專利名稱：在物理介質(zhì)上直接傳輸ip數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)以及計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、傳輸方式、設(shè)備，具體地說，是一種在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
隨著因特網(wǎng)的迅速普及和應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，使得大多數(shù)局域網(wǎng)都已成為或?qū)⒁蔀橐蛱鼐W(wǎng)中的一員。眾所周知，因特網(wǎng)是建立在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)，為了能夠連入因特網(wǎng)，現(xiàn)在的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)幾乎都提供對TCP/IP協(xié)議的支持。不僅如此，可以進(jìn)一步地預(yù)見將來的網(wǎng)絡(luò)很可能是TCP/IP的一統(tǒng)天下。以下的說明就是基于“將來的網(wǎng)絡(luò)將統(tǒng)一于TCP/IP”這樣一種前提。
但是TCP/IP本身并未定義數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，它可使用絕大多數(shù)通信子網(wǎng)已有的協(xié)議。具體對局域網(wǎng)來說，TCP/IP是建立在以太網(wǎng)802.3協(xié)議或令牌環(huán)網(wǎng)802.5協(xié)議之上的。例如，對于以太網(wǎng)基礎(chǔ)上TCP/IP系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。
以太網(wǎng)是在實際中應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)，它幾乎占據(jù)了局域網(wǎng)市場95％以上的份額。所以，以太網(wǎng)技術(shù)的變化將會對整個網(wǎng)絡(luò)市場帶來一些影響。
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，暴露出現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在的一些問題2.1 以太網(wǎng)的不足之處典型的以太網(wǎng)是一種基于總線的廣播式網(wǎng)絡(luò)，多個站點共享一個信道(即將許多站點連接到一根同軸電纜上)，并且采用了基帶傳輸方式。發(fā)送信息時采用分布式的仲裁機(jī)制來解決沖突問題。如圖8所示。
現(xiàn)在也有很多網(wǎng)絡(luò)采用了集線器的集中式(星形)連接，但從本質(zhì)上來說，它仍屬于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣播式網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)的上述工作方式基本上是受早期通信技術(shù)的影響而發(fā)展起來的，這種工作方式有以下兩個不足之處。
2.1.1 物理地址問題由于在廣播式網(wǎng)絡(luò)中一個站點發(fā)送的信息(幀)將被網(wǎng)絡(luò)上所有其它的站點接收到。為了指明該信息幀是發(fā)送給誰的，以太網(wǎng)必須在信息幀中加上目的地址；同樣，為了能使接收站向發(fā)送站發(fā)送響應(yīng)，發(fā)出的信息幀中也要指明源站點地址。
地址字段的加入一方面使幀封裝的開銷增大，另一方面站點要對地址進(jìn)行處理，也增加了幀的處理時間。
2.1.2 介質(zhì)訪問控制多個站點共享一個信道就意味著沖突有可能發(fā)生。因此以太網(wǎng)要采取某種仲裁機(jī)制來使各個站點輪流使用信道，以避免多個站點同時發(fā)送所引起的沖突現(xiàn)象。在以太網(wǎng)中，這種機(jī)制稱為載波檢測多路訪問/沖突避免(CSMA/CD)。沖突是共享信道的本質(zhì)所決定，是不可避免的，它導(dǎo)致了以太網(wǎng)效率降低。通過分析可知，速率為10Mb/s以太網(wǎng)，當(dāng)幀長度為256字節(jié)時其效率僅為60％左右。
2.2 TCP/IP的不足之處在TCP/IP系統(tǒng)中，為了能夠正常工作，用戶需要在自己的計算機(jī)上設(shè)置一些TCP/IP參數(shù)，如IP地址、網(wǎng)關(guān)地址、DNS地址等，這會帶來兩個問題其一是在計算機(jī)能夠聯(lián)網(wǎng)工作前，用戶必須按要求設(shè)置好參數(shù)，然后重新啟動機(jī)器使參數(shù)生效，這對普通用戶來說是一個痛苦的過程。其改進(jìn)目標(biāo)應(yīng)該能使用戶的計算機(jī)不用任何設(shè)置即可工作，做到真正的即插即用。這對于家電上網(wǎng)是非常重要的。其二是用戶既然可以自行設(shè)置IP地址，那么黑客就可以盜用合法用戶的IP地址，偽裝成合法用戶來執(zhí)行非法操作。
針對以上所述的現(xiàn)有技術(shù)部分存在的問題，本發(fā)明所涉及的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)以太網(wǎng)進(jìn)行一些改進(jìn)，提出了一種在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采取的技術(shù)方案是該網(wǎng)絡(luò)中IP數(shù)據(jù)包在物理介質(zhì)上直接傳輸，結(jié)點之間傳輸?shù)膸话袔ń?、IP數(shù)據(jù)和CRC校驗三個域；網(wǎng)絡(luò)以IP交換設(shè)備為核心，連接各網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備與IP交換設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸采用點對點、全雙工方式；在信道上無介質(zhì)訪問控制；網(wǎng)絡(luò)支持即插即用功能；終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)不能由終端用戶自已設(shè)定，而是由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備確定。
用于實現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，其特點是，包括一個IP交換裝置1，其具有若干個用于連接IP終端設(shè)備的下行端口和一個用于連接網(wǎng)絡(luò)主干的上行端口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)接口、中央控制裝置、交換引擎、高速地址緩沖以及操作系統(tǒng)軟件；至少一個以上IP交換裝置2，其上行端口與IP交換裝置1連接，并具有若干個用于連接IP終端設(shè)備3的下行端口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣包括網(wǎng)絡(luò)接口、中央控制裝置、交換引擎、高速地址緩存以及操作系統(tǒng)軟件；若干個IP終端設(shè)備3，用于和IP交換裝置2的下行端口連接，自身無固定配置的IP地址，其IP地址必須向IP交換裝置2申請或由IP交換裝置2通告來確定；本發(fā)明的其他一些特征是交換引擎包含一路由交換表，該表包含了目的IP網(wǎng)絡(luò)地址與輸出端口的映射表，并包含各端口的狀態(tài)信息。
路由交換表用來將IP數(shù)據(jù)包之目的IP地址映射為轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
IP終端設(shè)備3是具有網(wǎng)絡(luò)接口的各類用護(hù)智能設(shè)備，包括一個智能控制裝置，其中包含中央處理器、存儲器和設(shè)備接口，具有獨立處理信息的能力；IP終端設(shè)備3設(shè)有網(wǎng)絡(luò)接口，此網(wǎng)絡(luò)接口用于實現(xiàn)與IP交換裝置的接收與發(fā)送，能夠?qū)崿F(xiàn)在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的功能；在中央處理器和網(wǎng)絡(luò)接口的支持下，能與本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)即插即用；設(shè)備自身不設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)，地址參數(shù)由IP交換裝置確定；可實現(xiàn)用戶所需的其他特定功能，如機(jī)頂盒、電冰箱、微波爐、計算機(jī)以及冷暖控制裝置等。
本發(fā)明所涉及的網(wǎng)絡(luò)是以由微處理器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)接口、專用操作系統(tǒng)和路由交換軟件組成的IP交換裝置為核心，IP終端設(shè)備均連接到IP交換裝置的端口上，以點對點全雙工方式進(jìn)行通信，不需要介質(zhì)訪問控制功能。IP終端設(shè)備無需設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)，在發(fā)送IP數(shù)據(jù)包時，它僅是簡單地在IP數(shù)據(jù)包前后加上幀定界和錯誤校驗信息，隨即發(fā)送到交換設(shè)備，交換裝置從源端口接收到的IP數(shù)據(jù)包中提取目的IP地址，查找路由交換表，得到目的端口，而后將IP數(shù)據(jù)包從目的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。由于簡化了幀的封裝和及其處理過程，提高了傳輸效率、減小傳輸延遲。防止了地址盜用，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
四.


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的IP網(wǎng)絡(luò)接口卡結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的交換設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的交換設(shè)備的協(xié)議層次框圖；圖6是本發(fā)明的終端設(shè)備中DHCP協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；圖7是以太網(wǎng)TCP/IP系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖；圖8是以太網(wǎng)TCP/IP系統(tǒng)采用基帶傳輸方式示意圖；圖9是本發(fā)明的節(jié)點指針圖。
五.
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)是一種在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行高度簡化的網(wǎng)絡(luò)，既可以用于局域網(wǎng)，也可以用于廣域網(wǎng)環(huán)境。
5.1 IP Over介質(zhì)本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)中，IP協(xié)議直接傳輸在雙絞線或者光纖、無線等通信介質(zhì)之上，數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a、成幀(包括幀定界和CRC校驗)等均采用流行的Ethernet(10Mb/100Mb/1000Mb)標(biāo)準(zhǔn)，但沒有介質(zhì)存取訪問控制機(jī)制，幀結(jié)構(gòu)中除了幀定界和CRC校驗以外，封裝的數(shù)據(jù)直接為IP包。下圖表示了網(wǎng)絡(luò)中幀的格式。

5.2 數(shù)據(jù)傳輸方式點到點、全雙工，無介質(zhì)訪問控制。
5.3 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成參見圖1，網(wǎng)絡(luò)采用IP交換設(shè)備1為核心，IP交換設(shè)備2與IP交換設(shè)備1互聯(lián)，IP交換設(shè)備2與終端IP交換設(shè)備3互聯(lián)。
5.3.1 IP交換設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置有2類IP交換設(shè)備核心IP交換裝置1、核心IP交換裝置2和終端IP交換設(shè)備3。
IP交換裝置1用于主連接，主要匯接不同的IP交換設(shè)備。IP交換裝置1分為純主干連接和混合連接兩種，純主干連接的IP交換裝置1只用來匯接其他IP交換設(shè)備；混合連接的IP交換裝置1即可以連接其他IP交換設(shè)備，也可以連接IP終端設(shè)備(但在設(shè)置接口類型時要予以指定，即該端口準(zhǔn)備接那種類型的設(shè)備——是交換裝置還是終端設(shè)備)。
IP交換裝置2用于用戶接入。它有1-2個上行端口和若干個下行端口，上行端口用于連接IP交換裝置1，下行端口用于連接用戶IP設(shè)備，的功能包括路由和IP數(shù)據(jù)報的轉(zhuǎn)發(fā)。
IP交換裝置2上的網(wǎng)絡(luò)端口有2種● 用戶端口，只用于連接IP終端設(shè)備。端口配置的IP地址即為與該端口連接的IP終端設(shè)備的IP地址。
● 網(wǎng)絡(luò)端口，用于連接IP交換裝置1。
以上雖然將IP交換設(shè)備分為兩種類型，但這種劃分僅是邏輯上的概念，交換設(shè)備內(nèi)的軟件實際上是同樣的，僅是激活了不同的處理模塊而已。
5.3.2 IP終端設(shè)備3IP終端設(shè)備3是具有特定網(wǎng)絡(luò)接口的各類用護(hù)智能設(shè)備，包括一個智能控制裝置，其中包含中央處理器、存儲器和設(shè)備接口，具有獨立處理信息的能力；IP終端設(shè)備3設(shè)有網(wǎng)絡(luò)接口，此網(wǎng)絡(luò)接口用于實現(xiàn)與IP交換裝置的接收與發(fā)送，能夠?qū)崿F(xiàn)在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的功能；在中央處理器和網(wǎng)絡(luò)接口的支持下，能與本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)即插即用，而無需設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；可實現(xiàn)用戶所需的其他特定功能，如機(jī)頂盒、電冰箱、微波爐、計算機(jī)以及冷暖控制裝置等。
IP終端設(shè)備3本身無固定配置的IP地址，其IP地址必須向IP交換裝置2申請(如連接到IP交換裝置2的用戶端口或系統(tǒng)啟動時)或者由IP交換裝置2通告(如IP地址策略因IP交換裝置2上的配置活動而發(fā)生了改變)。也就是說，IP終端設(shè)備3上不需要配置任何網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)，地址參數(shù)(如IP地址、缺省網(wǎng)關(guān)、域名等)，均由IP交換裝置2自動分配。
5.3.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見圖3，IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括操作平臺，TCP/IP棧，交換引擎，交換引擎設(shè)置多個網(wǎng)絡(luò)接口，并設(shè)有端口地址配置表、路由交換表、高速地址緩存。
5.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由于網(wǎng)絡(luò)中的IP包是直接在介質(zhì)上傳輸，故現(xiàn)有的許多物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如SDH、HDLC、PPP、ATM、X25等都不再使用，只有TCP/IP協(xié)議族中IP層及以上各層的協(xié)議繼續(xù)使用。物理層(數(shù)據(jù)編碼、傳輸)的協(xié)議主要參照Ethernet中的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。鏈路層也只使用非常簡單的封裝協(xié)議(如前所述)。
在網(wǎng)絡(luò)中，為增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的管理，需要增加一些新的協(xié)議，通過在IP包的type域中增加新的代碼來標(biāo)識新協(xié)議類型，也可開發(fā)專用協(xié)議。
IP交換裝置1與IP交換裝置2之間交換的信息主要有● 路由、IP控制、轉(zhuǎn)發(fā)的IP數(shù)據(jù)包等信息。
● 地址管理信息，反映網(wǎng)絡(luò)連接的情況。
● 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的運行狀態(tài)。
IP交換裝置2和IP終端設(shè)備3之間交換的信息主要有● 正常的IP數(shù)據(jù)包。
● 管理信息，如IP交換裝置2向IP交換裝置2注冊、IP交換裝置2從IP交換裝置2得到自己的地址、域名配置等信息。
5.5 IP地址管理5.5.1 交換設(shè)備IP地址為便于管理(如通過網(wǎng)絡(luò)來配置交換設(shè)備)，在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)中的每一臺IP交換裝置1和IP交換裝置2都應(yīng)該擁有一個IP地址，這個地址稱為“交換設(shè)備自身地址(SDA)”，對于IP交換裝置2的上行端口，或者IP交換裝置1的上行端口是不設(shè)置IP地址的。例如，連接在IP交換裝置2上的IP終端設(shè)備3為了訪問圖1中的IP交換裝置1，就可以使用SDA作為IP包的目的地址。換句話說，對于IP交換裝置2來講，若收到的IP包的目的地址為IP交換裝置1的SDA，則它們應(yīng)該將該包從上行端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。
5.5.2 IP交換裝置2端口IP地址在前面對網(wǎng)絡(luò)的描述中可知，對交換設(shè)備上每一個用于連接IP終端設(shè)備3的端口都必須分配一個IP地址——端口IP地址。而且一旦IP終端設(shè)備3與IP交換裝置2建立了連接，IP終端設(shè)備3的地址就是它所連接的IP交換裝置2的端口IP地址。
通過對交換設(shè)備自身地址(SDA)和端口IP地址的描述可知(1)可以認(rèn)為IP終端設(shè)備3的網(wǎng)絡(luò)接口延伸到了IP交換裝置2上，即背靠背的。
(2)若IP終端設(shè)備3發(fā)出的數(shù)據(jù)包的目的地址就是它所連接的IP交換裝置2端口的地址時，實際上接收該包的IP終端設(shè)備3就是它自己。
(3)當(dāng)IP交換裝置2收到的數(shù)據(jù)包的目的地址就是它的SDA地址時，IP交換裝置2不應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)，而是要遞交給自身的高層協(xié)議處理。
(4)當(dāng)IP交換裝置2收到的數(shù)據(jù)包的目的地址不是自己的SDA地址時，IP交換裝置2必須予以轉(zhuǎn)發(fā)。
5.5.3 IP交換裝置2端口地址的分配策略可以通過人工配置來設(shè)置IP交換裝置2每個端口的地址，也可以通過地址管理信息從IP交換裝置1得到。IP交換裝置2端口IP地址的分配策略如下(1) 設(shè)置地址池時，地址的范圍應(yīng)連續(xù)；(2) 地址池中的地址個數(shù)N應(yīng)滿足N≥M+1(M為IP交換裝置2上用戶端口的個數(shù))。
(3) 地址池中最小的地址應(yīng)分配給上行端口(或者說作為SDA使用)。
(4) 地址池中其余的地址順序分配給各個端口(按從小到大的端口號順序)。
例如，一個具有12個用戶端口和1個上行端口的IP交換裝置2，其地址池的范圍可能是x.x.x.5-x.x.x.17。根據(jù)以上分配策略，地址池中的x.x.x.5分給上行端口(作為SDA)，用于訪問IP交換裝置2，而x.x.x.6-x.x.x.17則順序分給1到12號用戶端口。
一旦配置完成，除應(yīng)將配置的IP地址綁定到各端口外，還應(yīng)根據(jù)配置的情況立即更新路由交換表。
可以采取某種策略使得IP交換裝置2的路由交換表的規(guī)模比較小，這是因為IP交換裝置2的大部分端口(下連端口)都是用于連接終端設(shè)備，僅上連端口用于連接網(wǎng)絡(luò)。而每個下連端口在路由交換表中只占一個表項，并把默認(rèn)路由指向上連端口(對于目的地為其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包可都從默認(rèn)路由——即上連端口轉(zhuǎn)發(fā))，這樣就使表項數(shù)基本上與端口數(shù)差不多。IP交換裝置1因為要與其他交換設(shè)備或外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，所以它的路由交換表規(guī)模要大一些。設(shè)計時將二者統(tǒng)一處理，例如可將表的大小初步定為65536個表項，考慮到路由交換表具有地址聚合能力，這樣的大小應(yīng)可滿足大多數(shù)中小型網(wǎng)絡(luò)的需要。
5.5.4 路由交換表更新IP交換裝置1要根據(jù)從IP交換裝置2收到的地址信息更新自己的路由交換表表項(包括靜態(tài)、動態(tài))。這就要求IP交換裝置2定時向IP交換裝置1通告自己的路由信息，當(dāng)作了人工配置后也要即時通告給其他交換設(shè)備。
5.5.5 地址配置參數(shù)配置的內(nèi)容包括各個端口的地址、主機(jī)名、DNS地址、網(wǎng)關(guān)地址等。
5.6 路由交換表對于IP交換裝置2，其內(nèi)部維護(hù)一個路由交換表PDT，格式如下IP交換裝置2路由交換表APDT


當(dāng)IP地址分配完后，這張表也就定了。其中default項是固定的，端口0為上行端口。
IP交換裝置2中的路由交換表與傳統(tǒng)路由器的路由交換表的區(qū)別有以下幾點1)由于IP交換裝置2連接的都是終端設(shè)備，故表中的目的IP地址就是相應(yīng)端口所連接的終端的IP地址，而不像傳統(tǒng)路由器那樣為目的網(wǎng)絡(luò)的地址(實際上將子網(wǎng)掩碼設(shè)置為全1就能達(dá)到此目的)。
2)IP交換裝置2的用戶接口與IP終端設(shè)備3直接相連，沒有距離字段。
3)IP交換裝置2的端口地址就是與其連接的IP終端設(shè)備3的IP地址，路徑用本設(shè)備上各個端口的IP地址表示，而不像傳統(tǒng)路由器那樣為下一跳路由器的端口地址。
IP交換裝置2根據(jù)從每個端口收到的數(shù)據(jù)包中的目的IP地址來查詢路由交換表，并完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)(目的地址為自身的除外)。
IP交換裝置1同樣也要維護(hù)一個路由交換表CPDT，但它還應(yīng)具有一定的地址會聚功能。即把從終端IP交換設(shè)備或者其它核心IP交換設(shè)備獲得的地址信息進(jìn)行概括，更新自己的路由交換表。例如，在下面所示的IP交換裝置1路由交換表中，地址會聚是針對1、2端口(連接IP交換裝置2的端口)進(jìn)行的，生成如a.b.c.d/x這樣的格式，然后由路由協(xié)議通過7、8端口通知其它IP交換設(shè)備。地址會聚功能可以大大減少路由交換表的規(guī)模，加快路由查找速度。
考慮到地址會聚的功能，要求IP交換裝置2的端口IP地址的分配應(yīng)該是連續(xù)的，否則不便于進(jìn)行地址匯聚。
每當(dāng)路由交換表更新時，新的路由信息應(yīng)立即通知其它交換設(shè)備。
IP交換裝置1的路由交換表格式如下
IP交換裝置1路由交換表CPDT

5.7 高速地址緩存在IP交換模塊中設(shè)置高速地址緩存的目的在于加快IP數(shù)據(jù)包的交換速度。其基本原理是，具有某一目的IP地址的IP包第一次通過交換機(jī)時，因為高速地址緩存中沒有它的路由，所以IP交換模塊將通過常規(guī)的路由查找過程來獲得它的路由，并通過該路由指定的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時將該路由存入高速地址緩存。當(dāng)具有同一目的IP地址的IP包再次通過交換機(jī)時，IP交換模塊先在高速地址緩存中查找路由，一旦找到，就可直接轉(zhuǎn)發(fā)，這樣就大大加快了IP交換速度。
高速地址緩存的建立主要考慮以下幾點1)因為直接對IP地址進(jìn)行緩存(不是對子網(wǎng)號進(jìn)行緩存)，再加上查表采用散列表技術(shù)，所以高速地址緩存將耗費大量的存儲器空間，這可通過配置大容量內(nèi)存予以解決(由于現(xiàn)在存儲器的價格很低廉，而且目前的PC硬件平臺上可支持的最大內(nèi)存容量已達(dá)1-2GB)。
2)對非常大的表進(jìn)行查找是一件很耗時的任務(wù)，故表的構(gòu)造采用散列表技術(shù)，以加快表的查找。
3)每個表項具有一定的壽命，在一段時間內(nèi)沒有使用的表項應(yīng)予以清除。所以應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的計時器對表進(jìn)行定時維護(hù)。
路由交換軟件有兩個主要組成部分。一部分包括用來進(jìn)行選路的過程；另一部分包括用來增加、刪除、改變路由的過程。
5.7.1 高速地址緩存的結(jié)構(gòu)為保證快速查找，高速地址緩存采用散列表結(jié)構(gòu)。散列沖突采用開散列方法解決。表由一系列路由記錄鏈表組成，如下所示。

參見圖9，表中的每個結(jié)點至少應(yīng)包含以下內(nèi)容

目的IP地址

端口號

指向下一結(jié)點的指針

壽命5.7.2表的建立

啟動時初始化程序應(yīng)根據(jù)PDT表建立初始表項(通常包括由網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)置的本地直連網(wǎng)絡(luò)，靜態(tài)路由項等)。

運行中根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由動態(tài)地調(diào)整高速地址緩存(增加、刪除表項)。

表項的壽命在沒有及時更新的情況下隨運行時間的推移而逐漸變短，當(dāng)壽命為0時，說明該表項已有很長時間沒有被使用——該表項應(yīng)被清除。這個操作可用一個定時器來實現(xiàn)。
5.8 IP路由選擇IP路由選擇分為三個階段1) 首先在高速地址緩存中查找轉(zhuǎn)發(fā)路徑。若找到，直接按指定路徑轉(zhuǎn)發(fā)，否則轉(zhuǎn)下步；2) 查找PDT。若找到，則將路徑信息送入高速地址緩存，然后轉(zhuǎn)發(fā)，否則轉(zhuǎn)下步；
3) 按默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)。
5.9 交換設(shè)備結(jié)構(gòu)5.9.1 物理結(jié)構(gòu)在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)中的交換設(shè)備(IP交換裝置1)是一臺智能設(shè)備，本身包含微處理器、存儲器、網(wǎng)絡(luò)接口(多個)，有專用的操作系統(tǒng)和路由交換軟件。
實現(xiàn)方法有多種，既可采用插有多塊專用網(wǎng)絡(luò)接口卡的標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)來實現(xiàn)，也可將其做成一個專用設(shè)備，無顯示器，無鍵盤，OS固化，網(wǎng)絡(luò)接口做在背板上或以模塊方式提供。配置管理可通過Console端口或通過IP終端設(shè)備3完成。
5.9.2 交換設(shè)備結(jié)構(gòu)由接口、輸入輸出隊列、IP交換模塊、路由交換表、高速地址緩存以及其他輔助模塊構(gòu)成。參見圖4。
5.9.3 協(xié)議層次結(jié)構(gòu)協(xié)議層次遵循TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)，支持本機(jī)的TCP/IP應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)IP及以上層次的處理原則上仍由操作系統(tǒng)內(nèi)的協(xié)議模塊負(fù)責(zé)。IP交換軟件僅對需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，而對發(fā)送到本主機(jī)的數(shù)據(jù)包僅僅是轉(zhuǎn)發(fā)到本地主機(jī)接口而已。
由于地址處理部分變化較大，故IP交換模塊需要對一些與IP地址解析有關(guān)的數(shù)據(jù)報進(jìn)行過濾處理。
IP交換裝置的協(xié)議層次關(guān)系如圖5所示。
5.9.4 本地主機(jī)接口IP交換模塊除要在各個網(wǎng)絡(luò)接口之間對數(shù)據(jù)包進(jìn)行交換外，還必須對來自于本機(jī)高層協(xié)議軟件或送往本機(jī)高層協(xié)議軟件的數(shù)據(jù)報進(jìn)行交換。為此，應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)層增加一個“偽網(wǎng)絡(luò)接口”，它既沒有與之相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，也沒有具體的硬件設(shè)施。所有發(fā)往“偽網(wǎng)絡(luò)接口”的數(shù)據(jù)報都將被轉(zhuǎn)交給本機(jī)的協(xié)議軟件。設(shè)置“偽網(wǎng)絡(luò)接口”的好處是1) IP交換模塊對所有網(wǎng)絡(luò)接口隊列中的數(shù)據(jù)報可以統(tǒng)一處理，簡化了IP交換程序；2) 路由交換表中的表示方法與其他目的站點的表示方法完全一致；
3) 網(wǎng)絡(luò)管理員能夠像管理其他網(wǎng)絡(luò)接口一樣方便地管理本地接口。
5.9.5 IP網(wǎng)卡參見圖2，本發(fā)明所述網(wǎng)絡(luò)中的IP網(wǎng)卡不能使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)卡，因為它傳輸?shù)氖蔷哂刑厥饨Y(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)包。IP網(wǎng)卡的構(gòu)造如下包括一個網(wǎng)絡(luò)接口控制器4一個曼徹斯特編解碼器8一個數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩存6一個總線接口7網(wǎng)絡(luò)接口控制器4與曼徹斯特編解碼器8、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩存6、總線接口7實現(xiàn)互聯(lián)，總線接口7與系統(tǒng)總線9實現(xiàn)互聯(lián)，曼徹斯特編解碼器8與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)。
各部件完成的功能如下網(wǎng)絡(luò)接口控制器4(NIC)——把發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，把接收的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字節(jié)數(shù)據(jù)、CRC校驗、中斷控制；曼徹斯特編解碼器8——實現(xiàn)曼徹斯特編碼和解碼；數(shù)據(jù)接收/發(fā)送緩存6(內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為接收緩沖器、發(fā)送緩沖器)接收緩沖器——暫存接收到的數(shù)據(jù)幀；發(fā)送緩沖器——暫存要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀；總線接口7(BI)——網(wǎng)絡(luò)接口與系統(tǒng)總線之間的數(shù)據(jù)傳送。
IP網(wǎng)卡工作原理為接收——當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上有一個幀到來時(曼徹斯特編碼的信號)，由曼徹斯特編解碼器8將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制流，此二進(jìn)制流經(jīng)由NIC中的CRC校驗部件進(jìn)行錯誤校驗，如果沒有錯誤即將其送至并串轉(zhuǎn)換為字節(jié)流，并逐字節(jié)送到接收緩沖器暫存。當(dāng)整個幀全部接收完畢，NEC便通知主機(jī)將此幀通過總線接口取走做進(jìn)一步處理。
發(fā)送——當(dāng)主機(jī)有一個幀需要發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上時，主機(jī)將通知NIC，由NIC把要發(fā)送的數(shù)據(jù)包從主機(jī)的存儲器中移入發(fā)送緩沖器中，而后NIC中的并串轉(zhuǎn)換部件把發(fā)送緩沖器中的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地串行化為二進(jìn)制位流，接著二進(jìn)制位流被逐位移入CRC校驗部件以生成校驗字，校驗字被附在二進(jìn)制位流后一起送到曼徹斯特編解碼器8進(jìn)行編碼，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。
IP網(wǎng)卡在IP終端設(shè)備3、IP交換裝置2/IP交換裝置1中通用，可做成不同的結(jié)構(gòu)。
5.10 網(wǎng)絡(luò)地址的配置在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)中IP終端設(shè)備3的IP地址是由IP交換裝置2來分配。這就需要IP終端設(shè)備3啟動時應(yīng)與IP交換裝置2協(xié)商(申請)其地址參數(shù)，協(xié)商過程中，IP交換裝置2用事先配置好的地址參數(shù)予以響應(yīng)。此外，當(dāng)IP交換裝置2中的地址池發(fā)生了變化后，也要主動將IP地址變化情況通告給IP終端設(shè)備3。而IP交換裝置2中地址池的初始化既可以通過人工完成，也可以通過DHCP自動獲得。為統(tǒng)一起見，IP終端設(shè)備3與IP交換裝置2之間的地址協(xié)商也借用DHCP協(xié)議的思想，并作一定的簡化。
5.10.1 IP交換裝置2中地址池參數(shù)的自動獲取IP交換裝置2中地址池參數(shù)的自動獲取使用TCP/IP中標(biāo)準(zhǔn)的DHCP協(xié)議。根據(jù)DHCP的自動地址分配機(jī)制，在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)提供地址信息的服務(wù)器可以是一臺交換設(shè)備(IP交換裝置2、IP交換裝置1)，也可以是一臺PC服務(wù)器。
在網(wǎng)絡(luò)中，IP地址與端口是一對一的映射，地址池配置完畢后，交換設(shè)備就按端口地址的分配策略將IP地址綁定到端口上，直到發(fā)生另外一次新的配置活動。所以，IP地址分配是半永久的，只要不發(fā)生新的配置，DHCP租用期永不到期。因此，租用期可在內(nèi)部設(shè)置為無限長。
IP地址綁定到IP交換裝置2端口上后，任何時候一旦有IP終端設(shè)備3連到IP交換裝置2上，IP終端設(shè)備3就會主動與IP交換裝置2聯(lián)系，并申請自己的IP地址配置信息，這時IP交換裝置2可根據(jù)該IP終端設(shè)備3所連接端口號從端口地址配置表中取出端口配置信息，并回送給該IP終端設(shè)備3。
5.10.2 終端設(shè)備IP地址的自動獲取終端設(shè)備通過與交換設(shè)備交換信息來協(xié)商IP地址參數(shù)。在交換中，交換設(shè)備為終端設(shè)備提供地址，終端設(shè)備確認(rèn)它已接受此地址。一旦終端設(shè)備接受了一個IP地址，它就用此地址進(jìn)行通信，直到收到一個新的地址變更通告。
為提高效率，IP交換裝置2和IP終端設(shè)備3之間的地址協(xié)商對DHCP協(xié)議進(jìn)行了較大的改動和簡化。但為了敘述方便，下面凡是提到DHCP，只要未特別指出，均是指簡化的DHCP協(xié)議。
5.10.3 地址獲取狀態(tài)當(dāng)終端設(shè)備使用DHCP獲取IP地址參數(shù)時，它處于三個狀態(tài)之一。圖6是終端設(shè)備中DHCP協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，圖中每個邊上列出了引起終端設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換的消息。
地址協(xié)商過程如下IP終端設(shè)備3每次啟動均從INIT狀態(tài)開始。驅(qū)動程序初始化時負(fù)責(zé)向IP交換裝置2申請地址一個IP地址，它發(fā)出一個DHCPDISCOVER報文并轉(zhuǎn)移到REQ狀態(tài)，IP交換裝置2用DHCPOFFER報文進(jìn)行響應(yīng)。在REQ狀態(tài)下，IP終端設(shè)備3從IP交換裝置2獲取DHCP響應(yīng)，每個響應(yīng)提供了IP終端設(shè)備3的配置信息及IP地址。IP終端設(shè)備3收到響應(yīng)后就轉(zhuǎn)移到BOUND狀態(tài)。IP交換裝置2若由于某種原因無法提供IP地址信息時，就發(fā)出一個DHCPNACK報文，IP終端設(shè)備3收到否認(rèn)后回到INIT狀態(tài)重新進(jìn)行申請。
BOUND(綁定)狀態(tài)是IP終端設(shè)備3的正常狀態(tài)，在這個狀態(tài)下，IP終端設(shè)備3已獲取了一個合法的IP地址，并在報文中使用此IP地址作為源地址。在BOUND狀態(tài)下，若IP終端設(shè)備3收到一個DHCPINFORM通知報文(意味著現(xiàn)在使用的IP地址不再合法)，應(yīng)立即釋放當(dāng)前的IP地址，并退回到INIT狀態(tài)，重新進(jìn)行IP地址的協(xié)商(申請)。
5.10.4 IP地址使用的強(qiáng)制性IP終端設(shè)備3獲取IP地址后，就始終將它作為源IP地址使用。但對交換設(shè)為IP交換裝置2對所有到達(dá)的IP報文都將執(zhí)行以下動作把報文中的源IP地址替換成報文所到達(dá)的那個端口的IP地址。這意味著客戶機(jī)將不允許改變所獲得的IP地址。即使用手工的方法對源IP進(jìn)行了修改，交換機(jī)仍然會強(qiáng)行用端口IP地址將其覆蓋。很明顯，若客戶機(jī)自行改變了IP地址，它將不會再收到任何IP報文，因為到達(dá)報文的目的地址與本機(jī)的IP地址不同，報文將在本機(jī)的IP層被丟棄。

5.10.5 DHCP報文格式本系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)的DHCP報文來進(jìn)行地址協(xié)商，格式如下報文中各字段含義如下OP(操作類型)1-請求，2-響應(yīng)HTYPE(網(wǎng)絡(luò)硬件類型)以太網(wǎng)＝1HLEN(硬件地址長度)以太網(wǎng)＝6步跳數(shù)若跨越路由器請求IP，每經(jīng)過一個路由器，就將其加1?？蛻魴C(jī)在請求報文中將其置為0TRANSACTION ID(事務(wù)ID)一個隨機(jī)產(chǎn)生的整數(shù)，用于匹配請求和響應(yīng)包FLAG最高位＝1，需廣播響應(yīng)(告訴服務(wù)器，響應(yīng)要以廣播形式發(fā)出)選項域包含許多可選項，對應(yīng)于DHCP的前三個字節(jié)格式如下

類型代碼報文類型 類型代碼 報文類型1 DHCPDISCOVER 5 DHCPACK2 DHCPOFFER 6 DHCPNACK3 DHCPREQUEST 7 DHCLRELEASE4 DHCPDECLINE 8 DHCPINFORM其余字段用于協(xié)商IP地址。一般來說，終端設(shè)備應(yīng)盡量填寫它所知道的信息，不知道的字段填0。未填字段則由交換機(jī)填寫。
為了能最大限度地與DHCP協(xié)議兼容，在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)盡量利用標(biāo)準(zhǔn)的DHCP報文字段，并對原定義進(jìn)行少量增加和改動，如下1) HTYPE字段值定義為55H。(前15個已有定義)2) HLEN字段值定義為0。(無硬件地址)3) 步跳數(shù)定義為0。(點到點連接)4) 客戶機(jī)IP地址填0。
5) 客戶機(jī)硬件地址填0。(無硬件地址)6) 其余字段客戶機(jī)均填0，由交換機(jī)填寫地址信息。
7) 選項域中只使用1、2、6、8四種報文類型。
DHCP各字段的確定內(nèi)容如下

說明1) IP終端設(shè)備3與IP交換裝置2之間的地址協(xié)商采用的DHCP工作方式與標(biāo)準(zhǔn)DHCP不太一樣，標(biāo)準(zhǔn)DHCP以客戶/服務(wù)器方式工作，客戶機(jī)發(fā)請求，服務(wù)器回送確認(rèn)。而在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)交換機(jī)(在地址協(xié)商時工作在服務(wù)器狀態(tài))的配置改變后要強(qiáng)制客戶機(jī)重新申請IP地址參數(shù)，故需要交換機(jī)主動發(fā)出地址強(qiáng)制更新命令?？蛻魴C(jī)收到此命令后回到初始化狀態(tài)，重新進(jìn)行地址協(xié)商過程。
2) 在在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)中仍可使用標(biāo)準(zhǔn)的DHCP協(xié)議，用于為交換設(shè)備地址池分配IP地址。為了與以上所述特定DHCP包區(qū)分，可用HTYPE字段來識別，HTYPE＝55標(biāo)識為特定DHCP包，否則為標(biāo)準(zhǔn)DHCP包。
5.10.6 交換機(jī)內(nèi)部端口地址配置表的格式見下表
內(nèi)部端口地址配置表

其中端口號網(wǎng)絡(luò)端口的號碼，1-n類型端口所連接之設(shè)備的類型。IP交換裝置1＝0，IP交換裝置2＝1，IP終端設(shè)備3＝2IP地址端口IP地址(由人工配置或動態(tài)配置)主機(jī)名所連接之設(shè)備的主機(jī)名DNS地址DNS服務(wù)器的IP地址網(wǎng)關(guān)地址網(wǎng)關(guān)的IP地址狀態(tài)當(dāng)前端口的工作狀態(tài)。(故障、空閑、已連接、已綁定等)本表中的內(nèi)容均可通過特殊DHCP報文發(fā)給客戶機(jī)。
5.10.7 對標(biāo)準(zhǔn)DHCP的處理1)在IP終端設(shè)備3中，操作系統(tǒng)傳送的標(biāo)準(zhǔn)DHCP請求(HTYPE≠55H)應(yīng)在IP網(wǎng)卡驅(qū)動程序中予以過濾，直接用在初始化過程中獲取的IP地址予以響應(yīng)。
2)IP交換裝置2的上行端口會接收到標(biāo)準(zhǔn)DHCP報文，它用于端口地址的配置。其下行端口則會收到從IP終端設(shè)備3發(fā)來的非標(biāo)準(zhǔn)DHCP(HTYPE＝55H)請求，該請求應(yīng)在驅(qū)動程序中予以響應(yīng)，而不要上交給高層協(xié)議或轉(zhuǎn)發(fā)到其他端口。
注意，IP交換裝置2的上行端口不會收到非標(biāo)準(zhǔn)DHCP報文，下行端口也不會收到標(biāo)準(zhǔn)DHCP報文。
權(quán)利要求
1.一種在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)，其特征在于網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點之間傳輸?shù)膸话袔ń?、IP數(shù)據(jù)和CRC校驗三個域；IP數(shù)據(jù)包在物理介質(zhì)上直接傳輸；網(wǎng)絡(luò)以IP交換設(shè)備為核心，連接各網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備與IP交換設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸采用點對點、全雙工方式；在信道上無介質(zhì)訪問控制；網(wǎng)絡(luò)支持即插即用功能；網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)不能由終端用戶自己設(shè)定，而是由網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備確定。
2.一種用于實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于包括一個IP交換裝置[1]，其具有若干個用于連接IP終端設(shè)備的下行端口和一個用于連接網(wǎng)絡(luò)主干的上行端口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括網(wǎng)絡(luò)接口、中央控制裝置、交換引擎、高速地址緩沖以及操作系統(tǒng)軟件；至少一個以上IP交換裝置[2]，其上行端口與IP交換裝置[1]連接，并具有若干個用于連接IP終端設(shè)備[3]的下行端口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括網(wǎng)絡(luò)接口、中央控制裝置、交換引擎、高速地址緩存以及操作系統(tǒng)軟件；若干個IP終端設(shè)備[3]，用于和IP交換裝置[2]的下行端口連接，自身無固定配置的IP地址，其IP地址必須向IP交換裝置[2]申請或由IP交換裝置[2]通告來確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述交換引擎包含一路由交換表，該表包含了目的IP網(wǎng)絡(luò)地址與輸出端口的映射表，并包含各端口的狀態(tài)信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述路由交換表用于將IP數(shù)據(jù)包之目的IP地址映射為轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其特征在于所述IP終端設(shè)備[3]是具有網(wǎng)絡(luò)接口的各類用戶智能設(shè)備，包括一個智能控制裝置智能控制裝置由中央處理器、存儲器和設(shè)備接口等組成，具有獨立處理信息的能力；設(shè)有網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口用于實現(xiàn)與IP交換裝置的接收與發(fā)送，能夠?qū)崿F(xiàn)在物理介質(zhì)上直接傳輸IP數(shù)據(jù)包的功能；在中央處理器和網(wǎng)絡(luò)接口的支持下，能與網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)即插即用；自身不設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址參數(shù)，地址參數(shù)由IP交換裝置確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在物理介質(zhì)上直接傳送IP數(shù)據(jù)包的網(wǎng)絡(luò),以點到點、全雙工方式進(jìn)行通信,不需要介質(zhì)訪問控制功能。網(wǎng)絡(luò)簡化了幀的封裝及其處理過程,提高了傳輸效率、減小了傳輸延遲。網(wǎng)絡(luò)以IP交換裝置為核心,IP終端設(shè)備均直接連接到IP交換裝置的端口上,網(wǎng)絡(luò)中IP終端設(shè)備的IP地址就是所連接IP交換裝的端口的IP地址,自身不需配置任何網(wǎng)絡(luò)參數(shù),IP交換裝置端口的IP地址與IP終端設(shè)備的IP地址一一對應(yīng),防止了地址盜用,提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
文檔編號H04L29/06GK1348285SQ0112873
公開日2002年5月8日 申請日期2001年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月26日
發(fā)明者趙煜, 李衛(wèi), 陳文革 申請人:西安交大瑞森資訊發(fā)展股份有限公司