CN103139325A - 基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法和数据资源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法和数据资源调度方法，属于地理空间信息组织、地理信息系统和计算机网络领域。网络地址的设计方法为：获得包含用户主机管理数据资源的地理范围的最小GeoSOT剖分面片的二进制一维GeoSOT编码，得到64位主机编码；将该剖分面片所处层级转换为5位二进制编码，得到剖分层级编码；剖分层级编码和主机编码组合成GeoIP编码作为IPv6地址中的后69位，得到GeoIP地址；对GeoIP地址进行子网划分并设置子网掩码。数据资源组织方法为：设计用户主机的GeoIP地址；发送主机根据所获得数据涉及的地理空间范围确定接收主机的GeoIP地址；将数据和接收主机的GeoIP地址封装为GeoIP数据包并传递到接收主机。本发明适用于对网络空间数据资源的空时组织。

Description

基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法和数据资源调度方法

技术领域

本发明涉及一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法和数据资源调度方法，属于地理空间信息组织、地理信息系统和计算机网络领域。

背景技术

通常，原始遥感影像记录的形式是：首先记录观测时间，然后顺序记录视场范围内每一反射点位臵的观测值。这种“时空记录”方式深刻影响空间信息管理系统各个环节的操作。例如：我们经常按时间顺序把影像记录分为“在线、近线、离线”三种存储状态，由于在时空记录体系中，不同时间接收的数据记录存放在不同的文件中，而在进行数据资源的调度时，通常需要根据调度目标的区域范围进行数据调度，因此需要访问该目标范围内所有不同记录时间的数据，这就使得数据资源调度的效率大大降低。

要解决数据资源的高效率调度，可将地理空间关联至网络空间，在网络空间信息管理系统中对数据资源（如遥感影像数据）进行空时组织，从而在进行数据资源的调度时，只需根据调度目标的区域范围即可进行数据调度，能够提高数据资源的调度效率。

而实现对空间信息的“空时组织”，需要解决以下问题：第一，是要提供全球地理空间的剖分和标识的方案；第二，是要求计算机网络地址空间足够大，可以保证为足够小（例如，厘米级空间）地理空间分配唯一地址；第三，提出一种实现地理空间与网络空间的关联方案。

下一代互联网通信协议IPv6提供了充足的域名空间，而利用现有的IPv6的编码方式，无法赋予IP地址地理区域的含义，因此现有的IP域名空间无法对网路地址进行区域化标识。

如何实现地理空间与网络空间的关联成为数据资源的“空时组织”亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法和数据资源调度方法，在现有的IPv6的编码方式不能满足网络空间与地理空间相结合设计的情况下，采用GeoSOT编码方式，将地理剖分网格编码与网络地址相结合，以解决地理空间与网络空间相关联的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，具体步骤为：

步骤1、根据用户主机所管理数据资源的地理范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，该条件为：剖分面片为包含用户主机所管理数据资源的地理范围的最小剖分面片；该符合条件的剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为用户主机使用的GeoSOT剖分层级；

步骤2、获得符合条件的剖分面片的二进制一维的GeoSOT编码，当该GeoSOT编码不足64位时，余下的位臵1或0，得到主机编码；

主机编码包括有效位和臵数位；

步骤3、将用户主机使用的GeoSOT剖分层级转换为5位二进制编码，得到剖分层级编码；

步骤4、5位剖分层级编码和64位主机编码顺序组合构成GeoIP编码，共计69位；

步骤5、将上述得到的GeoIP编码作为IPv6地址中的后69位，得到GeoIP地址；

步骤6，对GeoIP地址进行子网划分，子网划分的方案为：

1级子网：GeoIP地址的前59位为1级子网网络号，第60-64位为1级子网的子网号；所述的1级子网为全球网络资源的网络节点；

N级子网：GeoIP地址的前59+2（N-2）+5为N级子网的网络号，网络号的后两位为N级子网的子网号，1＜N≤33；所述的N级子网为GeoSOT剖分方案中第N-1级剖分面片对应地理空间范围内数据资源的网络节点，其中1＜N≤33；

步骤7，针对所述的步骤6中的子网划分方式，第n级子网的子网掩码设臵策略如下：子网掩码共128位，GeoIP地址的前59位+第n级子网的网络号+子网号对应位的子网掩码为1，其余位子网掩码为0，1≤n≤33。

本发明还提供了一种数据资源调度方法，具体步骤为：

一、确定用户主机所管理数据资源的地理范围，依据上述基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，设计用户主机的GeoIP地址；

二、发送主机获得带有地理空间信息的数据，根据数据涉及的地理空间范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，记为数据剖分面片，该条件为：数据剖分面片为包含数据涉及的地理空间范围的最小剖分面片；数据剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为发送主机使用的GeoSOT剖分层级；

三、发送主机根据数据剖分面片，依据上述基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，确定数据的接收主机的GeoIP地址；

四、将接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址进行比对：若接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址一致，则发送主机将所述数据进行存储；否则将数据以及接收主机的GeoIP地址进行封装，获得GeoIP数据包；

五、发送主机将GeoIP数据包发送到网络，由路由器将接收主机的GeoIP地址与网络的子网掩码进行“与”操作来消除主机号，获得网络号和子网号，进行路由选择，借助多台路由器将GeoIP数据包传递到接收主机；

六、将GeoIP数据包进行拆封，接收主机获得数据，并对数据进行存储。

有益效果：

1、本发明提出一种网络地址设计方法，使IPv6在实现网络地址标识的同时具有地理区域的含义，从而将网络空间与地理空间相关联，同时以子网划分的方式构建了与地理空间相对应的存储和管理数据资源的网络节点，为实现对带有空间信息的数据资源进行空时组织提供了可能；

2、基于上述的网络地址的设计方案，本发明提出了一种数据资源调度方法，该方法打破了现有的时空记录体系的局限，通过将带有空间信息的数据进行对应存储和调用，真正实现了对空间信息的空时组织。

附图说明

图1-本发明GeoIP编码方案与GeoSOT剖分编码方案的关系；

图2-一维二进制GeoSOT网格编码方案示意图，其中d、m、s、u取值均为0或1；

图3-本发明中GeoIP地址的子网划分方案；

图4-GeoIP地址与GeoSOT网格对应关系。

具体实施方式

本发明公开了一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，该设计方法将GeoSOT剖分编码方式与IPv6相结合，设计出带有地理区域标识的IPv6网络地址，该方法用于解决地理空间与网络空间相关联的问题。基于此，本发明提出了一种数据资源调度方案，依据GeoSOT的编码规则，提出了的网络空间地址的子网划分方法，能够将地理剖分网格编码与网络地址相结合，根据子网对应的区域对区域中数据资源进行管理与分配，从而实现对数据资源的空间调度并且能够提高数据资源调度的实现效率。

首先GeoSOT剖分编码方案参见北京大学提出的专利申请：“一种统一现有经纬度剖分网格的方法”（公开号为CN102609525，申请日为2012年2月10日），该专利申请公开了一种GeoSOT地理网格设计方案，用于解决全球地理空间剖分和标识问题。

该方案采用全四叉树递归剖分，将地球表面空间从全球至厘米级共进行了32级剖分，每个GeoSOT剖分层级均有其对应大小的GeoSOT剖分网格，GeoSOT剖分网格上下层级之间的面积之比是1/4。GeoSOT剖分编码是对GeoSOT剖分网格进行编码，其一维二进制编码形式是对每一GeoSOT剖分层级中的GeoSOT剖分网格均采用2位二进制数进行编码，因此编码越长该GeoSOT剖分网格所处的GeoSOT剖分层级越高、GeoSOT剖分网格越细。由此可以看出，GeoSOT剖分编码长度可以隐含GeoSOT剖分层级。由于GeoSOT剖分层级共有32级，因此GeoSOT剖分编码的一维二进制编码最长64位。

GeoSOT剖分编码提供了五种编码方式，为使编码适合于计算机的操作，本实施例选用GeoSOT剖分编码中64位一维二进制编码。在使用GeoSOT其他编码方式的编码时，可将其他的编码方式转换为一维二进制编码。

本发明的网络地址设计包括IP地址设计和子网设计；

一、GeoIP地址设计

本发明选择国际互联网组织公布的下一代IP协议：IPv6，通过对IPv6进行改进，构建出基于GeoSOT剖分编码的IP地址，称为GeoIP编码。GeoIP编码结构如图3所示，其构建过程具体为。

1、根据用户主机所管理数据资源的地理范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，所述条件为：剖分面片为包含用户主机所管理数据资源的地理范围的最小剖分面片；该符合条件的剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为用户主机使用的GeoSOT剖分层级；

2、获得所述符合条件的剖分面片的二进制一维的GeoSOT编码，当该GeoSOT编码不足64位时，余下的位臵1或0，得到主机编码；

由于GeoSOT二进制1维编码长度不固定，其最长为64位。作为网络地址使用时，不利于网络地址的寻址操作。为了用固定长度的编码标识主机地理位臵，对于长度不固定的GeoSOT网格编码，当其不足64位时，余下的位臵1或0，例如本实施例中采用臵1的方式，由此得到64位的主机编码，可以看出主机编码包括有效位和臵数位。

3、将用户主机使用的GeoSOT剖分层级转换为5位二进制编码，得到剖分层级编码；

在单独使用64位的主机编码时，因有效位长度不固定，因此在解读主机编码时，无法区分64位中哪些是有效位，导致主机编码解读错误。由GeoSOT网格编码方案可知，二进制一维的GeoSOT剖分编码长度与GeoSOT剖分层级有关。因此为能够标识主机编码的有效位，本发明针对用户主机使用的GeoSOT剖分层级同样进行了编码；GeoSOT剖分层级共32级，而5位二进制编码可以表示0-31的数，因此可以将GeoSOT剖分层级转换为5位二进制编码。

4、5位剖分层级编码和64位主机编码顺序组合构成GeoIP编码，共计69位。由于加入了剖分层级编码，从而实现了对主机编码有效位的区分，使主机编码可以准确地标识地理空间。

如GeoSOT网格中0至3级的部分剖分网格，从GeoSOT网格编码到GeoIP之间对应关系如表1所示：

表1部分GeoSOT网格编码与GeoIP对应表

5、将上述得到的GeoIP编码作为IPv6地址中的后69位，得到GeoIP地址。

IPv6地址共128位，在分配网络地址时，对于前缀相同的网络地址，通常使用前缀后的其余位作为主机的网络地址，因此本发明将IPv6分为前59位和后69位：前59位作为事先分配的IPv6的网络前缀，标识主机所处的网络，用GeoIP编码作为Ipv6地址中的后69位，来标识不同主机。

由于GeoIP编码含有对一定地理空间范围的编码，因此采用本方法得到的GeoIP地址不仅能够实现对主机网络地址的编址，还可以标识主机所处的地理空间范围。

二、子网设计：子网划分和子网掩码设计

子网划分是通过借用IP地址的若干主机位来充当子网地址从而将原网络划分为若干子网而实现的，划分子网时，随着子网地址借用主机位数的增多，子网的数目随之增加，而每个子网的可用主机数逐渐减少，划分子网后，设计对应的子网掩码，子网掩码用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机所在的子网以及哪些位标识的是主机的位，使用子网掩码可判断IP地址的前多少位是网络地址，后多少位是主机地址，路由器可以使用子网掩码正确判断任意IP是否是本网段的，从而正确地进行路由。

在划分子网时，不仅要考虑目前需要，还应了解将来需要多少子网和主机。

本方案所采用的子网划分方案，是考虑到GeoIP地址中所包含的GeoIP编码具有地理含义，本方案所划分的子网可以作为某个地理空间范围内数据资源的网络节点，可以为根据地理位臵对数据资源进行调度奠定基础。本方案在对GeoIP地址进行子网划分之后设计了与子网相对应的子网掩码。

每一个GeoIP地址都具有各级子网的网络号和子网号，在进行了上述基于GeoSOT剖分编码的GeoIP地址的设计之后，使用以下步骤对GeoIP地址进行子网划分：

步骤6，对GeoIP地址进行子网划分，每个子网分别为一定地理空间范围内的数据资源的网络节点；子网划分方式以及子网与地理空间映射关系如下：

1级子网：GeoIP地址前59位为1级子网的网络号，第60～64位为1级子网的子网号；可见，GeoIP地址中的剖分层级编码为1级子网的子网号；1级子网为全球数据资源的网络节点；

N级子网：GeoIP地址的前59+5+2（N-2）位为2级子网的网络号，网络号之后的两位为N级子网的子网号，1＜N≤33；N级子网为GeoSOT剖分方案中第N-1级剖分面片对应地理空间范围内数据资源的网络节点；

例如，一个剖分网格编码为01-10-01的三级剖分网格，其剖分层级为3，对应的5bit剖分层级编码为00010，由此得到该剖分网格的GeoIP编码：00010-01-10-01。由于其字长不足69位，则在上述编码的右边添加“1”，直至第69位。最后得到的GeoIP编码为00010-01-10-01-11……11。假设选用的IPv6前缀为：12A B:0:0:C D3/59，则GeoIP地址为：

12A B:0:0:C D3/59-00010-01-10-01-11……11

该IP地址的1级子网的网络号为：12A B:0:0:C D3；

该IP地址的1级子网的子网号为：00010；

该IP地址的2级子网的网络号为：12A B:0:0:C D3/00010；

该IP地址的2级子网的子网号为：01；

该IP地址的3级子网的网络号为：12A B:0:0:C D3/00010-01；

该IP地址的3级子网的子网号为：10；

该IP地址的4级子网的网络号为：12A B:0:0:C D3/00010-01-10；

该IP地址的4级子网的子网号为：01；

以上子网划分方案是根据GeoIP地址中所隐含的GeoSoT剖分层级来划分子网，每个子网对应某层级的GeoSoT剖分网格，该GeoSoT剖分层级的GeoSoT剖分网格由多个高于该GeoSoT剖分层级的其他GeoSoT剖分层级的GeoSoT剖分网格组成。从而能够实现地理空间与网络地址的映射关系。其映射关系如下：

1级子网将全球数据按照GeoSOT剖分层级分为32个层级，其中由子网号为00000～11111的1级子网别一对一地对应1～32级剖分面片的集合，则1级子网可作为全球数据资源的网络节点；

结合表1所示的GeoSOT剖分面片一览表：

表1GeoSOT剖分面片一览表

每个2级子网对应的是1级剖分面片，则每个2级子网作为1/4全球数据资源的网络节点；

依次类推：

每个7级子网对应的是6级剖分面片，则每个7级子网作为1024公里区域内数据资源的网络节点；

每个8级子网对应的是7级剖分面片，则每个8级子网作为512公里区域内数据资源的网络节点；

……

每个32级子网对应的是31级剖分面片，每个32级子网作为3.1厘米区域内数据资源的网络地址节点；

对嵌入GeoIP编码的IPv6进行上述子网划分之后，每个子网对应一个管理一定地理空间范围数据资源的网络地址节点。则针对该地理空间范围的数据资源可以在对应的网络地址节点进行存储、分配和管理，从而实现了数据资源的空时组织。

步骤7，对GeoIP地址进行上述子网划分之后，其所对应的子网掩码的设计遵循IPv6协议中子网掩码的设计规则，用于对GeoIP地址中臵数位进行屏蔽。第N级子网的子网掩码设臵策略如下：子网掩码共128位，GeoIP地址的前59位+第N级子网的网络号+子网号对应位的子网掩码为1，其余位子网掩码为0。

例如，对于上面GeoIP地址：12A B:0:0:C D3/59-00010-01-10-01-11……11的例子，根据子网掩码的设计规则，不考虑子网掩码前59个1，GeoIP地址对应的子网掩码为：11111-11-11-11-11-00….00（后面0的位数省略表示）。在实际应用时，将子网掩码与GeoIP地址进行“逻辑与”操作，则得到的结果为12A B:0:0:C D3/59-00010-01-10-01-00……00。

具体剖分掩码的设计实例如表2所示。

表2部分GeoSOT剖分编码与GeoIP对应表

以上剖分掩码的设计可以对GeoIP地址中前多少位是网络地址，后多少位是主机地址进行判断，该设计可使得每个GeoSoT剖分网格都对应唯一一个GeoIP地址与剖分掩码的组合。

针对如上所述的基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，本发明同时提出了一种数据资源调度的方法，主要使用GeoIP地址对一定地理空间范围内的数据资源进行存储和调度。其具体方案如下：

一、根据用户主机所管理数据资源的地理范围，依据上述基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，设计用户主机的GeoIP地址；

二、发送主机获得带有地理空间信息的数据，根据数据涉及的地理空间范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，记为数据剖分面片，该条件为：数据剖分面片为包含数据涉及的地理空间范围的最小剖分面片；数据剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为发送主机使用的GeoSOT剖分层级；

三、发送主机根据数据剖分面片，依据上述基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，确定数据的接收主机的GeoIP地址；

即对于数据的接收主机来说，设定其所管理数据资源的地理范围，在该数据剖分面片所确定的地理范围之内，且该数据剖分面片为包含数据的接收主机所管理数据资源的地理范围的最小剖分面片。

四、将接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址进行比对：若接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址一致，则发送主机将所述数据进行存储；若接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址不一致，则将所述数据以及接收主机的GeoIP地址进行封装，获得GeoIP数据包。

使用发送主机上的IP软件按照现有的IP数据包封装方法，对数据以及接收主机的GeoIP地址进行封装。

五、发送主机将所述GeoIP数据包发送到网络，传递到接收主机。

GeoIP数据包的传递基于现有的IP数据包的传递方法，即首先将GeoIP数据包由发送主机发送到网络上，工作在互联网层的路由器设备在路由时，需要将接收主机的GeoIP地址与网络的子网掩码进行“与”操作来消除主机号，获得网络号和子网号，然后在路由表中查找此网络号和子网号：如果接收主机的GeoIP地址在一个远程网络上，那么，GeoIP数据包被转发到表中指定的接口上的下一台路由器；如果接收主机的GeoIP地址指向一台本地主机，那么该本地主机即为接收主机，GeoIP数据包直接发送给该本地主机。如果在路由表中找不到分组的目标网络的话，路由器将此分组转发给一台有更多扩展表的默认路由器。

六、将所述GeoIP数据包进行拆封，接收主机获得所述数据，并对数据进行存储。

依据上述方案，当网络中的用户主机获得带有地理空间信息的数据，则每台用户主机均可视为发送主机，进行如上步骤的操作之后，该带有地理空间信息的数据即被发送至其地理空间信息所指向的用户主机，即接收主机，接收主机对该带有地理空间信息的数据进行存储，由此可以看出，上述方案所提出的一种数据资源调度的方法，能够使用户主机根据其地理位臵和影响范围确定其所管理数据资源的地理范围，并对与该地理范围相关的数据资源进行存储，对于该地理范围无关的数据资源进行传递，由此实现了对数据资源的空时组织，从而在进行数据资源的调度时，只需根据调度目标的区域范围即可进行数据调度，能够提高数据资源的调度效率。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、根据用户主机所管理数据资源的地理范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，所述条件为：剖分面片为包含所述用户主机所管理数据资源的地理范围的最小剖分面片；该符合条件的剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为用户主机使用的GeoSOT剖分层级；

步骤2、获得所述符合条件的剖分面片的二进制一维的GeoSOT编码，当该GeoSOT编码不足64位时，余下的位置1或0，得到主机编码；

所述主机编码包括有效位和置数位；

步骤3、将用户主机使用的GeoSOT剖分层级转换为5位二进制编码，得到剖分层级编码；

步骤4、5位剖分层级编码和64位主机编码顺序组合构成GeoIP编码，共计69位；

步骤5、将上述得到的GeoIP编码作为IPv6地址中的后69位，得到GeoIP地址；

步骤6，对GeoIP地址进行子网划分，子网划分的方案为：

1级子网：GeoIP地址的前59位为1级子网网络号，第60-64位为1级子网的子网号；所述的1级子网为全球网络资源的网络节点；

N级子网：GeoIP地址的前59+2（N-2）+5为N级子网的网络号，网络号的后两位为N级子网的子网号，1＜N≤33；所述的N级子网为GeoSOT剖分方案中第N-1级剖分面片对应地理空间范围内数据资源的网络节点，其中1＜N≤33；

步骤7，针对所述的步骤6中的子网划分方式，第n级子网的子网掩码设置策略如下：子网掩码共128位，GeoIP地址的前59位+第n级子网的网络号+子网号对应位的子网掩码为1，其余位子网掩码为0，1≤n≤33。

2.一种数据资源调度方法，其特征在于，具体步骤为：

一、确定用户主机所管理数据资源的地理范围，依据如权利要求1所述的基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，设计用户主机的GeoIP地址；

二、发送主机获得带有地理空间信息的数据，根据数据涉及的地理空间范围，在使用GeoSOT剖分编码方案对全球地理范围进行剖分得到的多层剖分面片中，找到一个符合条件的剖分面片，记为数据剖分面片，所述条件为：数据剖分面片为包含所述数据涉及的地理空间范围的最小剖分面片；数据剖分面片所处GeoSOT剖分层级记为发送主机使用的GeoSOT剖分层级；

三、发送主机根据所述的数据剖分面片，依据如权利要求1所述的基于GeoSOT剖分编码的网络地址设计方法，确定所述数据的接收主机的GeoIP地址；

四、将所述接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址进行比对：若所述接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址一致，则发送主机将所述数据进行存储；若所述接收主机的GeoIP地址与发送主机的GeoIP地址不一致，则将所述数据以及接收主机的GeoIP地址进行封装，获得GeoIP数据包；

五、发送主机将所述GeoIP数据包发送到网络，由路由器将接收主机的GeoIP地址与网络的子网掩码进行“与”操作来消除主机号，获得网络号和子网号，进行路由选择，借助多台路由器将GeoIP数据包传递到接收主机；

六、将所述GeoIP数据包进行拆封，接收主机获得所述数据，并对数据进行存储。

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