CN101227484A - 一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用于WiMAX基站的基于IP的汇聚子层的实现方法，包括以下两个部分：(1)分类器数据结构的维护，包括分类器的建立、删除、激活、解除激活；(2)对下行分组的分类操作的执行，实现要点是：(a)以目的IP地址前缀为索引，建立下行分组的目的IP地址到相应的分类器子集的映射机制；(b)利用该分组的目的IP地址前缀来查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器，从而将下行数据分组映射到所找到的分类器对应的连接上。该方法特别针对目的IP地址进行优化，显著提高了分类操作的速率，同时处理算法简单，易于实现。

Description

一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层的实现方法

技术领域

本发明涉及微波接入全球互通系统(WiMAX)的宽带接入技术，特别涉及WiMAX系统的媒体访问控制层(MAC)中的基于IP的汇聚子层(CS)的实现方法。

背景技术

微波接入全球互通系统(WiMAX)是一种重要的无线城域网技术，它的空中接口部分采用了IEEE 802.16技术标准。该标准规范了WiMAX空中接口的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)。WiMAX网络中使用空中接口的设备包括基站(BS)和用户站(SS)，一个BS通过点到多点(PMP)方式为多个SS提供接入服务。

MAC层在物理层的基础上，为BS和SS之间提供了面向连接的通信服务。一个BS和一个SS之间存在多条连接。MAC层的数据传输等许多功能都是基于连接独立进行的。MAC层又分为3个子层：特定业务汇聚子层(CS)、公共部分子层(CPS)以及安全子层。CS子层将MAC层的业务接入点(SAP)接收到的外部网络的数据单元(SDU)进行分类，将其映射到某个特定的连接上，并且可能执行净荷头压缩(PHS)功能。因为外部网络的数据可能使用不同种类的协议，所以IEEE 802.16也定义了各种不同的CS与之适配。其中，基于IP协议的CS是经常被使用的CS之一。CPS子层是MAC层的主体，它的主要功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等，它基于连接执行带宽分配、QoS支持、数据的分段和打包等功能。安全子层负责SS接入过程中执行身份认证、数据加密等操作。

CS子层中用来对外部网络数据进行分类操作的实体称为分类器。每个连接对应一个或多个分类器。每个分类器包含一组分类规则，完全符合这组分类规则的数据单元被映射到这个分类器对应的连接上。另外，每个分类器都被设定了一个优先级，如果某个数据单元与两个分类器的分类规则相符，则会被映射到优先级较高的分类器对应的连接上。对于基于IP协议的CS，可以设置的分类规则主要包括：IP包头的tos字段范围，IP包头的协议类型字段，源IP地址及掩码，目的IP地址及掩码，源TCP/UDP端口范围，目的端口范围等。对于一个具体的分类器，可能包含上述分类规则中的一种或几种。也就是说，基于IP协议的CS主要是针对IP包头及其后面的TCP/UDP包头中的常用参数来执行分类操作的。对于每一个来自外部网络的IP分组，上述参数决定了它将被映射到哪一个连接上。

对于CS子层来说，其分类操作最为简单的实现方案就是将所有的分类器按照优先级排成一个队列。对于外网到达的分组，将队列中的分类器按照前后顺序逐一与分组的报头参数比较，直到遇到一个完全匹配的分类器为止，然后将分组映射到这个分类器对应的连接上。但是在实际使用中，对于一个BS，可能有上百个SS接入，每个SS可能与BS之间建立多个连接。这时上述队列中可能包含成千上万个分类器，采用上述算法势必导致分类操作耗时过长，从而降低BS的数据吞吐量。因此，采用更为优化的分类操作算法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于WiMAX基站的MAC层中的基于IP的汇聚子层的分类操作的实现方法，其中该汇聚子层中具有多个用于对下行数据分组进行分类操作的分类器，该多个分类器均包含目的IP地址分类规则，具体为：以目的IP地址前缀为索引，建立下行数据分组的目的IP地址到相应的分类器子集的映射机制；在一个下行数据分组到达后，对其进行分类：利用该分组的目的IP地址前缀来查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器，从而将下行数据分组映射到所找到的分类器对应的连接上。

优选地，所述映射机制以哈希表这种数据结构来存储，设目的IP地址前缀的长度共有N种，其中N为自然数，第i种前缀长度的值为L_i，相应的掩码的值为S_i，其中i＝1，2，…，N，则建立N个哈希表，其中第i个哈希表用来保存所有长度为L_i的地址前缀所对应的分类器子集；所述对一个下行数据分组进行分类包括：在一个下行数据分组到达后，按照前缀长度L_i将该下行数据分组的目的IP地址截取为IP地址前缀，根据前缀长度L_i找到相应的哈希表，即第i个哈希表，在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器；从i＝1到i＝N循环执行上述步骤，最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

在另一种优选方案中，所述映射机制以哈希表这种数据结构来存储，采用前缀扩展技术，即首先定义M个标准地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，第i个标准地址前缀长度的值为L_i，其中i＝1，2，…，M；对于长度不标准的地址前缀，展开成多条长度标准的地址前缀组成的集合；建立M个哈希表，其中第i个哈希表用来保存所有长度为L_i的地址前缀所对应的分类器子集；所述对一个下行数据分组进行分类包括：在一个下行数据分组到达后，按照标准地址前缀长度L_i将该下行数据分组的目的IP地址截取为IP地址前缀，根据前缀长度L_i找到相应的哈希表，即第i个哈希表，在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器；从i＝1到i＝M循环执行上述步骤，最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

优选地，所述对于长度不标准的地址前缀，展开成多条长度标准的地址前缀组成的集合具体包括：设相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度为L_max，则其它标准地址前缀长度为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1；如果地址前缀长度L_i∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD-1]区间，则所有这种长度的地址前缀都通过前缀扩展，转化为长度为32-mD的地址前缀集合，记ΔL＝L_max-mD-L_i，则上述集合中地址前缀的数目为2^ΔL个，扩展时所增加的ΔL个二进制位的值分别为从0到2^ΔL-1。

优选地，哈希函数以IP地址前缀为自变量用折叠法构造，即将IP地址前缀后面补零成为32比特整数后以字节为单位分开，将得到的4个字节作模2加运算，所得结果即为哈希地址；采用链地址法解决IP地址前缀不同而相应的哈希地址相同的冲突情形，即将哈希地址相同的IP地址前缀存储到一个IP地址前缀链表中，并且按照IP地址前缀的数值从小到大的顺序排列，IP地址前缀链表中的每个节点称之为IP地址前缀节点，每个IP地址前缀节点保存其相应的分类器子集；所述在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找其相应的分类器子集包括：根据所截取的IP地址前缀计算得到哈希地址，在相应的哈希表中根据哈希地址找到相应的IP地址前缀链表，在所找到的相应的IP地址前缀链表中查找所截取的IP地址前缀对应的IP地址前缀节点，由于IP地址前缀节点保存其相应的分类器子集，所以找到对应的IP地址前缀节点即找到了相应的分类器子集。

优选地，对于每个分类器子集，按照优先级从高到低的顺序排列成一个分类器链表；所述从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器包括：在一个下行数据分组的分类操作开始时，记录当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max，当前与其匹配的优先级最高的分类器的初始值为空，R_max的初始值为-1；这样在考查某个分类器子集时，只需按照该分类器子集对应的分类器链表顺次将每个分类器与分组报头作比较，直到找到一个与该分组相匹配的分类器、或者剩余分类器的优先级低于R_max为止，如果是找到了一个与该分组相匹配的分类器，则更新所记录的当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max。

优选地，在分类器链表中保存指向相应分类器的指针，而将分类器保存在另外的数据结构中。

在进一步优选的方案中，对于不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则但IP地址前缀很短的分类器，按优先级从高到低的顺序另外组织成分类器链表并存储；对一个下行数据分组进行分类时，首先从其相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器，并记录当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max；然后在所述另外组织的分类器链表中顺次将每个分类器与分组报头作比较，以寻找优先级更高的相匹配的分类器，在寻找过程中，对于包含目的IP地址分类规则的分类器需验证其目的IP地址分类规则；最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

本发明还提供了一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层中激活一个分类器的方法，预先设定M个标准的IP地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度记为L_max，则其它标准地址前缀长度分别为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1，其中将最短的标准地址前缀长度记为L_min，并且预先设定一个长度阈值，该方法包括以下步骤：

步骤1、查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤2，否则转步骤10；

步骤2、查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀的长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤3，否则转步骤10；

步骤3、如果L∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD]区间，则计算：扩展后的前缀长度＝L_max-mD，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-L_min)/D，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤4；

步骤4、将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀利用哈希函数求哈希地址，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤5；

步骤5、如果在该哈希地址对应的IP地址前缀链表中找到扩展后前缀节点，则转步骤7，否则继续执行步骤6；

步骤6、将该扩展后前缀添加到上述哈希地址对应的IP地址前缀链表中，成为链表中的一个节点；继续执行步骤7；

步骤7、所述IP地址前缀链表中的每个节点保存有相应的分类器指针链表，将指向该分类器的指针添加到前述扩展后前缀节点保存的分类器指针链表中；继续执行步骤8；

步骤8、待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤9；

步骤9、如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤4，否则结束；

步骤10、将指向该分类器的指针添加到单独的分类器指针链表中，所述单独的分类器指针链表是指不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则、但IP地址前缀的长度小于长度阈值的分类器按照优先级从高到低排列的分类器指针链表；然后结束。

本发明还提供了一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层中解除激活一个分类器的方法，预先设定M个标准的IP地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度记为L_max，则其它标准地址前缀长度分别为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1，其中将最短的标准地址前缀长度记为L_min，并且预先设定一个长度阈值，该方法包括以下步骤：

步骤1、查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤2，否则转步骤10；

步骤2、查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀的长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤3，否则转步骤10；

步骤3、如果L∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD]区间，则计算：扩展后的前缀长度＝L_max-mD，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-L_min)/D，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤4；

步骤4、将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀求哈希函数，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤5；

步骤5、将指向该分类器的指针从前述扩展后前缀节点所保存的分类器指针链表中删除；继续执行步骤6；

步骤6、如果前述分类器指针链表中还有元素，则转步骤8，否则继续执行步骤7；

步骤7、将该扩展后前缀节点从上述哈希地址对应的IP地址前缀链表中删除；继续执行步骤8；

步骤8、待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤9；

步骤9、如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤4，否则结束；

步骤10、将指向该分类器的指针从单独的分类器指针链表中删除，所述单独的分类器指针链表是指不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则、但IP地址前缀的长度小于长度阈值的分类器按照优先级从高到低排列的分类器指针链表；然后结束。

综上所述，一种用于WiMAX的基站的MAC层中的基于IP的汇聚子层的分类操作的实现方法，包括以下两个部分：(1)分类器数据结构的维护，又包括分类器的建立、删除、激活、解除激活；(2)对下行分组的分类操作的执行，实现要点是：(a)为了提高分类操作的效率，需要以目的IP地址前缀为索引，建立下行分组的目的IP地址到相应的分类器子集的映射机制；(b)这种映射机制需要以哈希表这种数据结构来存储，哈希函数以IP地址前缀为自变量用折叠法构造，采用链地址法解决哈希地址的冲突；(c)对于哈希表内的每个IP前缀节点中存储的分类器子集，需要按照优先级从高到低的顺序排列成一个链表，以减少匹配次数；(d)需要采用前缀扩展技术，首先定义若干标准地址前缀长度，对于长度不标准的地址前缀，需要展开成多条长度标准的地址前缀组成的集合，以提高算法的空间和时间效率；(e)对于不包含目的IP分类规则的IP分类器，需要按优先级另外组织成链表并存储，以防止在分类过程中遗漏；包含目的IP分类规则但IP前缀很短的分类器，也可以放入该链表，以减少哈希表数目、提高空间效率；(f)当一个下行分组到达后，需要分别将其目的IP地址与上述标准地址前缀长度的掩码逐一作位与运算，得到的结果再调用哈希函数，在相应的哈希表中查找相应的前缀节点，然后访问相符的前缀节点所对应的分类器指针优先级队列，寻找优先级最高的和下行分组相匹配的分类器，寻找时不必验证分类器的目的IP规则；最后在不包含目的IP分类规则、或者目的IP分类规则中前缀很短的分类器队列中查找是否有优先级更高的相匹配的分类器，寻找时需要验证分类器的目的IP规则(如果存在的话)；根据最后找到的优先级最高的分类器，将该分组作头压缩(PHS)处理后添加到其对应的连接的SDU队列中；如果没有找到匹配的分类器，则丢弃该分组。

本发明所述方法遵循IEEE 802.16技术标准，同时针对实际应用对汇聚子层的要求进行优化，分类操作效率高，同时较易于实现。

附图说明

图1为本发明基于IP的汇聚子层的分类操作的实现方法实施例的数据结构示意图；

图2为上述实施例中激活一个分类器的基本步骤的流程图；

图3为上述实施例中解除激活一个分类器的基本步骤的流程图；

图4为上述实施例中对一个下行分组进行分类的基本步骤的流程图；

图5为图4所示流程中的分类器指针链表查询函数的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的一个实施例及其附图，对本发明做进一步说明。

首先介绍本发明的基本技术原理。在实际的WiMAX网络中，每个SS都有自己独立的IP地址，对于来自于网络的下行分组，往往通过其报头的目的IP地址来决定将其发送到哪个SS、哪个服务流。因此，对于IP分类器来说，目的IP地址是最经常使用的分类规则之一。在IEEE 802.16标准关于分类规则的规定中，IP地址是包括掩码参数的，也就是说，这个规则实际上是一个IP地址前缀分类规则，对于IPv4来说该前缀长度可能为1到32比特不等。为了便于描述，将所有使用目的IP地址分类规则的分类器集合记为C。在C集合中，目的IP地址前缀的长度共有N种，第i种前缀长度的值为L_i，相应的掩码的值为S_i，即以二进制表示的S_i的前L_i位为1，其余位为0，其中i＝1，2，…，N。对于每一种前缀长度L_i，在C集合中存在R_i种不同的前缀，每种前缀的数值为P_i，j，其中j＝1，2，…，R_i。将所有使用前缀P_i，j作为目的IP分类规则的分类器组成的子集记为C_i，j。也就是说，C_i，j子集可以看作基于IP地址前缀是否相同这个二元关系，将C集合划分成的若干个等价类。这样，对于一个具体下行IP分组来说，假设其目的IP地址的数值为A，就可以找出所有使得A∧S_i＝P_i，j成立的(i，j)组合，其中“∧”表示位与操作。然后只需考查上述(i，j)组合所对应的C_i，j子集中的分类器是否与该分组匹配就可以了。其余的(i，j)组合所对应的C_i，j子集中的分类器就不必考查了，因为至少在目的IP地址分类规则上，它们与该下行分组是不匹配的。这样，就显著缩小了需要考查的分类器的范围，不必再采用顺序查找的办法，在前面提到的成千上万个分类器组成的队列中逐个比较了。

上述算法需要根据一个下行分组的目的IP地址A，快速找到所有与其相匹配的IP地址前缀所对应的分类器子集C_i，j，这需要使用合适的数据结构。本发明实施例的数据结构示意图如图1所示，下面对本发明实施例的数据结构进行详细描述：

因为IP地址前缀的数目很大，所以可以使用哈希表来建立这种映射关系。一共需要建立N个哈希表，其中第i个哈希表用来保存所有长度为L_i的前缀(即P_i，j)对应的分类器子集C_i，j，其中j＝1，2，…，R_i。为了在哈希表中快速找到某个P_i，j对应的分类器子集C_i，j，可以使用哈希函数计算得到哈希地址，通过哈希地址来查找。对于IP地址前缀来说，可以采用折叠法构造哈希函数：将IP地址前缀P_i，j后面补零成为32比特整数后以字节为单位分开，将得到的4个字节作模2加运算，所得结果即为哈希地址。但这样做仍然可能存在IP地址前缀不同而相应的哈希地址相同的冲突情形，这种冲突可以采用链地址法来解决：将哈希地址相同的IP地址前缀存储到一个链表(下称IP地址前缀链表)中，并且按照IP地址前缀的数值从小到大的顺序排列，IP地址前缀链表中的每个节点称之为IP地址前缀节点，每个IP地址前缀节点保存其相应的分类器子集。这样当一个目的IP地址为A的下行分组到达时，顺次计算P_i，j＝A∧S_i，其中i＝1，2，…，N；然后顺次对计算得到的每个P_i，j执行以下操作：计算其在第i个哈希表中的哈希地址，再根据该哈希地址在相应的IP地址前缀链表中顺次查找各IP地址前缀节点，直到某个节点的前缀值大于等于P_i，j为止。如果该前缀值等于P_i，j，则该前缀节点对应的分类器子集需要与该分组比较；如果大于P_i，j，说明该分组与任何长度为L_i的前缀对应的分类器子集都不匹配。

作为对上述数据结构的进一步改进，在IP地址前缀节点中存储相应的分类器子集时，其中的分类器可以按照优先级从高到低的顺序排列出一个链表(下称分类器链表)。假设某个分类器子集C_i，j中共有K_i，j个分类器，在排列出的分类器链表中第k个分类器的优先级为R_k，其中k＝1，2，…，K_i，j。在一个下行分组到达后的分类操作中，需要记录当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max，当前与其匹配的优先级最高的分类器的初始值为空，R_max的初始值为-1。这样在考查某个分类器子集时，只需按照该分类器子集对应的分类器链表顺次将每个分类器与分组报头作比较，直到找到第k个分类器，使得该分类器与下行分组相匹配，或者R_k≤R_max为止。如果找到的相匹配的分类器对应的R_k＞R_max，则更新当前与其匹配的优先级最高的分类器记录及相应的R_max。这种方法既保证了能够找到与该下行分组匹配的优先级最高的分类器，又减少了匹配次数，提高了分类算法的效率。在将下行分组与这些分类器进行匹配时，目的IP地址就不用作比较了，因为上述设计保证了该下行分组是符合上述分类器的目的IP地址分类规则的。

上述方法引入的一个新问题是，如果一个BS中分类器的目的地址前缀长度的种类值N很大，势必需要生成许多个哈希表，从而大大降低该方法的空间和时间效率。为了解决这一问题，本发明优选地采用前缀扩展(Prefix expansion)技术，就是将一条较短的地址前缀展开成多条较长的地址前缀集合的方法。具体扩展方法如下：预先设定M个标准的IP地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，相邻的标准地址前缀长度之间的差值都为D，最长的标准前缀长度为L_max，则其它标准前缀长度分别为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1，其中将最短的标准前缀长度记为L_min。对于某一种前缀长度L_i来说：(1)如果存在整数m使得L_i＝L_max-mD，则所有这种长度的前缀P_i，j都不需要扩展；(2)如果L_i∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD-1]区间，则所有这种长度的前缀P_i，j都可以通过前缀扩展，转化为长度为L_max-mD的地址前缀集合。记ΔL＝L_max-mD-L_i，则上述集合中地址前缀的数目为2^ΔL个，扩展P_i，j时所增加的ΔL个二进制位的值分别为从0到2^ΔL-1。例如，设定标准前缀长度分别为16，20，24，28，32比特，则13到15比特、17到19比特、21到23比特、25到27比特、29到31比特的IP地址前缀将分别被扩展为上述标准长度的前缀，例如22位地址前缀202.0.100.0可以展开成4条24位地址前缀的集合：202.0.100.0，202.0.101.0，202.0.102.0和202.0.103.0。相应的，一条目的IP地址分类规则被转化为多条掩码更长的地址分类规则的集合；符合这个集合中的任意一条地址分类规则，即符合被扩展以前的分类规则。经过扩展以后，原来的一个分类器可能位于多个地址前缀节点中存储的分类器子集中，这会造成同一分类器重复存储多次，然而，可以通过只在分类器链表中保存指向相应分类器的指针，而将分类器保存在另外的数据结构中来解决该问题，对于上述仅保存指向相应分类器的指针的分类器链表在本申请中将称之为分类器指针链表。这样就只需生成长度为L_max-mD的前缀所对应的哈希表，每个下行分组的目的地址也只需要与长度为L_max-mD的掩码逐一作位与运算，得到的结果再调用哈希函数，然后访问相应的IP地址前缀链表中的相应前缀节点，以此来寻找相符的分类器。因此，选择适当的D值，可以显著提高算法的空间和时间效率。

另外，对于不包含目的IP分类规则的分类器，需要将其放入一个单独的按照优先级排列的分类器指针链表中。按照与前面提到的类似的方法以及R_max和相应的分类器记录，将下行分组与这些分类器相比较。如果找到优先级比R_max更高的匹配的分类器，则更新记录。另外，如果分类器包含目的IP分类规则，但IP地址前缀很短，在实际中这种情况是比较少见的，也可以放在上述单独的分类器指针链表中，以减少哈希表的数目，提高算法的空间效率。例如，当下行IP分类规则的前缀长度为1到12比特时，则被加入到单独的分类器指针链表中。但是在将下行分组与上述单独的分类器指针链表中的分类器作匹配时，如果分类器含有目的IP分类规则，则需要验证下行分组的目的IP是否符合该规则。

对于本发明中的上述数据结构，需要进行维护操作，包括分类器的建立、删除、激活、解除激活等。图2和图3分别示出了激活一个分类器的操作流程图、解除激活一个分类器的操作流程图，在操作流程前，均需要预先设定M、D、L_max的值，以及预先设定一个长度阈值。图2、图3中以M＝5，D＝4，L_max＝32比特，L_min＝L_max-(M-1)×D＝16比特，长度阈值＝12比特为例，当然也可以设置其他的值。

图2所示的操作流程从步骤101开始：

步骤101，查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤102，否则转步骤110；

步骤102，查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤103，否则转步骤110；

步骤103，计算：

其中表示向下取整，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-16)/4，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤104；

步骤104，将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀求哈希函数，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤105；

步骤105，如果在该哈希地址对应的链表中找到扩展后前缀节点，则转步骤107，否则继续执行步骤106；

步骤106，将该扩展后前缀添加到上述哈希地址对应的链表中；继续执行步骤107；

步骤107，将指向该分类器的指针添加到前述扩展后前缀节点对应的分类器指针链表中；继续执行步骤108；

步骤108，待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤109；

步骤109，如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤104，否则结束；

步骤110，将指向该分类器的指针添加到单独的分类器指针链表中，然后结束。

图3所示的操作流程从步骤201开始：

步骤201，查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤202，否则转步骤210；

步骤202，查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤203，否则转步骤210；

步骤203，计算：

其中

表示向下取整，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-16)/4，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤204；

步骤204，将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀求哈希函数，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤205；

步骤205，将指向该分类器的指针从前述扩展后前缀节点对应的分类器指针链表中删除；继续执行步骤206；

步骤206，如果前述分类器指针链表中还有元素，则转步骤208，否则继续执行步骤207；

步骤207，将该扩展后前缀节点从上述哈希地址对应的IP地址前缀链表中删除；继续执行步骤208；

步骤208，待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤209；

步骤209，如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤204，否则结束；

步骤210，将指向该分类器的指针从单独的分类器指针链表中删除，然后结束。

本发明的一个实施例基于上述数据结构对一个下行分组进行分类，其流程图如图4、图5所示，图4和图5中以D＝4，L_max＝32比特，L_min＝16比特为例，当然也可以设置其他的值。

图4所示的分类的基本步骤从步骤301开始：

步骤301，前缀长度＝L_min；当前最高优先级＝-1；最高优先级分类器指针＝NULL，继续执行步骤302；

步骤302，哈希表序号＝(前缀长度-L_min)/D；按照上述前缀长度将下行分组的目的IP地址截取为IP地址前缀，对该地址前缀求哈希函数，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找对应的IP地址前缀链表，然后在该IP地址前缀链表中查找上述截取的IP地址前缀对应的前缀节点；继续执行步骤303；

步骤303，如果在该哈希地址对应的IP地址前缀链表中找到前述前缀节点，则继续执行步骤304，否则转步骤305；

步骤304，调用分类器指针链表查询函数(入口在步骤401)在前述前缀节点对应的分类器指针链表中寻找优先级更高的分类器(不必考虑目的IP分类规则)；这一过程可能更新当前最高优先级以及最高优先级分类器指针，继续执行步骤305；

步骤305，前缀长度＝前缀长度+D；继续执行步骤306；

步骤306，如果前缀长度小于等于32，则转步骤302，否则继续执行步骤307；

步骤307，调用分类器指针链表查询函数(入口在步骤401)在单独的分类器指针链表中寻找优先级更高的分类器(需要考虑目的IP分类规则)；这一过程可能更新当前最高优先级以及最高优先级分类器指针，继续执行步骤308；

步骤308，判断最高优先级分类器指针是否为空，如果是，则转步骤310，否则继续执行步骤309；

步骤309，将该下行分组添加到该最高优先级分类器对应的连接的SDU队列，然后结束；

步骤310，丢弃该下行分组，然后结束。

图5示出了图4中步骤304和步骤307的更详细的处理流程，从步骤401开始：

步骤401，当前分类器指针指向分类器指针链表的头节点，继续执行步骤402；

步骤402，判断当前分类器指针是否为空或者当前分类器的优先级是否小于当前最高优先级，如果是，则结束，否则继续执行步骤403；

步骤403，验证当前分类器是否与下行分组匹配；根据参数，可能需要、也可能不需要验证目的IP地址分类规则；继续执行步骤404；

步骤404，如果刚才的验证结果为匹配，则继续执行步骤405，否则转步骤406；

步骤405，将当前最高优先级分类器指针和最高优先级更新为当前分类器的指针及其优先级，然后结束；

步骤406，当前分类器指针指向分类器指针链表的下一节点，然后转步骤402。

需要指出的是，上述实现方法同样可用在基于IPv6的汇聚子层中。

以上具体实施方式仅限于说明本发明的基于IP的汇聚子层的分类操作的实现方法，但本发明方法并不局限于实施例的内容。依本发明方法，本领域的普通技术人员可很容易地实现本发明，或通过其他方式予以改进，应知道凡不脱离本发明思想的任何改进都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层的实现方法，其特征在于：

该汇聚子层中具有多个用于对下行数据分组进行分类操作的分类器，该多个分类器均包含目的IP地址分类规则，具体为：

以目的IP地址前缀为索引，建立下行数据分组的目的IP地址到相应的分类器子集的映射机制；

在一个下行数据分组到达后，对其进行分类：利用该分组的目的IP地址前缀来查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器，从而将下行数据分组映射到所找到的分类器对应的连接上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述映射机制以哈希表这种数据结构来存储，设目的IP地址前缀的长度共有N种，其中N为自然数，第i种前缀长度的值为L_i，相应的掩码的值为S_i，其中i＝1，2，…，N，则建立N个哈希表，其中第i个哈希表用来保存所有长度为L_i的地址前缀所对应的分类器子集；

所述对一个下行数据分组进行分类包括：在一个下行数据分组到达后，按照前缀长度L_i将该下行数据分组的目的IP地址截取为IP地址前缀，根据前缀长度L_i找到相应的哈希表，即第i个哈希表，在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器；从i＝1到i＝N循环执行上述步骤，最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述映射机制以哈希表这种数据结构来存储，采用前缀扩展技术，即首先定义M个标准地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，第i个标准地址前缀长度的值为L_i，其中i＝1，2，…，M；对于长度不标准的地址前缀，展开成多条长度标准的地址前缀组成的集合；建立M个哈希表，其中第i个哈希表用来保存所有长度为L_i的地址前缀所对应的分类器子集；

所述对一个下行数据分组进行分类包括：在一个下行数据分组到达后，按照标准地址前缀长度L_i将该下行数据分组的目的IP地址截取为IP地址前缀，根据前缀长度L_i找到相应的哈希表，即第i个哈希表，在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找相应的分类器子集，然后从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器；从i＝1到i＝M循环执行上述步骤，最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述对于长度不标准的地址前缀，展开成多条长度标准的地址前缀组成的集合具体包括：设相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度为L_max，则其它标准地址前缀长度为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1；如果地址前缀长度L_i∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD-1]区间，则所有这种长度的地址前缀都通过前缀扩展，转化为长度为32-mD的地址前缀集合，记ΔL＝L_max-mD-L_i，则上述集合中地址前缀的数目为2^ΔL个，扩展时所增加的ΔL个二进制位的值分别为从0到2^ΔL-1。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于：

哈希函数以IP地址前缀为自变量用折叠法构造，即将IP地址前缀后面补零成为32比特整数后以字节为单位分开，将得到的4个字节作模2加运算，所得结果即为哈希地址；

采用链地址法解决IP地址前缀不同而相应的哈希地址相同的冲突情形，即将哈希地址相同的IP地址前缀存储到一个IP地址前缀链表中，并且按照IP地址前缀的数值从小到大的顺序排列，IP地址前缀链表中的每个节点称之为IP地址前缀节点，每个IP地址前缀节点保存其相应的分类器子集；

所述在相应的哈希表中根据所截取的IP地址前缀查找其相应的分类器子集包括：根据所截取的IP地址前缀计算得到哈希地址，在相应的哈希表中根据哈希地址找到相应的IP地址前缀链表，在所找到的相应的IP地址前缀链表中查找所截取的IP地址前缀对应的IP地址前缀节点，由于IP地址前缀节点保存其相应的分类器子集，所以找到对应的IP地址前缀节点即找到了相应的分类器子集。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：

对于每个分类器子集，按照优先级从高到低的顺序排列成一个分类器链表；

所述从相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器包括：在一个下行数据分组的分类操作开始时，记录当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max，当前与其匹配的优先级最高的分类器的初始值为空，R_max的初始值为-1；这样在考查某个分类器子集时，只需按照该分类器子集对应的分类器链表顺次将每个分类器与分组报头作比较，直到找到一个与该分组相匹配的分类器、或者剩余分类器的优先级低于R_max为止，如果是找到了一个与该分组相匹配的分类器，则更新所记录的当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在分类器链表中保存指向相应分类器的指针，而将分类器保存在另外的数据结构中。

8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于还包括：

对于不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则但IP地址前缀很短的分类器，按优先级从高到低的顺序另外组织成分类器链表并存储；

对一个下行数据分组进行分类时，首先从其相应的分类器子集中查找优先级最高的相匹配的分类器，并记录当前与其匹配的优先级最高的分类器及其优先级R_max；然后在所述另外组织的分类器链表中顺次将每个分类器与分组报头作比较，以寻找优先级更高的相匹配的分类器，在寻找过程中，对于包含目的IP地址分类规则的分类器需验证其目的IP地址分类规则；最后将下行数据分组映射到最终所找到的优先级最高的相匹配的分类器对应的连接上。

9.一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层中激活一个分类器的方法，其特征在于：预先设定M个标准的IP地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度记为L_max，则其它标准地址前缀长度分别为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1，其中将最短的标准地址前缀长度记为L_min，并且预先设定一个长度阈值，该方法包括以下步骤：

步骤1、查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤2，否则转步骤10；

步骤2、查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀的长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤3，否则转步骤10；

步骤3、如果L∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD]区间，则计算：扩展后的前缀长度＝L_max-mD，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-L_min)/D，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤4；

步骤4、将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀利用哈希函数求哈希地址，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤5；

步骤5、如果在该哈希地址对应的IP地址前缀链表中找到扩展后前缀节点，则转步骤7，否则继续执行步骤6；

步骤6、将该扩展后前缀添加到上述哈希地址对应的IP地址前缀链表中，成为链表中的一个节点；继续执行步骤7；

步骤7、所述IP地址前缀链表中的每个节点保存有相应的分类器指针链表，将指向该分类器的指针添加到前述扩展后前缀节点保存的分类器指针链表中；继续执行步骤8；

步骤8、待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤9；

步骤9、如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤4，否则结束；

步骤10、将指向该分类器的指针添加到单独的分类器指针链表中，所述单独的分类器指针链表是指不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则、但IP地址前缀的长度小于长度阈值的分类器按照优先级从高到低排列的分类器指针链表；然后结束。

10.一种WiMAX基站中基于IP的汇聚子层中解除激活一个分类器的方法，其特征在于：预先设定M个标准的IP地址前缀长度，其中M为自然数、且M小于等于32，相邻的标准地址前缀长度之间的差值均为D，最长的标准地址前缀长度记为L_max，则其它标准地址前缀长度分别为L_max-mD，其中m＝0，1，…，M-1，其中将最短的标准地址前缀长度记为L_min，并且预先设定一个长度阈值，该方法包括以下步骤：

步骤1、查看该分类器中是否包含目的IP地址分类规则，如果包含继续执行步骤2，否则转步骤10；

步骤2、查看该分类器包含的目的IP地址分类规则的IP地址前缀的长度L是否大于长度阈值，如果大于继续执行步骤3，否则转步骤10；

步骤3、如果L∈[L_max-(m+1)D+1，L_max-mD]区间，则计算：扩展后的前缀长度＝L_max-mD，哈希表序号＝(扩展后的前缀长度-L_min)/D，待扩展比特数ΔL＝扩展后的前缀长度-L，扩展后前缀数目＝2^ΔL，待扩展值＝0；继续执行步骤4；

步骤4，将分类器原有IP地址前缀按照待扩展比特数作扩展，扩展的部分的数值为待扩展值，取得的结果称为扩展后前缀；对扩展后前缀求哈希函数，按照求得的哈希地址在前述序号的哈希表中查找扩展后前缀对应的IP地址前缀链表，在该链表中查找扩展后前缀节点；继续执行步骤5；

步骤5，将指向该分类器的指针从前述扩展后前缀节点所保存的分类器指针链表中删除；继续执行步骤6；

步骤6，如果前述分类器指针链表中还有元素，则转步骤8，否则继续执行步骤7；

步骤7，将该扩展后前缀节点从上述哈希地址对应的IP地址前缀链表中删除；继续执行步骤8；

步骤8，待扩展值＝待扩展值+1，扩展后前缀数目＝扩展后前缀数目-1；继续执行步骤9；

步骤9，如果扩展后前缀数目大于0，则转步骤4，否则结束；

步骤10，将指向该分类器的指针从单独的分类器指针链表中删除，所述单独的分类器指针链表是指不包含目的IP地址分类规则的分类器、以及包含目的IP地址分类规则、但IP地址前缀的长度小于长度阈值的分类器按照优先级从高到低排列的分类器指针链表；然后结束。

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