基于拓?fù)涓滤惴ǖ南蛄烤W(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)

薛念，常珞

（河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校河南鄭州451191）

基于拓?fù)涓滤惴ǖ南蛄烤W(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計(jì)

薛念，常珞

（河南醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校河南鄭州451191）

針對(duì)向量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換設(shè)備盡可能不實(shí)現(xiàn)信令處理的問題，通過計(jì)算和遍歷網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖蓸涞姆椒▽?duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行檢測和更新，提出了一種基于拓?fù)涓虏呗缘南蛄烤W(wǎng)的連接設(shè)計(jì)。采用組長探測、節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的向量網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和簡單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法進(jìn)行拓?fù)涫占?shí)證案例分析表明：信源設(shè)備遍歷向量網(wǎng)中的17個(gè)分量地址，1 s后發(fā)送維護(hù)信令包對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行檢測。在遍歷過程中，終端生成葉子節(jié)點(diǎn)表Leaf-node和包含虛擬鏈路的非葉子節(jié)點(diǎn)表v-node準(zhǔn)確地定位向量網(wǎng)的連接效果，從而有效地提供多路徑向量網(wǎng)通信。

向量網(wǎng)；拓?fù)涓拢簧蓸洌槐闅v；網(wǎng)絡(luò)連接

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜［1］，同時(shí)，IP網(wǎng)環(huán)境下多路徑傳輸?shù)木窒扌裕峁┒嗦窂酵ㄐ诺男Ч邢蓿?-3］。因此，性能提升受到限制準(zhǔn)確描繪網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理、規(guī)劃、以及網(wǎng)絡(luò)故障的排查具有非常重要的意義［4］。然而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫遣粩嘧兓模热缭黾踊驕p少一臺(tái)路由設(shè)備、修改一條路由設(shè)備的配置信息都會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化［5］，為了能夠如實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)真實(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，必須及時(shí)發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，并對(duì)已有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更新［6］。目前向量網(wǎng)有關(guān)拓?fù)涞难芯抗ぷ鞔蟛糠旨性谕負(fù)浒l(fā)現(xiàn)的算法上，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓路矫娴难芯窟€不夠成熟［7］。

文中提出了一種基于拓?fù)涓虏呗缘南蛄烤W(wǎng)絡(luò)連接，采用組長探測、節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的向量網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和簡單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌Y(jié)合拓?fù)涓轮械臋z測父子關(guān)系和虛擬路徑關(guān)系的拓?fù)溥M(jìn)行拓?fù)涫占詈蠼K端系統(tǒng)通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纳蓸溥M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的定位，并對(duì)檢測的結(jié)果進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋽?shù)據(jù)的向量網(wǎng)絡(luò)更新。

1　向量網(wǎng)體系

1.1向量網(wǎng)的地址編碼方法

向量地址是通過向量連接和向量交換的方式，用一種新方法編址得到一種新的交換地址，并利用向量網(wǎng)絡(luò)端口標(biāo)記示意圖來表述向量網(wǎng)的地址編碼方法［8］。如圖1所示。

圖1　向量網(wǎng)絡(luò)端口標(biāo)記示意圖

從A到J是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的輸入輸出端口號(hào)都從數(shù)字1開始編號(hào)，定義為端口號(hào)。向量地址利用端口號(hào)編碼，描述了數(shù)據(jù)從信源設(shè)備到信宿設(shè)備的傳送路徑。這個(gè)傳送的通信路徑是由端口號(hào)組成的節(jié)點(diǎn)序列，端口號(hào)指的是路徑中每一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的輸出端的端口號(hào)，每個(gè)電子設(shè)備在序列中都有其對(duì)應(yīng)的端口號(hào)。序列中的端口號(hào)是一個(gè)知道目的地的方向標(biāo)，引導(dǎo)數(shù)據(jù)包準(zhǔn)確無誤的發(fā)送給信宿設(shè)備，向量地址AV（Vector Address）以端口號(hào)為編碼基礎(chǔ)，把端口號(hào)稱為分量地址CV（Component Vector）［9］。

信源設(shè)備A向信宿設(shè)備C發(fā)送向量網(wǎng)數(shù)據(jù)包，序列的第一個(gè)分量地址是信源設(shè)A及其輸出端口號(hào)A1；第二個(gè)分量地址是第一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備G及其輸出端口號(hào)G2；第三個(gè)分量地址是第二個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備I及其輸出端口號(hào)I3；最后一個(gè)分量地址則是最后一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備J及其輸出端口號(hào)J2。得到的序列｛A1，G2，I3，J2｝就是向量網(wǎng)絡(luò)地址編碼結(jié)果，即信源設(shè)備A向信宿設(shè)備B傳輸數(shù)據(jù)的向量網(wǎng)絡(luò)地址，簡化表示為｛1，2，3，2｝，為了更有效表示向量地址，需要進(jìn)一步表示成二進(jìn)制。

1.2組長探測和節(jié)點(diǎn)響應(yīng)

向量網(wǎng)中的C類交換機(jī)（包括以太網(wǎng)等效交換機(jī)等）和B類交換機(jī)（包括硬件交換機(jī)等）具有解讀信令及向上一節(jié)點(diǎn)返回反饋信令包的功能，在探測這兩種類型交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，采用組長主動(dòng)節(jié)點(diǎn)配合的向量網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法NALP（NodeAnswering on Leader Probing）［10］。組長發(fā)送探測信令包，節(jié)點(diǎn)收到探測包后判斷此數(shù)據(jù)包是否為關(guān)于本節(jié)點(diǎn)的探測信令包，若不是則節(jié)點(diǎn)切掉轉(zhuǎn)發(fā)出口的分量地址，轉(zhuǎn)發(fā)探測包；若是本節(jié)點(diǎn)的探測信令包，節(jié)點(diǎn)則進(jìn)行簡單的信令添加操作，將信令發(fā)回探測端。組長根據(jù)返回的信令整合分析信息，以便獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由。

1.3向量網(wǎng)的地址交換

向量網(wǎng)中采用向量交換實(shí)線地址交換［11］，即數(shù)據(jù)包攜帶了向量地址到達(dá)了交換設(shè)備某個(gè)輸入端口，首先交換設(shè)備根據(jù)自己端口號(hào)數(shù)目確定需檢查的分量地址長度，接著交換機(jī)從向量地址比特流中提取并分析向量地址，根據(jù)分析結(jié)果把該數(shù)據(jù)包發(fā)送到分量地址所指定的輸出端口，并把該分量地址從向量地址中刪除，即傳送出去的數(shù)據(jù)包向量地址少一個(gè)分量地址。數(shù)據(jù)從每個(gè)端口輸出到達(dá)信宿設(shè)備，完成整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程。

向量網(wǎng)絡(luò)是一種分組交換網(wǎng)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式出現(xiàn)。數(shù)據(jù)包的格式框架如下［12］：Head表示數(shù)據(jù)包頭的固定部分的信息集合，包括數(shù)據(jù)包格式的版本號(hào)、傳輸優(yōu)先級(jí)等信息；VA是從信源到信宿的向量地址；Data為數(shù)據(jù)包承載的數(shù)據(jù)信息。轉(zhuǎn)發(fā)程序運(yùn)行在向量傳送面的每個(gè)向量交換機(jī)中，當(dāng)向量交換機(jī)的輸入端口收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，該轉(zhuǎn)發(fā)程序就執(zhí)行一次，實(shí)現(xiàn)一次交換操作，它只有3步基本操作：

Step1：從數(shù)據(jù)包的向量地址VA中分離出當(dāng)前轉(zhuǎn)發(fā)操作的輸出端口號(hào)，即向量地址VA的第一個(gè)分量（記為To）；

Step2：修改數(shù)據(jù)包把To從數(shù)據(jù)包中刪除；

Step3：把修改后的數(shù)據(jù)包發(fā)到輸出端口To，直到To為空。

2　拓?fù)涓滤惴?/h2>

2.1拓?fù)涓律蓸?/p>

網(wǎng)絡(luò)鏈斷路引起拓?fù)渥兓谟诟淖兞嗽型負(fù)涞倪吔Y(jié)構(gòu)，因此可以通過驗(yàn)證邊的方法進(jìn)行檢測網(wǎng)絡(luò)連接效果［13］。鏈路拓?fù)涞臋z測實(shí)際上為拓?fù)鋱D中邊的檢測，即利用向量網(wǎng)的檢測父子關(guān)系和虛擬路徑關(guān)系的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法可收集拓?fù)淠Ｐ偷耐負(fù)湫畔ⅲ僭O(shè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已被保存到拓?fù)湫畔⒈恚‥lemInfoTGa-temp）中，探測端利用Prim算法和拓?fù)湫畔⒖蓪⑼負(fù)鋱D生成唯一的生成樹，并把生成樹信息保存到生成樹信息表（NodeTreeInfo）中，使得拓?fù)鋱D變成樹狀結(jié)構(gòu)。另外，各條虛擬路徑信息包括路徑連接的父子節(jié)點(diǎn)身份標(biāo)識(shí)和端口信息被保存到擴(kuò)展路徑表（RepeatLinkList）中。

在生成樹的結(jié)構(gòu)中，對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的遍歷實(shí)際上就等同于對(duì)每一條邊進(jìn)行遍歷［14］。探測組長利用生成樹信息表、擴(kuò)展路徑信息表及樹的順序遍歷算法構(gòu)造拓?fù)渚S護(hù)包，由根節(jié)點(diǎn)開始，按照由父節(jié)點(diǎn)到子節(jié)點(diǎn)、由節(jié)點(diǎn)的低端口號(hào)到高端口號(hào)的順序和檢測包含虛擬鏈路的節(jié)點(diǎn)時(shí)優(yōu)先遍歷虛擬鏈路的順序來遍歷拓?fù)洹Ｈ绱丝梢詫渲腥窟叡闅v到，若探測端發(fā)出的維護(hù)包能回到探測端，則認(rèn)為鏈路狀態(tài)良好。在生成遍歷路徑的過程中，樹的葉子節(jié)點(diǎn)被存放葉子節(jié)點(diǎn)表（Leaf-node）中，包含虛擬路徑的非葉子節(jié)點(diǎn)被存放含虛擬路徑的非葉子節(jié)點(diǎn)表v-node，Leaf-node和v-node為先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［15］。

生成向量網(wǎng)維護(hù)信令需要用到生成樹信息表Node Tree Info、拓?fù)湫畔⒈鞥lemInfoTGa-temp，NodeTreeInfo主要存放拓?fù)渲懈鞴?jié)點(diǎn)在樹模型中的父子關(guān)系。生成樹信息表有［16］：backport，number，bits，parentnumber，vlink，childinfo。其中，backport是由當(dāng)前節(jié)點(diǎn)返回到父節(jié)點(diǎn)的返回端口號(hào)；number存放當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在拓?fù)湫畔⒈鞹Ga-temp中的下標(biāo)號(hào)；bits是該節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)向量交換機(jī)的分量地址位數(shù)；parentnumbe存放該節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)在拓?fù)湫畔⒈鞹Ga-temp中的下標(biāo)號(hào)；vlink保存該節(jié)點(diǎn)的虛擬路徑信息；Childinfo保存該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)信息。

2.2拓?fù)涓滤惴?/p>

本文提出的拓?fù)涓滤惴ㄊ腔谙蛄烤W(wǎng)自身的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)特性，因此不需要任何特殊額外的協(xié)議支持，具有通用性。具體算法如下：

Step1：從Leafnode取出第一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，向該節(jié)點(diǎn)維護(hù)信令包。若A沒有收到返回包，執(zhí)行Step3，若收到返回包，則執(zhí)行Step2；

Step2：取出Leafnode的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送維護(hù)信令包，若A沒有收到返回包，執(zhí)行Step4，若收到返回包，繼續(xù)執(zhí)行Step2，當(dāng)Leafnode為空時(shí)，執(zhí)行Step5；

Step3：依次向該路徑上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送維護(hù)信令，更新拓?fù)湫畔⒈鞹Ga-temp拓?fù)湫畔ⅲ钡酱_定斷開鏈路；

Step4：計(jì)算當(dāng)前路徑與前一條路徑的重合鏈路數(shù)，依次向路徑上非重合的節(jié)點(diǎn)發(fā)送維護(hù)信令，更新拓?fù)湫畔⒈鞹Ga-temp拓?fù)湫畔ⅲ?dāng)收不到返回信令包時(shí)，確定斷開鏈路；

Step5：依次向v-node中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送維護(hù)信令包，檢測節(jié)點(diǎn)的各條虛擬路徑，直到收不到返回包，確定斷開鏈路，當(dāng)vnode為空時(shí)，無鏈路斷開，完成連接。

3　實(shí)證分析

3.1向量網(wǎng)的拓?fù)涮綔y

由于向量網(wǎng)中的A類交換機(jī)只具備基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，拓?fù)涮綔y時(shí)采取最小代價(jià)分層的掃描法進(jìn)行探測。假設(shè)通過NALP方法已經(jīng)探測到終端A通過某條鏈路與s1節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接，s1是B類交換機(jī)，進(jìn)一步探測其端口1011時(shí)無回應(yīng)，則假設(shè)s2是A類交換機(jī)，節(jié)點(diǎn)信息未知且不具備響應(yīng)組長功能。在這種情況下探測端A通過猜測s2的分量地址位數(shù)，并且依次掃描端口號(hào)的方法進(jìn)行探測，只有當(dāng)猜測s2的分量地址位數(shù)為3、返回端口為001時(shí)，A才能收到符號(hào)要求的返回包，并獲知的返回端口號(hào)和端口號(hào)位數(shù)。則向量地址采用二進(jìn)制編碼方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)：｛1，2，3，2｝轉(zhuǎn)發(fā)為11001110，具體的如表數(shù)據(jù)包變換如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)包的變化

3.2向量網(wǎng)的拓?fù)涓逻B接

利用向量網(wǎng)的檢測父子關(guān)系和虛擬路徑關(guān)系的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法可收集終端A的拓?fù)湫畔ⅰ節(jié)點(diǎn)與b、c節(jié)點(diǎn)為父子關(guān)系，d節(jié)點(diǎn)與h節(jié)點(diǎn)為父子關(guān)系，b節(jié)點(diǎn)與d、e節(jié)點(diǎn)為父子關(guān)系；在生成生成樹過程中，節(jié)點(diǎn)a，b，e，f，c之間的路徑可形成環(huán)路，其中至少一條路徑會(huì)被標(biāo)記成虛擬路徑。如圖2所示。

圖2　終端A的拓?fù)淠Ｐ?/p>

如圖2所示，鏈路節(jié)點(diǎn)遍歷虛擬鏈路來實(shí)現(xiàn)遍歷拓?fù)洌溌沸帕畎慕?jīng)由節(jié)點(diǎn)順序?yàn)閍，b，d，h，d，b，e，b，e，f，c，f，i，f，e，b，a，c，g，c，a。同時(shí)，結(jié)合圖1中的向量網(wǎng)絡(luò)端口，探測端A根據(jù)拓?fù)湫畔⒓吧蓸湫畔⑸删S護(hù)信令包由A的唯一端口發(fā)送出去。分量地址為：3，0，1，0，2，3，1，1，2，2，0，1，1，3，0，5，0。信源設(shè)備A遍歷整個(gè)拓?fù)涞南蛄康刂罚溆?7個(gè)分量地址：011，0000，001，000，010，0011，001，0001，0010，010，000，001，001，011，000，0101，000組成，當(dāng)終端發(fā)送出帶有如上向量地址的維護(hù)向量包后，會(huì)依次遍歷各條鏈路，若沒有鏈路斷開信令包最后回到終端A，1s后終端A繼續(xù)發(fā)送維護(hù)信令包對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行檢測。檢測遍歷路徑如表2所示。

表2　各節(jié)點(diǎn)之間的路徑集合

在生成遍歷路徑的過程中，終端A生成葉子節(jié)點(diǎn)表Leaf-node和包含虛擬鏈路的非葉子節(jié)點(diǎn)表v-node。其中，存放的節(jié)點(diǎn)如表2的第二列所示，且兩者為先進(jìn)后出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，第三列為根節(jié)點(diǎn)A到表中各節(jié)點(diǎn)的路徑集合。

若由終端B進(jìn)拓?fù)錂z測，其在檢測過程中生成的生成樹模型如圖3左邊的模型所示，B為根節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)模型為終端A生成的生成樹模型。終端B生成的葉子節(jié)點(diǎn)表Leaf-nodeb和包含虛擬鏈路的非葉子節(jié)點(diǎn)表v-node-b存放的節(jié)點(diǎn)分別為｛s5，A，s1，s4｝和｛s3，s2｝中。根據(jù)先進(jìn)后出的存取原則，B在定位鏈路時(shí)，首先取出葉子節(jié)點(diǎn)集合中的節(jié)點(diǎn)4生成路徑B，3，4的信令包并發(fā)送，判斷該條路徑有故障后，只需在向節(jié)點(diǎn)3發(fā)送一次維護(hù)信令就可以判斷出節(jié)點(diǎn)3與節(jié)點(diǎn)4之間的鏈路斷開，所以相對(duì)于終端A，終端B會(huì)以更少的時(shí)間定位出斷開鏈路的位置。

比較圖3中左右兩邊由終端B和終端A生成的生成樹模型，對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，兩個(gè)終端遍歷拓?fù)涞捻樞虿煌瑯?biāo)記的虛擬鏈路也不同，同時(shí)兩端生成的葉子節(jié)點(diǎn)表和包含虛擬鏈路的非葉子節(jié)點(diǎn)表中存放的節(jié)點(diǎn)順序也不同，所以檢測和定位不同的斷開鏈路時(shí)，兩個(gè)終端在效率上具有一定的互補(bǔ)性。那么實(shí)際在維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，終端B可協(xié)助終端A同時(shí)對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行檢測，若終端B提前定位到網(wǎng)絡(luò)故障位置，鏈路斷開信息，并向A發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包，A根據(jù)B發(fā)來的斷開鏈路信息，停止檢測并A更新拓?fù)洌B接結(jié)束。

4　結(jié)論

文中提出了一種基于拓?fù)涓虏呗缘南蛄烤W(wǎng)的連接設(shè)計(jì)，該方法采用組長探測、節(jié)點(diǎn)響應(yīng)的向量網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)方法和簡單交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌Y(jié)合拓?fù)涓轮械臋z測父子關(guān)系和虛擬路徑關(guān)系的拓?fù)溥M(jìn)行拓?fù)涫占⒃O(shè)計(jì)了一種向量網(wǎng)拓?fù)浍@取更新系統(tǒng)來檢測拓?fù)滏溌愤B接情況。通過實(shí)證案例表明：依據(jù)更新策略探測網(wǎng)絡(luò)變化，信源設(shè)備遍歷向量網(wǎng)中的17個(gè)分量地址，1 s后發(fā)送維護(hù)信令包對(duì)拓?fù)溥M(jìn)行檢測，最后實(shí)現(xiàn)向量網(wǎng)絡(luò)連接檢測。該拓?fù)涓虏呗钥蓱?yīng)用中小型網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，有效地提供多路徑向量網(wǎng)通信。

圖3　終端生成樹的拓?fù)淠Ｐ停鹤驜、右A

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Design of vector network connectivity based on topology update algorithm

XUE Nian，CHANG Luo
（Henan Medical College，Zhengzhou 451191，China）

In view of the vector network data exchange equipment as far as possible don't realize the problem of signal processing，by calculating and traverse the network topology spanning tree method to test the network topology and update，this paper proposes a vector network connection design based on topology updating strategy.Detected by the team leader，node response vector network topology discovery method and the simple switch network topology discovery method for topological collection，source equipment through 17 component in the vector network address，1 s after send to maintain signaling packet to test the topology.In the process of traversal，terminal to generate the Leaf-node and Leaf nodes table contains the Leaf node of the virtual link table v-node accurately positioning vector network connection effect，effectively providing multipath vector network communication.

vector network；topology update；spanning tree；traverse；network connection

TN915.6

A

1674－6236（2016）12-0014-04

2016-03-15稿件編號(hào)：201603177

國家自然科學(xué)基金（61372180）

薛念（1981—），男，河南信陽人，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。