CN101425950A - 基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法，属于计算机应用技术领域。目的是解决在IPv6网络地址条件下有效地划分整个因特网网络地址的问题，在此基础上设计出相应的网络路由策略。其原理是根据地理行政区分层结构来划分和管理网络并将用户终端的IP网络地址划分为若干段；根据分层和数据包的传送方向，将路由模式分为上行、中行和下行三种机制。本发明的分层结构使网络数据传输规律化，减少了不必要的路由开销，提高了网络效能；在一定程度上实现网络定位，加强了网络的安全性；减少了路由表的存储大小，节省了路由寻址时间，并有效地避免中低层路由系统的拥塞现象。

Description

基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法

技术领域

本发明涉及一种基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法，属于计算机应用技术领域。

背景技术

随着因特网地址体系由起先的IPv4发展到如今正在完善和推广的IPv6，寻址空间由32位扩展至128位，网络设备IP地址分配不足的问题得到了解决。目前国际上正在使用的IPv6网络地址体系方案，具有单播、多播和任播三种地址结构：

单播地址被划分为两部分。第一部分包含地址前缀，第二部分包含接口标识符。单播地址用于单个接口的标识符，发送到此地址的数据包被传递给标识的接口，通过高序位八位字节的值来将单播地址与多播地址区分开来。

多播地址是一组接口的标识符(通常属于不同的节点)，发送到此地址的数据包被传递给该地址标识的所有接口。多路广播地址的高序位八位字节具有十六进制值FF，此八位字节的任何其他值都标识单播地址。

任播地址也是一组接口的标识符(通常属于不同的节点)，但发送到此地址的数据包被传递给该地址标识的唯一一个接口，这是按路由标准标识的最近的接口。任播地址取自单播地址空间，而且在语法上不能与其它地址区别开来，寻址的接口只能依据其配置确定单播和任播地址之间的差别。

随着应用层组播技术的出现和发展，已经可以把捆绑在IP地址下的多播和任播地址结构分离出来，在应用层而不是网络层实现数据包传输的多播和任播。基于此，本发明借鉴电信上按照地理位置分片来设置电话区号的策略，将其应用于IPv6因特网地址体系的设计之中，设计出分层的网络地址结构，并制定与之配套的路由策略。

现有技术存在以下缺点：

①.网络整体近似平面结构，路由节点相互位置关系不明确，导致数据传输以动态路由为主，开销大；

②.根据网络供应商划分网络，分属不同供应商的同地区用户，相互之间通信繁琐；

③.路由表存储的IPv6地址是完整的128位，寻址时存在码段冗余；

④.现有方案的流量结构是汇聚后再分流，导致路由系统拥塞现象比较严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法，解决在IPv6网络地址条件下有效地划分整个因特网网络地址的问题，并在此基础上设计出相应的网络路由策略。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种基于地理行政区划的网络地址分层结构设计及维护方法的整体框架设计流程如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、网络结构框架设计

本发明把规律化管理和分层处理这两大方法结合起来，根据世界各国的地理行政区分层结构来划分和管理网络，每一节点都可根据自身下级行政结构来选择下级层级的划分方式，并根据通信流量选择连接设备。如中国和美国的行政结构不同，其下级层级划分也不相同；同在中国，北京和西藏的通信流量相差很大，其路由设备须根据实际情况进行选择。

由此可以得到一个全新的因特网全球总体结构框架，以中国的行政区划为例具体可描述为网络的最上层为互相连接的国家节点，如中国、美国、日本等；国家节点之下划分为若干个互相连接的下属省节点，每个省节点之下是若干个互相连接的下属市(州)节点，每个市(州)节点之下是若干个互相连接的下属县(镇)节点，每个县(镇)节点之下是若干个互相连接的下属区节点，每个区节点之下是若干个互相连接的下属街区节点，每个街区节点之下是若干个互相连接的下属院落节点，每个院落节点之下是若干个互相连接的下属建筑节点，每个建筑节点之下是若干个互相连接的下属楼层节点，每个楼层节点之下是若干个互相连接的下属房间节点，每个房间节点之下就是在该房间内联网的若干个独立的用户终端节点，如图2所示。

步骤二、网络地址设计

根据步骤一中网络物理结构上的分层，相应地将用户终端的IP网络地址自左向右分成国家码、省码、市码、县码、区码、街区码、院落码、建筑码、楼层码、房间码和用户码共计11段，并采用右末端余位置空的方式将网络地址补齐为IPv6的128位寻址空间。当然，不同的行政区可根据自身下属行政区的实际划分来设置其下层的网络地址码段结构。

图3所示的是图2中用户1终端的IP地址结构，其中带斜线部分的前10个码段(国家码除外)是由用户1终端所属的各级地理行政区路由节点决定和产生，而国家码则由因特网的组织机构设置。用户码是用户1终端接入因特网时由用户层之上的房间层路由器分配。

显然，同一行政区节点下的各个子行政区节点，它们本层的行政区码段长度相同，而自其上层到国家层的行政区码段完全一致。如德国、中国、日本和美国具有相同长度的国家码段；县1、县2和县3具有相同的国家码、省码和市码，以及相同长度的县码。

步骤三、路由机制设计

为了提高网络路由效率，采用规律化管理的方法来设计步骤一和步骤二所形成网络框架的路由模式。根据分层和数据包的传送方向，将路由模式分为上行、中行和下行三种机制：

①上行机制：

用户发出的数据包，在用户终端直属的上一层路由器中从国家码到房间码逐码段解读它的目的地址，解读完一个码段就与其源地址对应的层级码段进行比较。若相同则解读下一码段，若不相同则将其发往该码段对应层的接入路由器，如图4所示。

以图4中的用户1发送数据包的过程为例，可使用如图5所示的二叉树结构来描述。

用户1发出的数据包，系统在房间层1房的路由器中对数据包的目的地址进行解析：首先解析它的国家码段，如果与中国的国家码(即该数据包源地址的国家码段)不同，那么把该数据包直接发往国家层上中国的接入路由器，然后按照中行和下行路由机制路由；否则解读数据包目的地址的下一个码段，即省码段。以此类推。假设直到解读数据包的房间码段，如果和1房的房间码(即该数据包源地址的房间码段)不同，就使用中行路由模式把数据包发往目的地址所对应的本层房间接入路由器；如果与1房的房间码相同，就使用下行路由模式把数据包发往1房内的相应用户。

②中行和下行机制：

到了某个层级接入路由器的数据包，只需解读其目的地址中该层级的码段，并与路由器的层级码段对比：

若不相同，查找对应的同层发送端口，把数据包发往相应的路由器，采用常规的OSPF路由协议，为中行机制。

若相同，则解读下一码段，然后将数据包通过码段对应的下层发送端口发往相应的下级路由器或用户，直到目的终端用户系统为止，此为下行机制。

步骤四、路由表设计

根据步骤三中设计的路由机制，对相应层级路由器的路由表进行设置。

首先，除国家层路由器外，每一个路由器需要保存一张从其上层到国家层其所属各域的码段长度表。以图2中街区1为例，其需要保存的长度一览表如表1所示：

表1

 

国家码长度	省码长度	市码长度	县码长度	区码长度
					8bit	6bit	4bit	4bit	3bit

其次，每一个路由器还需要保存自身的地址码段以及下行各端口对应的下一级地址码段，以此来构造寻址所需的路由表。其中，路由器的地址码段由它的上级路由器分配。对应中行和下行路由，它的路由表分为两大板块，以图2中的街区1为例，其路由表如表2所示：

表2

再次，对于用户层之上的房间层路由器，必须构造和保存上行路由表，同时为它开设专门的上行路由端口。值得注意的是，上行路由表处理的是用户终端传来的数据包；而中下行混合路由表处理的则是上层和本层传来的数据包，以及上行路由表处理剩下的数据包。以图2中的1房路由器为例，其上行路由表如表3所示：

表3

 

数据包源地址和目的地址匹配条件	发送端口	发往路由器
			国家码不匹配	上行端口1	中国

 

国家码匹配；省码不匹配	上行端口2	省1
			国家码和省码匹配；市码不匹配	上行端口3	市1
国家码，省码和市码匹配；县码不匹配	上行端口4	县1
			国家码，省码，市码和县码匹配；区码不匹配	上行端口5	区1
国家码，省码，市码，县码和区码匹配；街区码不匹配	上行端口6	街区1
			国家码，省码，市码，县码，区码和街区码匹配；院落码不匹配	上行端口7	院落1
国家码，省码，市码，县码，区码，街区码和院落码匹配；建筑码不匹配	上行端口8	建筑1
			国家码，省码，市码，县码，区码，街区码，院落码和建筑码匹配；楼层码不匹配	上行端口9	楼层1

由于行政区划相对稳定，所以上下行链路的路由表以静态路由表项为主，而采用OSPF路由协议的中行链路的路由表则以动态路由表项为主。

此外，经过前四个步骤所形成的网络路由系统，其维护主要在于新的行政区的加入：若加入后其所处层级码段长度不改变，则新的行政区路由器只需向其直属上一级路由器注册即可；若码段长度需要改变，新的行政区路由器应通过其直属上一级路由器向有关的行政区路由器发布更新信息去更改。当然，发布更新信息可以通过非网络通信手段来完成。新加入的行政区路由器可自主安排其下级行政区路由器的分布，并从其直属上一级路由器那里获取信息来建立从其上层到国家层其所属各域的码段长度表。作为特殊情况，国家层的路由器之间则采用常规的路由发现方式或者非网络通信手段来更新路由表。

有益效果

①.分层结构使网络数据传输规律化，用层与层之间大量的静态路由取代层与层关系并不明显的常规动态路由，从而减少了不必要的路由开销，大大提高了网络效能；

②.基于地理行政区域的划分使得诸如流量控制和用户管理的网络综合业务更加便捷和有效；同时在一定程度上实现网络定位，加强了网络的安全性；

③.分码段的网络地址划分方式可以大量减少路由表的存储大小；同时，小码段的路由地址查对，与原先的常规路由寻址策略相比，节省了路由寻址时间；

④.在用户层的上一层位置进行分流，此时的数据流量相对较小，容易实现分流，并可以有效地避免中低层路由系统的拥塞现象。

附图说明

图1为本发明的整体框架设计流程图；

图2为本发明的因特网全球总体结构框架示意图；

图3为本发明的上行路由机制图；

图4为本发明的上行路由过程描述图。

具体实施方式

根据上述技术方案，下面举例对本发明进行详细说明。

设世界各国的国家码长度为8位码段，中国各省的省码长度为6位，省份1之下的各个市级行政区的市码长度为5位，市1所辖各县级行政区的县码长度为4位，县1的各个区级行政区的区码长度为4位，区1的各街区级行政区的街区码长度为5位，而街区1的各院落级行政区的院落码长度为4位，院落1之内的各建筑级行政区的建筑码长度为6位，建筑1之内的各楼层级行政区的楼层码长度为4位，楼层1内的各个房间级行政区的房间码长度为5位。最后，假设房间1可以为256个用户提供联网条件，也就是说房间1的用户码长度为8位，这些用户获得的IPv6地址有效长度为59位，余下的69位置空。

据此不妨将用户1的IP地址设置为：8(二进制表示为00001000)，19(省码010011)，11(市码01011)，7(县码0111)，3(区码0011)，9(街区码01001)，12(院落码1100)，31(建筑码011111)，8(楼层码1000)，23(房间码10111)，159(用户码10011111)。那么用户1的IP地址就是：00001000，010011，01011，0111，0011，01001，1100，011111，1000，10111，10011111。

用户1终端发往用户a终端的数据包，在房间层1房的路由器中对数据包的目的地址进行解析，逐码段解读后发现它的源地址和目的地址国家码相同，省码不相同，所以就先用上行路由机制直接将该数据包发往省份1的接入路由器，然后用中行路由机制从省份1经过省份2和省份3将其发往省份4，最后用下行路由机制从省份4开始，通过市a、县a、区a、街区a、院落a、建筑a、a层、a房一系列路由器将其发往目的终端。

用户1发往用户2的数据包，在房间层1房的路由器中对数据包的目的地址进行解析，逐码段解读后发现它的源地址和目的地址从国家码开始到房间码都相同，所以就用下行路由机制将该数据包发往1房内的用户2。

假设省份1下辖市级行政区原来有19个，现在因为行政区变动增加了一个新的市级行政区。因为省份1之下的各个市级行政区的市码长度为5位，所以省份1下辖市级行政区最多可以有31个，增加了一个新的市级行政区并不导致省份1下辖市级行政区的市码长度改变，所以新增加的市级行政区路由器只需向省份1的行政区路由器报告注册就可以。

新加入的市级行政区节点，可自主安排其下级行政区路由器的分布，并且从其直属的省份1路由器那里获取信息来建立从其上层到国家层其所属各域的码段长度表。

再假设街区1下辖院落级行政区原来有14个，现在因为院落划分变动增加了5个新的院落级行政区。因为街区1之下的各个院落级行政区的院落码长度为4位，所以街区1下辖院落级行政区最多可以有15个，增加了5个新的院落级行政区导致街区1下辖院落级行政区的院落码长度需要增加一位，所以新增加的院落级行政区路由器需要向街区1的行政区路由器报告注册，同时要将院落码长度更新信息通过街区1的行政区路由器广播发布给街区1下所有记录该院落码长度的行政区路由器。当然，这个更新信息可以通过人为通知等非网络手段来完成。

上述新加入的各个院落级行政区节点，可自主安排其下级行政区路由器的分布，并且从其直属的街区1行政区路由器那里获取信息来建立从其上层到国家层所属各域的码段长度表。

Claims (3)

1.基于地理行政区划的网络地址分层结构设计，特征在于其结构设计方法步骤如下：

步骤一、网络结构框架设计

把规律化管理和分层处理这两大方法结合起来，根据世界各国的地理行政区分层结构来划分和管理网络，每一节点都根据自身下级行政结构来选择下连层级的划分方式；

步骤二、网络地址设计

根据步骤一中网络物理结构上的分层，相应地将用户终端的IP网络地址自左向右分成国家码、省码、市码、县码、区码、街区码、院落码、建筑码、楼层码、房间码和用户码共计11段，并采用右末端余位置空的方式将网络地址补齐为IPv6的128位寻址空间；不同的行政区可根据自身下属行政区的实际划分来设置其下层的网络地址码段结构；

步骤三、路由机制设计

根据分层和数据包的传送方向，采用规律化管理方法来设计步骤一和步骤二所形成网络框架的路由模式；

步骤四、路由表设计

根据步骤三中设计的路由机制，需要对相应层级路由器的路由表进行设置；

首先，除国家层路由器外，每一个路由器需要保存一张从其上层到国家层其所属各域的码段长度表；其次，每一个路由器还需要保存自身的地址码段以及其下行各端口对应的下一级地址码段，以此来构造寻址所需的路由表；再次，对于用户层之上的房间层路由器，必须构造和保存上行路由表，同时为它开设专门的上行路由端口。

2.根据权利要求1所述的基于地理行政区划的网络地址分层结构设计，其路由模式分为上行、中行和下行三种机制，其特征在于：

(1).上行路由：用户发出的数据包，在用户终端直属的上一层路由器中从国家码到房间码逐码段解读它的目的地址，解读完一个码段就与其源地址对应的层级码段进行比较；若相同则解读下一码段，若不相同则将其发往该码段对应层的接入路由器；

(2).中、下行路由：到了某个层级接入路由器的数据包，只需解读其目的地址中该层级的码段，并与路由器的层级码段对比；

不相同时，查找对应的同层发送端口，把数据包发往相应的路由器，采用常规的OSPF路由协议，为中行机制；

相同时，则解读下一码段，然后将数据包通过码段对应的下层发送端口发往相应的下级路由器或用户，直到目的终端用户系统为止，此为下行机制。

3.基于地理行政区划的网络地址分层结构设计的维护方法，其特征在于其维护方法是：

当有新的行政区加入时：若加入后其所处层级码段长度不改变，则此时新的行政区路由器只需向其直属上一级路由器注册即可；若码段长度需要改变，那么新的行政区路由器应通过其直属上一级路由器向有关的行政区路由器发布更新信息去更改，发布更新信息可以通过非网络通信手段来完成；作为特殊情况，国家层的路由器之间则采用常规的路由发现方式或者非网络通信手段来更新路由表。

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