕士学位论文 交换设备的示意图： ：日! 圈 内的器件为d e 图i - 2d e 分布工作原理图 4 d 具体层次结构如下所示，包含4 个层次： n e 科o r k - w i & v i e w s d e c i s i o n d i s s e m i n a r i o n d t s c o - , e r y d a t a d i r e c t c 谢1 t r o l 图l - 3d e 设备层次结构图 1 决策层( d e c i s i o np l a n e ) ：决策层的作用在于将所有的管理控制逻辑集中起 来进行，并对网络设备进行直接的控制。其主要代表是d e 器件。 2 分发层( d i s s e m i n a t i o np l a n e ) ：连接决策层设备和其他网络设备，保证控制 信息在设备之间的传输，健壮性是其唯一目的。 3 感知层( d i s c o v e r yp l a n e ) ：每一个路由设备用于发现其拥有资源和所处的状 第一章绪论 态，其所获得的数据将由分发层传输给d e 并作为管理控制逻辑实施的依据。 4 数据层( d a t ap l a n e ) ：在此体系结构中指分布的路由器和交换机等网络设备， 是d e 控制的主要对象。 需要说明的是，以上结构反映在网络中是一个平面结构，层与层之间的上下 关系实际上是各个网络设备( 如路由器，交换机，决策器等) 之间的逻辑关系。并且， 整个4 d 结构的物理基础应该和普通用户数据业务使用的网络资源是一致的，即由 个人电脑，路由器，交换机等组成的连通网络，只是，至少在逻辑上，控制面和 用户数据业务是应该也必须区分开的。f 区分方案有很多，如不同的物理信道，不 同的逻辑链路，不同的逻辑标识等1 1 2 4 2g e nl 的m e t a - - m a n a g e m e n ts y s t e m ( m m s ) ，嵌入式管理系统 m m s 2 1 。2 3 】的主要思想是分布管理，集中控制。其要求每一个网络器件都有具 有一个叫做元件管理器( c m ，c o m p o n e n tm a n a g e r ) 的功能单元，c m 通过管理服务 层( m m s l ，m e t a m a n a g e m e n ts e r v i c el a y e r ) 和管理中心( m a ，m a n a g e m e n t a u t h o r i t y ) 相连接并接受其控制。低级的m a 和更高级的m a 相连接并层层汇聚， 达到将管理集中的目的。 图1 - 4m m s 层次结构示意图 m m s 和4 d 的主要区别在于网络的构建或者认知由m a 为中心开始，向四周 扩展，而非洪乏式自组织，如图1 5 所示： 9 电子科技大学硕士学位论文 ，9| 产_ 二= = = = 二= = = 二= = l = = ：k ! ：| 巴：一卜q ! ： 图1 5 m m s 工作原理图 网络结构认知的步骤为： 0 ) m a 发现和自己直接连接的c m 并对其进行授权验证 1 ) 直连节点得到授权，同时，安全的m m s 域被建立 2 ) 安全的默认路由资源被安装到m a 3 ) 安全的m m s 域发现新的邻居节点 4 ) 通过安全的m m s 域，新的邻居节点通过授权验证过程得到授权 5 ) 安全的默认路由被安装到m a 和新的节点之间 6 ) 备用路由被安装到m a 和新节点之间 7 ) 底层设备( c m s ) 被发现并对其进行安全授权 安全授权的具体步骤和过程在此不再赘述。 另外，m m s 希望采取i p v 4 帧结构传输控制数据以在逻辑上和普通用户数据( 使 用i p v 6 ) n 区分 新一代网络控制面最大的几个特征为： 1 远程控制，无论是4 d 还是m m s 都要求其控制结构对网络器件具有绝对的 控制力； 2 相对独立的系统( 一般是逻辑上独立) ，主要是要求控制信息能够被快速地辨 识并和用户数据相区别。 1 0 第一章绪论 1 3 论文的内容和意义 1 3 1 论文的内容 本文隶属于9 7 3 项目一体化可信网络与普适服务体系基础研究，并致力于 解决其提出亟待解决的“四个科学问题”中关于网络体系结构以及网络的可信与 移动性的部分相关问题： 1 新一代一体化互联网络骨干网络的结构 通过大量阅读和研究美国g e n i 研究计划相关资料，分析其网络结构的平面展 开和纵向发展后，结合中国国情，以节点为基本单位，提出层次清晰的立体化网 络结构模型，并对模型进行化简处理，方便基础问题的定性研究。 2 分层网络体系结构下基于地理的口分配 由于对网络安全性和可移动性的需求，网络研究已达成共识，将地理信息包 含进网络地址势在必行。本文在吸收现有科研成果的基础上，结合立体化层次划 分的要求，提出一种基于经纬度的口分配方案，以及具体实现这种方案的方法， 使现有的i p v 4 网络能够平滑的过度到i p v 6 网络。 同时，为了实现i p 地理化分配下的路由实现，对传输帧的结构提出一定规范。 3 基于地理口分配方案的路由算法 在i p 地址包含地理信息的前提下，将骨干网节点划分为中心节点和边界节点， 提出一种物理意义上的基于直角坐标系的最短路径算法，使传输数据能够在新的 网络体系下得以实现。同时，提出一种可以用于对物理层进行简单控制的节点模 型结构。 1 3 2 论文的意义 本文为新一代一体化骨干网络建设提出了一种框架性的综合解决方案，其本 身是以i p v 6 的超大地址空间为基础的。文章的主要贡献在于提出了一种和i p v 6 地 址空间相结合并包含节点地理信息的地址分配方案以及相应的路由算法。 在单出口的网络体系结构下( 详见2 2 2 ) ，本文实现了基于地理的i p v 6 的地 址分配，并开创性的引入区域控制的概念用于路由计算，为今后进一步研究优化 路由算法( 多出口网络体系结构下) 打下基础。 本文尚未涉及终端网络的地址分配问题，主要工作针对骨干网络进行。终端 网络的地址分配可以继承骨干网络中采取的一些方法，也可以采取完全不同的方 电子科技人学硕十学位论文 案，这将在今后的研究中进一步探讨。本文涉及的领域正在不断的进步和发展， 一些新的技术和理念在不断形成和运用。但是，本文提出的一些解决方案仍然属 于开创性工作，具有一定的理论和实践意义。 第二章。卜- 一代一体化互联网络的整体结构 第二章下一代一体化互联网络的整体结构 2 1n g n ( n e x tg e n e r a tio nn e t w o r k ) 的总体结构 n g n 的总体结构【3 4 】如图2 1 所示。各种不同类型的网络对应的可编程接入控 制点p a p ( p r o g r a ma c c e s sp o i n t ) 的工作方式是不同的，但其主要功能都是对接入的 控制。 p e n ( p r o g r a m m a b l ee d g en o d e ) 代表可编程边界节点，其主要功能是将不同类 型的数据进行统一格式的处理，使其能够在进入n c n 骨干网以后进行高速的交换 和路由。n g w 代表n g n 的网关，图中用虚线将其与网络连接表示其位置的确定 还没有定论，要进一步研究以后才能决定其更为合理的放置方式。根据n g n 的结 构，我们可以大概的知道，处于两个不同子网络中的用户a 和b 如果要进行通信， 其通信模式应该是： a ) p a p - - ) p e n - - n g n 骨干网专p e n 今p a p 专b ( 关于n g w ，本文将在2 3 对其进行讨论) n g n = n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k p e n = p r o g r a m m a b l ee d g en o d e p a p = p r o g r a m m a b l ea c c e s sp o i n t n g w = n g ng a t e w a y 图2 1n g n 整体网络结构 电子科技大学硕十学位论文 由于以e 通信模式臼勺对称性，下面本文将在22 中着重介绍n g n 骨干网的 种设计方案对p a p 以及p e n 将在2 3 中进行定说明。 2 2n g n 骨干网的具体结构以及i p 结构规划 2 21 n g n 骨干网结构以及ip 规划的背景 长期以来，网络i p 地址更多的是当作用户的身份标识而非真正的地址( e o 标识 地理位置的代号1 在使用，i p 地址与物理位置之间需要通过至少一次映射才能相互 匹配，这就给地址假冒等恶意用户留下了可操作空间。且地址假冒者通过假冒的 地址进行黑客攻击以及其他破坏性活动后，网络安全人员对其追踪也是一个极大 的问题。 同时，n g n 增加了对移动设备和网络的支持，如果移动用户甲要和移动用户 乙通信，那么要求甲和己知道对方的确切地址，这种通信才足可能建立的，也就 是说，双方的相互标识信息中必须带有定的地理信息。虽然上述问题针对的是 用户终端，但是由于i p 地址的继承性，这个问题最终也必须在n g n 骨干网中得 到解决。 2 22n g n 骨干网的具体结构 首先，必须声明骨干网的范围，本文认为，在p e n 以卜的网络部分，均应认 为属于骨干网，也就是说，新一代网络应该以p e n 和p a p 为边界，天然地划分为 骨干网和用户接入网( 也就是所谓的l a s t - m i l e 或者f i r s t - m i l e 网络1 。 tn g n 骨干l 叫的横向结构 先让我们来看看g e n i 计划在美国国内架设试验网的预期结构。 1 8 j g j 3 i 酗2 - 2 g e n i 预期茸十网结构 第二章下一代一体化互联网络的整体结构 图中黑点就是未来其网络骨干节点的分布，分布在外围的图形和符号表示骨 干网节点与无线网络以及各种其他网络相互连接。将其抽象为规范的二维坐标形 式如图2 3 。其中，仍然以黑色圆点表示骨干节点，粗线代表骨干线路，必须指出 的是，图中a 和b 在实际上是同一节点，即图2 2 中最右边的节点，只是为了图 形的规范，在逻辑上将其拆分为2 点。 9 蝴嬲争唰黝即蝴洲畛蒯鳓槲钟制懒磅蝴嘴一1 删嘲”舭，榭俐哮a b 图2 3g e n i 预期骨干网结构抽象图 显而易见，上图中每一个骨干节点都最多与3 个