以电子产品码为地址的分组交换互联网络通信系统的制作方法

专利名称：以电子产品码为地址的分组交换互联网络通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及网络通信，特别是涉及一种采用分组交换技术的互联网络通信系统。
背景技术：
电子产品码(Electronic Product Code，EPC)是一种物品编码方案，采用电子形式存储，能够按照一定的规则，为包括通讯主机和网络接口在内的物品分配全球唯一的号码。电子产品码在生产或包装时即已赋予，一般来说，终生不变，是物品在全球范围内的身份号码。相关组织制定了电子产品码的编码标准，致力于建立全球性的物品信息网络，使得能够根据电子产品码查询到与此物品相关的各种信息。全球统一性和唯一性使得电子产品码适合于作为分组交换网络的通信地址，既可以作为数据链路层(第二层)地址，也可以作为网络层(第三层)地址，还可以作为两层共同的地址。
在OSI7层参考模型中，网络层的作用是实现异构网络间的互联通信。着眼与实现大规模的互联网络，网络层需提供路由寻址机制，特别是对于如因特网这样大规模的互联网络，必须提供高效的路由寻址方案。
大多数网络层地址都是经过精心编制的，具有一定的编码和分配规则，反映了网络的拓扑结构，能够为路由寻址提供便利。例如IPV4地址包括子网编码(Subnet ID)和主机编码(Host ID)，两部分通过子网掩码来区分；IPV6地址分为子网前缀(Subnet Prefix)和接口编码(Interface ID)两部分，各占64位。子网前缀部分还设计了层次结构，包括TLA(Top Level Aggregator)编码，NLA(Next Level Aggregator)编码，SLA(Site Level Aggregator)编码三部分。固定电话和移动电话号码也有内部规则和层次结构。网络层地址的内部规则使得路由器或交换机能够方便的判断通信节点所在的区域，进而做出转发决策。地址的层次结构能够简化路由寻址的算法，提高寻路的性能。IP通信和电话系统的正常工作，特别是路由寻址依赖于地址的这种规则性。
网络地址的规则编码在给路由寻址带来便利的同时，也限制了通信节点移动的灵活性。例如，IP地址包括子网编码和主机编码，是作为一个整体来保证全局唯一性的，理论上，主机编码只要保证在子网内唯一即可。使用全局IP地址的计算机在从一个局域网移动到另一个局域网时，必须更改地址以符合当前所在的子网(除子网编码必须更改外，主机编码也可能更改)，否则不能对外通信；电话机在接入另一交换局的线路时，电话号码将反映当前所接入的交换局，原有的号码不再有效。
现代社会具有移动性的特点，人们使用网络时不希望局限于特定的区域。在通信节点变换区域时，特别是移动节点作为被叫方(在IP通信中运行服务器程序的一方)时，人们希望通信节点的网络地址能够维持不变，以方便通信联络。IP通信的体系结构及其实现决定了IP地址必须包含正确的子网信息才能实现通信，如果没有一种支持移动性的机制，在通信过程中更改地址就会使通信中断。移动IP是通过同时维护两套地址来实现移动性的，一个是家乡地址(HomeAddress)，是移动节点位于家乡链路(Home Link)时的IP地址，在节点移动过程中始终保持不变；还有一个是转交地址(Care of Address)，是位于外地链路网络时的IP地址。移动节点位于家乡链路时与家乡代理(Home Agent)直接相连，跳数(Hop)为1；位于外地链路时与外地代理(Foreign Agent)直接相连。有两种类型的转交地址，一是外地代理作为转交地址；另一种称为局内转交地址(Collocated Care of Address)，是由外地代理临时分配给移动节点的IP地址。移动节点远离家乡链路(Home Link)时，须将转交地址通知家乡代理。以家乡地址为目标的数据包到达家乡代理时，家乡代理建立一条到转交地址所指示的外地代理或移动节点的隧道，利用IP网络传送数据到目标主机。移动节点接受数据需通过隧道机制，但发送数据时可直接发送。隧道不是最有效的传输机制，通过隧道的传递路径大多时候不是最优的。
IP通信网络中有两类网络层设备主机和路由器，路由器是一种特殊的主机，和主机使用统一的地址编码方案，统一的地址空间，只从IP地址不能分辨出一般主机和路由器。主机实现的是端到端的通信，与网关通过共享链路或者交换链路直接相连。在与位于不同链路的主机通信时，需将写有目的地址的数据包发往网关(源网关)，源网关通过路由器组成的IP网络将数据包传送到目的主机所连接的网关(目的网关)，目的网关然后在继续把数据转发给目的主机。寻找从源网关到目的网关的传输路径，也就是路由寻址，是路由器的任务，路由器依赖目的IP地址的子网编码来寻找合适的数据转发路径。由于IPV6地址的内部结构是确定的，且子网前缀部分存在层次结构，一些路由器甚至可以只依赖于这64位的子网前缀的部分数据来选择转发路径。主机与网关直接相连，传输路径是确定的，而源网关到目的网关之间的路径未知，因此，一般主机可以不关心IP地址的规则，而路由器必须依靠规则性的网络地址来实现高效选路。
在IP网络中，路由器(包括网关)一般很少移动位置，也就很少需要更改地址，其地址是相对固定的。
VPN(Virtual Private Network，虚拟专用网)，是利用隧道技术建立封闭的专用网络，能够实现一种协议的数据包跨越另一个网络。在VPN中，无论是在第二层实现的VPN还是第三层实现的VPN，节点之间的数据包内容和隧道端点之间的数据包的内容不相同，节点之间的数据包是作为负载在隧道中被传送的，隧道端点在收到数据时，需将作为负载的数据包解出，做必要的处理(如数据重组)，然后继续传送到目的节点。在VPN中，隧道对主机节点是透明的，隧道端点的地址需事先配置，且需安装隧道协议支持软件。
对于网络通信来说，电子产品码作为网络层地址完全无规则可言，不能根据电子产品码快速的选定路由，但以电子产品码为网络层地址可以保证地址终生不变，任何场合下都是相同的，且不需要设置，也就不需要配备设置地址用的软件和协议，能够减轻设备的负担，降低设备成本。

发明内容
作为网络层地址，电子产品码不包括子网编码信息，地址与通信节点所处的子网无关，因此也就不必随着节点的位置移动而更改地址，可以在移动过程中，乃至整个生命周期中保持地址不变。也正因为位置无关性，作为网络地址，电子产品码不能为路由寻址提供任何便利，而快速有效的路由寻址依赖于有规则的地址编码。在IP通信中，IP地址包含了子网编码，IPV6地址的子网前缀更是具有层次结构，这样便于实现高效的路由寻址。IP网络通信系统依赖于IP地址的规则结构来工作，因此主机在位置移动的过程中，需要不断的变换IP地址以反应当前所处的子网。
在本发明提出的系统中，主机和路由器采用不同的地址编码方案，主机以电子产品码为网络层地址；路由器采用具有内部结构和分配规则的编码方案，能够反映网络拓扑结构。在主机间相互通信时，需同时指明主机地址和网关地址。
在这种分组交换网络中，当两台以电子产品码为网络层地址的主机相互通信时，源主机生成数据包，指明源主机、源网关以及目的主机和目的网关的地址信息，源网关地址也可以由实际经过的源网关自己设置。利用网关地址的编码规则，源网关及中间路由器选取合适的线路将数据包发送到目的网关，目的网关再根据目的地址将数据转发给目的主机。不采用隧道技术，源主机生成的数据包符合路由器支持的协议标准，能够直接转发，而不是作为负载进入隧道。
可直接利用IP网络传输以电子产品码为网络层地址的主机之间的数据包，以IP设备作为网关接入IP网络。连接主机及IP网络的网关运行两套协议，一套是IP协议，另一套协议处理与主机的通信。主机生成的标准IP数据包，或者网关根据主机提供的源网关及目的网关信息生成标准IP数据包，主机地址信息保存在标准IP数据包的负载部分。网关能够识别完整的数据格式，能够提取主机的地址信息进行数据转发，而网关之间的路由器则不要求做到这一点，只需是标准的IP路由器，能够转发IP数据包即可。
移动时场景下，以电子产品码为网络层地址的主机具有一套网络层地址，但是至少需要维护着两套网关地址。借用移动IP的术语，我们把网关称为代理。两套网关中，一是家乡代理，一是外地代理。一台主机的家乡代理相对固定，在主机移动过程中不会更改，而外地代理会随着主机的所处的子网的不同经常更改。主机移动到不同的外地链路时，外地代理将随之更改，主机把当前的外地代理地址通知家乡代理，家乡代理维护着主机当前的外地代理信息，能够保证不管主机移动到什么位置，始终能够被访问到。除此之外，还要把新的代理地址报告给前一个与之相连的代理。当接收到数据包的代理发现目的主机已经不与之直接相连时，将从维护的信息列表中查找目的主机的代理地址，以新的代理地址代替数据包中的目的网关地址，然后继续转发。
采用同一网络层地址的多接口主机在关闭某一接口时，将活动接口的网关地址通知待关闭的接口所连接的网关。采用前面提到的移动解决方案，待关闭接口所连接的网关将能够转发以此主机为目的地的数据包到活动接口所连接的网关，进而转发到此主机。
IPV6地址内部结构固定，前64位是子网编码，后64位是接口编码。接口编码一般不采用顺序编码，而是根据MAC地址来生成。以太网是主流的局域网技术，其MAC地址是48位，且能保证全局唯一，而且64位能够提供非常大的地址空间，选择合适的接口编码生成方式，有可能保证接口编码的全局唯一性。如果接口编码能够保证全局唯一性，则接口编码一旦生成，将不再更改，在主机移动的过程中，只改变子网前缀。
同前述以电子产品码为地址实现移动性的方法类似，接口编码固定不变的IPV6主机能够采用一般的路由器转发技术，而不是隧道技术实现移动IP。在主机移动过程中，除了在家乡代理记录当前的地址信息外，还在移动过程中前一与之相连的网关中记录新的IP地址。当接收到数据包的网关发现目的主机离开当前链路时，将根据接口编码查找对应的新的IPV6地址，并将IP数据包中的目的地址替换为新的IP地址，然后对外转发，以通过IP网络继续发送到目的主机。


图1是以电子产品码为网络层地址的主机通过IP网络实现互联通信的示意图；图2是以电子产品码为网络层地址的主机实现移动性的示意图。
具体实施例方式
1.以电子产品码为网络层地址的主机通过IP网络实现互联通信如图1所示，主机通过网关连接到IP网络。主机以电子产品码为网络层地址；网关具有两套地址，一套是IP地址，用与实现IP通信；一套是电子产品码，用与实现与主机的通信。作为主机地址，电子产品码能够保证全局唯一；作为路由器地址，IP地址具有规则结构便于实现高效选路，使得跨越大规模的复杂的网络成为可能。当位于不同子网的主机互相通信时，采用主机的EPC地址和所连接的网关的IP地址相结合的方式标识主机，如图1中的主机101表示为IP102EPC101，主机111表示为IP112EPC111。
假设主机101欲通过IP网络发送数据包到主机111，由源主机101生成符合IP标准的数据包，提供目的主机和目的网关地址信息。可采用图1中的数据包格式121，IP首部包含源网关102的地址IP102及目的网关112的地址IP112，IP网络利用IP首部信息高效的选择从源网关102到目的网关112的传输路径，将数据包传送到目的网关112。EPC首部包含源主机101的地址EPC101和目的主机111的地址EPC111，网关112从EPC首部中提取目的主机的地址信息，在本例中是EPC111，将数据包传送到正确的目的主机111。从主机101到主机111之间的传输路径上的所有设备是对相同的数据包进行处理，其中IP设备根据IP首部作出转发决策，网关和主机通信时，根据EPC首部信息进行转发。
网关需要能够识别数据包格式121中的EPC首部信息，而中间路由器只需识别出IP首部即可。由于格式121数据包中的IP地址是网关的IP地址，因此网关不能继续转发，而去处理IP数据包的负载部分。IP数据包通过首部的协议信息指明负载的类型，TCP和UDP各有不同的类型码，因此可以设置一个特殊的类型码，指明数据包中包括EPC地址信息，便于网关提出主机地址继续转发。
2.主机以电子产品码为地址时移动性的实现路由器和主机采用不同的地址编码方案，主机地址不包含子网信息，这样主机在移动过程中，改变的只是当前所连接的网关地址，主机地址保持不变，这样可以更好的实现主机的移动性。
具体实现如图2所示，在本例中，网关201是主机211的家乡代理。主机211目前位于外地链路，当前相连的外地代理是网关202。主机211本身以电子产品码为地址，地址是EPC211，并且同时维护着两套网关地址，一个是家乡代理，另一个是当前所连接的外地代理。当主机211连接到外地代理202时，其维护的网关信息如表221所示。
主机将当前所连接的外地代理地址及时的告知家乡代理，例如在连接到新网关时向家乡代理报告新的外地代理地址，以确保家乡代理准确的了解主机的最新行踪。在主机211连连接到网关202时，其家乡代理201维护的信息如表222所示；同时外地代理202维护着如表223所示的信息。
当主机从一个网关切换到另一个网关时，除了更新家乡代理维护的信息外，主机还将在前一个代理中记录新的代理地址。例如当主机211连接到网关203并断开与网关202的连接时，主机211将外地网关地址设置改为IP203，如表231所示；并向家乡代理201和前一个外地代理202报告新的代理地址，将与主机211对应的外地代理的地址更新为IP203，如表232，233所示。网关203也将维护着如表234所示的信息。当主机断开与网关203的连接而接入新的网关时，在信息表234也要作相应的更新以纪录新的代理地址。
主机的家乡代理是相对固定的，当主机位于外地链路时，家乡代理维护着主机的外地代理的最新信息。当有其它主机向地址IP201EPC211发送数据到主机211时，数据包将被转发到网关201，如果目前主机正与之相连，则直接发送到目的主机211；如果主机位于外地链路，网关201将检索信息表，查找出主机211当前的外地代理地址，如IP202，然后网关201修改数据包中的目的网关地址，由IP201改为IP202，并通过IP网络继续发送到网关202。
当以主机211为目的地址的数据包到达网关202时，或者网关202的发送队列中有以主机211为目的地址的数据包未来得及发送，而此时主机211已经断开与网关202的连接，并连接到网关203，这时网关202将根据维护的信息表，发现主机211的下一个代理地址是IP203，把数据包中的目的网关地址修改为IP203，通过IP网络继续发送。
这样，由于主机本身的地址始终不变，网关可以根据维护的外地代理信息，尽可能的将数据包发送到目的主机，以避免超时重传。要实现这一点，主机地址必须是全局唯一地址，电子产品码就是这样的全局唯一地址。
3.以IPV6地址中的接口编码为主机识别码实现移动性前已述及，IPV6前64位是子网前缀，采用层次化的规则编码；后64位是接口编码。IPV6是作为一个整体来保证全局唯一的，不要求，也不保证64位的接口编码做到全局唯一。然而在实际的地址设置过程中，大多根据硬件地址来生成接口编码，例如根据48位的以太网MAC地址生成64位的接口编码，通过合适的生成规则，就可能保证接口编码的全局唯一性，并且一经设置将保持不变，不随子网的不同而改变。利用IPV6地址中的接口编码的这种固定性和全局唯一性，可以实现同以电子产品码为主机地址相似的移动性，当然前提是接口编码的生成方式必须能够保证全局唯一，并且至少在通讯过程中保持不变。
因为IPV6地址本身包含子网前缀，路由器可以依靠子网前缀实现高效路由。以IPV6的接口编码为主机识别码，在IP网络上实现移动性。在接口编码保持不变的情况下，在支持移动性的网络中，网关(包括家乡代理和前一代理)只需纪录主机新的IP地址即可。例如假设主机当前的IPV6地址是NetID1IFID，在家乡链路时的地址为NetIDIFID，NetID及NetID1是子网前缀，IFID是接口编码，当前网关地址是NetID1IFID1。当主机移动到新的子网，连接到新的网关NetID2IFID2时，其地址将更改为NetID2IFID，在家乡代理和网关NetID1IFID1中记录这一新地址NetID2IFID。当家乡代理收到以NetIDIFID为目的地址的数据包，或者外地代理NetID1IFID1收到以NetID1IFID为目的地址的数据包时，发现目的主机不与之直接相连，然后根据接口编码查找到新的IP地址为NetID2IFID，将数据包中的目的地址改为NetID2IFID，通过IP网络继续发送。由于保证了主机接口编码在移动中的不变性，无论IP地址如何变化，都可以将数据包发送到正确的目的主机。
3.主机多接口间无缝切换以主机本身的电子产品码作为所有接口的网络层地址，或者以其中之一接口的IPV6地址中的接口编码来作为所有接口IPV6地址的接口编码。当其中的一个接口要关闭时，以电子产品码为地址的主机将活动接口的网关地址通知待关闭的接口所连接的网关；IPV6主机将一个活动接口的IPV6地址通知待关闭的接口所连接的网关。当以待关闭接口为目的地址的数据包到达先前与之连接网关时，网关根据新网关地址或者新的IPV6地址更新数据包中的地址信息，并继续转发数据，这样能够保证以待关闭接口为目的地址的数据包能够通过可用接口到达主机。
权利要求
1.一种分组交换互联网络通信系统，其特征在于主机和路由器的网络层地址采用两套不同的编码方案，主机地址保证全局唯一性，路由器地址的结构和分配具有规则性，以网关地址和主机地址相结合的方式标示主机。还在于主机地址在移动过程中不改变。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于主机以电子产品码为网络层地址，路由器以IP地址为网络层地址。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于源主机根据网关地址生成标准的IP数据包，作为主机地址的电子产品码位于标准IP数据包的负载部分；还在于数据包在从源主机到目的主机整个传输路径上直接转发，而不是作为另一种协议数据包的负载。
4.根据权利要求1，2，3所述的系统，其特征在于在主机移动过程中，在切换网关时，除了在家乡代理中记录当前网关地址信息外，还在前一网关中记录当前网关地址。
5.根据权利要求1，2，3所述的系统，其特征在于一种多接口主机，多个接口采用同一地址，一个接口待关闭时，主机将活动接口的网关地址通知待关闭接口所连接的网关。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于接收到数据包的网关发现目的主机不与之直接相连时，根据记录的目的主机的当前网关地址信息，更新数据包中的网关地址，继续转发。
7.一种实现IPV6移动性的系统，其特征在于主机IPV6地址的接口编码为主机识别码，采用能够保证全局唯一的生成算法，一经生成在通讯过程中保持不变。还在于主机移动过程中，在家乡代理和前一代理中记录主机新的IPV6地址，网关接收到目的主机不在当前链路的数据包时，根据目的地址的接口编码查找新的IPV6地址，更新数据包中的目的地址为新的IPV6地址，然后继续转发。
全文摘要
作为通信地址，电子产品码是非规则编码，难以实现高效路由；路由器采用具有内部结构和分配规则的编码，以网关地址和主机地址结合的方式标识主机。可以通过IP网络实现主机间通信。在主机移动过程中，主机地址保持不变，只改变网关地址。在家乡代理和前一代理中记录新代理地址，当收到数据包的代理发现目的主机不与之直接相连时，查找新网关地址，更新数据包中的网关地址并继续转发。IPV6地址的接口编码在保证全局唯一的前提下，以接口编码来标识主机，在移动过程中保持不变。更改地址时，将新地址通知家乡代理和前一代理，网关根据接口编码来查找主机，主机不与代理相连时，以新IPV6地址代替数据包中的目的地址，继续转发。
文档编号H04L29/12GK1783870SQ20041006126
公开日2006年6月7日 申请日期2004年12月3日 优先权日2004年12月3日
发明者赵江滨 申请人:赵江滨