TW201633758A - 具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法，應用至一無線網路系統，該無線網路系統包括至少一無線終端裝置、至少一無線基地台及複數個網路節點，其中，該無線基地台接收到網路節點傳來之一網路封包後，其內之一目的位址過濾器及一特徵過濾器會分別根據一連接列表及一特徵規則集，判斷該網路封包是否欲傳送至與該無線基地台相連接之無線終端裝置，及判斷該網路封包之第一特徵碼是否符合一第二特徵碼，並根據判斷結果決定是否丟棄該網路封包。如此，該無線基地台即可不需傳送非必要的網路封包至與其相連接之無線終端裝置。

Description

具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法

本發明係關於傳輸網路封包的方法，尤指一種在無線基地台上設有一目的位址過濾器與一特徵過濾器，以使該無線基地台能先行過濾不需傳送非必要的網路封包至與其相連接之無線終端裝置的方法。

查，由於網路的蓬勃發展，促使了商業性之網際網路服務業者(Internet Service Provider，簡稱ISP)的快速成長，使得該網際網路服務業者除了提供全球資訊網(World Wide Web簡稱WWW)的服務外，亦開始提供民眾其它類型的網路服務，如：網路檢索(search)、線上遊戲(Online Game)、網路銀行(Network Bank)、電子郵件(e-mail)、檔案傳輸(FTP)、電子佈告欄(BBS)、遠程終端模擬(telnet)等，時至今日，人們已習慣藉由前述網路服務之無遠弗屆的特性，獲得更多的網路資訊，以滿足個人生活及工作上的各項需求。

近年來，隨著無線網路技術的精進及各種無線網路協定(如：IEEE 802.11、WiMAX…等)的制定，架設無線網路拓樸(Topology)幾乎成為人們的首選，主要在於無線網路的架設並不需考量實體線路的佈設位置，且終端裝置(如：智慧型手機、筆記型電腦、平板電腦…等)在被使用者移動位置的過程中，亦不會受到網路線干擾或牽絆，而得以持續接收無線電磁訊號，以便使用者能不中斷地使用各種網路服務，故能大幅提高使用者在上網時的便利性。根據台灣網路資訊中心(TWNIC)針對居住在台灣且年滿12歲以上之民眾，進行無線網路使用狀況調查的結果而言，有高達81.19%的民眾會透過筆記型電腦、桌上型電腦與智慧型手機等終端裝置，使用無線區域網路(WLAN)上網，意即，愈來愈多人已習慣使用無線網路。

雖然，無線網路具有諸多好處，但在使用上仍存有缺點，一般言，現有的無線網路拓樸是利用多個無線網路裝置(Access Point，簡稱AP)建構起來，前述之無線網路裝置可為無線基地台、路由器、中繼器、橋接器…等裝置，且是利用載波偵聽多路存取/碰撞避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，簡稱CSMA/CA)方式來發送網路封包，以取代有線網路之載波偵聽多路存取/碰撞檢測(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，簡稱CSMA/CD)方式，主要原因在於無線網路相較於有線網路而言，並不易準確偵測是否有碰撞發生，但前述設計方式，在無線網路布建較為密集或是無線網路節點(Wireless Node)眾多的區域，將會造成無線網路裝置於傳輸網路封包時，受到更多的干擾，使得無線網路裝置必需處理過多不必要的網路封包，進而耗費過多的電力。

為詳細說明前述情況，請參閱第1圖所示，現有混合無線與有線架構的區域網路1，通常會使用一中控伺服器10來管理其內的網路裝置，且在無線架構部分大多採用無線橋接器(Wireless Bridge)作為佈建的無線基地台11，其中，該無線基地台11會與該中控伺服器10相連接，以接收該中控伺服器10的相關連網設置，又，當有終端裝置13欲連接至網路時，其需先連接至該無線基地台11，以能取得對應的連網設置並完成後續之驗證程序，另，由於該無線基地台11是以橋接方式運行，因此，在該區域網路1內流竄的訊框(frame)也會一併被發送至無線環境中，使得該無線基地台11需對前述訊框進行處理；再者，使用者通常會以多個無線基地台11來增加無線服務的涵蓋範圍，此舉，將會造成該等無線基地台11彼此間的無線服務區域相互覆蓋，使得各該無線基地台11接收到許多欲傳送至其它無線基地台11的網路封包或訊框；前述情況，除了使無線基地台11必需處理大量與自身無關的網路封包或訊框，更會提高無線訊號傳送時的碰撞機率，進而降低了傳輸速率。

綜上所述可知，對於利用電池作為電力來源的無線網路裝置來說，處理大量非必要的網路封包或訊框，顯然會大幅降低該無線網路裝置的續航力，令使用者必需時常更換該無線網路裝置的電池，造成使用上的困擾與不便利性，同時，亦會提高無線訊號傳送時的碰撞機率，影響傳 輸速率，如此一來，不僅會令使用者主觀認為該無線網路裝置的設計不良，降低使用者的使用意願，更會影響到業者的銷售成績與使用者的品牌忠誠度，因此，如何提供一種更為優異之傳輸網路封包的方法，且不會對原有網路之運作造成任何不良影響，即成為各無線網路業者極為重視，且尚待努力解決的一重要課題。

有鑒於前述傳統無線網路於使用過程中，無線網路裝置會處理過多不必要的網路封包，造成其自身電力損耗，因此，發明人乃根據多年來從事網路設備的技術經驗，及所累積的專業知識，針對無線網路的特性，悉心研究各種解決方案，並經不斷研究、實驗與改良後，終於開發設計出本發明之一種具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法，以期藉由該方法，能夠減少網路封包(即，無線電磁訊號)彼此間干擾的機會，且能免去無線網路裝置接收到非必要之網路封包所需花費的處理電力。

本發明之一目的，係提供一種具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法，以能夠先行濾除非必要之網路封包(packet)或資料訊框(Data Frame)，該方法應用至一無線網路系統，該無線網路系統包括至少一無線終端裝置、至少一無線基地台及複數個網路節點，其中各該網路節點會發送出一網路封包，該網路封包包括一第一目的位址與一第一特徵碼(第一特徵碼代表一封包格式，如：ARP Request、特定廣播封包)，各該無線基地台係與各該無線終端裝置(如：筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦…等)相無線連接，其內設有一連接列表(Client Table)、一特徵規則集(Characteristic Rule Set)、一目的位址過濾器(Destination Filter)與一特徵過濾器(Characteristic Filter)，其中該連接列表中記錄有與其連接之各該無線終端裝置的第二目的位址，該特徵規則集中則記錄有至少一個第二特徵碼(第二特徵碼代表一封包格式，如：ARP Request、特定廣播封包)，各該第二特徵碼係表示無需進行後續處理之封包格式；當該無線基地台接收到該網路節點所傳來之該網路封包後，該目的位址過濾器讀取該網路封包之一第一目的位址，並判斷該第一目的位址是否符合該連接列表中之一個第二目的位址？若否，則丟棄該網路封包；否則，該特徵過濾器會依序判 斷各該第一特徵碼是否符合該特徵規則集中之一個第二特徵碼？若是，則丟棄該網路封包，若否，則將該網路封包傳送至對應之無線終端裝置。如此，藉由該目的位址過濾器與特徵過濾器之設計，即可使該無線基地台迅速地判斷出所接收到的無線網路封包是否需進行處理或需傳送至後續的無線終端裝置，令該無線基地台或無線終端裝置不需處理非必要的網路封包，以能降低其耗損電力。

為便 貴審查委員能對本發明目的、技術特徵及其功效，做更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

〔習知〕

1‧‧‧區域網路

10‧‧‧中控伺服器

11‧‧‧無線基地台

13‧‧‧終端裝置

〔本發明〕

2‧‧‧無線網路系統

21‧‧‧無線終端裝置

23‧‧‧無線基地台

231‧‧‧連接列表

233‧‧‧特徵規則集

235‧‧‧目的位址過濾器

237‧‧‧特徵過濾器

25‧‧‧網路節點

3、3A、3B‧‧‧第二特徵碼

31、311A、311B、311C、311D、312A、312B、312C、312D‧‧‧位移欄位

33、331A、331B、331C、 331D、332A、332B、332C、332D‧‧‧長度欄位

35、351A、351B、351C、352A、352B、352C‧‧‧特徵碼欄位

401~407‧‧‧步驟

第1圖係習知混合無線與有線架構的區域網路之示意圖；第2圖係本發明之無線網路系統之示意圖；第3圖係本發明之第二特徵碼之示意圖；第4圖係本發明之第二特徵碼為ARP Request之示意圖；第5圖係本發明之第二特徵碼為Dropbox LAN Sync Discoveryt之示意圖；及第6圖係本發明之流程圖。

按，根據OSI(Open System Interconnection)七層協定之定義內容可知，越接近硬體的階層為底層(layer 1)，越接近應用程式的則為高層(layer 7)，且每一個階層只會識別同一階層的資料，因此，在傳輸資料時，傳送方會將資料由高層至低層，依序包裹資料，接收方則會由低層至高層，依序拆開包裹以檢視其內的資料，另，每一階層的包裹分別設有一表頭資料(header)，以供被識別其內的資料為何，其中，由於第二層(layer 2)之資料鏈結層(Data-Link Layer)是位在第一層(layer 1)之實體層(Physical Layer)與第三層(layer 3)之網路層(Network Layer)之間，因此，其需處理軟體封包(packet)及硬體訊框(frame)間的資料轉換，故，發明人係根據前述特性而設計出本發明之方法，以使無線基地台能根據訊框內容或封包內容，而濾除不必要的無線網路封包，進而達到整體無線網路系統 之節能功效。

請參閱第2圖所示，本發明係一種具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法，應用至一無線網路系統2，在一實施例中，該無線網路系統2中包括至少一無線終端裝置21、至少一無線基地台23及複數個網路節點25，其中，該無線終端裝置21能與該無線基地台23相無線連接，且能傳送網路封包至該無線基地台23，該無線基地台23係與該無線網路系統2中的各該網路節點25(如：中控伺服器、工作站、個人電腦…等)相連接，以能傳送網路封包至各該網路節點25，或接收來自各該網路節點25的網路封包，另，該網路節點25所發送之網路封包中，至少包括一第一目的位址與一第一特徵碼，該第一目的位址係為該網路封包所欲傳往之目的位址，以使該無線基地台23能根據該第一目的位址而將該網路封包傳送至對應的無線終端裝置21，又，當該網路封包的類型不同時，例如：ARP Request、Dropbox LAN Sync Discovery…等，其自身會存在對應的封包格式，前述之封包格式即會構成第一特徵碼，意即，本發明不會對現有之網路節點25所發送出之網路封包的內容，進行任何更動。

復請參閱第2圖所示，該無線基地台23內設有一連接列表231(Client Table)、一特徵規則集233(Characteristic Rule Set)、一目的位址過濾器235(Destination Filter)與一特徵過濾器237(Characteristic Filter)，其中，該連接列表231記錄有至少一個第二目的位址，該第二目的位址係表示與該無線基地台23相連接之無線終端裝置21的位址，因此，該無線基地台23在接收到網路封包後，能夠根據該連接列表231的內容，而將該網路封包傳送至對應的無線終端裝置21，另，該特徵規則集233中則記錄有至少一個第二特徵碼，各該第二特徵碼係表示無需進行後續處理之封包格式，例如：ARP Request、Dropbox LAN Sync Discovery…等，再者，該無線基地台23能夠藉由該目的位址過濾器235對接收到之網路封包的訊框進行辨識，以取得該網路封包的第一目的位址，又，該無線基地台23尚能夠藉由該特徵過濾器237對接收到之網路封包的訊框進行辨識，以判斷出該網路封包之第一特徵碼是否符合各該第二特徵碼。

復請參閱第2圖所示，當無線基地台23接收到網路節點25 傳來之網路封包後，該目的位址過濾器235會讀取該網路封包之第一目的位址，並將該第一目的位址與該連接列表中之各該第二目的位址進行比對，若該第一目的位址不符合任何一個第二目的位址，即表示該網路封包並非是傳送至與該無線基地台23相連接之任何一個無線終端裝置21，則該無線基地台23便會丟棄該網路封包，而不會將該網路封包傳送至無線終端裝置21，如此，由於該無線基地台23不需傳送該網路封包，故能節省其自身的電力耗損，在此特別一提者，在該實施例中，乙太網路的群播及廣播地址(Ethernet Multicast and Broadcast Address)係記錄於該連接列表231中而作為第二目的位址，根據申請人之實際測試而言，無線網路系統2之所有無線網路封包中，其第一目的位址非屬於群播及廣播地址的訊框約佔有40.1%數量，因此，藉由該目的位址過濾器235的運行，能夠濾除前述的網路封包，不僅使無線基地台23不需將前述的網路封包傳送出去，同時，與該無線基地台23相連接之無線終端裝置21亦不需接收及處理前述所剷生的網路封包，進而能節省該無線網路系統2的整體耗費電力。

復請參閱第2圖所示，當目的位址過濾器235判斷出第一目的位址符合該連接列表231中之一個第二目的位址之後，該特徵過濾器237即會根據該特徵規則集233之內容，依序判斷該網路封包之第一特徵碼是否符合各該第二特徵碼，在該實施例中，為了達到快速比對之目的，請參閱第3圖所示，本發明之第二特徵碼3的設計方式，係包括至少一位移(offset)欄位31、至少一長度(length)欄位33及至少一特徵碼(finger print)欄位35，其中，該特徵過濾器237能根據該位移欄位31的內容，而得知欲處理的訊框或IP資訊欄(payload)應移動多少位移量，該長度欄位33則表示應進行特徵碼比對的位元組長度，該特徵碼欄位35表示比對內容，另，為使本發明之方法能適用於不同版本的IP通訊協定或是不同長度的IP標頭(header)，該特徵過濾器237能根據位移欄位31的最高位元(1或0)，而得知所欲移動之位移量的起始位置為IP資訊欄(如：最高位元為1)或是訊框本身(如：最高位元為0)；另，該特徵過濾器237能根據長度欄位33的最高位元(1或0)，而得知當特徵碼欄位35比對的結果為不一致或一致時為邏輯上之真，又，當位移欄位31的內容值為0(或表示為0x00)時， 即表示第二特徵碼的比對結束，如此，第二特徵碼3能夠依照使用者的需求，而由至少一個特徵碼欄位35組合而成，以提高使用上的便利性與彈性。

為能方便說明前述特徵過濾器237的比對方式，茲以位址解析協定查詢封包(簡稱ARP Request)及Dropbox LAN Sync Discovery封包等兩種封包格式，進行說明，請參閱第2及4圖所示，一般言，位址解析協定(Address Resolution Protocol，簡稱ARP)的基本功能係透過目標裝置的IP位址，查詢目標裝置的MAC位址，以保證網路通訊的順利進行，因此，無線終端裝置21接收到無線網路封包之封包格式為ARP Request時，其只需要對ARP Request的查詢對象為自身的無線網路封包進行處理即可，故，該特徵規則集233之第二特徵碼3A能包括四個位移欄位311A、311B、311C、311D，及四個長度欄位331A、331B、331C、331D，及三個特徵碼欄位351A、351B、351C(如第4圖所示)，該特徵過濾器237會根據該第二特徵碼3A依序執行後續步驟，首先，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位311A的內容為「0C」、該長度欄位331A的內容為「02」及該特徵碼欄位351A的內容為「0806」後，其會由該網路封包之訊框的起始位置位移12位元組，並比對後續之2位元組(即，第13~14位元組)的內容是否為「0806」，若是，則表示該訊框為ARP型態之訊框；其次，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位311B的內容為「14」該長度欄位331B的內容為「02」及該特徵碼欄位351B的內容為「0001」後，其會由該網路封包之訊框的起始位置位移20位元組，並比對後續之2位元組(即，第21~22位元組)的內容是否為「0001」，若是，則表示該ARP訊框為ARP Request；再者，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位311C的內容為「26」、該長度欄位331C的內容為「84」及該特徵碼欄位351C的內容為「XXXX」後，其會由該網路封包之訊框的起始位置位移38位元組，又，由於該長度欄位331C的內容為「84」係代表其最高位元為1，因此，該特徵過濾器237比對後續之4位元組(即，第39~42位元組)的內容需與特徵碼欄位351C的內容不一致才為邏輯上之真；最後，該特徵過濾器237讀取到位移欄位311D的內容為「00」，且長度欄位331D的內容同樣為「00」時，則表示該第二特徵碼3A之結尾，即結束比對，如此，當特徵過濾器237判斷出該網路封包之訊框 符合前述之各項判斷後(其中，該特徵碼欄位351C的比對結果需為邏輯上之真)，該無線基地台23即會丟棄該網路封包，而不會傳送至與其相連接之無線終端裝置21，如此，經申請人之實際測試而言，根據該第二特徵碼3A約有17.8%數量的訊框會被濾除，以使該無線基地台23相連接之無線終端裝置21不需處理非必要之網路封包。

請參閱第2及5圖所示，Dropbox為時下盛行的資料分享服務，其中，該Dropbox服務會週期性地在網路中廣播Dropbox LAN Sync Discovery封包，以能自動發現使用該Dropbox服務的分享資源，達到區域網路內資源共享之目的，然而，當使用Dropbox服務的網路節點25過多時，將會造成網路內充斥過多IP目的位址為「255.255.255.255」的封包，因此，在確保Dropbox服務正常的前提下，使用者能夠僅允許Dropbox服務對子網路區段進行廣播，並屏蔽其對「255.255.255.255」之位址進行廣播，故，該特徵規則集233之第二特徵碼3B能包括四個位移欄位312A、312B、312C、312D，及四個長度欄位332A、332B、332C、332D，及三個特徵碼欄位352A、352B、352C(如第5圖所示)，該特徵過濾器237會根據該第二特徵碼3B依序執行後續步驟，首先，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位312A的內容為「0C」、該長度欄位332A的內容為「02」及該特徵碼欄位352A的內容為「0800」後，其會由該網路封包之訊框的起始位置位移12位元組，並比對後續之2位元組的內容是否為「0800」，若是，則表示該訊框為IP型態之訊框；其次，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位312B的內容為「80」、該長度欄位332B的內容為「04」及該特徵碼欄位352B的內容為「445C445C」後，由於該位移欄位312B的內容為「80」係代表最高位元為1，因此，該特徵過濾器237由該網路封包之IP資訊欄的起始位置位移0位元組，並比對後續之4位元組的內容需與特徵碼欄位352B的內容相同，此舉，係用以判斷出該網路封包之來源埠及目的埠皆為Dropbox LAN Sync Discovery封包所使用的「17500」；再者，該特徵過濾器237讀取到該位移欄位312C的內容為「1E」、該長度欄位332C的內容為「04」及該特徵碼欄位352C的內容為「FFFFFFFF」後，其會由該網路封包之訊框的起始位置位移30位元組，並比對後續之4位元組的內容是否為「FFFFFFFF」，若是，則表示 該網路封包的IP目的位址為「255.255.255.255」；最後，該特徵過濾器237讀取到位移欄位312D的內容為「00」，且長度欄位332D的內容同樣為「00」時，則表示該第二特徵碼3B之結尾，即結束比對，如此，當特徵過濾器237判斷出該網路封包之訊框符合前述之各項判斷後，該無線基地台23即會丟棄該網路封包，而不會傳送至與其相連接之無線終端裝置21，經申請人之實際測試而言，根據該第二特徵碼3B約有6.7%數量的訊框會被濾除。

為能明確揭露本發明之過濾網路封包的方法，以下茲僅就本發明之無線基地台23的處理流程，進行說明，請參閱第2及6圖所示：(401)判斷是否接收到該網路節點25所傳來之網路封包，若是，則進入步驟(402)，若否，返回步驟(401)；(402)該目的位址過濾器235讀取該網路封包之一第一目的位址，進入步驟(403)；(403)該目的位址過濾器235判斷該第一目的位址是否符合該連接列表231之其中一個第二目的位址，若是，則進入步驟(404)，若否，進入步驟(406)；(404)該特徵過濾器237讀取該網路封包之第一特徵碼，進入步驟(405)；(405)該特徵過濾器237根據該特徵規則集233，依序判斷該網路封包之第一特徵碼是否符合其中一個第二特徵碼，若是，則進入步驟(406)，若否，進入步驟(407)；(406)丟棄該網路封包；(407)將該網路封包傳送至對應之無線終端裝置21。

如此，復請參閱第2圖所示，藉由該目的位址過濾器235與特徵過濾器237之設計，即可使該無線基地台23迅速地判斷出所接收到的網路封包是否需進行處理，令該無線基地台23無需將前述無用的網路封包傳送至後續的無線終端裝置21，大幅提高無線基地台及整體無線網路系統2之節能與降噪功能，同時，尚能減少無線訊號傳送時的碰撞機率，以避免影響傳輸速率。

按，以上所述，僅係本發明之較佳實施例，惟，本發明所主張之權利範圍，並不侷限於此，按凡熟悉該項技藝人士，依據本發明所揭 露之技術內容，可輕易思及之等效變化，均應屬不脫離本發明之保護範疇。

401~407‧‧‧步驟

Claims (6)

1. 一種具二階段過濾網路封包以高效節能與降噪之方法，係應用至一無線網路系統，該無線網路系統包括至少一無線終端裝置、至少一無線基地台及複數個網路節點，其中，各該網路節點會發送出一網路封包，該網路封包至少包括一第一目的位址與一第一特徵碼，各該無線基地台係與各該無線終端裝置相無線連接，其內設有一連接列表、一特徵規則集、一目的位址過濾器與一特徵過濾器，該連接列表中記錄有與其連接之各該無線終端裝置的一第二目的位址，該特徵規則集內則記錄有至少一個第二特徵碼，各該第二特徵碼係表示無需進行後續處理之封包格式，該方法係使該無線基地台執行下列步驟：接收到該網路節點所傳來之該網路封包；該目的位址過濾器讀取該網路封包之一第一目的位址；該目的位址過濾器判斷出該第一目的位址符合該連接列表之其中一個第二目的位址的情況下，該特徵過濾器依序判斷各該第一特徵碼是否符合該特徵規則集內之其中一個第二特徵碼，若是，則丟棄該網路封包，若否，則將該網路封包傳送至對應之無線終端裝置。
2. 如請求項1所述之方法，其中，該目的位址過濾器判斷出該第一目的位址不符合該連接列表之其中一個第二目的位址的情況下，該無線基地台係丟棄該網路封包。
3. 如請求項1或2所述之方法，其中，該第二特徵碼包括至少一位移欄位、至少一長度欄位及至少一特徵碼欄位，該 位移欄位係表示由該網路封包之訊框或IP資訊欄之起始位置的移動位移量，該特徵碼欄位係表示比對內容，該長度欄位係表示比對內容的位元組長度。
4. 如請求項3所述之方法，其中，在該位移欄位的最高位元為1的狀態下，該特徵過濾器係由IP資訊欄的起始位置開始位移，在該位移欄位的最高位元為0的狀態下，該特徵過濾器係由訊框的起始位置開始位移。
5. 如請求項4所述之方法，其中，在該位移欄位的的內容值為00或為0x00的狀態下，該特徵過濾器係結束比對該第二特徵碼。
6. 如請求項5所述之方法，其中，在該長度欄位的最高位元為1的狀態下，當該特徵過濾器判斷出該特徵碼欄位與該第一特徵碼之比對結果為不一致時，係為邏輯上之真；反之，在該長度欄位的最高位元為0的狀態下，當該特徵過濾器判斷出該特徵碼欄位與該第一特徵碼之比對結果為一致時，係為邏輯上之真。