（模式识别与智能系统专业论文）lan上建立向量网技术研究与协议实现.pdf

中文摘要 摘要：向量网位于o s i 网络七层模型的第三层，是一种新的数据通信网。向量网 对通信路径上电子设备的输出端口号进行编码，形成网络通信的交换地址，通过 呼叫和寻由建立网络通信连接。向量网具有简单可靠、适应性强、安全性高等技 术优势。 向量网的实现依托于第二层网络。由以太网作为代表的局域网( l a n ) 是最 常用的第二层网络，在局域网上建立向量网对向量网的应用推广具有重要意义。 本论文着重研究局域网上建立向量网的网络模型、地址映射问题以及相关网络协 议的设计与实现，提出了l a n 上建立向量网的“全连通模型 ，设计了端口发现 协议实现向量网地址与以太网地址的映射。 为了验证网络协议设计的正确性，需要在网络设备上编程实现网络协议并组 建实际网络进行网络通信测试。网络协议的实现技术取决于具体的操作系统和相 应的编程接口。本论文在充分研究w i n d o w s2 0 0 0 操作系统的网络体系结构和相关 编程接口的基础上，借鉴t c p i p 在w i n d o w s2 0 0 0 上的实现技术，通过编写网络 协议驱动程序和用户模式程序，实现了l a n 上建立向量网关键协议之一的端口发 现协议，并组件小型局域网进行测试，实验结果与预期结果相符，通过运行端口 发现协议实现了端口表的建立和更新。 关键词：局域网；向量网；协议驱动程序；端口发现协议 分类号： j 量塞交通太堂亟堂位i 佥塞一l - 一墅j 二生业 a bs t r a c t a b s t r a c t ：v e c t o rn e t w o r ki san e wt y p eo fd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hi sa t n e t w o r k i n gl a y e ro fo s im o d e l s w i t c h i n ga d d r e s so fv e c t o rn e t w o r ki s as t r i n go f o u t p u t t i n gp o r tn o o fa l l t h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n t sw i t h i nac o n n e c t i o n ，a n da c o n n e c t i o ni se s t a b l i s h e db yt w os t e p s ：c a l l i n ga n dr o u t i n g v e c t o r n e t w o r ki ss u p e r i o r n l a no t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si nr e l i a b i l i t y , a d a p t a b i l i t y , s e c u r i t ya n ds oo n i m p i l e m e n t a t i o no fv e c t o rn e t w o r ki sb a s e do ns o m el a y e r2n e t w o r k l o c a la r e a n e t w o r k ( l a n ) i st h em o s tc o m m o nl a y e r2n e t w o r k ，a n de t h e m e ti s t h em o s tp o p u l a r l o c a la r e an e t w o r k i t ss i g n i f i c a n tt ob u i l dv e c t o rn e t w o r ko v e rl a n f o rt h ep u r p o s eo f p o p u l a r i z i n gv e c t o rn e t w o r k t h ek e yp o i n to f t h et h e s i si sn e t w o r km o d e l i n g , a d d r e s s m a p p i n g a n dt h ei m p l e m e n t a t i o n o fr e l e v a n tp r o t o c o l s t h ea u t h o rb u i l d sa ”a 1 1 c o t l n e c t e dm o d e l ”f o rv e c t o rn e t w o r ko v e rl a n ，a n dt h i n ko u tan e wp r o t o c o l c a l l e dp o r td i s c o v e r yp r o t o c o lc o n v e r t i n gv e c t o rn e t w o r kp r o t o c o la d d r e s st o 4 8 b i t e t h e r n e ta d d r e s sf o rt r a n s m i s s i o no i le t h e m e th a r d w a r e f o rt h ep u r p o s eo fu s i n gap r o t o c o lt oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r , w en e e dt o d e v e l o ps o m es o f t w a r et oi m p l e m e n tt h ep r o t o c 0 1 w ea l s on e e dt o e s t a b l i s har e a l n e t w o r kt ot e s tt h ep r o t o c 0 1 t h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o t o c o l sr e l a t e st oo sa n dr e l e v a n t i n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n sf o rp r o g r a m m i n g a f t e rs t u d y i n gw i n d o w s2 0 0 0 t c p i p a r c h i t e c t u r e ，r e l e v a n ti n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n s ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f t c p i po n w i n d o w s2 0 0 0o s ，t l l ea u t h o rd e v e l o p sap r o t o c o ld r i v e ra n da u s e rm o d ea p p l i c a t i o nt o i m p l e m e n tp o r td i s c o v e r yf o rv e c t o rn e t w o r ko v e rl a n a n dam i n il a n i sa l s o e s t a b l i s h e dt ot e s tt h ep r o t o c 0 1 t h er e s u l to ft e s ta c c o r d sw i t ht h ee x p e c t d u r i n gt h e t e s t ，p o r tt a b l ec a nb ec r e a t e da n dr e n e w e dc o r r e c t l y k e y w o r d s ：l a n ；v e c t o rn e t w o r k ；p r o t o c o ld r i v e r ；p o r td i s c o v e r y p r o t o c o l c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吼投机 导师签名： 臻引 签字日期：秒g 年6 月f 日 签字日期：移罗年多月岁日 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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吻凡数彳亿 签字日期： 伽矿年6 月夕日 5 3 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 梁满贵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。 梁满贵教授对于我的科研工作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，岑护平、张金鑫、李凌、王雪芬、贾倩、解 功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。 感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 衷心感谢所有在我攻读硕士学位期间给予帮助和支持的老师、同学、亲人和 朋友们。 1 1 论文的研究背景 1 引言 目前最具代表性的数据通信网是i p 网和a t m 网。i p 网和a t m 网由于其地址编 码的特点和网络设计思想的局限性，都暴露出一些难以克服的缺点，从而导致这 些网络自身的发展遇到瓶颈。 i p 网基于“端到端、无连接、尽力而为”【3 】的设计理念，不能满足当今的应 用要求，暴露出系统性的缺陷。i p 网存在的主要问题是安全性不高、转发设备复 杂、扩展性不好。 1 安全性不高。主要原因是：( 1 ) 转发设备，即i p 网的路由器，对所传输 数据中包含的信宿设备的地址必须直接可见，不能加密，否则路由器看不到地址 就无法路由转发数据；( 2 ) i p 网的地址是确定长度地址，能穷举所有地址，可以 通过搜索发现所有地址，带来不安全性；( 3 ) 一个电子设备具有一个固定的地址， 只要知道其网络地址就可以访问电子设备，不管是谁来访问，从什么地方访问。 2 转发设备复杂。i p 网的网络地址是电子设备的标识，不包含数据的路由信 息，路由信息通常存储于转发设备中。转发设备是大量用户共同使用的设备，其 大量动态路由信息的获取、维护相当复杂，而且，使用大量路由信息消耗巨大的 计算资源，致使i p 网的数据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。 3 扩展性不好，主要原因是：( 1 ) 网络地址严格不可相重，也就是说，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，也就是说，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；( 2 ) 地址范围固定，一方面，对于规模较大的通信网，存在地址资源枯竭问题；另一 方面，对于相对孤立的小规模的通信网，偏长的网络地址很浪费，带来包头开销 相对过大的问题。( 3 ) 基于n a t 的网络扩展方法，并非根本的解决办法，还带来 其它更多的问题。 a t m 网存在的问题主要是转发设备复杂。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o 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。 向量网基于“一种向量网络地址编码方法 【1 3 】和“向量数据通信网上建立 向量连接的方法”【1 4 】两项发明专利，集电信网、a t m 网、i p 网、帧中继、m p l s 等技术的优点，提出“向量连接和“向量交换”的概念，提出以“名称地址” 为主导的三加一标识体系，并且从信息网络的社会属性出发，以向量网络地址为 基础，建立了一套具有分形特征的数据通信网技术体系。它具有简单、无限可扩 充性、内在可信、支持q o s ，以及自组织、分布式，全面支持移动和多播等特点。 与i p 网和a t m 相比，向量网具有如下技术优势： ( 1 ) 由于向量地址的无限多值性( 不可穷举) ，不可解读性，可加密性，地 址相对性，有效性，地址不定长性，使网络的适应性、安全性更高； ( 2 ) 交换机中无地址表，数据交换不涉及查表操作，所以交换设备非常简单， 可以更有效地完成高带宽的数据交换任务； ( 3 ) 通信路径是轻量级，不占网络资源，向量连接可以多径，增加网络的抗 危性、可靠性、可用性； ( 4 ) 地址长度不固定，根据需要设立，不需要统一分配地址，不存在地址枯 竭问题，有分形特征，适合多变的网络拓扑结构； ( 5 ) 自组织、分布式、全面支持移动； ( 6 ) 网络体系中没有顶级d n s 等集中性服务节点，抗危性、可靠性增强； ( 7 ) 没有与i p 网络端口类似的概念，地址和端口融合在一起，简化了网络复 杂性； ( 8 ) 多层次子网面向对象，编制内部的情况对外保密； ( 9 ) 传送面和控制面分离，交换机和路由器功能分离，简化了实现，不仅降 低了网络的成本，而且可靠性增加； ( 1 0 ) 边缘网为主和核心网为辅共同负责管理控制； ( 1 1 ) 与现有网络融合容易，在高层概念上i p 网可以看作是向量网的特例。 由此可见，向量网具有较高的理论研究价值和应用价值，进而研究如何在现 有的第二层网络上建立向量网对验证向量网理论和推广向量网技术具有重要的意 义。局域网( l a n ) 是目前最常用的第二层网络，本论文所述的局域网主要指共 享式以太网，简称以太网，以太网在局域网市场中占有绝对优势，以太网几乎成 为局域网的代名词。 2 所有网络模型都有一个非常相似的要求，即至少要了解何种终端连接到网络 上，哪些终端是邻居，两个邻居之间是如何连接的，我们称这个过程叫做邻居发 现【i 引。向量网的邻居发现是通过h e l l o 协议和端口发现协议共同完成，从高层向下 看邻居发现表现为h e l l o 协议，从底层往上看邻居发现表现为端口发现协议。向量 网的端口发现协议和h e l l o 协议的设计借鉴了i p v 4 的a r p 协议、i p v 6 的邻居发现 协议、自动交换光网络的邻居发现协议以及p n n i 的h e l l o 协议。端口发现协议是 本论文研究的重点，通过该协议建立并更新端口表，实现端口号与物理地址之间 的映射。 网络协议的实现依赖于相应的操作系统和编程接口，不同的操作系统和编程 接口对应不同的网络协议实现方法。w i n d o w s2 0 0 0 操作系统具备完善的网络组件， 为网络支持提供了很强的扩展能力，而且w i n d o w s 是现实网络中终端设备常用的 操作系统，以该操作系统作为开发平台，便于向量网技术的应用推广。在w i n d o w s 2 0 0 0 上所作的设计开发，很容易移植到更高版本的w i n d o w s 操作系统上，以扩大 应用范围。因此在本论文所述的设计中，采用w i n d o w s2 0 0 0 作为网络终端的操作 系统。在设计开发过程中，深入研究了该平台上网络协议的通用实现技术，并借 鉴了现有的网络协议，如t c p i p 等在该平台上的相关设计和实现。 1 2 论文的主要工作 本论文在向量网的前期理论研究的基础上，借鉴现有网络的实现技术，提出 了在局域网上建立向量网的方案和实现技术，并给出实际组网进行相关协议测试 的方法和实验结果。本论文重点研究的对象是向量网的端口发现协议及其实现。 本论文主要阐述了以下几方面的工作： ( 1 ) 在向量网的前期理论研究成果的基础上，设计在局域网上建立向量网的 方案，具体包括：网络模型设计、网络协议设计、向量包的包结构定义、网络节 点的通信流程等。 ( 2 ) 在充分研究现有网络如i p v 4 ，i p v 6 的实现技术的基础上，提出了向量网 协议的实现技术，具体包括：网络节点的操作系统和编程接口的选择、向量网端 口发现协议的实现等； ( 3 ) 在小型局域网中，对端口发现协议进行测试，验证协议设计的正确性， 验证所选操作系统平台和编程接口对实现向量网通信协议的支持能力。 3 1 3 论文的组织结构 本论文的组织结构如下： 第一章：介绍了本论文的研究背景，包括向量网的提出、向量网的技术优势、 l a n 上建立向量网的重要意义等，并简要提出本论文研究的向量网协议的实现方 法。 第二章：研究了向量网的基本概念和核心特征，包括向量网的地址体系、向 量网对象的封装性、向量网的传送面和控制面等。 第三章：提出了l a n 上建立向量网的整体方案设计，包括网络架构、网络所 能实现的功能、向量包的结构定义和分析、协议栈的实现技术等。 第四章：阐述了l a n 上建立向量网所需的端口发现协议的设计和实现，交代 了实验软硬件环境、开发的内核模式协议驱动和用户模式程序的工作流程，并给 出实验结果和分析。 第五章：结论，总结全文，并对在本论文研究成果的基础之上进一步开展研 究工作提出建议。 4 2 向量网体系结构 向量网是第三种类型的网络体系结构。目前有两种类型的网络体系结构，一 种以网为代表，以电子设备标识为交换地址的编码基础，种以a t m 网为代 表，以通信链路标识为交换地址的编码基础。向量网则以设备端口标识为交换地 址的编码基础，因为交换地址是转发设备使用的地址，设备端口对转发设各最直 接可用。 信息网络与社会组织机构存在一定的同构性，大体上讲，哪里有人哪里就有 计算机终端，哪里有社会组织机构哪罩就有相应规模的子网络，而且社会组织机 构的层次关系与子网络的的层次关系也基本一致，基于这种客观规律，向量网在 宏观上将采用仿生学的方法，模仿社会机构关系，通过总结社会的各种对象和运 作机制，提炼出主要概念，了解网络应该有的宏观属性，设计网络对象的属性和 对象之间的关系，设计网络的基本架构，来建立一套信息网络的新体系结构。 向量网从功能上可以分成向量传送面和向量控制面。控制面根据用户呼叫请 求，通过复杂的呼叫控制信令，在网络中确定一条通信路径，建立通信连接关系。 传送面则按照事先建立好的通信连接，高速传送大量信息。实现传送面和控制面 功能的逻辑网络分别被称为传送网和控制网。传送网和控制网通常依附于同一个 物理网络，或者是紧密耦合的两个物理网络，在逻辑上相对独立，但是二者紧密 耦合，相互协调，共同实现整个数据通信网功能。按照传送面和控制面分离的原 则，向量网的研究方法和技术路线分别从向量传送面和向量控制面考虑。 2 1 向量网的地址体系 通信网与网络地址总是联系在一起，常用网络地址有口地址、a t m 终端地址、 a t m 交换地址( 即v p i v c i 地址) ，甚至电话号码、域名等等都是网络地址。各 种网络地址的用途和属性不同，有的标识通信网的对象，有的用于交换路由操作； 有的供人使用，便于记忆，有的供机器使用，便于存储和处理。从使用功能看， 有两类网络地址最重要，一种是标识地址，一种是交换地址。 数据通信网中，为了达到通信的目的，需要建立一套编码方法，为每个电子 设备指定一个编码标识，否则无法进行通信，这种标识称为电子设备的标识地址。 一个电子设备赋予一个明确的固定不变的标识地址，标识地址就代表这个电子设 备，是控制面使用的地址。 交换地址被转发设备用于交换操作。从一个端口输入的数据包，其中一定包 5 含一个字段，转发设备依据该字段做出判断，数据包被转发到哪一个端口进行输 出，这个字段就是交换地址。好的交换地址必须方便传送面高速、简单地交换转 发数据，是传送面使用的地址。 按照以上定义，对于a t m 网，a t m 终端地址是标识地址，a t m 的路径信 道地址( v p w c i ) 就是交换地址。对于i p 网，i p 地址是标识地址，也是交换地 址。 比地址更广泛的概念是标识，随着人们对新一代网络研究的深入，认识到除 了网络地址之外，还有其它网络重要标识。 向量网采用一种三加一标识体系：包括名称地址、交换标签、对话口令三个 主要标识，外加一个路由地址，共四种标识。 名称地址类似域名，明码文本，是一种地址标识。呼叫过程用，作为身份 验证的依据，颁发对话口令；并映射给出的路由地址。相对用户和组织结构固定。 路由地址类似a t m 的终端地址，二进制格式，是一种地址标识。路由地 址是名称地址的“影子 ，与名称地址有一对一关系，路由收集和寻由过程使用路 由地址，比直接使用名称地址效率高。它有动态分配特性，但不频繁变化。路由 地址对用户是透明的。 交换标签简称标签，是一种交换标识，类似a t m 的v p i v c i 地址。交换 过程用，也称交换地址。在向量网，交换地址就是向量地址。 对话口令简称口令，是一种呼叫连接标识，接入控制用，是进入领界，占 用信道资源的密码口令，动态分配得到。 路由地址可以看成名称地址的别名，它不是一个独立的标识，二者都是标识 网络节点对象的地址，有一对一关系，统称对象地址，简称地址。名称地址承担 对象地址的主要职能，路由地址是一种辅助地址。去掉路由地址，其功能由名称 地址承担完全可以，这时，三加一标识体系退化为三标识体系( 地址、标签、口 令) 。在这种意义上，有无路由地址只影响实现效率。 对向量网的四种标识进一步说明如下： 名称地址类似于i n t e m e t 的域名地址。从名称地址编码角度看，网络的组织结 构是一片森林，其中的每个树根，每个树支分叉都定义一个简短的名字，这样， 一个树支、树叶可以用一串名字唯一编码定位。名称地址的特征是明码文本，便 于人们阅读、记忆和使用，有分形特征，是网络组织机构和网络终端的标识。 路由地址采用类似a t m 论坛制定的异种a t m 网络接口标准，即p n n i ( p r i v a t e n e t w o r kt on e t w o r ki n t e r f a c e ) t 1 6 】给出的a t m 终端地址、逻辑组地址或节点地址的 定义，是二进制形式。路由地址由机器使用，方便通信设备路由和呼叫控制使用， 与名称地址存在一对一关系，也是网络组织机构和网络终端的标识。路由地址是 6 名称地址的别名，事实上，如果用名称地址代替路由地址的功能完全可以，只是 实现效率变低。名称地址和路由地址在控制面使用。 交换标签( 即交换地址) 必须方便传送面高速简单地交换转发数据，向量网 的交换标签为向量地址。 对话口令是进入网络领界的密码口令，也是识别一次通话的一种标识，用它 可以实现接入控制和计费账户标识。 三加一标识体系借鉴了i n t e r n e t 的域名和a t m 的地址体系，但是在以下方面 有创新： ( 1 ) 在网络第三层就定义了名称地址，在p n n i 树中分布地解析名称地址， 而口网第三层不知道域名( 即名称地址) 的存在，域名在高层使用，并且用专门 的域名服务器( d n s ，d o m a i nn a m es e r v e r ) 相对集中地解析域名，特别是顶级 d n s ，如果它们全部失败，i n t e m e t 就会瘫痪。 ( 2 ) 名称地址为主导，在构建网络时，部署系统和配置系统过程中，只要知 道名称地址，而路由地址由网络自动分配，使用者无须知道。现有网络不是这样， 要接入一台节点设备，首先管理员必须为用户分配路由地址( 比如i p 地址和a t m 终端地址) ，而不是提供一个名称给用户。名称地址可以被扩展，以指定端站设备 内部的详细目标，称为名称细地址，网络系统不解析名称细地址。 ( 3 ) 交换标签采用向量地址。向量地址可以被扩展，扩展部分称为向量细地 址。通常，名称细地址和向量细地址相对应，在端站设备内部有意义，网络不予 以解释。向量细地址可以代替i p 网中的“端口 角色，也就是向量网不必要有端 口的概念。另一方面，由于向量地址和向量细地址的分形特性，二者属性完全相 同，区别在于谁来使用，谁来理解，合成后的地址仍然是一个向量地址，因此， 事实上，在逻辑上向量网只有一种整齐的交换标签，即向量地址，向量地址不需 要“端口 辅助寻址定位。另外，网络拓扑和通信连接的起迄点决定向量地址长 度，长度不固定，不存在地址枯竭。 ( 4 ) 向量网的路由地址与同样职能的i p 地址和a t m 终端地址不同，相对于 网络拓扑是动态变化的，路由地址的长度可配置，这些改变对于用户是透明的。 ( 5 ) 增加了对话口令，实现接入控制和流量计量。 名称地址和向量地址有分形特性，是保证网络有分形特征的必要条件。至于 路由地址和对话地址，它们动态配置或分配，虽然它们没有分形特征，但是在应 用上不影响网络的分形特征。 以向量地址为交换地址建立的数据传送通信网称其为向量传送网。下面将详 细介绍向量网的交换地址，即向量地址。如图l 所示，在向量传送网中，转发设 备的输入输出端口从l 开始用数字编号，称为端口号，向量地址以端口号为编码 7 基础，描述了从信源设备到信宿设备传送数据的通信路径。通信路径信息是端口 号组成的序列，路径上的每个转发设备都对应序列中的一个端口号，是通信路径 通过该电子设备的输出端口号。 图l 向量地址编码示意图 以上端口号序列就象一步一步的方向标，引导数据包传送到达信宿设备，所 以被称为向量地址，其中的端口号被称为分量地址。 比如，从端站设备a 到端站设备c 的向量地址是v a c = 1 1 4 3 ，向量地址定义 的通信路径上的电子设备依次为a 、g 、i 和j ，不包括信宿设备c ，对应输出端口 依次为a 的l 、g 的1 、i 的4 和j 的3 ，所以是v a c = 11 4 3 。 同样，v b c = 1 4 3 是从端站设备b 到端站设备c 的向量地址 向量地址是多值的，比如v b c = 1 1 3 3 2 4 3 也是从端站设备b 到端站设备c 的 向量地址。 实际使用的向量地址用二进制编码，以v a c = 1 1 4 3 为例，二进制编码方法解 释如下：首先，数据传输路径上的各个电子设备的端口个数不相同，a 、g 、i 、j 四个电子设备的端口数量分别为1 、3 、4 、3 。根据二进制数能表示的数值范围， 电子设备a 有1 个端口，所以用1 位二进制数就可以表示；电子设备g 有3 个端 口，所以用2 位二进制数就可以表示；电子设备i 有4 个端口，所以必须用3 位 二进制数才可以表示；电子设备j 有3 个端口，所以用2 位二进制数就可以表示， 注意端口好从1 编起。 这样电子设备a 、g 、i 、j 为分别用1 、2 、3 、2 位二进制数就可以表示所有 输出端口编号，得到向量地址的二进制编码如下： 十进制编码： 1 143 ) 二进制编码： l ，0 1 ，1 0 0 ，1 1 ) 二进制位数： 1232 这样，向量地址的表示形式最后变成二进制形式1 0 1 1 0 0 1 1 1 ，1 ，4 ，3 ) = 1 ，0 1 ，1 0 0 ，1 1 ) = 1 0 1 1 0 0 1 1 当向量传送网的转发设备从某输入端口收到一个数据包后，检查第一个分量 地址，根据检查结果把该数据包发送到第一个分量地址所指定的输出端口，传送 出去的数据包不包含第一个分量地址，即第一个分量地址使用以后就从数据包删 去，传送出去的数据包之向量地址少了一个分量地址。这就是向量传送网的转发 设备的数据交换过程，在此称其为向量交换过程，完成向量交换的转发设备被称 为向量交换机。 向量传送网在数据传送方面，比i p 网和a t m 网有如下优势： ( 1 ) 依据向量地址建立的网络更安全。 ( 2 ) 网络相对简单。向量传送网没有空间和时间上开销很大的查表操作，所 以其转发设备，即向量交换机非常简单。而对于i p 网和a t m 网，每转发一个数 据包都要查询地址表，因此消耗巨大的计算资源，使转发设备极其复杂。 ( 3 ) 适应性强，效率高。网络想扩展就扩展，不存在地址相重的问题。网络 地址不固定，长度不受限制，能适应任何大小的网络，而不会发生网络地址枯竭。 另一方面，对于小网络，地址很短，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。 比较i p 地址、a t m 的路径信道地址和向量地址三种交换地址，主要区别是i p 地址依靠电子设备的编号进行地址编码，a t m 的路径信道地址依靠通信线路中的 虚链路编号进行地址编码，向量地址依靠电子设备的端口号进行地址编码，简单 地说，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。 端口是转发设备最能直接访问的对象，是向量地址优于i p 地址和a t m 地址 的根本原因。用向量网组建全球网时，向量地址的地址长度在平均意义上与i p v 4 相当。设( 1 ) 考虑转发设备的端口数不一定是二的幂，平均利用率为3 4 ；( 2 ) 设备的平均端口数是1 2 ，分量地址占用4 比特；( 3 ) 3 2 比特的向量地址可以有8 级节点级连，可以形成( 1 2 宰木8 ) = 4 3 亿( 用户) ，与世界现有用户在数量级上相 当，说明平均长度与i p v 4 一样的向量地址可以覆盖i p v 4 能覆盖的用户数量，二者 的寻址规模在数量级上相当。 9 2 2 向量网对象的封装性 面向对象是现代信息技术的重要概念，用面向对象的方法，将复杂的功能模 块转化为较小的模块，并且递推这样的分解过程，直到模块足够小，便于实现为 止，是设计一个大的硬件或软件系统的重要方法。每个模块内部的实现细节对外 不可见，可见的只有外部需要的部分，即每个对象都有封装性。向量网研究的对 象包括： ( 1 ) 交换机，交换机是向量网中传送面负责数据交换的设备，交换机根据对 向量地址剥离出来的分量地址送到相应的输出端口。 ( 2 ) 链路，链路是向量网中连接两个( 物理或逻辑) 节点之间的( 物理或逻 辑) 链路。 ( 3 ) 路由器，路由器是向量网中的负责维护拓扑数据库，进行呼叫连接的一 个功能模块。 电信网和i p 网都是有限层的平面结构，所以不强调面向对象。对于向量网， 依据控制面的树形层次结构，可以把每个子树对应的子网当作一个对象来设计。 对外定义明确的逻辑结构，由外部的其它网络使用，对内根据需要设计具体的实 现结构。从外部看到的一个逻辑上的子网，可以是一台计算机用软件实现的软件 网络，可以是多个节点组成的复杂网络，也可以是已经过封装的异构的其它网络， 比如一个私有的a t m 网或口内网，只要有合适的网关，通过抽象子网的逻辑结 构，建立向量网与异构子网的通信即可。用这种办法可以融合其它网络到向量网。 面向对象子网的概念，反映在交换机和融合交换机的概念上。 如图2 所示，一个交换机是一个设备，其特征是有若干个端口，输入端口到 输出端1 ：1 的交换标签是“p 0 给出的向量地址 t l p 比如( p 1 p 4 ) 的交换标签是“端1 2 1 号4 ，是只有一个分量地址的向量地址。 里圉 回刳 回 茵 图2 向量网交换机内部结构示意图 1 0 图3 融合交换机不意图 如图3 所示，对于融合交换机，它是一个子网，其特征是有若干个端口，输 入端口到输出端口的交换标签是“p 0 给出的向量地址”，是子网内部经过路由选择 给出的结果。不难看出，交换机是融合交换机的个特例，或者说交换机和融合 交换机从外部看都是相同特性的网络对象，二者的外部属性相同，其中p o 是提供 从指定输入端口到指定输出端口的向量地址的服务模块。 2 3 向量网的传送面 传送面是通信网转发用户信息的逻辑层面，可以称其为传送网( 或承载网) ， 向量网对传送网的研究方法和技术路线将以向量地址为主要技术，可充分利用现 有的软件( 各种网络开发和测试软件) 和硬件( 比如嵌入式高速可编程器件) 在 较小的成本代价条件下，达到宽带、可靠，并从传送面支持安全、可控和可管。 向量网传送面的主要概念有：电子设备，端站设备，转发设备，交换地址，向量 交换等。传送网的拓扑结构就是通信网的物理拓扑结构，从图论概念上讲，传送 网是一个一般的图结构，是没有层次的平面拓扑结构。 传送网由电子设备和物理链路组成，电子设备分为两类：端站设备和转发设 备，有的电子设备兼有两种角色。 传送网中所的传送信息包括：用户信息、控制信息和管理信息。传送网主要 传送用户信息，但有时也需要传送控制信息和管理信息。 对于用户信息，端站设备是用户信息的“信源”和“信宿”。转发设备的作用 是对用户信息进行转发和交换。用户信息是沿路径传递的数据流，呼叫控制过程 激发启动数据流开始，并一直持续下去，直到数据传送完毕或故障而停止。 控制信息是呼叫路由产生的信息，呼叫路由过程中端站设备扮演“主叫 和 “被叫角色，转发设备的作用是转发和寻由。控制信息的特征是探索性和交互 性，用户激发呼叫路由动作开始。 网络中的管理实体将从端站设备和转发设备收集设备的状态信息，并管理控 制它们，在网络中传送的状态信息和管理控制信息就是所谓的管理信息。网络管 理的特征是分区域层次的有主结构，由各个管理员激发管理动作开始，也有一部 分动作定时产生。 交换地址就是传送面的网络地址，交换地址必须方便传送面高速简单地转发 交换数据，向量网的交换地址为向量地址。 2 4 向量网的控制面 网络的控制面是服务于传送面的网络层面，可以单独建立通信来网承载控制 面信息，但通常由它所服务的传送网所承载，向量网采用后者。控制面的功能包 括路由收集和呼叫连接，向量网借鉴a t m 的p n n i 技术，提出一套全新的控制面 结构，称为向量网的控制面，它满足社会对网络的分形特征等宏观要求。 2 4 1向量网控制面的拓扑结构 物理网络由最低级节点( 1 0 w e s t 1 e v e ln o d e s ) 组成，节点间用双向的物理链路 ( p h y s i c a ll i n k ) 相连，但两个方向的特性可能不同。链路由交换节点中的端口接出， 因此每条物理链路可用端口标识和节点标识来识别。下图为一个由若干交换系统 和双向链路组成的物理网络的示意图【1 5 1 。 图4 向量网物理网络示意图 1 2 如果向量网采用平面结构，其中的路由器所需存储的拓扑信息将是巨大的， 路由器需要存储整个网络的精确拓扑，这往往是网络设备所不能承受的；形成并 维护这样的拓扑的复杂度和通过这样的拓扑计算两个节点之间的最短路径的时间 开销也将是巨大的【2 1 1 。因此，向量网控制面采用分层结构，如下图所示【1 6 1 。 图5 向量网控制面分层结构示意图 在最底层，一些路由器和交换机及端站设备形成一个个对等组，例如上图每 个圈内都表示一个对等组，对等组内的链路称为逻辑链路，组间链路称为外部链 路。所有的节点通过h e l l o 协议确认链路信息，通过洪泛使路由器形成本组内的拓 扑数据库。每个对等组可以由上一层的一个逻辑组节点表示。而逻辑组节点的功 能需要一个实际节点来执行，这个节点便称为对等组组长( p e e rg r o u pl e a d e r , p g l ) ，该节点亦是对等组内的一个节点，具有其他节点的一样功能，所不同的是， 对等组组长需要完成一个承上启下的作用，需要完成更高层逻辑组节点的功能， 另外，它亦是底层对等组与高层对等组联系的“桥梁”。当邻居节点间通过h e l l o 协议发现它们分属不同的对等组时，它们即是对等组边界节点，连接两个边界节 点之间的链路称为外部链路。通过外部链路的h e l l o 协议的交换，边晃节点之间可 以确定它们同属的最低层对等组，并且可以确定边界节点与高层逻辑节点的连接 性，边界节点与所连的节点的高层逻辑组节点便形成一条逻辑链路，称为上行链 路。通过上行链路，逻辑组节点之间通过交互h e l l o 信息形成高层的逻辑连接，并 进一步可以形成高层的对等组，如此反复，可以形成一个分层的网络结构。 2 4 2 拓扑数据库的建立和更新 路由器拓扑数据库的建立和更新经历以下几个步骤： ( 1 ) 节点通过h e l l o 协议获得邻居节点的信息。h e l l o 分为底层节点的h e l l o 协议和高层逻辑组节点的h e l l o 协议两个层次。h e l l o 包在两个相邻节点之间进行 交换，利用h e l l o 包的交互可以确定邻接节点和路径状态。高层逻辑组节点虽然在 物理上是分离的，但在逻辑上是邻接节点，它们之间相互之间也交互h e l l o 包。它 们之间的h e l l o 协议的传送通过一个逻辑邻接链路传送，这个逻辑邻接链路表现为 一个单向向量地址。在高层逻辑组节点看来，它所谓的端口，便是这样一个单向 向量地址，它是一系列有序端口的集合。从逻辑意义上来说，底层的物理端口是 一个特殊的逻辑端口，它只由一个物理端口组成。从本质上讲，逻辑端口是一个 向量地址，它发挥的作用跟物理端口一样。h e l l o 协议在高层的运作机制与在底层 的运作机制没有差别。 ( 2 ) 向量网拓扑状态包洪泛。洪泛包在一个对等组里传播，它能够保证每一 个节点都能接收到洪泛包，从而能使对等组内路由节点建立拓扑数据库并保持彼 此间的拓扑数据库一致。 ( 3 ) 路由器位置通告。经过节点之间的信息交互，路由器形成拓扑数据库。 路由器向对等组内所有节点发送路由器位置通告包通告自己的位置，即向所有节 点提供若干个到达自己的向量地址。 2 4 3 呼叫寻由建立向量连接 向量连接是向量数据通信网的一种通信连接方法，与向量连接有关的信息， 特别是记录通信路径的信息，记录在数据包和两端的通信连接控制数据块中，交 换机不记录关于每个通信连接的信息，建立向量连接的分两个子过程，如下： ( 1 ) 呼叫过程，主叫和被叫双方协商确定通信格式，交换必要的通信连接信 息。必要的通信连接信息比如：主叫获知被叫的接入地址，双方互知对方的加密 密钥等。 ( 2 ) 寻由过程，在协商好的通信格式条件下，通过存储在路由器里的拓扑数 据库计算通信两端的最优路径和若干条备用路径，得到各条路径的向量地址。一 个寻由包可能有多个寻由成功的寻由回应包，表示有多个可达路径，发送寻由确 认包，被确认的所有路径都是本次呼叫的有效路径。呼叫寻由成功后则建立起主 1 4 叫和被叫之间的连接。可以随时改变连接的状态，比如重新为路径分配通信资源 等。 呼叫寻由建立向量连接的步骤为： 步骤a ：主叫根据初始设定的连接信息，以被叫的名称地址作为被叫地址向 网络发出呼叫消息；所述连接信息是存储在通信两端( 即主叫和被叫) 的一种控 制数据块，记录通信连接有关的信息。 步骤b ：所述网络根据网络的树状组织结构确定通向所述被叫的呼叫路径，所 述呼叫路径是主叫和被叫相互交流呼叫控制消息的通信路径； 步骤c ：通过所述呼叫路径，所述主叫和所述被叫相互交换和更新连接信息； 步骤d ：根据所述更新后的连接信息，确定多条通信路径，并把路径信息作 为连接信息的添加内容，所述多条通信路径、所述主叫的和所述被叫的最终连接 信息构成一个向量连接。 所述步骤c 具体包括： 步骤c 1 ：通过所述呼叫路径，网络将所述主叫的呼叫消息传达给所述被叫， 到达所述被叫的所述呼叫消息携带所述主叫要求的通信格式集合、所述主叫向量 地址和所述被叫向量地址；所述通信格式通常包括：通信类型和具体通信格式， 比如 话音，p c m6 4 k b i t s s ) 就是一种通信格式，所述通信格式集合是多个通信格 式组成的集合。 步骤c 2 ：所述被叫收到所述呼叫信息后，把所述主叫向量地址作为连接信息 的更新内容存储在被叫本地，并通过所述呼叫路径，所述被叫向主叫回送响应消 息，所述响应消息携带所述被叫支持又满足主叫要求的通信格式集合、所述被叫 向量地址和所述被叫的接入地址，其中所述被叫向量地址从所述呼叫消息中提取 得到，所述被叫的接入地址事先赋予所述被叫。 步骤c 3 ：所述主叫收到所述响应消息后，从响应消息的通信格式集合中选定 一个通信格式，并把所选择的通信格式、所述被叫向量地址和所述被叫的接入地 址作为连接信息的更新内容存储在主叫本地，然后将所选定的通信格式通过确认 消息发送给所述被叫； 步骤c 4 ：所述被叫收到所述确认消息后，将选定的通信格式作为连接信息的 更新内容存储在被叫本地，完成呼叫过程。 所述步骤d 具体包括： 步骤d 1 ：根据所述更新后的连接信息，生成寻由消息，所述主叫将所述被叫 的接入地址作为目的地址向网络发出所述寻由消息； 步骤d 2 ：所述网络根据网络的物理拓扑结构确定多条通信路径，通过每条通 信路径将一个所述寻由消息传送给所述被叫； 步骤d 3 ：所述被叫收到每个所述寻由消息后，所述寻由消息包含了经过通信 路径的有关信息，包括被叫向量地址、主叫向量地址和路径代价，将所述主叫向 量地址及其路径代价作为被叫连接信息的添加内容，然后依据所述寻由消息中提 取的主叫向量地址所指示的原通信路径，向所述主叫发送寻由回应消息，寻由回 应消息中包括被叫向量地址和路径代价； 步骤d 4 ：所述主叫收到每个所述寻由回应消息后，获得一条通信路径的被叫 向量地址及其路径代价，进行暂存，当到达预设时间时，通过比较已收到的各条 通信路径的路径代价，选定指定数量的通信路径，并将所述选定的通信路径的被 叫向量地址及其路径代价作为主叫连接信息的添加内容，然后针对每个被选定的 通信路径向被叫发