CN1348285A - 在物理介质上直接传输ip数据包的网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在物理介质上直接传送IP数据包的网络,以点到点、全双工方式进行通信,不需要介质访问控制功能。网络简化了帧的封装及其处理过程,提高了传输效率、减小了传输延迟。网络以IP交换装置为核心,IP终端设备均直接连接到IP交换装置的端口上,网络中IP终端设备的IP地址就是所连接IP交换装的端口的IP地址,自身不需配置任何网络参数,IP交换装置端口的IP地址与IP终端设备的IP地址一一对应,防止了地址盗用,提高了网络的安全性。

Description

在物理介质上直接传输IP数据包的网络

一、技术领域

本发明涉及计算机应用技术以及计算机信息网络的结构、传输方式、设备，具体地说，是一种在物理介质上直接传输IP数据包的网络。

二、背景技术

随着因特网的迅速普及和应用领域的逐步扩大，使得大多数局域网都已成为或将要成为因特网中的一员。众所周知，因特网是建立在TCP/IP协议基础上的网络，为了能够连入因特网，现在的计算机网络几乎都提供对TCP/IP协议的支持。不仅如此，可以进一步地预见将来的网络很可能是TCP/IP的一统天下。以下的说明就是基于“将来的网络将统一于TCP/IP”这样一种前提。

但是TCP/IP本身并未定义数据链路层和物理层，它可使用绝大多数通信子网已有的协议。具体对局域网来说，TCP/IP是建立在以太网802.3协议或令牌环网802.5协议之上的。例如，对于以太网基础上TCP/IP系统，其体系结构如图7所示。

以太网是在实际中应用最广泛的局域网，它几乎占据了局域网市场95％以上的份额。所以，以太网技术的变化将会对整个网络市场带来一些影响。

随着网络技术的发展，暴露出现有网络存在的一些问题：

2.1 以太网的不足之处

典型的以太网是一种基于总线的广播式网络，多个站点共享一个信道(即将许多站点连接到一根同轴电缆上)，并且采用了基带传输方式。发送信息时采用分布式的仲裁机制来解决冲突问题。如图8所示。

现在也有很多网络采用了集线器的集中式(星形)连接，但从本质上来说，它仍属于总线拓扑结构的广播式网络。以太网的上述工作方式基本上是受早期通信技术的影响而发展起来的，这种工作方式有以下两个不足之处。

2.1.1 物理地址问题

由于在广播式网络中一个站点发送的信息(帧)将被网络上所有其它的站点接收到。为了指明该信息帧是发送给谁的，以太网必须在信息帧中加上目的地址；同样，为了能使接收站向发送站发送响应，发出的信息帧中也要指明源站点地址。

地址字段的加入一方面使帧封装的开销增大，另一方面站点要对地址进行处理，也增加了帧的处理时间。

2.1.2 介质访问控制

多个站点共享一个信道就意味着冲突有可能发生。因此以太网要采取某种仲裁机制来使各个站点轮流使用信道，以避免多个站点同时发送所引起的冲突现象。在以太网中，这种机制称为载波检测多路访问/冲突避免(CSMA/CD)。冲突是共享信道的本质所决定，是不可避免的，它导致了以太网效率降低。通过分析可知，速率为10Mb/s以太网，当帧长度为256字节时其效率仅为60％左右。

2.2 TCP/IP的不足之处

在TCP/IP系统中，为了能够正常工作，用户需要在自己的计算机上设置一些TCP/IP参数，如IP地址、网关地址、DNS地址等，这会带来两个问题：其一是在计算机能够联网工作前，用户必须按要求设置好参数，然后重新启动机器使参数生效，这对普通用户来说是一个痛苦的过程。其改进目标应该能使用户的计算机不用任何设置即可工作，做到真正的即插即用。这对于家电上网是非常重要的。其二是用户既然可以自行设置IP地址，那么黑客就可以盗用合法用户的IP地址，伪装成合法用户来执行非法操作。

针对以上所述的现有技术部分存在的问题，本发明所涉及的网络技术对传统以太网进行一些改进，提出了一种在物理介质上直接传输IP数据包的新型网络结构。

三.发明内容

本发明采取的技术方案是：该网络中IP数据包在物理介质上直接传输，结点之间传输的帧只包含有帧定界、IP数据和CRC校验三个域；网络以IP交换设备为核心，连接各网络终端设备，网络终端设备与IP交换设备之间的数据传输采用点对点、全双工方式；在信道上无介质访问控制；网络支持即插即用功能；终端设备的网络地址参数不能由终端用户自已设定，而是由网络交换设备确定。

用于实现该网络的设备，其特点是，包括：

一个IP交换装置1，其具有若干个用于连接IP终端设备的下行端口和一个用于连接网络主干的上行端口，其内部结构主要包括网络接口、中央控制装置、交换引擎、高速地址缓冲以及操作系统软件；

至少一个以上IP交换装置2，其上行端口与IP交换装置1连接，并具有若干个用于连接IP终端设备3的下行端口，其内部结构同样包括网络接口、中央控制装置、交换引擎、高速地址缓存以及操作系统软件；

若干个IP终端设备3，用于和IP交换装置2的下行端口连接，自身无固定配置的IP地址，其IP地址必须向IP交换装置2申请或由IP交换装置2通告来确定；

本发明的其他一些特征是：交换引擎包含一路由交换表，该表包含了目的IP网络地址与输出端口的映射表，并包含各端口的状态信息。

路由交换表用来将IP数据包之目的IP地址映射为转发路径。

IP终端设备3是具有网络接口的各类用护智能设备，包括一个智能控制装置，其中包含中央处理器、存储器和设备接口，具有独立处理信息的能力；IP终端设备3设有网络接口，此网络接口用于实现与IP交换装置的接收与发送，能够实现在物理介质上直接传输IP数据包的功能；在中央处理器和网络接口的支持下，能与本发明的网络连接实现即插即用；设备自身不设置网络地址参数，地址参数由IP交换装置确定；可实现用户所需的其他特定功能，如机顶盒、电冰箱、微波炉、计算机以及冷暖控制装置等。

本发明所涉及的网络是以由微处理器、存储器、网络接口、专用操作系统和路由交换软件组成的IP交换装置为核心，IP终端设备均连接到IP交换装置的端口上，以点对点全双工方式进行通信，不需要介质访问控制功能。IP终端设备无需设置网络地址参数，在发送IP数据包时，它仅是简单地在IP数据包前后加上帧定界和错误校验信息，随即发送到交换设备，交换装置从源端口接收到的IP数据包中提取目的IP地址，查找路由交换表，得到目的端口，而后将IP数据包从目的端口转发出去。由于简化了帧的封装和及其处理过程，提高了传输效率、减小传输延迟。防止了地址盗用，提高了网络的安全性。

四.附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的IP网络接口卡结构示意图；

图3是本发明的IP网络系统内部结构示意图；

图4是本发明的交换设备系统结构示意图；

图5是本发明的交换设备的协议层次框图；

图6是本发明的终端设备中DHCP协议状态转换图；

图7是以太网TCP/IP系统体系结构图；

图8是以太网TCP/IP系统采用基带传输方式示意图；

图9是本发明的节点指针图。

五.具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的网络是一种在现有网络的基础上进行高度简化的网络，既可以用于局域网，也可以用于广域网环境。

5.1 IP Over介质

本发明的网络中，IP协议直接传输在双绞线或者光纤、无线等通信介质之上，数据传输的编码、成帧(包括帧定界和CRC校验)等均采用流行的Ethernet(10Mb/100Mb/1000Mb)标准，但没有介质存取访问控制机制，帧结构中除了帧定界和CRC校验以外，封装的数据直接为IP包。下图表示了网络中帧的格式。

帧定界(64位)

IP数据包

CRC(32位)

5.2 数据传输方式

点到点、全双工，无介质访问控制。

5.3 网络的构成

参见图1，网络采用IP交换设备1为核心，IP交换设备2与IP交换设备1互联，IP交换设备2与终端IP交换设备3互联。

5.3.1 IP交换设备

网络中，设置有2类IP交换设备：核心IP交换装置1、核心IP交换装置2和终端IP交换设备3。

IP交换装置1用于主连接，主要汇接不同的IP交换设备。IP交换装置1分为纯主干连接和混合连接两种，纯主干连接的IP交换装置1只用来汇接其他IP交换设备；混合连接的IP交换装置1即可以连接其他IP交换设备，也可以连接IP终端设备(但在设置接口类型时要予以指定，即该端口准备接那种类型的设备——是交换装置还是终端设备)。

IP交换装置2用于用户接入。它有1-2个上行端口和若干个下行端口，上行端口用于连接IP交换装置1，下行端口用于连接用户IP设备，的功能包括路由和IP数据报的转发。

IP交换装置2上的网络端口有2种：

● 用户端口，只用于连接IP终端设备。端口配置的IP地址即为与该端口

   连接的IP终端设备的IP地址。

● 网络端口，用于连接IP交换装置1。

以上虽然将IP交换设备分为两种类型，但这种划分仅是逻辑上的概念，交换设备内的软件实际上是同样的，仅是激活了不同的处理模块而已。

5.3.2 IP终端设备3

IP终端设备3是具有特定网络接口的各类用护智能设备，包括一个智能控制装置，其中包含中央处理器、存储器和设备接口，具有独立处理信息的能力；IP终端设备3设有网络接口，此网络接口用于实现与IP交换装置的接收与发送，能够实现在物理介质上直接传输IP数据包的功能；在中央处理器和网络接口的支持下，能与本发明的网络连接实现即插即用，而无需设置网络参数；可实现用户所需的其他特定功能，如机顶盒、电冰箱、微波炉、计算机以及冷暖控制装置等。

IP终端设备3本身无固定配置的IP地址，其IP地址必须向IP交换装置2申请(如连接到IP交换装置2的用户端口或系统启动时)或者由IP交换装置2通告(如IP地址策略因IP交换装置2上的配置活动而发生了改变)。也就是说，IP终端设备3上不需要配置任何网络地址参数，地址参数(如IP地址、缺省网关、域名等)，均由IP交换装置2自动分配。

5.3.3 网络系统内部结构

参见图3，IP网络系统内部结构包括操作平台，TCP/IP栈，交换引擎，交换引擎设置多个网络接口，并设有端口地址配置表、路由交换表、高速地址缓存。

5.4 网络协议

由于网络中的IP包是直接在介质上传输，故现有的许多物理层、链路层、网络层协议如SDH、HDLC、PPP、ATM、X25等都不再使用，只有TCP/IP协议族中IP层及以上各层的协议继续使用。物理层(数据编码、传输)的协议主要参照Ethernet中的有关标准。链路层也只使用非常简单的封装协议(如前所述)。

在网络中，为增强网络的管理，需要增加一些新的协议，通过在IP包的type域中增加新的代码来标识新协议类型，也可开发专用协议。

IP交换装置1与IP交换装置2之间交换的信息主要有：

● 路由、IP控制、转发的IP数据包等信息。

● 地址管理信息，反映网络连接的情况。

● 网络状态信息，反映网络当前的运行状态。

IP交换装置2和IP终端设备3之间交换的信息主要有：

● 正常的IP数据包。

● 管理信息，如IP交换装置2向IP交换装置2注册、IP交换装置2从IP

   交换装置2得到自己的地址、域名配置等信息。

5.5 IP地址管理

5.5.1 交换设备IP地址

为便于管理(如通过网络来配置交换设备)，在物理介质上直接传输IP数据包的网络中的每一台IP交换装置1和IP交换装置2都应该拥有一个IP地址，这个地址称为“交换设备自身地址(SDA)”，对于IP交换装置2的上行端口，或者IP交换装置1的上行端口是不设置IP地址的。例如，连接在IP交换装置2上的IP终端设备3为了访问图1中的IP交换装置1，就可以使用SDA作为IP包的目的地址。换句话说，对于IP交换装置2来讲，若收到的IP包的目的地址为IP交换装置1的SDA，则它们应该将该包从上行端口转发出去。

5.5.2 IP交换装置2端口IP地址

在前面对网络的描述中可知，对交换设备上每一个用于连接IP终端设备3的端口都必须分配一个IP地址——端口IP地址。而且一旦IP终端设备3与IP交换装置2建立了连接，IP终端设备3的地址就是它所连接的IP交换装置2的端口IP地址。

通过对交换设备自身地址(SDA)和端口IP地址的描述可知：

(1)可以认为IP终端设备3的网络接口延伸到了IP交换装置2上，即背靠背的。

(2)若IP终端设备3发出的数据包的目的地址就是它所连接的IP交换装置2端口的地址时，实际上接收该包的IP终端设备3就是它自己。

(3)当IP交换装置2收到的数据包的目的地址就是它的SDA地址时，IP交换装置2不应转发，而是要递交给自身的高层协议处理。

(4)当IP交换装置2收到的数据包的目的地址不是自己的SDA地址时，IP交换装置2必须予以转发。

5.5.3 IP交换装置2端口地址的分配策略

可以通过人工配置来设置IP交换装置2每个端口的地址，也可以通过地址管理信息从IP交换装置1得到。IP交换装置2端口IP地址的分配策略如下：

(1) 设置地址池时，地址的范围应连续；

(2) 地址池中的地址个数N应满足N≥M+1(M为IP交换装置2上用户端口的个数)。

(3) 地址池中最小的地址应分配给上行端口(或者说作为SDA使用)。

(4) 地址池中其余的地址顺序分配给各个端口(按从小到大的端口号顺序)。

例如，一个具有12个用户端口和1个上行端口的IP交换装置2，其地址池的范围可能是x.x.x.5-x.x.x.17。根据以上分配策略，地址池中的x.x.x.5分给上行端口(作为SDA)，用于访问IP交换装置2，而x.x.x.6-x.x.x.17则顺序分给1到12号用户端口。

一旦配置完成，除应将配置的IP地址绑定到各端口外，还应根据配置的情况立即更新路由交换表。

可以采取某种策略使得IP交换装置2的路由交换表的规模比较小，这是因为IP交换装置2的大部分端口(下连端口)都是用于连接终端设备，仅上连端口用于连接网络。而每个下连端口在路由交换表中只占一个表项，并把默认路由指向上连端口(对于目的地为其他网络的数据包可都从默认路由——即上连端口转发)，这样就使表项数基本上与端口数差不多。IP交换装置1因为要与其他交换设备或外部网络互联，所以它的路由交换表规模要大一些。设计时将二者统一处理，例如可将表的大小初步定为65536个表项，考虑到路由交换表具有地址聚合能力，这样的大小应可满足大多数中小型网络的需要。

5.5.4 路由交换表更新

IP交换装置1要根据从IP交换装置2收到的地址信息更新自己的路由交换表表项(包括静态、动态)。这就要求IP交换装置2定时向IP交换装置1通告自己的路由信息，当作了人工配置后也要即时通告给其他交换设备。

5.5.5 地址配置参数

配置的内容包括各个端口的地址、主机名、DNS地址、网关地址等。

5.6 路由交换表

对于IP交换装置2，其内部维护一个路由交换表PDT，格式如下：

IP交换装置2路由交换表APDT

目的IP地址	端口
		x.x.x.6	1
x.x.x.7	2
		......	......

Default

0

当IP地址分配完后，这张表也就定了。其中default项是固定的，端口0为上行端口。

IP交换装置2中的路由交换表与传统路由器的路由交换表的区别有以下几点：

1)由于IP交换装置2连接的都是终端设备，故表中的目的IP地址就是相应端口所连接的终端的IP地址，而不像传统路由器那样为目的网络的地址(实际上将子网掩码设置为全1就能达到此目的)。

2)IP交换装置2的用户接口与IP终端设备3直接相连，没有距离字段。

3)IP交换装置2的端口地址就是与其连接的IP终端设备3的IP地址，路径用本设备上各个端口的IP地址表示，而不像传统路由器那样为下一跳路由器的端口地址。

IP交换装置2根据从每个端口收到的数据包中的目的IP地址来查询路由交换表，并完成数据包的转发(目的地址为自身的除外)。

IP交换装置1同样也要维护一个路由交换表CPDT，但它还应具有一定的地址会聚功能。即把从终端IP交换设备或者其它核心IP交换设备获得的地址信息进行概括，更新自己的路由交换表。例如，在下面所示的IP交换装置1路由交换表中，地址会聚是针对1、2端口(连接IP交换装置2的端口)进行的，生成如a.b.c.d/x这样的格式，然后由路由协议通过7、8端口通知其它IP交换设备。地址会聚功能可以大大减少路由交换表的规模，加快路由查找速度。

考虑到地址会聚的功能，要求IP交换装置2的端口IP地址的分配应该是连续的，否则不便于进行地址汇聚。

每当路由交换表更新时，新的路由信息应立即通知其它交换设备。

IP交换装置1的路由交换表格式如下：

IP交换装置1路由交换表CPDT

IP地址或网络地址	端口
		x.x.x.6	1
x.x.x.7	1
		x.x.y.5	2
x.x.y.10	2
		....	....
202.112.11.0/24	7
		202.117.0.0/16	8
Default	0

5.7 高速地址缓存

在IP交换模块中设置高速地址缓存的目的在于加快IP数据包的交换速度。其基本原理是，具有某一目的IP地址的IP包第一次通过交换机时，因为高速地址缓存中没有它的路由，所以IP交换模块将通过常规的路由查找过程来获得它的路由，并通过该路由指定的端口进行转发，同时将该路由存入高速地址缓存。当具有同一目的IP地址的IP包再次通过交换机时，IP交换模块先在高速地址缓存中查找路由，一旦找到，就可直接转发，这样就大大加快了IP交换速度。

高速地址缓存的建立主要考虑以下几点：

1)因为直接对IP地址进行缓存(不是对子网号进行缓存)，再加上查表采用散列表技术，所以高速地址缓存将耗费大量的存储器空间，这可通过配置大容量内存予以解决(由于现在存储器的价格很低廉，而且目前的PC硬件平台上可支持的最大内存容量已达1-2GB)。

2)对非常大的表进行查找是一件很耗时的任务，故表的构造采用散列表技术，以加快表的查找。

3)每个表项具有一定的寿命，在一段时间内没有使用的表项应予以清除。所以应设置相应的计时器对表进行定时维护。

路由交换软件有两个主要组成部分。一部分包括用来进行选路的过程；另一部分包括用来增加、删除、改变路由的过程。

5.7.1 高速地址缓存的结构

为保证快速查找，高速地址缓存采用散列表结构。散列冲突采用开散列方法解决。表由一系列路由记录链表组成，如下所示。

端口号	类型	IP地址	主机名	DNS地址	网关地址	状态
							0	1	202.112.11.3	accounting	10.201.14.5	202.112.11.1	active
1	1	202.112.11.4	admin	10.201.14.5	202.112.11.1	active
							...	...	......	......	......	......	...

参见图9，表中的每个结点至少应包含以下内容：

目的IP地址

端口号

指向下一结点的指针

寿命

5.7.2表的建立

启动时：初始化程序应根据PDT表建立初始表项(通常包括由网络管理员设置的本地直连网络，静态路由项等)。

运行中：根据转发路由动态地调整高速地址缓存(增加、删除表项)。

表项的寿命在没有及时更新的情况下随运行时间的推移而逐渐变短，当寿命为0时，说明该表项已有很长时间没有被使用——该表项应被清除。这个操作可用一个定时器来实现。

5.8 IP路由选择

IP路由选择分为三个阶段：

1) 首先在高速地址缓存中查找转发路径。若找到，直接按指定路径转发，否则转下步；

2) 查找PDT。若找到，则将路径信息送入高速地址缓存，然后转发，否则转下步；

3) 按默认路由转发。

5.9 交换设备结构

5.9.1 物理结构

在物理介质上直接传输IP数据包的网络中的交换设备(IP交换装置1)是一台智能设备，本身包含微处理器、存储器、网络接口(多个)，有专用的操作系统和路由交换软件。

实现方法有多种，既可采用插有多块专用网络接口卡的标准计算机来实现，也可将其做成一个专用设备，无显示器，无键盘，OS固化，网络接口做在背板上或以模块方式提供。配置管理可通过Console端口或通过IP终端设备3完成。

5.9.2 交换设备结构

由接口、输入输出队列、IP交换模块、路由交换表、高速地址缓存以及其他辅助模块构成。参见图4。

5.9.3 协议层次结构

协议层次遵循TCP/IP标准，支持本机的TCP/IP应用。标准IP及以上层次的处理原则上仍由操作系统内的协议模块负责。IP交换软件仅对需要转发的数据报进行转发处理，而对发送到本主机的数据包仅仅是转发到本地主机接口而已。

由于地址处理部分变化较大，故IP交换模块需要对一些与IP地址解析有关的数据报进行过滤处理。

IP交换装置的协议层次关系如图5所示。

5.9.4 本地主机接口

IP交换模块除要在各个网络接口之间对数据包进行交换外，还必须对来自于本机高层协议软件或送往本机高层协议软件的数据报进行交换。为此，应在网络层增加一个“伪网络接口”，它既没有与之相关的设备驱动程序，也没有具体的硬件设施。所有发往“伪网络接口”的数据报都将被转交给本机的协议软件。设置“伪网络接口”的好处是：

1) IP交换模块对所有网络接口队列中的数据报可以统一处理，简化了IP交换程序；

2) 路由交换表中的表示方法与其他目的站点的表示方法完全一致；

3) 网络管理员能够像管理其他网络接口一样方便地管理本地接口。

5.9.5 IP网卡

参见图2，本发明所述网络中的IP网卡不能使用标准以太网卡，因为它传输的是具有特殊结构的数据包。IP网卡的构造如下：

包括：

一个网络接口控制器4

一个曼彻斯特编解码器8

一个数据接收/发送缓存6

一个总线接口7

网络接口控制器4与曼彻斯特编解码器8、数据接收/发送缓存6、总线接口7实现互联，总线接口7与系统总线9实现互联，曼彻斯特编解码器8与网络实现互联。

各部件完成的功能如下：

网络接口控制器4(NIC)——把发送的字节数据转换成串行数据，把接收的串行数据转换成字节数据、CRC校验、中断控制；

曼彻斯特编解码器8——实现曼彻斯特编码和解码；

数据接收/发送缓存6：(内部结构分为接收缓冲器、发送缓冲器)

接收缓冲器——暂存接收到的数据帧；

发送缓冲器——暂存要发送的数据帧；

总线接口7(BI)——网络接口与系统总线之间的数据传送。

IP网卡工作原理为：

接收——当从网络上有一个帧到来时(曼彻斯特编码的信号)，由曼彻斯特编解码器8将其转换为二进制流，此二进制流经由NIC中的CRC校验部件进行错误校验，如果没有错误即将其送至并串转换为字节流，并逐字节送到接收缓冲器暂存。当整个帧全部接收完毕，NEC便通知主机将此帧通过总线接口取走做进一步处理。

发送——当主机有一个帧需要发送到网络上时，主机将通知NIC，由NIC把要发送的数据包从主机的存储器中移入发送缓冲器中，而后NIC中的并串转换部件把发送缓冲器中的数据逐字节地串行化为二进制位流，接着二进制位流被逐位移入CRC校验部件以生成校验字，校验字被附在二进制位流后一起送到曼彻斯特编解码器8进行编码，然后发送到网络上。

IP网卡在IP终端设备3、IP交换装置2/IP交换装置1中通用，可做成不同的结构。

5.10 网络地址的配置

在物理介质上直接传输IP数据包的网络中IP终端设备3的IP地址是由IP交换装置2来分配。这就需要IP终端设备3启动时应与IP交换装置2协商(申请)其地址参数，协商过程中，IP交换装置2用事先配置好的地址参数予以响应。此外，当IP交换装置2中的地址池发生了变化后，也要主动将IP地址变化情况通告给IP终端设备3。而IP交换装置2中地址池的初始化既可以通过人工完成，也可以通过DHCP自动获得。为统一起见，IP终端设备3与IP交换装置2之间的地址协商也借用DHCP协议的思想，并作一定的简化。

5.10.1 IP交换装置2中地址池参数的自动获取

IP交换装置2中地址池参数的自动获取使用TCP/IP中标准的DHCP协议。根据DHCP的自动地址分配机制，在物理介质上直接传输IP数据包的网络网络中负责提供地址信息的服务器可以是一台交换设备(IP交换装置2、IP交换装置1)，也可以是一台PC服务器。

在网络中，IP地址与端口是一对一的映射，地址池配置完毕后，交换设备就按端口地址的分配策略将IP地址绑定到端口上，直到发生另外一次新的配置活动。所以，IP地址分配是半永久的，只要不发生新的配置，DHCP租用期永不到期。因此，租用期可在内部设置为无限长。

IP地址绑定到IP交换装置2端口上后，任何时候一旦有IP终端设备3连到IP交换装置2上，IP终端设备3就会主动与IP交换装置2联系，并申请自己的IP地址配置信息，这时IP交换装置2可根据该IP终端设备3所连接端口号从端口地址配置表中取出端口配置信息，并回送给该IP终端设备3。

5.10.2 终端设备IP地址的自动获取

终端设备通过与交换设备交换信息来协商IP地址参数。在交换中，交换设备为终端设备提供地址，终端设备确认它已接受此地址。一旦终端设备接受了一个IP地址，它就用此地址进行通信，直到收到一个新的地址变更通告。

为提高效率，IP交换装置2和IP终端设备3之间的地址协商对DHCP协议进行了较大的改动和简化。但为了叙述方便，下面凡是提到DHCP，只要未特别指出，均是指简化的DHCP协议。

5.10.3 地址获取状态

当终端设备使用DHCP获取IP地址参数时，它处于三个状态之一。图6是终端设备中DHCP协议状态转换图，图中每个边上列出了引起终端设备状态转换的消息。

地址协商过程如下：

IP终端设备3每次启动均从INIT状态开始。驱动程序初始化时负责向IP交换装置2申请地址一个IP地址，它发出一个DHCPDISCOVER报文并转移到REQ状态，IP交换装置2用DHCPOFFER报文进行响应。在REQ状态下，IP终端设备3从IP交换装置2获取DHCP响应，每个响应提供了IP终端设备3的配置信息及IP地址。IP终端设备3收到响应后就转移到BOUND状态。IP交换装置2若由于某种原因无法提供IP地址信息时，就发出一个DHCPNACK报文，IP终端设备3收到否认后回到INIT状态重新进行申请。

BOUND(绑定)状态是IP终端设备3的正常状态，在这个状态下，IP终端设备3已获取了一个合法的IP地址，并在报文中使用此IP地址作为源地址。在BOUND状态下，若IP终端设备3收到一个DHCPINFORM通知报文(意味着现在使用的IP地址不再合法)，应立即释放当前的IP地址，并退回到INIT状态，重新进行IP地址的协商(申请)。

5.10.4 IP地址使用的强制性

IP终端设备3获取IP地址后，就始终将它作为源IP地址使用。但对交换设为IP交换装置2对所有到达的IP报文都将执行以下动作：把报文中的源IP地址替换成报文所到达的那个端口的IP地址。这意味着客户机将不允许改变所获得的IP地址。即使用手工的方法对源IP进行了修改，交换机仍然会强行用端口IP地址将其覆盖。很明显，若客户机自行改变了IP地址，它将不会再收到任何IP报文，因为到达报文的目的地址与本机的IP地址不同，报文将在本机的IP层被丢弃。

P	HTYPE	HLEN	步跳数
				TRANSACTION ID(用于匹配请求和响应的整数)
客户机启动后逝去的秒数		FLAG
				客户机IP地址
你的IP地址
				服务器IP地址
路由器(网关)IP地址
				客户机硬件地址(16 BYTES)
服务器主机名(16 BYTES)
				启动文件名(128 BYTES)
选项(变长)

5.10.5 DHCP报文格式

本系统中使用标准的DHCP报文来进行地址协商，格式如下：

报文中各字段含义如下：

OP(操作类型)：1-请求，2-响应

HTYPE(网络硬件类型)：以太网＝1

HLEN(硬件地址长度)：以太网＝6

步跳数：若跨越路由器请求IP，每经过一个路由器，就将其加1。客户机在请求报文中将其置为0

TRANSACTION ID(事务ID)：一个随机产生的整数，用于匹配请求和响应包FLAG：最高位＝1，需广播响应(告诉服务器，响应要以广播形式发出)选项域包含许多可选项，对应于DHCP的前三个字节格式如下：

代码(53)

长度(1)

报文类型(1-8)

类型代码                报文类型              类型代码       报文类型

   1                  DHCPDISCOVER              5          DHCPACK

   2                  DHCPOFFER                 6          DHCPNACK

   3                  DHCPREQUEST               7          DHCLRELEASE

   4                  DHCPDECLINE               8          DHCPINFORM

其余字段用于协商IP地址。一般来说，终端设备应尽量填写它所知道的信息，不知道的字段填0。未填字段则由交换机填写。

为了能最大限度地与DHCP协议兼容，在物理介质上直接传输IP数据包的网络网络尽量利用标准的DHCP报文字段，并对原定义进行少量增加和改动，如下：

1) HTYPE字段值定义为55H。(前15个已有定义)

2) HLEN字段值定义为0。(无硬件地址)

3) 步跳数定义为0。(点到点连接)

4) 客户机IP地址填0。

5) 客户机硬件地址填0。(无硬件地址)

6) 其余字段：客户机均填0，由交换机填写地址信息。

7) 选项域中只使用1、2、6、8四种报文类型。

DHCP各字段的确定内容如下：

OP	55H	0	0
				TRANSACTION ID(用于匹配请求和响应的整数)
客户机启动后逝去的秒数		FLAG
				客户机IP地址
你的IP地址
				服务器IP地址
路由器(网关)IP地址
				0
服务器主机名(16 BYTES)
				启动文件名(128 BYTES)
53	1	报文类型

说明：

1) IP终端设备3与IP交换装置2之间的地址协商采用的DHCP工作方式与标准DHCP不太一样，标准DHCP以客户/服务器方式工作，客户机发请求，服务器回送确认。而在物理介质上直接传输IP数据包的网络中当交换机(在地址协商时工作在服务器状态)的配置改变后要强制客户机重新申请IP地址参数，故需要交换机主动发出地址强制更新命令。客户机收到此命令后回到初始化状态，重新进行地址协商过程。

2) 在在物理介质上直接传输IP数据包的网络中仍可使用标准的DHCP协议，用于为交换设备地址池分配IP地址。为了与以上所述特定DHCP包区分，可用HTYPE字段来识别，HTYPE＝55标识为特定DHCP包，否则为标准DHCP包。

5.10.6 交换机内部端口地址配置表的格式见下表：

内部端口地址配置表

端口号	类型	IP地址	主机名	DNS地址	网关地址	状态

其中：

端口号：网络端口的号码，1-n

类型：端口所连接之设备的类型。IP交换装置1＝0，IP交换装置2＝1，IP终端设备3＝2

IP地址：端口IP地址(由人工配置或动态配置)

主机名：所连接之设备的主机名

DNS地址：DNS服务器的IP地址

网关地址：网关的IP地址

状态：当前端口的工作状态。(故障、空闲、已连接、已绑定等)

本表中的内容均可通过特殊DHCP报文发给客户机。

5.10.7 对标准DHCP的处理

1)在IP终端设备3中，操作系统传送的标准DHCP请求(HTYPE≠55H)应在IP网卡驱动程序中予以过滤，直接用在初始化过程中获取的IP地址予以响应。

2)IP交换装置2的上行端口会接收到标准DHCP报文，它用于端口地址的配置。其下行端口则会收到从IP终端设备3发来的非标准DHCP(HTYPE＝55H)请求，该请求应在驱动程序中予以响应，而不要上交给高层协议或转发到其他端口。

注意，IP交换装置2的上行端口不会收到非标准DHCP报文，下行端口也不会收到标准DHCP报文。

Claims (5)

1.一种在物理介质上直接传输IP数据包的网络，其特征在于：网络中结点之间传输的帧只包含有帧定界、IP数据和CRC校验三个域；IP数据包在物理介质上直接传输；网络以IP交换设备为核心，连接各网络终端设备，网络终端设备与IP交换设备之间的数据传输采用点对点、全双工方式；在信道上无介质访问控制；网络支持即插即用功能；网络终端设备的网络地址参数不能由终端用户自己设定，而是由网络交换设备确定。

2.一种用于实现权利要求1所述的在物理介质上直接传输IP数据包的网络设备，其特征在于：

包括

一个IP交换装置[1]，

其具有若干个用于连接IP终端设备的下行端口和一个用于连接网络主干的上行端口，其内部结构主要包括网络接口、中央控制装置、交换引擎、高速地址缓冲以及操作系统软件；

至少一个以上IP交换装置[2]，

其上行端口与IP交换装置[1]连接，并具有若干个用于连接IP终端设备[3]的下行端口，其内部结构包括网络接口、中央控制装置、交换引擎、高速地址缓存以及操作系统软件；

若干个IP终端设备[3]，

用于和IP交换装置[2]的下行端口连接，自身无固定配置的IP地址，其IP地址必须向IP交换装置[2]申请或由IP交换装置[2]通告来确定。

3.根据权利要求2所述的在物理介质上直接传输IP数据包的网络设备，其特征在于：所述交换引擎包含一路由交换表，该表包含了目的IP网络地址与输出端口的映射表，并包含各端口的状态信息。

4.根据权利要求3所述的在物理介质上直接传输IP数据包的网络设备，其特征在于：所述路由交换表用于将IP数据包之目的IP地址映射为转发路径。

5.根据权利要求2所述的在物理介质上直接传输IP数据包的网络设备，其特征在于：所述IP终端设备[3]是具有网络接口的各类用户智能设备，

包括一个智能控制装置

智能控制装置由中央处理器、存储器和设备接口等组成，具有独立处理信息的能力；

设有网络接口

网络接口用于实现与IP交换装置的接收与发送，能够实现在物理介质上直接传输IP数据包的功能；在中央处理器和网络接口的支持下，能与网络连接实现即插即用；

自身不设置网络地址参数，地址参数由IP交换装置确定。

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