CN101867973A - 多维网络及其数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络技术领域，具体涉及构建于多种不同类型网络之间的多维网络及其通信方法，所述多维网络具有自组织特性；包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络标识符，并且具有多接口特性；任意两个节点都可以直接或者通过中继节点进行数据转发；所述中继节点至少接入2种接入网络并可进行数据转发；每一节点包括一多维网络模块，所述多维网络模块在数据包经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，进行多维网络层的封装，多维网络层的封装所添加的数据包头部包括源节点和目的节点的多维网络唯一标识符，多维网络模块在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，进行多维网络层的解包，读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，若目的节点是自己，则上传至传输层进行解包，否则进行转发。

Description

多维网络及其数据传输方法

技术领域

本发明涉及网络技术领域，具体涉及构建于多种不同通信方式的网络之间的多维网络(Multi-Dimensional Network，MDN)。

背景技术

通信技术近些年来得到了迅猛发展，层出不穷的通信系统为用户提供了异构的网络环境，包括有线网络，无线个域网(如Bluetooth)、无线局域网(如Wi-Fi)、无线城域网(如Wimax)、公众移动通信网(如2G、3G)、卫星网络，以及Ad Hoc网络、无线传感器网络等。尽管这些无线网络为用户提供了多种多样的通信方式、接入手段和无处不在的接入服务，但是，要实现真正意义的自组织、自适应切换，并且实现具有端到端服务质量(QoS)保证的服务，还需要充分利用不同网络间的互补特性，实现网络技术的有机融合，互通。

现有的网络技术中，还未有能够用不同的网络结构，不同的网络技术，来实现不同的应用，让各种网络互相协同的一种网络。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种多维网络，能够在异构网络环境下进行数据传输。

本发明的目的是这样实现的：包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络标识符；

任意两个节点都可以直接或者通过中继节点进行数据传输；

所述中继节点至少接入2种接入网络并可进行数据转发；

每一节点包括一多维网络模块，所述多维网络模块在数据包经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，进行多维网络层的封装，多维网络层的封装所添加的数据包头部包括源节点和目的节点的多维网络唯一标识符，多维网络模块在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，进行多维网络层的解包，读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，若目的节点是自己，则上传至传输层进行解包，否则进行转发。

若源节点和目的节点位于不同接入网络，则由中继节点进行数据转发。

中继节点检测自身可用的通信方式，并根据可用的通信方式和网络质量进行网络的平滑切换，选择最优的通信方式。

所述多维网络中还包括引导节点，用于引导与自身处于同一接入网络的新节点加入多维网络。

本发明还提供多维网络的数据传输方法，所述多维网络包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络唯一标识符；任意两个节点都可以直接或者通过中继节点进行数据转发；所述中继节点至少接入2种接入网络并可进行数据转发；所述多维网络的数据传输方法包括如下步骤：

在源节点，在数据包经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，将源节点和目的节点的多维网络唯一标识符封装到数据包的头部；

在中间节点，在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，解包读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，判定目的节点不是自己后，进行转发；

在目的节点，在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，解包读取目的节点的多维网络唯一标识符，判定目的节点是自己后，将数据包上传至传输层进行解包。

进一步，若源节点和目的节点位于不同网络，中继节点则进行数据转发，将数据包从一种接入网络转发至另一种接入网络。

本发明的有益效果是：多维网络实现了包括GSM网络、3G移动通信网络、无线数传网络、IEEE802.11无线网络、有线网络、卫星通信网络、有线通信系统等多种网络的真正融合，实现跨接入网络的无缝通信，让各种现有接入网络互相协同，在不同类型的网络中提供通用的网络服务应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

图1示出了本发明多维网络的结构示意图；

图2示出了本发明多维网络的体系结构示意图；

图3示出了本发明多维网络的多维网络协议栈示意图；

图4示出了本发明多维网络数据包封解包的流程示意图；

图5示出了本发明多维网络建立过程的示意图；

图6示出了本发明多维网络中节点间通信的流程示意图；

图7示出了本发明多维网络的结构示意图；

图8示出了本发明多维网络构建的流程示意图I；

图9示出了本发明多维网络构建的流程示意图II；

图10示出了本发明多维网络构建中的邻居节点确认的示意图；

图11示出了本发明多维网络路由发现的流程示意图I；

图12示出了本发明多维网络路由发现的流程示意图II。

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参见图1多维网络(Multi-Dimensional Network，MDN)是在广泛融合网络基础之上提出的一种具有自组织特性的虚拟网络，多维网络与现有网络具有兼容性及互操作性，可以工作在同种或异种网络之间，网络中的节点具有多接口特性，任意两个节点都可以直接或者通过中继节点转发从而实现通信，并且中继节点检测自身可用的通信方式，并根据可用的通信方式和网络质量进行网络的平滑切换，选择最优的通信方式，网络拓扑结构是动态变化的。

多维网络，包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络唯一标识符，并具有多接口特性，即节点可以拥有多种通信方式；所述节点中包括至少接入2种接入网络并可进行数据转发的中继节点；每一节点包括一多维网络模块，所述多维网络模块在数据包在经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，进行多维网络层的封装，多维网络层的封装所添加的数据包头部包括源节点和目的节点的多维网络唯一标识符，多维网络模块在数据包在经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，进行多维网络层的解包，读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，若目的节点是自己，则上传至传输层进行解包，否则进行转发。

多维网络能够用不同的网络结构，不同的网络技术，来实现不同的应用，让各种网络互相协同，最后连成一个无所不在的网络应用。

多维网络的设计目标是建立一个可以在不同类型的网络中提供通用的服务的网络，多维网络明显的好处是加强了不同类型网络中的主机(可能是在地理区域上相隔很大的距离)之间的相互通信。下面将以IP网络为例，描述多维网络体系结构组成。根据多维网络的定义，现有网络体系结构已经不能满足多维网络中节点间的通信要求，因此需要设计一种新的网络体系结构。多维网络体系结构的设计目标是可以同时满足现有IP网络和多维网络的通信要求。

参见图2多维网络体系结构从低到高分为五层，分别是网络接口层、互联层、多维网络层、传输层以及应用层。我们可以看出，多维网络体系结构与IP网络体系结构相比，新增了一层——我们定义为多维网络层MDN(Multi-Dimensional Network)。多维网络是多种网络的融合，单以IP地址作为标识符已无法满足通信要求，因此定义了多维网络唯一标识符MDA(Multi-Dimensional Address)，多维网络中的每个节点都具有唯一的MDA地址。在多维网络层工作的协议我们命名为MDRP(Multi-Dimensional Routing Protocol)。各层主要功能描述如下：

网络接口层

网络接口层也被称为连接层(Link Layer)或数据连接层(Data-Link Layer)，它是真正的网络迎接的接口。负责数据帧的发送和接收，数据帧是独立的网络信息传输单元。网络接口层将数据帧放在网上，或从网上把数据帧取下来。

互联层

互联层也被称作网络层(Network Layer)，它提供“虚拟”的网络(这个层把更高的层与比它低的物理网络结构隔开)。IP协议是这层最重要的协议。它是一个无连接的协议，它并不保证比它低的层的可靠性。IP协议并没有提供可靠性、流控制、或错误恢复。这些功能必须由更高的层来提供。IP协议提供了路由功能，它负责传送需要传送的信息到它的目的地。

多维网络层

多维网络层(Multi-Dimensional Network Layer)，它和互联层的功能很接近，都提供“虚拟”的网络(多维网络层屏蔽了互联层以下的网络)。多维网络路由机制工作在多维网络层，起到了在多种不同的通信方式之间进行信息的交互，以及底层通信网络的选择。通信网络的选择是多维网络的重点也是难点，将在具体的路由机制中进行详细说明。

传输层

传输层从一个应用程序向它的远程端传输数据以提供首尾相接的数据传输，可以同时支持多个应用。用得最多的传输协议是传输控制协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。

应用层

应用层提供给利用TCP/MDRP/IP协议进行通讯的程序。应用指的是一台主机上的用户进程与另一台主机上的进程协作。

多维网络协议栈分为网络接口层、互联层、多维网络层、传输层和应用层。如图3所示。

参见图3，多维网络中数据包传送的封装也是一层一层的增加，与现有网络处理过程一样。多维网络可以工作现有的IP网络中是因为路由器工作在网络层，对上层传送来的数据只进行一个简单的存储转发功能，不会改变数据，只有数据到达多维网络节点的时候才会进行数据包的处理。

根据多维网络的体系结构，我们举例说明多维网络的工作原理。参见图4，，有两个互不相通的IP网络N1和N2，节点C同时工作在网络N1和网络N2中，现在要解决的问题是节点A与节点B之间的通信。在现有网络情况下，节点A与节点B之间是无法通信的，但多维网络可以通过中间节点C进行数据转发，节点C工作在多维网络中的第三层。

下面我们详细说明节点A将数据包传送到节点B的通信过程，这里要说明的是节点R1和节点R2仅工作在第二层(也就是现有IP网络中的路由器)，节点A、B、C工作在多维网络的体系结构之上。节点R1与节点R2的数据包转发与IP网络中的过程是一样的，在这里就不阐述了。

节点A的数据包封装过程如图5所示，节点A将用户数据通过Socket把数据传递给多维网络层，多维网络层判断数据到达的目的节点，然后根据自己的通信方式选择一种最佳的通信方式，将封装好的数据包传递给下一层。

节点A将数据包传送直R1，R1根据现有网络中的路由协议将数据包转发至节点C，节点将数据包进行解包，由于节点C工作在多维网络第三层，所以能够判断数据包的去向，如果是到达自己的数据那么直接向上传送，否则进行转发。在这里，节点C肯定将数据包转发出去，由于节点C拥有两种通信方式，节点C需要选择一种能够到达节点B的通信方式，然后封装好数据包，再将数据包通过R2转发给节点B。

节点B收到数据包的解包过程如图5，数据包在到达多维网络层的时候判断数据包是否是发送给自己的数据，节点B判断数据包是发送给自己的，然后将数据包往上一层传送，至此，节点A将数据包通过中间节点C传递到了另一个互不相通的网络中的节点B。

目前，多维网络的路由机制由于各网络的异构性、用户的移动性、资源和用户需求的多样性和不确定性，还没有一个完善的实现方式。

多维网络是在多种接入网络共同存在的广泛融合网络上建立的一种虚拟网络，其路由机制工作在多维网络层，而对现有的单一IP网络路由机制具有兼容性。因此在考虑多维网络的路由机制时，可以从一种比较广泛的视角出发，对同一接入网络中节点的通信透明，同一接入网络中节点的通信仍可采用现有单一网络中的路由协议。在一个多维网络中，已经假定同一接入网络中任意两个节点都可以直接通信。并且多维网络中的节点需要检测自己所拥有的通信方式。

参见图7，节点C、D、I、J、G构建成一个多维网络，节点D在与节点C进行通信过程中，也许会经过该接入网络1中的路由器进行中转，而在多维网络中对这种中转情况透明化，类似于直接通信，即节点D在接入网络1中与节点C可以直接通信，在接入网络2中与节点I和J都可以直接通信。

节点类型：

邻居节点：在多维网络中，能直接通信的两个节点称为邻居节点。而在一个多维网络中，已经假定同一接入网络中任意两个节点都可以直接通信。因此，同一接入网络中的节点两两互为邻居节点。如图中对节点C，其邻居节点包括D；而对于节点D，其邻居节点包括C、I、J。

中继节点：在多维网络中，至少接入两种或两种以上接入网络并可担任数据转发功能的节点称为中继节点。如图中节点D、I都可作为中继节点。

引导节点：在多维网络中，用于引导新的节点或网络加入自己所属多维网络的节点称为引导节点。多维网络中任一节点都可作为引导节点。

在多维网络的路由机制中，每个节点实时维护两个表：路由表和邻居节点列表。路由表保存着各种传输路径的相关信息，供路由选择时使用。对于每组网络接口，路由表含有目的地址的网络ID、子网掩码和下一跳地址/接口。而邻居节点列表用于维护简单的邻居节点信息，包含本节点和邻居节点之间的链路的ID号、邻居节点所起的作用及其所拥有的通信方式、两节点间链路的状态。节点周期性地向邻居节点广播HELLO包，通过接收邻居节点的响应来获取与邻居的状态信息。

控制消息类型：

HELLO消息，周期性地向邻居节点发送，用以确保路径对称性，发现并维护邻居节点信息，并检测不可用的路径。HELLO消息主要包含ID号、邻居数、邻居列表。邻居列表是一个动态的一维数组，列出了它最近检测到的与它单向连通的邻居节点的ID号。

加入网络请求消息JREQ(Join Request Message)和加入网络请求应答消息JREP(Join Reply Message)。JREQ消息用于新加入节点向多维网络告知自己的相关信息，包含源节点所拥有的通信方式、与网络ID绑定的IP地址等。而JREP消息用于引导节点响应收到的JREQ消息，包含引导节点地址和邻居列表。

路由请求消息RREQ(Route Request Message)和路由请求应答消息RREP(Route Reply Message)。RREQ消息，包括目的节点地址和序列号、广播序列号、源节点地址和序列号、上一跳地址和跳数；RREP消息，包括源节点地址、目的节点地址和序列号、跳数和生存时间。

路由错误消息RERR(Route Error Message)。RERR消息包含不可达目的节点地址和序列号。

以下从网络构建、路由发现和路由维护三个方面描述本发明的路由方法。

网络构建：

多维网络是建立在广泛融合网络之上的虚拟网络，其规模具有极广阔的伸缩性，小可以小到单维网络单一节点，这可以作为多维网络构建的最原始状态，通过各个接入网络的各个节点的逐一加入而不断壮大网络规模，从而达到N维网络N个节点的状态。若将单节点也看成是一个独立的多维网络，那么节点加入多维网络的过程也成了网络加入网络的过程，这是多维网络构建的一个较为特殊之处。实际上，加入网络是两个多维网络融合成一个多维网络的过程。

从比较简单的单个节点加入多维网络的情况来分析，当一个多节点的多维网络加入另一个多维网络的情况与之类同。

单个节点加入多维网络时，新节点必须具备该多维网络中至少一种通信方式。因此，无论是多维网络中的节点还是要加入多维网络的新节点都必须检测自己所拥有的通信方式，即接入何种接入网络中。同时，新节点必须选择所加入的多维网络的相应引导节点，所选引导节点应该与新节点接入于同一接入网络中，新节点需获取到引导节点的唯一标识符和相应IP地址，参见图8、9，节点A要加入多维网络MDN中，可以以节点C或D作为引导节点，若以节点D为引导节点，需要知晓节点D的唯一标识符和属于接入网络1的IP地址。

当新节点A要加入多维网络时，启动一个节点加入过程：新节点A向引导节点D发送一个节点加入请求消息JREQ(Join Request Message)，引导节点D在收到JREQ分组后，更新路由表，同时会沿着逆向路由返回节点加入应答消息JREP(Join Reply Message)。节点A在获取到引导节点D的邻居节点集路由信息后，匹配自身网络ID与IP地址绑定，节点I和J由于与节点A不属于同一接入网络，不能直接通信，因此节点A将节点I和J作为节点D中转后可达来更新路由表。而节点C与节点A属于同一接入网络，但A仍不确定C是否为其邻居节点，此时需要依靠Hello数据包方式发现邻居信息，并形成最终近邻关系。

参见图10多维网络中的节点周期性地在当前多维网络中广播Hello消息，同时监听邻居节点的Hello信息。节点A在多维网络中广播的Hello消息被节点C接收，C将节点A添加到其维护的邻居列表中，同时也在多维网络中广播其Hello消息，节点A收到公告后将C添加到邻居列表中，同时查看C的邻居列表，发现C已经接收到之前A所发出的公告，A认定两者是邻居关系。在下一次公告时，C收到A的公告信息，同样也可以判断与A为邻居关系。通过这种握手机制完成相互发现的过程。易推导，节点在前两次公告后即可实现相互发现过程。

实现邻居发现后，节点通过链路监测机制，当在一连续时间段内没有收到邻居节点的Hello消息时，表示链路断开，则从邻居列表中将邻居节点ID号删除。

经过这些过程，节点A成功加入多维网络中，并且接入于同一接入网络中的节点A、C、D两两间互相认定对方为邻居节点，更新路由表。

在分析了只具有单一通信方式的单一节点加入多维网络的情况后，具有多种通信方式的单一节点加入多维网络的情况和一个多节点的多维网络加入另一个多维网络的情况与之类同。

路由发现：

由于多维网络建立在广泛融合网络之上，因此多维网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，而不会周期性地交互路由信息以得到所有其它节点的路由；同时各节点路由表只维护本节点到邻居节点的路由，而无须掌握全网拓扑结构。多维网络使用广播路由发现机制，依赖中继节点动态建立路由表来进行分组的传送。

当源节点S需要发送数据而又没有到目的节点D的有效路由时，启动一个路由发现过程。

在多维网络中，源节点S向自己的邻居节点A、C、E广播路由请求分组RREQ(Route Request Message)，如图11所示。允许中继节点响应RREQ。收到请求的节点可能就是目的节点，或者中继节点。

中继节点收到RREQ分组后，匹配自身的路由表项，如果没有该路由信息，则更新路由表。相反如果这个中继节点有到达目的节点的路由项，它会比较路由项里的目的序列号和RREQ分组里的目的序列号的大小来判断自己已有的路由是否较新。如果RREQ分组里的目的序列号比路由表中的序列号大，则这个中继节点不能使用已有的路由来响应这个RREQ分组，只能继续向其邻居节点广播这个RREQ分组。中继节点只有在路由项中的目的序列号大于或等于RREQ中的目的序列号时，才能直接对收到的RREQ分组做出响应。

如果节点有到目的节点D的最新路由，而且这个RREQ还未被处理过，这个中继节点将会沿着建立的逆向路由返回路由应答分组RREP(Route Reply Message)。在RREP转发回源节点S的过程中，沿着这条路径上的每一个节点都将建立到目的节点的同向路由，即记录下RREP是从哪一个邻居节点来的地址，然后更新有关源路由和目的路由的定时器信息以及记录下RREP中目的节点的最新序列号。源节点收到该RREP后则开始向对应目的节点发送数据。每个RREQ都有一个ID，当某一个移动节点收到RREQ之后，先检查看看之前是否也收过，如果收过了则将此数据分组丢弃，这样防止了RREQ无限充斥在整个网络中，而且避免移动节点的路由表中出现环路情况。

如果目的节点收到多条路径信息，如图12所示，有两条路径S-E-D，S-C-D都可到达目的节点D，在这种情况下则按照路由判据，如可用带宽、丢包率、端到端延时、跳数等之中的至少一项来选择最优的路径回复。

路由维护：

由于多维网络底层的接入网络类型复杂多变，已经建立的网络拓扑结构可能会随着各种情况而发生改变；链路的连通性也会动态发生变化，因此在多维网络中对需要对链路进行监测和修复，进行路由维护是多维网络的路由机制关键技术之一，用于确保所需路由的连通性。可以通过诸多手段来进行路由的维护，包括定期发送Hello消息、链路本地修复及链路本地修复失败后向源泉节点发送RERR以通知该链路断开。

在网络构建时所依靠的Hello数据包除了发现邻居节点外，还用于维护邻居节点信息。每个节点周期性地向邻居节点广播Hello消息，如果给定时间t后，邻居节点没有收到确认连接的Hello消息，则认为该节点已经与自己断开连接，将自己路由表中所有以该节点为下一跳节点的路由都设为失效状态。正在进行通信的节点在一段时间内如果没有发送任何数据，就主动在自己直接通信范围内广播Hello消息通知邻居节点自己的存在。收到该消息的节点延长相应邻居节点的生存时间。

在数据传输过程中，当中继节点检测到一条正在传输数据的活动路由的下一跳链路断开或者节点收到去往某个目的地节点的数据报文，而节点没有到该目的地节点的有效路由时，中间节点向源节点单播或多播路由错误分组RERR(Route Error Message)，源节点收到RERR后就知道存在路由错误，并根据RERR中指示的不可达目的地重新找路。源节点将会向其邻居节点广播一个RREQ分组，这个RREQ分组中的目的序列号要在源节点已知的最新目的序列号之上加1，以确保那些还不知道目的节点最新位置的中间节点对这个RREQ分组做出响应，从而能保证建立一条新的、有效的路由。

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.多维网络，其特征在于：

包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络标识符；

任意两个节点都可以直接或者通过中继节点进行数据传输；

所述中继节点至少接入2种接入网络并可进行数据转发；

每一节点包括一多维网络模块，所述多维网络模块在数据包经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，进行多维网络层的封装，多维网络层的封装所添加的数据包头部包括源节点和目的节点的多维网络唯一标识符，多维网络模块在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，进行多维网络层的解包，读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，若目的节点是自己，则上传至传输层进行解包，否则进行转发。

2.如权利要求1所述的多维网络，其特征在于：若源节点和目的节点位于不同接入网络，则由中继节点进行数据转发。

3.如权利要求1或2所述的多维网络，其特征在于：中继节点检测自身可用的通信方式，并根据可用的通信方式和网络质量进行网络的平滑切换，选择最优的通信方式。

4.如权利要求1或2所述的多维网络，其特征在于：所述多维网络中还包括引导节点，用于引导与自身处于同一接入网络的新节点加入多维网络。

5.多维网络的数据传输方法，其特征在于：所述多维网络包括多个节点，每个节点具有唯一的多维网络标识符；任意两个节点都可以直接或者通过中继节点进行数据转发；所述中继节点至少接入2种接入网络并可进行数据转发；所述多维网络的数据传输方法包括如下步骤：

在源节点，在数据包经过传输层的封装之后，互联层的封装之前，将源节点和目的节点的多维网络唯一标识符封装到数据包的头部；

在中间节点，在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，解包读取目的节点的多维网络唯一标识符并进行判断，判定目的节点不是自己后，进行转发；

在目的节点，在数据包经过互联层的解包之后，传输层的解包之前，解包读取目的节点的多维网络唯一标识符，判定目的节点是自己后，将数据包上传至传输层进行解包。

6.如权利要求5所述的多维网络的数据传输方法，其特征在于：若源节点和目的节点位于不同网络，中继节点则进行数据转发，将数据包从一种接入网络转发至另一种接入网络。

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