CN101753632B - 一种基于地理信息的ip地址规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地理信息的IP地址规划方法，令IP地址成为真正的包含地理信息的地址，提高了IP地址的可扩展性和安全性，并且简单化了IP地址的路由实现。其技术方案为：方法包括：(1)规划骨干网的架构，使每一个上级骨干网节点最多与一个次级骨干网节点连接，使同一层级、同一分支的网络结构任意布置；(2)将骨干网节点的IP信息和骨干网节点所在位置的经纬信息相结合。本发明应用于IP地址规划中。

Description

一种基于地理信息的IP地址规划方法

技术领域

本发明涉及一种IP地址规划方法，尤其涉及一种满足下一代网络对可扩展性、安全性等方面的要求的IP地址规划方法。

背景技术

NGN(Next Generation Network)即下一代通信网络，是以软交换为核心的，能够提供包括语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放的网络架构，代表了通信网络发展的方向。而IPv6正是NGN网络中的核心技术之一，它将在不久的将来取代目前被广泛使用的IPv4。

目前所使用的第二代互联网IPv4技术，最大的问题就是网络地址资源有限。与IPv4相比，IPv6具有以下几个优势：扩大了地址空间、提高了网络的整体吞吐量、服务质量得到很大改善、安全性有了更好的保证、支持即插即用和移动性、更好地实现了多播功能。

IPv6直接为我们提供了2¹²⁸＝3.4×10³⁸个IP地址。从世界范围来考虑，地球表面积约为5.1亿平方公里，IPv6能为每平方公里平均提供6.7×10²⁹个IP地址。此外，地球表面70％以上被海洋覆盖，而这些区域所需要的IP数量大大少于陆地。如此巨大数量的闲置IP地址，造成了相当大的IP地址空置的浪费。

另一方面，当前IPv6网络的节点和网络扩展性、网络安全性、以及路由实现方式都仍有一定的不足。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种基于地理信息的IP地址规划方法，令IP地址成为真正的包含地理信息的地址，提高了IP地址的可扩展性和安全性，并且简单化了IP地址的路由实现。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种基于地理信息的IP地址规划方法，包括：

(1)规划骨干网的架构，使每一个上级骨干网节点最多与一个次级骨干网节点连接，使同一层级、同一分支的网络结构任意布置；

(2)将骨干网节点的IP信息和该骨干网节点所在位置的经纬信息相结合。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，在步骤(1)中，当有骨干网节点违反架构原则时，通过节点逻辑变化使其遵循每一个上级骨干网节点最多与一个次级骨干网节点连接的原则。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，在步骤(2)中，将该骨干网节点的IP地址划分为两部分，其中第一部分标识该骨干网节点的地理位置，第二部分标识该骨干网节点在本地的身份。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该骨干网节点的IP地址的第一部分形如X.Y.Z，其中X为精确到分的精度，Y为精确到分的纬度，Z为骨干网级别，使用IPv6地址中的32比特来标识；该骨干网节点的IP地址的第二部分使用IPv6地址中的96比特来标识。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该骨干网节点的IP地址形如A.B.C.D.E.F.G:U.V，其中A指明该骨干网节点在东/西经，B和C分别指明该骨干网节点所在的经度的度数值和分数值，D指明该骨干网节点在南/北纬，E和F分别指明该骨干网节点所在的纬度的度数值和分数值，G指明该骨干网节点所在的骨干网级别，U和V指明该骨干网节点在本地的身份。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该方法还包括对传感器网络和无线自组织网络进行支持和扩展。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，对传感器网络和无线自组织网络进行扩展的方法包括在节点使用端点-地址池映射或者预留IP的方式。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该方法还包括对固定电话和移动电话的支持与扩展，其中通过预留IP的方式满足固定电话和移动电话的用户数量扩展。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该方法还包括对假冒地址的防范：以骨干网节点之间的相对位移量作为判断地址是否真实的标准。

上述的基于地理信息的IP地址规划方法，其中，该方法还包括对IP地址的路由实现，包括：

(a)将端口接收到的数据减去该端口对应的位移；

(b)判断该数据是否已经被标识，如果已经被标识，则对在本层控制范围内的数据进行去标签再转发，对不在本层控制范围内的数据直接转发，流程结束，如果未被标识则进入下一步；

(c)判断该数据是否来自上层，如果来自上层，则根据剩余位移标识后转发，流程结束，如果不是来自上层则进入下一步；

(d)判断该数据是否在本层控制范围内，如果在本层控制范围内则根据剩余距离标识后转发，流程结束，如果不在本层控制范围内则进入下一步；

(e)判断该数据是否是层内中心节点，如果是层内中心节点则直接转发，流程结束，如果不是层内中心节点则做快速向上标识后转发，流程结束。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的基于地理信息的IP地址规划方法通过规划骨干网的架构并将骨干网节点的IP信息和节点所在位置的经纬信息相结合，用极为简单的方式实现了IP地址和地理信息的结合。此外，通过对传感器网络和无线自组织网络、以及对固定电话和移动电话的进行支持和扩展，提高了IP地址对节点自身以及其他网络的可扩展性。另外，本发明的IP地址规划方法还增强了网络安全性。本发明基于这种IP地址规划还提出了一种新的路由实现方式，使路由实现更为简单有效。总的来说，本发明的IP地址规划方法可满足下一代网络对可扩展性、安全性以及IPv6技术的要求。

附图说明

图1是本发明的基于地理信息的IP地址规划的方法的实施例的流程图。

图2是本发明的骨干网架构的垂直结构示意图。

图3是本发明的骨干网架构的立体结构示意图。

图4是分支逻辑变化的示意图。

图5是本发明的IP地址规划的一个示例图。

图6是平面内两点间位移路线的示意图。

图7是基于本发明的IP地址规划的路由实现算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1示出了本发明的基于地理信息的IP地址规划的方法的实施例的流程。请参见图1，下面结合图1对本发明的方法步骤进行详细的描述。

步骤S10：规划骨干网的架构，主要包括规划骨干网的垂直结构及立体结构。

美国下一代网络发展计划GENI(Global Environment for NetworkInnovations)对于其国内骨干网的预期结构中，每一个骨干网节点都最多与3个其他骨干节点相连，这是处于对骨干线路成本控制的考虑。在NGN骨干网络的架设中，考虑各个省市的网络用户数量、流量等各个指标，设计出一个最为合理的骨干节点分布。而互联网骨干结构，只能算是0级的骨干网，也就是最上层骨干网。骨干网本身应该是具有N(N是一个有限大的自然数)级垂直深度的结构，请参阅图2，图2示出了NGN骨干网的垂直结构。

在图2中，每一个上级骨干网节点最多与一个次级骨干网相互连接，例如图2中的BA、CA、DB、EB和FC等都应该是单线连接。并且，和上一级骨干网连接的骨干网节点应该继承其IP的地理特性，只是在层次的标识上有所不同。之所以这样要求，主要是处于对网络安全性的考虑，这一点将在下述内容中进一步讨论。

图3以3层网络模型为例显示了NGN骨干网的立体结构，其结构遵循的原则为：(1)层内结构(横向结构)的多样性，即同一层次、同一分支的网络结构可以根据实际需要任意布置。图3中，A、B、C、D给出了4种不同的2级结构。(2)层间连接(垂直结构)的唯一性，即每一个N层骨干网节点只与一个N+1层骨干网节点相连接，从而和一个N+1层网络相连。图3中的分支C违背了这一原则，可以通过一个逻辑上的变化来解决这个问题，如图4所示，B₁和B在物理上可以是一个节点，但是在逻辑上分离，使得B₁继承B的IP特性中除了结构层次以外的所有信息，并且和C、D、E具有相同的层次信息。

步骤S12：将骨干网节点的IP信息和其所在位置的经纬信息相结合。

IPv6直接为我们提供了2¹²⁸＝3.4×10³⁸个IP地址。从世界范围来考虑，地球表面积约为5.1亿平方公里，IPv6能为每平方公里平均提供6.7×10²⁹个IP地址。此外，地球表面70％以上被海洋覆盖，而这些区域所需要的IP数量大大少于陆地。如此巨大数量的IP地址，为IP地址按照地理进行分配和规划提供了先决条件。

首先，将骨干网节点的IP划分为2部分，前半部分标识出其地理位置，后半部分标识其在本地的身份，即前半部分为IP Address(含地理信息，简记为AD)，后半部分为IP Identification(简记为ID)，这样使得IP＝AD+ID。

这里重点说明AD的划分和作用。AD的形式应如：X.Y.Z，其中X为精确到分的精度，Y为精确到分的纬度，Z为骨干网级别。

1)X的可能取值数为2×180×60＝21600＜2¹⁵，需要15bit来标识；

2)Y的可能取值为2×90×60＝10800＜2¹⁴，需要14bit来标识；

3)Z就中国的情况而言，可用3bit来标识全国、省、市、县、区、镇、村等行政单位对应的骨干网级别。

这样，IPv6总共128bit，使用了其中32bit来标识地理信息，留下了96bit也就是2⁹⁶个ID给每个划分好的区域。

请参阅图5，示出了参照四川省市一级骨干网的具体地理分布抽象出来的立体模型。成都作为市一级网络和省一级网络的接口，拥有两个只是层次信息相差1的IP。下面通过上图成都骨干节点的IP来说明IP的具体划分。

1.104.4.1.30.4.2:0.0

上述IP冒号之前的部分采用“经度+纬度+所在骨干网等级”，冒号之后是具体的ID。下面分别介绍以下每个数字所代表的含义：

1)1代表东经，用1bit表示；

2)104代表精确到分的经度值中度的数值，用8bit来表示；

3)4表示精确到分的经度值中分的数值，用6bit来表示；

4)1表示北纬，用1bit表示；

5)30表示精确到分的纬度值中度的数值，用7bit来表示；

6)4表示精确到分的纬度值中分的数值，用6bit来表示；

7)2代表2级骨干网节点，用3bit来表示；

8)冒号之后的部分为ID部分，用96bit来表示，骨干节点默认为0.0。

下面来分析这种IP规划方式的性能，首先看一下可扩展性。

对于骨干网节点设备的可扩展性：首先分析新骨干网节点的架设，由于上述设计的IP都已经按照地域划分，新的骨干网节点的AD实际上已经被预留了，所以这类扩展完全没有问题。再看一下对已有骨干网节点的扩容。从上面的描述中不难看出，每个骨干网节点的最后的ID部分都为0.0，这实际上为骨干网节点预留了2⁹⁶-1个ID，显然骨干网节点的扩容也没有问题。

对于传感器网络和无线自组织网络的支持与扩展：这两类网络有一个共同的特点，就是本地标识的自主性，即它们在未接入骨干网之前，可以按照任意合理的规则在内部分配IP，ID用作标识以区别不同用户和终端设备。从另一个角度来说，就是这两类网络大多都是临时性质的网络，不需要长期固定的全球网络标识。这样就产生了两种不同的扩展方案：

(1)在接入节点使用端口-地址池映射技术，将本地成员映射到接入节点的各个端口。该技术在IPv4中已经发展得相当成熟，唯一的缺陷是容易给恶意用户留下隐藏自己身份的漏洞。不过，这种漏洞可以通过采取一定的本地追踪协议予以解决。

(2)预留IP：由于大量IP地址的存在，在ID部分划分出一部分作为临时分配使用是完全可行并且容易实现的。

对固定电话用户和移动电话用户的支持与扩展：之所以将二者一起进行讨论，是因为它们具有共同点：固定的标识。根据前面的计算，在大约每2平方公里的范围内(精确到分的经纬区域所覆盖的范围)，拥有296个可以分配的独立标识。而我国人口为大约16亿，假设每人拥有1部固定电话，1部移动电话，那么平均每平方公里所需要的IP标识仅为333个。虽然上述为不精确的计算，但是数量级的差别足以说明，本发明的IP地址规划方案，能够满足固定电话用户和移动电话用户在数量上的扩展。

下面来分析基于地理信息的IP地址规划带来的安全性。

主要考虑对于轨迹的追踪以及对假冒地址的预防。基于IP地址中包含的地址信息，骨干网任意两个节点(无论是否相邻)之间产生了一种相对位置关系，而这种关系不会因为二者之间的网络结构的变化而变化。这样，2个节点之间的路由就可以用一组表示位移的数据来记录。

请参阅图6，在该图的坐标系中，甲(-2，-2)到乙(2，2)经过的路线可以用两种方法来表示：

(1)按照顺序记录所有经过的点：(-2，-2)，(-1，-2)，(0，-2)，(1，-2)，(1，-1)，(1，0)，(1，1)，(1，2)，(2，2)；

(2)从出发点开始，记录所经过的位移：(-2，-2)，(1，0)，(1，0)，(1，0)，(0，1)，(0，1)，(0，1)，(0，1)，(1，0)。

在这种原始的坐标系中，两种标识方法的差异并不巨大。但是，在本发明所述IP系统中，由于IP的地理特性，用位移的方式来标识路由可以大大地节省网络资源。如图5中所示，记录一个节点的所有信息需要128bit，记录AD信息也需要32bit，但是，如果记录相对信息，易知图中最远的几对相邻点为成都-西昌，西昌-甘孜，甘孜-阿坝。其IP的相对距离(位移)为：(-1:46，-1:9)，(-2:9，2:44)，(1:44，0:17)。其中(-2:9，2:44)表示位移为向西2度9分，向北2度44分。记录上述一个2级骨干网的位移信息需要2bit标识方向(东南西北)，2+6+2+6＝16bit标识具体位移量。必须指出的是，由于按照地理位置分配IP，2级骨干网以下的骨干网的位移量必然不会超过2级骨干网，甚至到达一定级别以后，所需位移量会逐次递减。这样，所需要记录的相对位移信息会更少。另外，对于0级和1级骨干网，可以通过选择合适的物理地点(比如选择服务器位置在整度经纬线相交的地方)或者逻辑地址(例如服务器AD为1.120.0.1.30.0.0，但是其实际位置可能是东经120度，22分，北纬30度33分)，使得位移的表示变得简单。

这样，在面对恶意用户的时候，除非其攻击能够控制骨干节点关于位移的记录，否则，单纯的地址假冒就不能起到作用了。因为从目标节点开始的位移记录是相对的运算，而非从前那种对绝对的逻辑上的名称的记录，也就是说在本发明中是以骨干网节点之间的相对位移量作为判断地址是否真实的标准。

所述的骨干网的主要路由方式为限定范围的MPLS(Multi-Protocol LabelSwitching，多协议标签交换)以及预测位移归零(最近距离)算法。由于IP地址的地理形划分以及路由的可预测性，一种以地域和距离为条件的路由算法应运而生。根据预先计算好的源和目的的距离，每一个节点所需要做的工作就是让这个距离不断缩小，以最终令数据到达目的地。

图7示出了本发明基于地理信息的IP地址的路由实现。请参见图7，下面结合图7对路由实现的过程进行详细描述。

步骤S300：端口接收数据。

步骤S301：将接收到的数据减去端口对应位移。

步骤S302：判断数据是否已经被标识，如果已经被标识则进入步骤S304，如果数据未被标识则进入步骤S303。

步骤S303：判断是否数据来自上层，如果来自上层则进入步骤S308，如果不是来自上层则进入步骤S306。

步骤S304：判断数据是否在本层控制范围内，如果数据在本层控制范围内则进入步骤S305，如果数据不在本层控制范围内则进入步骤S310。

步骤S305：去标签。是指MPLS技术中对数据分组去除头部标签的操作。

步骤S306：判断数据是否在本层控制范围内，如果在本层控制范围内则进入步骤S308，如果不在本层控制范围内则进入步骤S307。其中层控制范围是本层以及附属的所有下层网络所能覆盖的AD区域(可能是物理的也可能是逻辑的)。

步骤S307：判断是否是层内中心节点，如果是层内中心节点则进入步骤S310，如果不是层内中心节点则进入步骤S309。层内中心节点是层内和上层节点有相互连接的节点，而层内普通节点是除层内中心节点以外的节点。

步骤S308：根据剩余位移标识。预测位移是源节点预测的到达目的节点所需经过的距离，剩余位移是预测位移减去已经进行的每一个动作后剩余的部分。在且仅在源节点处，预测位移等于剩余位移。

步骤S309：快速向上标识。是指MPLS技术中对数据分组加上头部标签的操作，与去标签相反。

步骤S310：数据转发，流程结束。

对于上述的路由实现算法，需要说明的是：1)减去端口对应位移的主体应该剩余预测位移集合；2)未标识的数据包必然来自上层或者下层，数据包在本层内的传输肯定已经标记过；3)如果数据来自于上层节点，那么必然已由上层判定，数据目的地在本层控制范围内。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种基于地理信息的IP地址规划方法，包括：

(1)规划骨干网的架构，使每一个上级骨干网节点与一个次级骨干网节点连接，使同一层级、同一分支的网络结构任意布置；

(2)将骨干网节点的IP地址划分为两部分，其中第一部分标识该骨干网节点的地理位置，第二部分标识该骨干网节点在本地的身份。

2.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，在步骤(1)中，当有骨干网节点违反架构原则时，通过节点逻辑变化使其遵循每一个上级骨干网节点最多与一个次级骨干网节点连接的原则。

3.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，在步骤(2)中，将该骨干网节点的IP地址划分为两部分，其中第一部分标识该骨干网节点的地理位置，第二部分标识该骨干网节点在本地的身份。

4.根据权利要求3所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该骨干网节点的IP地址的第一部分形如X.Y.Z，其中X为精确到分的经度，Y为精确到分的纬度，Z为骨干网级别，使用IPv6地址中的32比特来标识；该骨干网节点的IP地址的第二部分使用IPv6地址中的96比特来标识。

5.根据权利要求3所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该骨干网节点的IP地址形如A.B.C.D.E.F.G:U.V，其中A指明该骨干网节点在东/西经，B和C分别指明该骨干网节点所在的经度的度数值和分数值，D指明该骨干网节点在南/北纬，E和F分别指明该骨干网节点所在的纬度的度数值和分数值，G指明该骨干网节点所在的骨干网级别，U和V指明该骨干网节点在本地的身份。

6.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该方法还包括对传感器网络和无线自组织网络进行支持和扩展。

7.根据权利要求6所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，对传感器网络和无线自组织网络进行扩展的方法包括在节点使用端点-地址池映射或者预留IP的方式。

8.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该方法还包括对固定电话和移动电话的支持与扩展，其中通过预留IP的方式满足固定电话和移动电话的用户数量扩展。

9.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该方法还包括对假冒地址的防范：以骨干网节点之间的相对位移量作为判断地址是否真实的标准。

10.根据权利要求1所述的基于地理信息的IP地址规划方法，其特征在于，该方法还包括在步骤(2)之后的对IP地址的路由实现的步骤，包括：

(a)将端口接收到的数据减去该端口对应的位移；

(b)判断该数据是否已经被标识，如果已经被标识，则对在本层控制范围内的数据进行去标签再转发，对不在本层控制范围内的数据直接转发，流程结束，如果未被标识则进入下一步；

(c)判断该数据是否来自上层，如果来自上层，则根据剩余位移标识后转发，流程结束，如果不是来自上层则进入下一步；

(d)判断该数据是否在本层控制范围内，如果在本层控制范围内则根据剩余距离标识后转发，流程结束，如果不在本层控制范围内则进入下一步；

(e)判断该数据是否是层内中心节点，如果是层内中心节点则直接转发，流程结束，如果不是层内中心节点则做快速向上标识后转发，流程结束。

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