CN101409684B

CN101409684B - 基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法

Info

Publication number: CN101409684B
Application number: CN2008102272927A
Authority: CN
Inventors: 李星; 包丛笑
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Beijing Indirect Network Technology Co Ltd
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: CN101409684A

Abstract

基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法属于计算机网络技术领域，其特征在于，三层软交换方法管理本自治域高性能地址的分配、使用、管理和计费；高性能用户经用户-网络信令向基于三层软交换方法的服务器申请高性能地址后，该服务器对用户权限进行认证，对高性能地址和对应的带宽资源进行控制和调配，再通过网络-网络信令控制三层准入控制网关路由器启动或停止对高性能地址的分配使用及相应的带宽控制。本发明的方法为高性能用户的应用提供了服务质量保证和安全传输保证。

Description

基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法

技术领域

基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法属于计算机网络技术领域。

背景技术

基于分组交换的互联网目前已经成为全世界最重要的信息基础设施，通信网、广播电视网和计算机网的三网融合以互联网为技术基础已成为人们的共识。互联网具有可扩展性好、可生存性强、灵活性强、无所不在等特点，但是目前互联网的“无连接、端对端和尽力而为”的设计理念也带来了安全性差、无法保证服务质量(QoS)和没有明晰的可持续发展的经济模型等重大问题。视频、实时应用、P2P等应用对于互联网带宽的需求不断增长，但路由器性能提高受到摩尔定律的限制，导致无限带宽的需求与有限带宽的资源的矛盾，同时安全性和可靠性的需求使得这个矛盾更加激化。

虽然在互联网领域、通信领域和广播电视领域人们进行了多年的研究，对于各个独立的问题提出了不少解决方案，但是有些解决方案从本质上违背了互联网的设计理念，带来了可扩展性等问题。同时，针对个别问题的解决方案的代价是导致其他问题变得更加严重。目前国际上也有一些重大项目重新设计互联网，但是鉴于全世界互联网的规模，丢弃目前互联网是不可能的。

根据研究，我们发现必须采用新型的交换体系结构才能解决上述的问题。按照OSI开放七层模型的定义：一层：物理层，二层：数据链路层，三层：网络层，四层：传输层，五层：会话层，六层：表示层，七层：应用层，目前已有的交换技术为：

一层(硬)交换是标准的电路交换，基于时分复用(TDM)，它处理实际的数据流。具有可以保证服务质量(QoS)的特点，但带宽调度灵活性差。

二层(硬)交换是标准的链路层分组交换(以太网交换机)，它处理实际的数据流。具有带宽调度灵活性好的特点，但不能保证服务质量(QoS)，可扩展性差。

三层(硬)交换是标准的网络层分组交换(路由器)，它处理实际的数据流。具有可扩展性好，带宽调度灵活性好的特点，但不能保证服务质量(QoS)。

五层(软)交换是目前所说的软交换，用于互联网电话(VoIP)系统中的会话管理，它不处理实际的数据流。因此，无法保证服务质量(QoS)。

本发明和相关的系列发明引入了互联网地址交换的概念。它的基本原理是利用分组交换中网络地址决定路由、路由决定分组传输的机制，将有服务质量需求和安全性需求的服务定义为高性能服务，用于高性能服务的地址定义为高性能地址。在此基础上，把网络地址分为普通地址和高性能地址，对于高性能地址预留带宽。利用电路交换的带宽资源的调度机制和准入控制机制，动态分配高性能地址，达到保证服务质量(QoS)、保证安全性和具有良好经济模型的目的。

本发明引入三层(软)交换方法，基于三层软交换方法可形成一种新型的网络设备，称三层软交换服务器。三层软交换服务器管理本自治域内的高性能地址和对应的带宽资源，因此能够有效地对高性能地址以及相应的数据报文进行路径指派、带宽预留、准入控制和计费。

本发明的基本特征包括：1)三层软交换服务器管理本自治域高性能地址的分配、使用、回收和计费；2)高性能用户通过用户-网络信令(UNI)向三层软交换服务器申请使用高性能地址；3)三层软交换服务器对于用户的权限进行验证，对于高性能地址和对应的带宽资源进行控制和调配；4)三层软交换服务器通过网络-网络信令(NNI)控制三层准入控制路由器启动或停止对高性能地址的分配使用以及相应的带宽控制。

发明内容

本发明的目的在于在不改变现有互联网核心协议的基础上，以本发明所描述的三层软交换服务器为核心，管理本自治域内的高性能地址和对应的带宽资源，从而解决服务质量(QoS)问题、安全控制问题和可持续发展的经济模型问题。本发明的结构如图1所示，以互联网地址交换三层软交换服务器为核心，配合三层准入控制路由器，动态地址用户终端和经预先配置的互联网完成本发明的任务。

三层软交换服务器由信令传输调度模块，用户身份认证模块，本域及跨域链路带宽使用统计模块，计费模块，域管理模块组成。除信令传输调度模块外，每个功能模块的核心是数据库系统，包括：用户数据库、地址数据库、链路数据库、准入控制网关数据库和计费数据库。信令系统包括：用户-网络信令系统(UNI)和网络-网络信令系统(NNI)。1.基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法，其特征在于，所述方法是在作为三层软交换服务器的本自治域的服务器中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)：初始化

在所述的三层软交换服务器上配置以下模块：信令传输控制模块，用户身份认证模块，本域及跨域链路带宽使用统计模块，计费模块，域管理模块，非正常退出定时模块，网管客户机模块；

信令传输控制模块部分包括：网络-网络信令接收或发送模块以及用户-网络信令接收或发送模块，初始化这些模块后，等待传输信令的调度，信令格式包括：

用户-网络信令包含有：用户标识、流水号、用户本端普通地址、通信对端普通地址、用户本端高性能地址段、用户本次应用需求带宽、以及用户非正常退出等待时长和传输指令；

网络-网络信令包含有：用户标识、流水号、用户本端高性能地址段、最大带宽、以及用户非正常等待退出时长和传输指令；

用户身份认证模块：以用户数据库为核心，初始化用户该数据库，信息含有：经过认证授权的高性能用户名、帐号、口令、用户所在网络子网位置、用户使用的用于连入互联网的普通网络地址；

本域及跨域链路带宽使用统计模块：建立域内及与本域互联的域间链路数据库，初始化该数据库，数据库存储信息格式包含：本自治域内可提供高性能应用的链路连接、带宽、使用率、所有与本自治域有高性能应用关系的相关其它自治域的通信链路、路由连接、带宽、使用率；

计费模块：建立计费数据库，初始化计费数据库，数据库存储信息格式包含：经过认证授权的高性能用户名、帐号、口令、用户所在网络子网位置、用户使用的高性能地址、该类地址单位时间内费用，付费信用数额；

域管理模块包括本域高性能地址管理模块和三层准入控制网关管理模块；

高性能地址管理模块：建立地址数据库，初始化该地址数据库，数据库存储信息格式包含：本域内网络所需的最大并发通信进程数量、全部高性能用户所需的高性能地址数量、高性能通信总带宽、本自治域内所有高性能地址、各个高性能地址段所预留的带宽、高性能地址的分配使用范围、本自治域内普通地址的网络位置信息、本自治域有高性能应用关系的相关其他自治域的地址信息；

三层准入控制网关管理模块：建立三层准入控制网关数据库，初始化该网关数据库，数据库存储信息格式包含：所有三层准入控制网关的网络标识、用户子网、以及带宽特性；

非正常退出定时模块初始化，网管客户机模块初始化；

步骤(2)：用户-网络信令接收模块接收来自用户终端的请求，本自治域内的一个高性能用户请求与某个自治域中某一高性能用户进行高性能通信，信息包含前述用户-网络信令格式中的信息；

步骤(3)：通过所述用户身份认证模块和计费模块，验证步骤(2)中的所述用户的身份和资费可用情况；

步骤(4)：通过所述三层准入控制网关管理模块和本域及跨域链路带宽使用统计模块检查该用户请求的服务范围；

步骤(5)：通过比对高性能地址管理模块中的地址数据库和本域及跨域链路带宽使用统计模块中的链路数据库，检查该项服务的并发用户数量是否已经达到设定的上限N，所述上限N，满足B×N≤W，B为带宽需求，W为可提供的总带宽；

步骤(6)：检查拟使用的链路带宽使用情况，确定是否有足够带宽让本次应用使用；

当全部满足步骤(3-6)所述各项条件后，执行步骤(7)，否则，则通知用户，拒绝为其服务；

步骤(7)：从所述本域高性能地址管理模块中地址数据库中选择一个高性能地址段，通过用户-网络信令通知该提出高性能通信请求的用户，动态配置该高性能地址；

步骤(8)：通过网络-网络信令传输控制模块向该用户所在子网的三层准入控制网关发出信令，命令该三层准入控制网关按网络-网络信令中传送的参数进行相应配置，当配置完成后，该三层准入控制网关确认，三层软交换服务器通过用户-网络信令通知该用户使用该高性能地址进行高性能通信；

步骤(9)：网管客户机模块将三层软交换服务器的工作状态“工作”参数传送至设置的总网管系统；

步骤(10)：通知计费模块开始计时，准备计费；

步骤(11)：如果在申请应用时间内，三层软交换服务器收到三层准入控制网关发来的“关闭”信息，则，执行步骤(12)，否则，等待用户发来的结束信息；

步骤(12)：当发出请求的高性能用户结束通信后，通过用户-网络信令向用户-网络模块发送结束信息，三层软交换服务器通过网络-网络信令接口，向所述发出请求的高性能用户所在子网的三层准入控制网关发出结束信息，回收相应高性能地址，撤销路由、撤销流控，

步骤(13)：停止计费，把计费结果通知该用户；

步骤(14)：更新所述用户数据库、地址数据库、链路数据库和计费数据库；

步骤(15)：网管客户机模块将三层软交换服务器的工作状态“关闭”参数传送至总网管系统。

所述最大并发通信进程数量是根据所述高性能用户的业务量和允许的呼损率，用爱尔兰公式计算得到。按高性能地址分配的使用带宽小于预留带宽。

当任何高性能用户使用高性能地址进行通信时，所述三层软交换服务器启动非正常退出计时，如达到设定的门限时，将按照步骤(11)中所述结束通信操作。

动态地址终端用户的高性能地址也可由所述三层软交换服务器通过网络-网络信令通知三层准入控制网关路由器，该网关路由器通过用户-网络信令对终端进行配置。本专利说明描述方法流程框图如图2所示。实验测试环境如图3所示。

实验测试结果达到了本发明预期的要求。通过信令系统，区分普通用户和高性能用户，为高性能地址预留带宽，三层软交换服务器根据申请，为高性能用户进行准入控制，动态分配高性能地址并相应计费，基于多种数据库系统和信令调度系统，系统地、工程化地成功地解决了对高性能用户的应用提供服务质量保证(QoS)和安全性保证的难题。

附图说明

图1 互联网地址交换网络体系中三层软交换服务器框图。

图2 互联网地址交换网络体系中三层软交换服务器工作流程框图。

图3 实验测试环境网络连接拓扑图。

图4 用户a使用普通地址试验的实验数据。

图5 用户a使用高性能地址试验的实验数据。

图6 用户b使用高性能地址试验的实验数据。

具体实施方式

三层软交换服务器的关键技术包括：自治域内互联网基础设施的配置方法，用户认证机制，高性能地址管理调度算法，计费方法，用户-网络信令和网络-网络信令等。

(1)自治域内和域间的互联网基础设施配置方法

自治域内和域间的互联网基础设施配置方法包括：在本自治域内对于高性能地址预留带宽，在自治域间选择路径并预留带宽，在域内和域间对于普通地址的进行流量控制。其中在本自治域内对于高性能地址预留带宽的策略采用极限条件，即不论如何分配高性能地址，所对应的使用带宽均不超过预留带宽。具体配置方法采用目前路由器标准的服务质量配置方法和带宽预留方法和命令。自治域间的路由选择路径的方法采用标准互联网边界路由协议(BGP)的配置方法，自治域间的带宽预留方法采用目前路由器标准的服务质量配置方法和带宽预留方法和命令。

(2)用户认证机制

高性能用户对于高性能地址的使用必须通过认证，以保证安全性和服务质量。具体的方法为用户通过增强型动态地址用户终端将本人及本次应用的基本信息告知三层软交换服务器，通过用户数据库和计费数据库验证用户的身份和资费情况，通过三层准入控制网关数据库和链路数据库验证请求的服务范围。如果通过，则为之服务，如果不通过，则拒绝请求。

(2)高性能地址管理调度算法

根据高性能用户的业务量和允许的呼损率，根据爱尔兰公式，计算出所需的最大并发通信进程数量。在此基础上，根据路由政策，计算出所需的高性能地址数量。其计算公式为：P＝min(PIR，PAU-ceil(log₂N))，其中P为所需掩码长度，PIR为跨域最大允许公布的掩码长度，PAU在IPv4的情况下为30，min()，ceil()和log₂()分别为取最小值、取下一个整数值和以2为底的对数的标准函数。根据所要进行的高性能网络通信的带宽需求B已有跨域带宽W的情况，计算所能支持的并发高性能网络通信的个数N，即选择B×N≤W。当用户请求使用高性能地址并通过用户认证后，通过地址数据库比较该项服务的并发用户数量是否已经到达上限N，如未达到上限，则检查链路数据库，查看拟使用链路是否有足够带宽，如果有，则分配高性能地址。如N已达到上限，或拟使用链路没有足够带宽，则拒绝服务。

当高性能通信结束时，三层软交换服务器收回该高性能地址。

(3)用户-网络信令

三层软交换服务器通过用户-网络信令(UNI)接受注册高性能用户的用户终端的请求，其参数为：用户帐号和口令，用户的普通地址，高性能通信对端的普通地址、高性能通信所需带宽，非正常退出的等待时长等。其XML语言描述的格式的样例为：

<uni>

<customer id＝″customerid″> //用户标识

</customer>

<order id＝″ordered″> //流水号

</order>

<metric name＝″own-address″> //用户本端普通地址

x.x.x.x

</metric>

<metric name＝″end-address″> //用户对端普通地址

y.y.y.y

</metric>

<metric name＝″hp-prefix″> //用户本端高性能地址段

x.x.x.x/k

</metric>

<metric name＝″bandwidth″units＝″Mbps″> //用户需求带宽

30

</metric>

<metric name＝″ttl″units＝″second″> //用户非正常退出等待时长

3600

</metric>

<metric name＝″command″> //指令

confirm

</metric>

</uni>

(4)网络-网络信令

三层软交换服务器通过网络信令(NNI)对相应的三层准入控制路由器进行控制，其参数为：高性能地址段，最大带宽，非正常退出的等待时长等。其XML语言描述的格式的例子为：

<nni>

<customer id＝″customerid″> //用户标识

</customer>

<order id＝″ordered″> //流水号

</order>

<metric name＝″prefix″unit＝″IPv4″> //用户本端高性能地址段

z.z.z.z/m

</metric>

<metric name＝″max_bandwidth″unit＝″Mbps″> //最大带宽

30

</metric>

3600

</metric>

<metric name＝″command″> //指令

active

</metric>

</nni>

测试环境搭建在真实的互联网主干网上，本端用户为CERNET在北京的2个不同地点的高性能用户，对端为TEIN2新加坡节点的高性能视频服务器。视频应用使用DVTS系统，1路视频为30Mbps。测试环境如图3所示。

由于网络带宽限制，CERNET普通用户通过TEIN2的最大可使用带宽为10Mbps，因此无法收看从新加坡传来的视频图像。本试验选择地址交换体系结构中的三层软交换服务器所在域为CERNET，并高性能应用并发进程为1。共有2个三层准入控制路由器。根据CERNET和TEIN2的BGP路由政策PIR＝24。采用IPv4，PAU＝30所选择的高性能地址段为202.38.112.64/30。注意向TEIN2静态、聚类公布的地址为202.38.112.0/24。北京的2个高性能用户所在的子网网关分别为202.112.35.34和202.38.97.253。本试验分为三种情况分别由图4，图5和图6所示。1)北京的高性能应用用户a使用普通地址接收新加坡节点DVTS视频；2)北京的高性能用户a申请高性能地址接收新加坡节点DVTS视频；3)北京的另一个高性能用户b申请高性能地址接收新加坡节点DVTS视频。

其中，图4，图5和图6中的(a)表示主干网中与用户a和用户b所在子网A和子网B的两个三层准入控制网关路由器的BGP邻居关系，(b)表示在本自治域中BGP路由的个数，(c)表示该高性能通信时，相邻自治域从本自治域学到的路由的数量，(d)表示高性能地址所对应的下一跳的网络地址。附件中图1、2、3所示的视频截图表示图4、5、6应用情况下相应的视频直观效果。

根据本申请描述的方法，高性能用户通过用户-网络信令UNI向软交换服务器发出请求，软交换服务器验证用户有效性，请求的服务的有效性和是否超出本项服务的最大并发用户数。在通过的情况下，通过NNI控制相应的准入控制网关设备，使高性能地址生效，对端口进行流量控制，并通过BGP协议把相应的路由分发到本自治域中。

在第一种情况时，如图4所示，高性能地址没有分配给用户，4(a)中，对两个邻居(202.38.97.253和202.112.35.34)的邻居关系状态均为0；4(b)为14155；4(c)为203；4(d)表示的高性能地址没有下一跳，附件中图1显示出视频传输直观效果很差。

在第二种情况时，如图5所示，高性能地址分配给用户a，5(a)对邻居202.38.97.253变为1；5(b)本自治域路由表为14156，比第一种情况增加了1条；5(c)仍为203，对于本自治域外的路由表没有影响；5(d)表示的高性能地址的下一跳为202.38.97.253，附件中图2显示出视频传输质量很好。

在第三种情况时，如图6所示，高性能地址分配给用户b，6(a)对邻居202.112.35.34变为1；6(b)本自治域路由表为14156，比案例1)增加了1条；6(c)仍为203，对于本自治域外的路由表没有影响；6(d)表示的高性能地址的下一跳为202.112.35.34，附件中图3显示出视频传输质量很好。

从图中可以看到普通地址的视频图像质量不能满足要求，而高性能地址的视频图像质量很好。其中高性能地址分配给用户a和用户b相关路由表的变化清楚地表明了地址交换体系结构的工作过程和三层软交换服务器以及三层准入控制网关路由器所起的作用。

Claims

1.基于三层软交换的互联网高性能地址分配方法，其特征在于，所述方法是在作为三层软交换服务器的本自治域的服务器中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)：初始化

信令传输控制模块部分包括：网络-网络信令接收或发送模块以及用户-网络信令接收或发送模块，初始化这些模块后，等待传输信令的调度，信令格式包括：用户-网络信令格式和网络-网络信令格式

用户-网络信令格式中包含有：用户标识、流水号、用户本端普通地址、通信对端普通地址、用户本端高性能地址段、用户本次应用需求带宽、以及用户非正常退出等待时长和传输指令；

网络-网络信令格式中包含有：用户标识、流水号、用户本端高性能地址段、最大带宽、以及用户非正常等待退出时长和传输指令；

域管理模块包括本域高性能地址管理模块和三层准入控制网关路由器管理模块；

三层准入控制网关路由器管理模块：建立三层准入控制网关路由器数据库，初始化该网关数据库，数据库存储信息格式包含：所有三层准入控制网关路由器的网络标识、用户子网、以及带宽特性；

非正常退出定时模块初始化，网管客户机模块初始化；

步骤(2)：用户-网络信令接收模块接收来自高性能用户终端的请求，本自治域内的一个高性能用户请求与某个自治域中某一高性能用户进行高性能通信，信息包含前述用户-网络信令格式中的信息；

步骤(3)：通过所述用户身份认证模块和计费模块，验证步骤(2)中的发送请求的本自治域高性能用户的身份和资费可用情况；

步骤(4)：通过所述三层准入控制网关路由器管理模块和本域及跨域链路带宽使用统计模块检查该用户请求的服务范围；

当全部满足步骤(3-6)所述各项条件后，执行步骤(7)，否则，则通知高性能用户，拒绝为其服务；

步骤(7)：从所述本域高性能地址管理模块中地址数据库中选择一个高性能地址段，通过用户-网络信令通知该提出高性能通信请求的用户，动态配置高性能地址；

步骤(8)：通过网络-网络信令传输控制模块向该发送请求的本自治域高性能用户所在子网的三层准入控制网关路由器发出信令，命令该三层准入控制网关路由器按网络-网络信令中传送的参数进行相应配置，当配置完成后，该三层准入控制网关路由器确认，三层软交换服务器通过用户-网络信令通知该发送请求的本自治域高性能用户使用该高性能地址进行高性能通信；

步骤(10)：通知计费模块开始计时，准备计费；

步骤(11)：如果在申请高性能应用时间内，三层软交换服务器收到三层准入控制网关路由器发来的“关闭”信息，则，执行步骤(12)，否则，等待所述发送请求的本自治域高性能用户发来的结束信息；

步骤(12)：当发出请求的高性能用户结束通信后，通过用户-网络信令向用户-网络模块发送结束信息，三层软交换服务器通过网络-网络信令接口，向所述发出请求的高性能用户所在子网的三层准入控制网关路由器发出结束信息，回收相应高性能地址，撤销路由、撤销流控，

步骤(13)：停止计费，把计费结果通知该发送请求的本自治域高性能用户；

2.根据权利要求1所述的基于三层软交换的互联网高性能用户地址分配方法，其特征在于，所述最大并发通信进程数量是根据所述高性能用户的业务量和允许的呼损率、阻塞率，用爱尔兰公式计算得到。

3.根据权利要求1所述的基于三层软交换的互联网高性能用户的地址分配方法，其特征在于按高性能地址分配的使用带宽小于预留带宽。

4.根据权利要求1所述的基于三层软交换服务器的互联网高性能用户的地址分配方法，其特征在于：当任何高性能用户使用高性能地址进行通信时，所述三层软交换服务器启动非正常退出计时，如达到设定的门限时，将按照步骤(11)中所述结束通信操作。

5.根据权利要求1所述的基于三层软交换服务器的互联网高性能用户的地址分配方法，其特征在于：动态地址终端用户的高性能地址由所述三层软交换服务器通过网络-网络信令通知三层准入控制网关路由器，该网关路由器通过用户-网络信令对终端进行配置。