網絡數據分類的通用化設計

摘 要: 網絡數據分類是網絡應用的一個基礎功能，用于正確解析網絡數據的類型和詳細內容，提供給網絡應用軟件進行后續處理。本文設計了一個通用化的網絡數據分類方法，具有較強的適應性，可以完成多種格式的網絡數據幀的分類處理。

關鍵詞: 網絡數據分類 通用化 設計

1.引言

目前，高速以太網等計算機網絡技術得到了廣泛應用。通過以太網，各種設備之間的互聯和數據交換變得簡單、快捷、可靠，非常適合于解決設備間的兼容和互操作問題。[1]以太網一個主要的特點是簡單，在實踐中，簡單性帶來了可靠、廉價、易于維護等特性，因此，以太網具有強大的生命力。

以太網可以在同一總線上運行不同的傳輸協議，從而能夠建立公共網絡平臺或基礎架構。TCP/IP協議是最常見的網絡互連協議，通常被定義為七層網絡模型，用戶可以根據實際需要，在應用層自定義數據幀格式。[2]通過自定義數據幀，用戶可以方便地擴展數據通信功能，或者加強數據通信控制，滿足不同的業務需求。這為網絡應用帶來了極大的靈活性，但同時也帶來了一些不便。由于網絡上傳輸的數據多種多樣，因此用戶需要將接收到的網絡數據進行分類，不同的業務應用使用不同的數據信息，這樣才不會產生混淆，避免后續的數據處理出現錯誤。通常，網絡數據分類由網絡應用軟件完成，由軟件開發人員根據規定的數據幀格式編制相應的數據分類模塊，實現網絡數據的分類。隨著自定義數據幀格式的增多，需要編制的數據分類模塊也不斷增加，大大降低了軟件開發的效率。

網絡數據分類是網絡應用的一個基礎功能，通用化的網絡數據分類方法可以提高網絡應用開發的效率，具有較高的實用價值。本文分析了現有網絡數據分類方法的共同點，設計了一個具有較強通用性的分類方法，可以在盡可能小的改動下，實現各種網絡數據的分類。

2.接收網絡數據的場景類型

在實際應用中，網絡設備從網絡上接收數據幀，然后進行處理。雖然網絡數據的格式多種多樣，但網絡設備接收網絡數據幀總可以歸納為以下三個場景。

2.1網絡上所有設備都只發送一種格式的數據幀。這種情況下，數據源與數據幀的類型是一一對應的，知道了該數據幀是某個設備發送來的，即明確數據幀的來源，就可以知道該數據幀的類型。這個場景下的網絡數據分類就是區分是“XX設備發送來的數據”。

2.2網絡上所有設備發送多種格式的數據幀且幀類型碼不重復。通常，在幀格式中會定義一個幀類型碼，對所有類型的數據幀進行編碼，這樣，通過幀類型碼就可以區分各個類型的數據幀。如果幀類型碼是統一編碼，就可以保證所有數據幀在幀類型碼上不會重復。這種情況下，通過數據源不足以區分開各種類型的數據幀，但可以通過幀類型碼區分各種數據幀。這個場景下的網絡數據分類就是區分是“YY類型的數據”。

2.3網絡上所有設備發送多種格式的數據幀且幀類型碼有重復。在某些應用中，幀類型碼的編碼與設備是相互獨立的，不同的設備可以發送同一幀類型碼的數據幀。在這種情況下，單獨考慮數據源或幀類型碼都不能準確區分數據幀的類型，需要綜合考慮數據源及幀類型碼，才能正確區分數據幀。這個場景下的網絡數據分類就是區分是“XX設備發送的YY類型的數據”。

3.網絡數據分類的方法及要素

3.1網絡數據分類的方法

對應于上述三個接收網絡數據幀的場景，可以采用如下方法進行網絡數據分類。

3.1.1源IP分類:用于第一個場景下的數據分類，區分是“XX設備發送來的數據”。在網絡上，網絡設備通常用設備的IP地址標識，源IP即表示了網絡數據幀的來源。明確了數據源IP，就可以明確接收的數據幀是從哪個設備發送來的。

3.1.2幀ID分類:用于第二個場景下的數據分類，區分是“YY類型的數據”。幀類型碼通常簡稱為幀ID，如果所有的幀ID是統一編碼的，編碼值沒有重復，則幀ID與數據幀類型一一對應，采用幀ID即可區分所有數據類型。幀ID是數據幀中的一項，獲取幀ID需要對網絡數據幀進行“解幀”，也就是在數據幀中找到幀ID所在位置，并獲取其值。

3.1.3混合分類:用于第三個場景下的數據分類，綜合使用源IP和幀ID，區分是“XX設備發送的YY類型數據”。

3.2網絡數據分類的要素

網絡數據幀格式是網絡數據分類的基礎和依據。圖1給出一個自定義網絡數據幀的格式，下文將以此為例進行描述。該幀格式基于TCP/IP協議進行定義，關于TCP/IP協議的論著很多，本文不再贅述。

在上圖中，用戶關心的是應用層數據，可以根據需要自行定義應用層數據的格式。圖中給出了格式定義的一個實例，數據幀由多個數據子幀組成，每個子幀都遵循相同的格式定義，其各個組成項目的作用如表1所示。

上述三種網絡數據分類方法的目的，都是從數據幀中獲取源地址、幀ID等信息，從而確定數據幀的類型。不難發現，這三種方法中都有幾個不可或缺的要素。

3.2.1源IP:即數據幀的源IP地址，表示該數據幀是哪個設備發送的。源IP主要用在第一和第三個場景中，明確是“XX設備”。

3.2.2幀ID:即數據幀的幀類型碼，主要用在第二和第三個場景中，明確數據幀的類型，即明確是“YY類型的數據”。

3.2.3應用層數據的幀結構信息:表示應用層數據格式的定義，說明“總幀長”、“幀ID”、“幀長度”、“有效數據”等項目的位置、數據類型、字節數等信息。在解幀過程中，可以根據該幀結構信息，定位到數據幀的各個項目，并獲取項目的值。

4.網絡數據解幀的通用方法

在網絡數據接收的第二和第三個場景中，都需要獲取幀ID才能完成數據的分類。獲取幀ID通過對網絡數據幀進行“解幀”操作完成。解幀就是按照數據幀格式定義，在數據幀中的相應位置找到各個項目，獲取項目的值，或解析項目內容。

網絡數據幀格式多種多樣，解幀的關鍵在于正確解析數據幀頭。數據幀頭指有效數據之外的數據信息，通常包含了各種輔助信息，用于幫助控制通信過程和解析數據內容。圖1中，“幀類型碼”、“日期”、“時間”、“幀長度”、“保留”這幾個項目組成了數據幀頭。幀頭中包含了多個信息，解幀時必須考慮三個因素:第一是幀類型碼，這是判別幀類型的重要標識，知道了幀類型碼，就可以判斷該數據幀是否需要;第二是幀長度(包括總幀長和各個子幀長)，這是控制解幀操作結束的標準，知道了幀長度，就可以在解幀到幀尾時停止解幀操作，防止誤操作緩沖區;第三是有效數據的位置，以便對有效的數據進行處理。

無論網絡數據幀格式如何變化，只要知道了上述信息，就可以正確解幀，獲取幀ID及有效數據。基于這種思路的解幀方法與幀格式定義沒有關系，可以作為一種通用的解幀算法。圖2給出了網絡數據解幀通用方法的處理流程。

5.網絡數據分類的通用方法

當網絡設備接收網絡數據幀時，可以同時獲取該數據幀的源IP，從而知道發送該數據幀的源設備。每個源設備發送的數據幀格式是預先約定的，按照其幀結構信息，采用上文所述的通用化解幀方法，可以獲取幀ID，從而確定數據幀的類型。也就是說，網絡數據分類的要素都可以獲取。在此基礎上，再對照接收網絡數據的場景，采用相應的數據分類方法，即可完成網絡數據的分類。

圖3描述了網絡數據分類的通用化處理流程。該處理流程只需要知道數據幀的源IP，以及幀ID、幀長度、有效數據的格式信息，可以適應多種數據幀格式定義，完成數據幀的分類操作，具有較強的通用性。

6.結語

本文概括了網絡設備接收網絡數據的三個典型場景，分析了在三個場景中進行數據分類不可缺少的共同要素。在此基礎上，設計了三種網絡數據分類的方法，分別用于相應的場景。對于數據分類過程中涉及的解幀操作，設計了通用化的網絡數據解幀方法，其關鍵在于正確的解析網絡數據幀頭。

最后，本文綜合運用三種網絡數據分類方法，設計了通用化的數據分類算法。該算法可以在統一的處理流程中，適應大部分數據幀格式定義，完成各種網絡數據的分類，具有較強的通用性。這種網絡數據分類算法應用在我開發的多個軟件中，不需修改軟件代碼，即可對不同格式的網絡數據幀進行準確分類，提高了軟件開發的效率，取得了較好的實用效果。

由于時間關系，本文只是對網絡數據分類的方法作了初步探討，很多詳細的技術問題還需要在以后深入研究和驗證，文中錯誤之處，敬請批評指正。

參考文獻:

[1]劉曉輝等.以太網組網技術大全.清華大學出版社，2001.

[2]Andrew S. Tanenbaum 著.潘愛民譯.計算機網絡(4). 清華大學出版社，2004.