一种轻连接的网络体系及在高稳定、高可靠的智能配用电通信网络应用

北京交通大学 信息科学研究所 梁满贵

自我介绍梁满贵，教授，博导。 1988 年获博士学位。研究方向：网络融合技术和网络体系架构，语音处理及 NGN 体系中的语音通信。联系方法： E-Mail: mgliang@bjtu.edu.cn 办公室：第九教学楼北 622

社会学术组织兼职：● 中国声学学会 常务理事● 语言听觉和音乐分会 主任● 中国电子学会 学术委员 理事● 中国电机工程学会通信专委会委员● 中国电子学会信息论分会委员

教育经历：2008/08－ 2008/12 ，美国哥伦比亚大学，电子工程系，访问学者1985/02－ 1988/10 ，北京交通大学，信息科学研究所，博士1982/02－ 1984/12 ，北京交通大学，信息科学研究所，硕士1978/02－ 1981/12 ，华北电力大学，电子系电讯专业（电讯 02 班），学士

科研项目 （ 1 ）向量地址分形特征通信网技术研究 ( 课题编号： 2007AA01Z203)

，国家高技术研究发展计划（ 863 计划），课题负责人， 2007.7-2009.12 ；

（ 2 ） 一体化网络与普适服务的体系理论与结构 ( 课题编号：2007CB307101-4) ，国家重点基础研究发展计划 973 计划项目，子课题负责人， 2007.5-2012.8 ；

（ 3 ） 基于特征波形内插的语音结构化特征提取研究，国家自然科学基金，课题负责人， 2007.1-2009.12 ；

（ 4 ） 基于 IP 的卫星广播系统 QoS 保证技术研究，军工项目，课题负责人， 2008.9-2009.7 ；

（ 5 ） VoIP 系统研究 , 国家 242 信息安全 , 课题负责人 , 2004.12-2005.9 ；

（ 6 ） 基于 NGN 核心技术的网络 CTI 体系研究与实现，教育部基础科研项目，课题负责人；

（ 7 ） 向量地址分形结构通信网研究，教育部基础科研项目，课题负责人。

专利 [1] 北京交通大学 , CODING METHOD OF VECTOR NETWORK ADDRESS ，发明人梁满

贵。美国发明专利授权，授权号 US 7958265 ，授权日 2011.06.07 。 [2] 北京交通大学 , 一种向量网络地址编码方法，发明人梁满贵。中国发明专利，授权专利号： ZL 200610089302.6, 授权日 2009.09.02 。

[3] 北京交通大学 , 一种向量数据通信网上建立向量连接的方法 , 发明人梁满贵。中国发明专利，授权专利号： ZL200710064804.8 ，授权日 2009.10.28 。

[4] 北京交通大学 , 一种向量数据通信网上实现多播路由的方法，发明人梁满贵 ; 赵阿群 ; 张金鑫 ; 吴军。中国发明专利，申请号 CN200810056850 ，申请日 2008.07.16 。

[5] 北京交通大学 , 一种通信网络的层次接入控制方法，发明人梁满贵 ; 赵阿群 ; 张金鑫 ; 王雪芬。申请号 CN200810112003 ，授权日 20080716 。

[6] 北京交通大学 , 一种向量包定义及其向量交换实现方法，发明人梁满贵 ; 赵阿群。中国发明专利，申请号 CN 200910238387 ，授权日 2012.02.22 。

[7] 北京交通大学 , 一种向量网和 IP 网的网关方式互连方法，发明人梁满贵 ; 赵阿群。中国发明专利，申请号 CN200910244030 ，授权日 2009.10.28 。

[8] 北京交通大学 , 利用向量网升级 IP 网的方法及其数据传送的方法 , 发明人梁满贵 ; 赵阿群 ; 郭东超 ; 王哲 ; 蒋忠元。中国发明专利，申请号 CN201110155590 ，申请日 2011.10.19。

[9] 北京交通大学 , 接入认证方法及系统 , 发明人梁满贵 ; 齐高亮 ; 张熠。中国发明专利，申请号 CN201010219560 ，授权日 2013.04.17 。

[10] 一种通信网络拥塞控制的方法，发明人 梁满贵。中国发明专利，申请号CN200810114927 ，授权日 2010.11.03 。

发表论文 [1] Dongchao Guo, Mangui Liang, Dandan Li and Zhongyuan Jiang, “Effect of random edge failure on the

average path length”, JOURNAL OF PHYSICS A: MATHEMATICAL AND THEORETICAL, 44, 415002 (2011). (SCI)

[2] Dongchao Guo, Mangui Liang and Li Wang,“Betweenness centrality of an edge in tree-like components with finite size”, JOURNAL OF PHYSICS A: MATHEMATICAL AND THEORETICAL, 43,485003(2010). (SCI)

[3] Zhong-Yuan Jiang and Man-Gui Liang, “IMPROVED EFFICIENT ROUTING STRATEGY ON SCALE-FREE NETWORKS”, International Journal of Modern Physics C, 23, 1250016(2012). (SCI)

[4] Zhongyuan Jiang, Mangui Liang and Dongchao Guo, “ENHANCING NETWORK PERFORMANCE BY EDGE ADDITION”, International Journal of Modern Physics C, 22,1211-1226(2011). (SCI)

[5] Jinxin Zhang, Weiqiang Xu and Xiaodong Wang, “Distributed Online Optimization of Wireless Optical Networks with Network Coding”, to appear IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology ((SCI, IF: 2.26)

[6] Jinxin Zhang, Mangui Liang and Shujuan Wang, “A Credibility-based Congestion Control Scheme and its Performance Evaluation”, to appear International Journal of Computational Intelligence Systems (SCI, IF: 1.471)

[7] Jinxin Zhang, Mangui Liang and Aqun Zhao, “The Evolution of Communication Network Architecture”, to appear Applied Mathematics & Information Sciences (SCI, IF: 0.642)

[8] Jinxin Zhang, Weiqiang Xu, Xiaodong Wang and Mangui Liang, “An Optimization Model for Intra-session Network Coding in Optical Backbone Network”, Information (SCIE)

[9] Zhao-Wei Wang, Man-Gui Liang, Jia Wen-Kang and Chen Yaw-Chung, “Vector Label Switching (VLS): A High-Performance Switching Architecture for Future Internet”, Journal of Internet Technology， 12, 699(2011). (SCI)

[10] Zhao-Wei Wang, Man-Gui Liang, Jia Wen-Kang and Chen Yaw-Chung, “A Novel Optical Code-Based Label Switching Architecture for WDM Packet Switched Networks”, Journal of Internet Technology， 11, 1023(2010). (SCI)

1. 概述2. 轻连接网络 ----向量网3. 轻连接网络特性4. 向量网的控制面5. 向量网融合和演进 IP网6. 研究进展和成果

目录

1. 概述

8

配网自动化解决方案

汇聚交换机

SDH/MSTP

主站系统控制层

变电子站通信层

终端信息层

OLT

变电子站

OLT

变电子站

OLT

变电子站

OLT

变电子站

开闭所

环网柜

RTU

开闭所TTU

配电房DTU

环网柜FTU

柱上开关视频 视频

FE RS485FE

光纤

主站管理系统 网管系统 电力视频监控系统

电力ONU光纤 光纤电力

ONU

电力ONU

电力ONU

电力ONU

RS485 FEFE

RTU

DTU 电力ONU

FE

RS232

开闭所

柱上开关

电力ONU

RTU

FTU电力ONU

FE

RS485

现行配用电网通信网络的拓扑连接

端设备：开闭所，环网柜，柱上开关，配电房等，集中器

环网

EPON

端设备

环网

端设备

EPON EPONEPON

端设备

端设备

主站系统

电表等

主站系统

多径连接及其效果

对于 IP 网两台机器之间 ( 或子网之间 ) ，无论多少个连接，全部走同一个路径，即使有多条可走。只有现使用路径断开，才重新路由，需要秒数量级的反应时间。

采用新技术，端系统之间可以并行同时建立多个路径，需要时由端系统瞬间切换。

环网

EPON

端设备

主站系统

web

① ②

④ ③

⑤A

B

高稳定、高可靠的智能配用电通信网络

网络拓扑

向量网控制面

(1) 拓扑被分割，(2) 子网被封装成等效向量交换机(3) 增加向量网控制面

采取的具体措施

（ 1 ）修改环网交换机（端点设备配置多个默认路由出口）。

（ 2 ）修改环网交换机，并且修改端点交换机。如果端点是终端设备，则升级网络驱动程序。

（ 3 ）直接部署向量交换机。

新技术要解决的问题 实现不间断的实时通信连接。瞬间迂回，避开故障设备，从而

提高网络的鲁棒性，即稳定性和可靠性。 在网络控制面设备故障时，系统任然能够维持基本的端对端通

信。 提高网络的吞吐容量和服务质量 QoS 。按照重要级别次序，

分别隔离控制信息信道、用电信息采集和一般多媒体监视等信息使用的信道。

公路基础设施和管理设施

运输业务

网络的数据面和控制面

电话、 Google 等业务

道路（网络）

智能配用电网通信业务

新技术的目标：不间断的通信和控制面故障安全 事先建立端对端的多条通信路径，选择路径和

使用路径过程分离，网络控制面负责选择路径，一旦选定后，端系统独立调度使用路径，这时与控制面无关，即使控制面故障，也不影响已经建立的连接工作

图 3.3 多路径网络体系

A B

Route1信源 信宿Route2

Route3Route4

间距

X

新技术的目标：提高网络的吞吐容量和服务质量 QoS

N => 网络容量 Q=> 服务质量 QoS

网络运营

新技术

用户用户数 N,单个用户价值 Q

直接部署向量交换机

直接部署向量交换机，可以代替工业以太网，而且可靠性和传输延迟方面可以大大改善，而且成本相对更低。

可靠性。多路径，节点简单所以更可靠 传输延迟小，平均缓冲不超过 2 个数据包。

3k*8/100M =0.25ms , 20跳约为 5ms (14B+5B)*8/100M=1.52us, 20跳约为 30us

成本，交换机没有转发表

网络规模和用户需求的匹配

高峰时接近满负荷为宜

20% 120% 90%

IP 网的最短路径路由特性 图 3.2给出标准 IP 网的信源、信宿和网

络路径示意。 IP 网能够提供从信源 A到信宿 B 的网络

路径 Route， Route 的具体走向根据路由器的当前路由表确定，

而且所有路由器的路由表又决定于网络的拓扑，如果拓扑变化， Route 的走向也会动态调整，这种调整对用户透明，用户无法干预。

在 IP 网中，无论如何调整，一对信源信宿之间只有一条 Route可用，用户没有选择余地。

IP 网的上述动态的单路径特性使得不能利用网络拓扑的冗余路径充分扩大网络的容量，使保证 QoS 的机制实施困难，使得实现鲁棒的路由保护困难。为此，给出多径路由的网络体系，其核心是一种特殊的网络路径标识。

图 3.2 IP 网的网络路径

A BRoute

IP 网信源 信宿

用户业务的动态特性

比如，用户业务的在一天之内有很大的动态特性

网络部署相对固定 如果按白天设计的网

络，晚上就不匹配，利用率会很低。

网络的空间范围

用户的空间范围

向量网 图 3.3给出信源、信宿，以及多 Route 的示意。四条

Route在通信之前建立，所以是有连接的网络，用户可以根据需要选择其中一条或多条使用。多条 Route之间尽量保持“间距”，使得个别故障（比如图中 X点）仅仅影响其中少数 Route ，以提高可靠性。如果正在使用的 Route质量欠佳或断开，则倒换到其它 Route ，如果可用 Route 数量低于预设值，则发起“增量路由映射过程”，补充合理数量的 Route 。

上述多路径路由网络体系，每个路径确定，可以预留资源，为 QoS 的机制实施提供条件；多路径使得实现鲁棒的路由保护容易，由端系统直接操作，网络不会增加太多复杂性；多路径使得可以灵活地迂回路由，利用网络拓扑的冗余路径均衡负载，充分扩大网络的容量。所以，只要按照规范合理部署，使网络拓扑图有少量冗余度，就可以保证通信质量，提高网络使用效率

图 3.3 多路径网络体系

A B

Route1信源 信宿Route2

Route3Route4

间距

X

向量网提高网络性能的原理 提高利用率。 保证 QoS 。

可实现资源预留，从而保证 QoS.

高可靠性。 多个路径，同时断开可能性很小。

高鲁棒性 （弹性、皮实）

低耗，材料和能耗 交换机简单，网络利用率高

高安全 严格接入控制、截获困难

提高网络性能的原理：多路径，轻连接。

提高利用率

必要时多路径迂回，不坚持最短路径。自动实现负载均衡

2. 轻连接网络 ----向量网

几个“不可能” 交换机转发数据不用查表 网络无限可扩展 目的地址可以加密性，不可解读性 不用申请地址 包头只有 1字节，等效的包头平均为 5字节 一条通信路径和多条路径并行为一个通信连接服务相

比代价相等 网络中不用按流预留资源和按流进行流量整形，即可达到针对流的绝对 QoS(ES做即可 )

最简单的交换节点，其功能只要能转发数据即可，不需要配合控制面进行拓扑发现等任务。但是网络仍然能够自动得到拓扑。

路径标识的可能类型 以电子设备编码为基础，比如 IP 地址（ sEthernet）。 以通信链路编码为基础，比如 ATM 网的路径信道地址（ VPI/VCI ）（ ATM网、帧中继、 MPLS ）。

F

A

E

B C

D

G

I J

H

1

2

3

图 7

向量地址

向量地址：以电子设备端口号为基础的路径标识 在向量传送网中，转发节点的输入输出端口从 1 开始用数字编号，称为端口号。

向量传送网的“数据包”的路径标识给出通信路径信息，它确定了数据包从源节点到宿节点传送的通信路径。路径标识是端口号组成的序列，路径上的每个转发节点都对应序列中的一个端口号，是通信路径通过该转发节点的输出端口号。

以上端口号序列就象一步一步的方向标，引导数据包传送到达宿节点，所以被称为向量地址，其中的端口号被称为分量地址。

向量地址的无限多值性（不可穷举） ，地址相对性，有效性，路径定义的特性，和地址不定长性。

不可解读性， 可加密性。 设备编号、链路编号和端口编号三种编码比较，端口是转发节点最能直接访问的对象，是向量地址优于 IP 地址和 ATM 地址的根本原因。

A

B C

D

12

3 1

2

3

1

2

31

2

3 4

1

2 3

41 2

3

11

1

1

Vac = 1232

Vbc = 132

Vbc = 1133242

@

Head : 数据包头Data : 数据 AddrI : [To VA] 输入路径标识 AddrO : [ VA ] 输出路径标识PI : 输入数据包PO : 输出数据包Pn : 输出端口号

Data [ Va To] Head 1

2

n

To=2

Data [ Va ] Head

PI

PO

交换路由

Data VA Head

Packet

向量交换

删除 To

每收到一个数据包

分离出 VA的第一分量 To

数据包，发向 To

@

图 9

图 10

十进制编码 : { 2 3 2 1 } 二进制编码 : {10, 011, 10 , 1 } 二进制位数 : 2 3 2 1 {2,3,2,1} => {10, 011, 10 , 1} => 10011101 这样，向量网络地址的表示形式最后变成二进制

形式 10011101 10011101 =》 1001110 =》 10011 =》 10

=》无 A G I J C

不可解读性， 可加密性。

F

A

E

B C

D

G

I J

H

12

3 1

2

3

1

2

31

2

3 4

1

2

3

41 2

3

11

1

1

Data VA Head

Data 1001110 Head

Data 10011101 Head

Data 10011 Head

Data Head

@

图 11

向量网的数据包

向量数据包的格式 ：

其中 Head0和 Head1 分别是字段 T=0和 T=1的 Head ，其偏移地址为 0 ，向量包传输过程中 Head首先发送和接收； VA为向量地址；Data 为用户数据。本协议只定义向量数据包。

向量包头Head 定义

Fecn前向显式拥塞通知 :该比特由一发生拥塞的网络对象（节点、端口等）来设置，用于触发拥塞控制机制，它说明与载有 Fecn指示的网络数据包同方向的拥塞情况， 0为无拥塞。

Kfe(Keep Forwarding on Error): 1 比特 。为 1 表示当有误码时不丢弃网络数据包。所谓误码，是指数据误码，如果能够判断包头或目的地址有误码，或误码太严重则不应继续传送，误码结论由二层给出。

Vpf(Vector Packet Flag): 1 比特 ，为 0 表示是向量包。注意对应于 Ipv4和 Ipv6 包头，该位为 1 。包头的前 4 位等效的 VER：x0xx 表示向量网协议 , x1xx是 IP协议或其他协议 , 向量包和 IP包能够区别 , 所以两种协议可以共享链路层的协议类型代码。在VN 的入边界必须识别 x1xx ，如果是则特殊处理； VN 内部可以取值 x1xx ，这样的 VN 包到达 VN 的出边界时根据情况可能自动去掉 VN头，目的是恢复所承载的原来的其他协议的数据包。

向量包头Head 定义 （ 2 ） Pri数据包级别。向量网没有承诺不丢包，所以，所有级别的包都允许一定的丢包率。 实时包 (Pri=0,Real Time, RT), 延迟小。 UR 带宽保证包（ Pri=1,Bandwidth Guaranteed, BG），保证带宽，延迟没有明确要求。

尽力而为包 (Pri=2， Best Effort, BE)，没有保证带宽和延迟的明确要求。

紧急包 (Pri=3,Urgent, UR),延迟非常小，用户用重复发送保证可靠性要求。

向量地址格式（ 1 ）

向量地址（ Vector Address, VA ）是一种网络交换地址，它依据数据传输路径方向上的信源设备和交换设备的输出端口号进行地址编码，每个输出端口号作为一个分量地址，这些分量地址依路径方向次序组成一个序列，这个序列就是向量地址。更具体地说，向量地址就是下列有限序列：序列的第一分量地址是信源设备的输出端口号；序列的第二分量地址是数据传输路径上的第一个交换设备的输出端口号；序列的第三分量地址是第二个交换设备的输出端口号；以此类推，序列的最后一个分量地址是最后一个交换设备的输出端口号。

向量地址 VA以比特为长度单位，不一定是整字节，但是要求面向字节或 32 位字时，通过前缀填充位，使 VA 的比特数可以被 8或32整除，形如 [V 1 0 0 0 0] 。当 Data 的比特数也可以被 8或 32整除时，向量包就满足面向字节或 32 位字要求，是面向比特的特殊情况。

向量地址格式（ 2 ）

●填充位。填充位在 Head 之后，由若干 0 和一个 1组成， Head 之后的第一个 1 之后就是有效的向量地址位。 D=0 包头长度为 1字节时，填充位共 1-8b。 D=1 包头长度为 4字节时，填充位共 1-32b 。当实现的网络面向比特是没有填充位字段。

● 分量地址的位数，和每个编码的意义由交换机定义。 （ 1 ）只转发的节点的分量地址编码可以全部用于标识端口，包括 0 等。 （ 2 ）可选的特殊功能号： 0 用于信令， -1 用于多播， -2 用于复用。 （ 3 ）不回送的两端口节点的地址长度可以为 0 位，即没有分量地址。 （ 4 ）回送的两端口节点的地址长度可以为 1 位，即只有 0和 1 两个分量

地址值。

包头分析 当交换机的输入端口收到一个向量包，首先检查包的基本合法性，包括 VPF＝ 0 和依据 Fcs检查包的误码情况，如果发现不合法则是 IP 包，或错误。

如果交换机没有信令处理能力，则把所有向量包作为数据包处理，不解读字段 T ；如果交换机有信令处理能力，则根据 T 的指示处理向量包。对于向量信令包，提交给信令处理模块即可，对于向量数据包则完成数据转发操作。

下图是没有信令处理能力时对网络数据包头进行分析的流程图，不区分数据包和信令包。

VN 的优点 （ 1 ）交换节点简单：数据交换不涉及查表操作。 （ 2 ）分形特征：无限可扩展，路径标识长度随需而定，

网络想扩展就扩展，对于小网络，地址很短，地址带来的数据传输负担很小，所以通信线路资源的使用效率高。

（ 3 ）向量连接：通信路径轻量级，低成本地支持 QoS和分集传送。

（ 4 ）内在可信：路径标识不可解读、地址不可枚举、地址的相对性。

（ 5 ）多播和流聚合容易等特点。

3. 轻连接网络特性

轻连接特性产生的效果

轻连接网络与其它有连接网络一样，可以预留资源，能够保证服务质量；

两点之间可以占用多条路径通信，提高网络利用率（ 2倍以上）等诸多优点；

轻连接网络与其它有连接网络相比，实现成本很低，显著低于 IP 网（ 50% ）。所以性价比可以成倍提高。

实现多路径传送，产生以下效果

（ 1 ）提高统计复用效果。原因是流的粒度变小，更容易满足大数定理。 （ 2 ）提高可靠性。原因是多个通信路径同时失效的可能性变小，一个

设备失效，只是暂时影响传送质量，可以很快恢复。 （ 3 ）提高抗危性。原因同（ 2 ），如果多备用一些空闲虚信道，就可以做到故障时不影响质量。

（ 4 ）为解决 QoS 问题提供了新途径。如果保证一个虚信道的 QoS 比较困难，那么我们可以通过切换虚信道来保证用户 QoS要求。

（ 5 ）对于无线网络，可以降低对链路层的要求。无线环境下保证链路层的畅通比有线情况要困难，为此采取了许多措施来改善，因而增加了一定成本。采取类似（ 4 ）的方法，一定程度上可以降低对链路层的性能要求，从而降低成本。

（ 6 ）提高机密性。一个流被分解成多个从不同地域通过的流，监听和解密的可能大大减小。

总之，可以从端系统角度提高网络性能，而且代价小。

4.向量网的控制面（向量网的三标识架构体系）

数据面和控制面相分离。 数据面的功能

网络根据交换标识，按照确定的路径，把数据包送达目的地。

控制面的功能 把呼叫标识转换成交换标识，并建立起接入、接纳、计费、管理、监管等关系。

数据面的成本决定了整个网络的成本。

①请求与 D 连接② D 的交换标识是 V

③(H,V,Data)DS

数据面

控制面

图 6

数据面和控制面相

三标识 身份标识：一个节点拥有一个身份标识，是一种关于身份的标识 。身份标识主要根据

网络对象之间的社会隶属关系赋予，也可以随意赋予，对身份标识的唯一要求是全名（多个层次的组合）在本组织架构中的唯一性，但是考虑匹配算法尽量简化，每个简单标识（一个对等组内的标识分量）要求与兄弟和所有祖先不重名。每个身份标识伴随一个身份密码，根据标识、身份密码和时间，端系统自己计算得到标识口令，标识口令用于接入认证。

位置标识：决定路由架构的主要因素是网络拓扑，是一种关于位置的标识，一个交换机与路由架构的连接关系决定了其位置标识。位置标识由路由收集和寻由过程使用，是寻由的目标。

路径标识：是一条通信路径的标识 ，向量网使用向量地址作为路径标识，路径标识就是路径标识。

以上三标识都具有分形特性，不是定长。对身份标识，在本组织架构中唯一即可 另外，端节点的身份标识作为呼叫对象时，为了方便可以引入多个别名，这些别名成为呼叫标识。每种呼叫标识有自己的呼叫定位功能体系，比如参照认证架构，可以组成多个树形的呼叫架构，呼叫架构的下部可能复用交织。

三功能架构

图 1

标识的映射 认证架构用于接入认证，一个出端口一次接入认证，结果使得入端口接纳收到的数据（必须能够辨认是被认证出端口送来的数据）。

呼叫架构用于呼叫映射，一个连接一次呼叫映射，得到层次的对端位置标识。 路由架构用于寻由接纳，得到若干条通信路径或虚信道。

专利：一种通信网络的层次接入控制方法。中国发明专利公开号 CN101272395 ，梁满贵

5. IPv4/IPv6高效过渡融合的新方法

基本方法和主要问题

双协议栈 隧道 地址翻译

IPv4IPv6 IPv6IPv6 over IPv4

IPv6IPv4 IPv4IPv4 over IPv6

4 46 6

4 地址空间

6 地址空间

图 4 私网主机视角的地址空间

Ffff:0::0 202.112.144.34

新方法

1 ）可以完全保持 IP 网的端对端特性，

2 ）不修改 IP 路由器和端系统，只需改进网络边际设备 (NAT) ，

3 ）可以集成融合多个独立的 IPv4和 IPv6 网络，

4 ）提供域间的分布多径路由，因此集成融合的 IP网将具有上述绿色鲁棒性能。

外网

A类私网

A: 10.0.0.0/8

B类

C类

B 类

C 类

A 类私网

B 类

C 类

B 类

C 类

B或 C 类

C: 192.168.0.0/16

B: 172.16.0.0/13

图 1 网的递归层次

网关控制线

ESaESb

如果保证 QoS， IP 网的网络利用率 网络任意两点通信时选择最优通信路径是网络的首选策略，但是最优路

径满载时能够迂回路由也是非常重要的，能够大大提高网络的利用率。 经典的 IP 网是最优路径策略，后来提出 OSPF 路由算法，使得可以迂回路由，实现负载均衡，提高网络的利用率，但是面对无连接的 IP 网，实现负载均衡代价高昂，通常只能局部实现，无法全面实施。

1

2

3

9991000

4

100M

IP 网虽然有一些 QoS 方法和负载均衡技术，可以改善问题，但是都是补丁方法，代价高而且只解决局部问题。所以 IP 网只有足够轻载时才能承诺QoS ，极端情况下每个用户最大可用带宽是 B/N， B是网络链路带宽， N是网络端系统个数。比如 100M带宽 ,1000 个用户，每个用户最大100kbps 。网络越大能承诺的带宽就越小！一方面用户能使用的带宽太小，另一方面网络平均占用率很低，运营商收益很低。

承载 网络整体

IP

VN

IPIP

用户看到的网络 终端

ETH

MACh IP4h VNh IP6h Data

子网边界

IP4h VNh IP6h Data

VNh IP6h Data

子网内部

用户角度 IP6h Data

链路

C

B

IP 包

IP 子网 3

A

IP 子网 2

IP 子网 1

向量包IP 包

IP 子网 3

IP 子网 4

IP 子网 5

212.202.144.1

212.202.144.2

212.202.144.3

219.242.122.1

219.242.122.2

59.64.15.1

59.64.15.2

59.64.15.3

211.221.123.1

①

②

③ ⑥

11

2

3

12

1

2

3

1

向量网

等效交换机14

5.1 大网化小网

（保留 IP 路由器，

以太网交换机，

以太网卡）

代价和效果

用户端系统、 IP 路由器和以太网交换机不修改，只改进出口 NAT 路由器

投资少（ 1% ） 增加保证质量带宽约为 N倍。

MACh VNh IP6h Data

子网边界 VNh IP6h Data

用户角度 IP6h Data

链路C

B

VN包A

承载 网络整体

IP

VN

ETH

用户看到的网络 终端

5.2 小网达到局域网大小

（保留以太网交换机，保留以太网卡）

代价和效果

增加少量（ 1% ）新设备，更换用户驱动程序 增加保证质量带宽约为 N倍，避免了使用 IP

路由功能。

VNh IP6h Data

用户角度 IP6h Data

链路

C

B

VN包A

网络整体IP

VN

用户看到的网络 终端

5.3 纯粹向量网

（以太网卡都必须更新）

代价和效果

全部用新设备，更换用户驱动程序 全面支持 QoS ，避免了使用 IP 路由和以太网

交换功能，节点设备成本和能耗大大降低（减少到 30% ）。

5.4 Top Down， Bottom Up

全球

国家

城市

单位

分支Bottom Up

Top Down

纯粹向量网

大网化小网

5.5 校园网改造方案一

图 1 HUB、以太交换机和向量网的 A 交换机组成的无数据级别的数据面网域

HUB

HUB

HUB

EthSW EthSW

VS

NA820

VS

注： VS不能直接连接 HUB

ES

（物理冲突域）

( 无数据级别的数据面网域 )

（交换以太网域同一个 VLAN ）

6. 研究进展和成果

目前进展（ 1 ） 向量地址分形特征通信网技术研究， 863 计划课题， 95万元，课题负责人梁

满贵， 2007年 06月至 2009年 12月。 基于 IP 的卫星广播分发和信息采集系统 QoS 保证技术研究，中国电子科技集团公司第五十四研究所发布的新技术研究高校合作项目课题 ， 14万元，课题负责人梁满贵， 2008年 10月至 2009年 12月。

一体化可信网络与普适服务的体系理论与结构， 973 计划三级子课题，分担经费 40万元， 课题负责人梁满贵， 2007年 5月至 2012年 8月。

提交专利、标准和草案 12篇 其中有一个还申请了国际 PCT 专利和美国发明专利，第一发明人为梁满贵。 已获授权专利 8 项，第一发明人均为梁满贵。

发表论文 50篇。 其中 SCI检索论文 7篇。

培养研究生 53名 杜永娜，陈晓伟，张皓，刘文佳，夏崇彦，孙振斌，刘广开，方少华，杨晶，瞿卓杰，万宏宇，丁陆颿，甄茂松，解功，王雪芬，贾倩，李凌，吴军，陈宇迪，张琰彬，武可新，岑护平等。

目前进展（ 2 ） 已经设计并实现了向量交换机原型机和呼叫路由器原型机。向量交换机原型

机设计了两个版本。 千兆交换机。用专用硬件平台实现， 7 个以太网端口，端口速率达到

1Gbps ，目前已经完成 Hello协议、向量交换协议，实现了向量交换机的功能，而且提供 QoS 基本支持。

功能交换机。用 51单片机实现了全部向量交换机的功能， 6 端口，端口速率 1kbps 。完成交换软件编写，实现了数据通信，提供 QoS 基本支持，占用 ROM3kB, RAM 512B 。

利用所实现的向量交换机和路由器组建了包含 26 个节点的试验网络。 多个对等组的两层树形结构拓扑；提供 UDP/VN协议栈，目前已经实现

VN 网上语音通信和视频播放。 研制了 112节点的低速率功能试验网，可以多跳交换数据，提供 QoS支持。

功能试验网 8×14个节点组成向量网。

每个节点是一个向量交换机 (VS)。

VS由一个单片机和一个发光二极管组成。

向量网连接两个以上端站设备。（ PC机）

主要成果（专利） 国际专利 （ 1） CODING METHOD OF VECTOR NETWORK ADDRESS ，美国发明专利授权 ( 授

权号 US 7958265) ， 2011-6 。 中国专利 （ 2 ）一种向量网络地址编码方法，授权专利号： ZL 200610089302.6, 授权日期 2009年 9月 2 日

（ 3 ）一种向量数据通信网上建立向量连接的方法，授权专利号 ZL200710064804.8 ，授权日期 2009年 10月 28 日。

（ 4 ）一种向量数据通信网上实现多播路由的方法，申请号： 200810056850 公开号：101222511 公开日： 2008/07/16

（ 5 ）一种通信网络的层次接入控制方法，申请号： 200810112003 公开号： 101272395 公开日： 2008/09/24

（ 6 ）一种通信网络拥塞控制的方法，申请号： 200810114927 公开号： 101296187 公开日： 2008/10/29

（ 7 ）一种向量包定义及其向量交换实现方法，中国发明专利申请（ CN200910238387 ），2009-11 。

（ 8 ）一种向量网和 IP 网的网关方式互连方法，中国发明专利申请（ CN200910244030 ），2009-12

（ 9 ）一种层次分段加解密的接入认证方法 ，中国发明专利申请（ CN201010219560 ） ， 2010-6

（ 10 ）利用向量网升级 IP 网的方法及其数据传送的方法 ，中国发明专利申请(CN201110155590) ， 2011-6

主要成果（论文） [1]Zhang Jin-Xin, Liang Man-Gui, A Hierarchical Networking Architecture Based On New Switching Address,

ICAIT2008(International Conference on Advanced Infocomm Technology ). [2]Liang Man-Gui, Zhang Jin-Xin, Wang Shu-Juan. A New Network Based on Vector Address, ICWMMN2008 (The

2nd IET International Conference on Wireless, Mobile & Multimedia Networks) [3]Liang Man-Gui,Wu Jun, Wang Shu-Juan,Wang Zhao-Wei. Multicast Method Based on New Network Technique,

ICWMMN2008 (The 2nd IET International Conference on Wireless, Mobile & Multimedia Networks) [4]Wang Zhao-Wei, Liang Man-Gui, Zhang Jin-Xin.Vector Switching Scheme (VSS) for Source Routing Protocol of

MANET, ICWMMN2008 (The 2nd IET International Conference on Wireless, Mobile & Multimedia Networks) [5]Wang Zhao-Wei, Liang Man-Gui, Vector Address Routing Protocol for MANET, ICSP'08 (9th International

Conference on Signal Processing) [6]Wang Xue-fen, Liang Man-Gui, A New Scheme for Accounting Based on Vector Network, ICWMMN2008 (The

2nd IET International Conference on Wireless, Mobile & Multimedia Networks) [7]Zhang Jin-yu, Liang Man-Gui. An Efficient USR Eliminating Mechanism on EPON. IIH-MSP, Aug 2008, 12-16. [8]Zhang Jin-yu, Liang Man-Gui. An Optimal Predictive Polling Mechanism on EPON. IIH-MSP, Aug 2008, 46-50. [9]Zhang Jin-yu, Liang Man-Gui. IPTV QoS Implement Mechanism in WLAN. IIH-MSP, Aug 2008, 72-76. [10]Zhang Jin-yu, Liang Man-Gui. NGN Service Pricing Support Decision System Based on Fuzzy Neural Network:

NPDSS. ISDA, Nov 2008, 114-120. [11] 张晋豫 ,刘犁 , 梁满贵 . 基于效用的 EPON 分布式 DBA 实现机制 .软件学报 , July 2008,（ 19） 7:1693-1706. [12] 张晋豫 , 梁满贵 . 高效公平的 EPON TCP性能调节机制 . 电子学报 .August 2008, （ 32） 8-12-17. [13] 张晋豫 , 梁满贵 . 基于模糊神经网络的高效公平的 EPON TCP性能调节机制 . 北京邮电大学学报 , September

2008, （ 31） 9: 45-51. [14]陈晓伟，梁满贵，向量网的层次接入认证机制的研究与设计，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-

2009.10.19 [15]杜永娜，梁满贵，向量网和 IP 网的融合的研究，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-2009.10.19 [16]孙振斌，梁满贵，向量网位置架构的研究，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-2009.10.19 [17] 张皓，梁满贵，向量网中多径寻由的研究，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-2009.10.19 [18]刘广开，梁满贵，以太网接入控制的研究，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-2009.10.19 [19]余菁菁，梁满贵，向量网交换与路由分离方法的研究，全国第十六届信息论学术年会， 2009.10.17-2009.10.19

课题合作交流情况

中国电子科技集团公司第 54 所 进行了深入的探讨和研究， 承担了与本课题密切相关的应用研究课题 “基于

IP 的卫星广播系统 QoS 保证技术研究”。 去年 10月，针对本课题的核心内容与美国贝尔实验室进行了学术交流。

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