網絡地址轉換設備及其響應地址解析協議請求的方法
2023-07-22 05:24:56
專利名稱：網絡地址轉換設備及其響應地址解析協議請求的方法
技術領域：
本發明涉及網絡通信技術領域，尤其涉及一種網絡地址轉換(Network Address Translation, NAT) i殳備及其響應地址解析協議(Address Resolve Protocol, ARP) "i貪求的方法。
背景技術：
NAT是一種允許私有地址與公網網際網路協議(Internet Protocol, IP)地 址相互轉換，從而達到多個用戶共用一個公網IP位址上網的地址復用技術。 通常，在企業網絡內部，不需要經過申請，便可以根據需要隨意自定義IP地 址。各計算機之間通過內部的IP位址進行通訊。當內部的計算機需要與外部 網際網路(Internet)進行通訊時，具有NAT功能的設備即NAT設備負責將其 內部網絡的IP位址轉換為合法的公網IP位址。
本申請中，公網IP位址指的是由網際網路服務提供商(Internet Service Pr ovider， ISP)分配給企業的全球唯一的合法IP位址，NAT設備上可能有一個 或者多個這樣的地址。
通過NAT設備實現多個用戶同時共用 一個公網IP位址與外部Internet 進行通信，能夠達到節省IP位址的目的。並且，通過NAT設備將內部網絡 與外部Internet隔離開，l吏得內網更安全。
現有技術中， 一個典型的NAT應用環境拓樸如圖1所示。內網通過NA T設備接入Intemet。內網中所有主機的IP位址處於192.168.1.0/24網段，N AT設備11網絡接口 1的IP位址為192.168.1.1。 Internet中與NAT設備相鄰 的路由器的IP位址為211.1.2.1。 ISP為此內網分配了 199個公網IP位址即2 11丄2.2至211.1.2.200。其中21U.2.2被配置成NAT設備網絡接口 2的IP位址，211.1.2.3到211.1.2.200被用來映射內網的IP位址。
應用圖1所示的拓樸，可以有兩種應用場景場景一是內網主才幾訪問外 網伺服器；場景二是外網主機訪問內網伺服器。
場景一假設內網主機192.168.1.5主動發起連接，訪問外網伺服器202. 3.1.22。其通訊過程如下
步驟A、內網主機IP 192.168.1.5發送IP報文(源IP: 192.168.1.5,目標 IP: 202.3.1.22)到NAT設備。
步驟B、 NAT設備11收到IP報文後，根據地址轉換規則，從可用地址 列表中選擇211.1.2.10替換報文的源IP位址，並記錄下這個轉換關係(192. 168.1.5——>211.1.2.10 )。這時NAT設備11將地址轉換後的IP報文(源I P: 21U.2.10,目標IP: 202.3.1.22 )發送到ISP路由器12。
步驟C、 ISP路由器12以及以後的路由器將IP報文最終交付給目標服務 器202.3.1.22。當目標伺服器收到報文後，回應報文，並將源IP位址和目標I P地址對換，得到"源IP: 202.3.1.22,目標IP: 211.1.2.10"。
步驟D、當回應報文到達ISP路由器12後，在ISP路由器12中選路， 發現目標IP 211.1.2.10在直連網段中，發送ARP請求(源IP: 211.1.2.1，目 標IP: 211.1.2.10)。
步驟E、 NAT設備11回應ARP應答報文(源IP: 211.1.2.10 ，目標IP: 211.1.2.1)。
步驟F、 ISP路由器12收到ARP應答後，轉發IP報文(源IP: 202.3.1. 22，目標IP: 211.1.2.10)。
步驟G、 NAT設備11收到外網發來的IP報文後，查詢NAT轉換記錄， 根據查詢到的結果U92.168丄5——>211丄2.10)進行NAT轉換，然後選路 轉發到內網(源IP: 202.3.1.22 ,目標IP: 192.168.1.5)。最終報文達到內 網主機192.168.1.5。
場景二夕卜網主機208.1.1.4訪問內網伺服器211.1.2.10。場景二的過程與場景一類似，不同之處在於外網的一臺主機218.1.1.4 訪問的目標IP是211.1.2.10。目標IP 211.1.2.10是內網伺服器192.168.1.5在 NAT設備11上的映射公網IP位址。夕卜網訪問內網的通訊過程如下
步驟A、外網主機發出目標IP為211.1.2.10的報文，到達ISP路由器12。 這時，如果ISP路由器12發現自己沒有211丄2.10的ARP表項，則會發出A RP請求。
步驟B、用戶NAT設備ll,會給出211.1.2.10的ARP應答。 步驟C、 ISP路由器12，將目的為211.1.2.10的IP報文，發給用戶NAT 設備ll。
步驟D、 NAT設備11,根據NAT映射規則，建立NAT接連表項，然後 將報文的目的IP 211丄2.10修改成192.168.1.5。接著發給內部真實的伺服器 192.168.1.5。
步驟E、內部伺服器192.168.1.5，發出回應報文到用戶NAT設備上11， NAT設備11根據前面已經建立的NAT連接表項，修改報文的源IP為211.1. 2.10。然後發給ISP路由器12。
步驟F、 ISP路由器12收到報文後，按原路返回，發給最初的外網主機 218.1.1.4。
其中，ARP用於才艮據協議地址(protocol address)獲取硬體地址(hard ware address )。
硬體地址是生產網絡設備時分配的一個或者多個物理地址(一般是由全 球地址分配機構和生產商共同進行分配)，格式依據硬體的類型的不同可能 會有不同。當今最為流行的硬體地址是媒體訪問控制(Media Access Control, MAC)地址相同類型的網絡設備之間可以使用硬體地址互相訪問，但是不同 類型的設備之間無法互相通信。為了使不同類型的設備也能互相通信，引入 了協議地址。
協議地址是為了屏蔽網絡中不同設備的差異而指定的邏輯地址(一般是
6由網絡管理者或者協議全球地址分配機構對地址進行分配)，格式具有統一 性。當今最為流行的協議地址是IP位址。
ARP實際上就是定義了如何利用IP位址獲取到MAC地址的方法。假設 192.168.1.5、 192.168.1.6、 192.168.1.7三臺設備處於同一區域網內。192.168. 1.5欲發送IP數據到192.168.1.7，其工作過程如下
首先，在區域網內廣播(MAC地址為二進位全1的地址被定義為廣播地 址) 一個ARP請求報文，詢問192.168.1.7的MAC地址；
192.168.1.6和192.168.1.7都收到這個ARP請求才艮文。192.168.1.6發現不 是請求自己，不作回應。192.168.1.7發現這個ARP請求4艮文是請求自己的M AC地址，於是發送ARP應答報文給192.168.1.5,告之MAC地址。
然後，192.168.1.5收到192.168.1.7發來的ARP應答報文後，將學習到的 MAC地址緩存起來，利用192.168.1.7的MAC地址，將IP數據發送到192. 168.1.7上。
場景二中，ARP請求到達"用戶NAT設備"時，由於NAT設備11未 收到192.168.1.5發送的IP報文，因而沒有建立地址轉換關係(192.168.1.5—— 211.1.2.10) ， NAT設備11無法做出ARP應答。
發明內容
本發明的目的在於提出一種網絡地址轉換設備及其響應地址解析協議請 求的方法，以解決外網主動訪問內網主才幾時，由於NATi殳備未建立地址轉換 關係導致的無法啦文出ARP應答的問題。
為實現上述目的，本發明提供了一種網絡地址轉換設備響應地址解析協 議請求的方法，包括
根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號，從用於查詢目標IP 地址的本機地址表中查找與所述地址解析協議請求報文中的目標IP位址相 同的公網IP位址；所述本機地址表由配置網絡接口的IP位址觸發建立；所述本機地址表保存有網絡地址轉換設備上的所有公網IP位址及相關聯的
網絡接口編號與媒體訪問控制地址；
查找到所述相同的7>網IP位址後，根據所述相同的公網IP位址相關 聯的媒體訪問控制地址向所述地址解析協議請求報文的發送方發出地址解 析協議應答報文。
本發明還提供了一種網絡地址轉換設備，包括
建立單元，用於由配置網絡接口的IP位址觸發建立用於查詢目標IP 地址的本機地址表；所述本機地址表保存有網絡地址轉換設備上的所有公 網IP位址及相關聯的網絡接口編號與4某體訪問控制地址；
接收單元，用於接收地址解析協議請求報文；
查找單元，用於根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號，從所 述本機地址表中查找與所述地址解析協議請求報文中的目標IP位址相同的 7>網IP i也址；
應答單元，用於所述查找單元查找到所述相同的公網IP位址後，根 據所述相同的公網IP位址相關聯的媒體訪問控制地址向所述地址解析協 議請求報文的發送方發出地址解析協議應敘艮文。
上述技術方案中，NAT設備通過由配置網絡接口的IP位址觸發建立本機 地址表，使得NAT設備在沒有收到內網發送的IP報文的情況下也能獲取內 網主機映射到的公網IP位址的相關信息，從而解決了外網主動訪問內網主機 時，由於NAT設備未建立地址轉換關係導致的無法做出ARP應答的問題。 保證了 NAT設備做出ARP應答不受是否建立地址轉換關係的影響，提高了 NAT設備響應ARP請求的性能。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為現有技術中一個典型的NAT應用環境拓樸示意8圖2為本發明網絡地址轉換設備響應地址解析協議請求的方法實施例 的流程圖3為本發明網絡地址轉換設備響應地址解析協-漢請求的方法實施例中 本機地址表的示意圖4為本發明網絡地址轉換設備實施例的結構示意圖。
具體實施例方式
圖2為本發明網絡地址轉換設備響應地址解析協議請求的方法實施例 的流程圖，包括
步驟21、 NAT設備根據接收ARP請求報文網絡接口的編號，從用於查 詢目標IP位址的本機地址表中查找與所述ARP請求報文中的目標IP位址 相同的公網IP位址；所述本機地址表由配置網絡接口的IP位址觸發NAT 設備建立；所述本機地址表保存有所述NAT設備上的所有公網IP位址及 相關聯的網結 接口編號與MAC地址；
步驟22、 NAT設備查找到所述相同的公網IP位址後，根據所述相同 的公網IP位址相關聯的MAC地址向所述ARP請求報文的發送方發出ARP 應斜艮文。
網絡接口地址包括內網接口地址和外網接口地址。內網接口地址一般是 192.168.x.x這種形式的私有地址，外網接口 (連接ISP路由器的接口 )地址 一般是公網地址，針對這兩種地址的ARP請求，設備都需要發出應答。由於 網絡接口地址、NAT公網IP位址都需要響應ARP請求，因此，將所有網絡 接口的地址以及ISP分配給企業的所有公網地址統一組織在一起，看作本機 地址。這樣判斷是否應該回應ARP應答的邏輯就變得簡明起來，只需判斷目 標IP位址是否為接收報文接口的本機地址即可。只要將本機地址存儲在一個 表即本機地址表中，收到ARP請求報文後，查詢這個表就能夠做相應的判斷。
本實施例中，NAT設備通過由配置網絡接口的IP位址觸發建立本才幾地
9址表，使得NAT設備在沒有收到內網發送的IP報文的情況下也能獲取內網 主機映射到的公網IP位址的相關信息，從而解決了外網主動訪問內網主機時， 由於NAT設備未建立地址轉換關係導致的無法做出ARP應答的問題。保證 了 NAT設備做出ARP應答不受是否建立地址轉換關係的影響，提高了 NAT 設備響應ARP請求的性能。
上述步驟21中，NAT設備開機後，本機地址表為空。配置公網IP位址 以及各種網絡接口的IP位址都觸發建立用於查詢目標IP位址的本才幾地址表 可包括
當在網絡接口上配置公網IP位址時，將配置的公網IP位址、網絡接口 編號、網絡接口編號所對應的MAC地址加入本才幾地址表；
當配置NAT乂/^網IP位址時，針對每一個公網IP位址查詢與其關聯的網 絡接口編號以及對應的MAC地址信息，然後將這些信息存入本機地址表中。
當在網絡接口上刪除公網IP位址配置時，上述方法還包括將本機地址 表中對應的表項刪除。當刪除NAT公網IP位址時，刪除該公網IP位址所對 應的每一個本機地址表項。
上述步驟21中，本機地址表可以散列表形式存儲，以提高查詢速度。如 圖3所示，左側一列為本機地址表的位置編號，此位置編號根據通用的散列 函數計算得到，其參數為本^L地址與其所在的接口編號。右側為存儲的網絡 接口 IP位址及相關聯的網絡接口編號與MAC地址。其中，IPl 、 IP2及IP3 表示不同的網絡接口的IP位址；網絡接口 1、網絡接口2為NAT設備上 的網絡接口編號；MAC1、 MAC2為對應連接在NAT設備網絡接口 1、網 絡接口 2上的路由器物理地址。連接在NAT設備網絡接口 1、網絡接口 2 上的路由器與外網相連。以散列表的形式存儲本機地址表相對於鍊表存儲， 查詢速度更快，能更快速地回應ARP請求。
當NAT設備從某一 網絡接口上接收到 一個ARP請求報文時，根據接收 才艮文的網絡接口編號和才艮文的目標IP位址查詢本才凡地址表。如果查詢到對應表項，按表項信息組裝ARP應答報文，回應給ARP請求發送者。該ARP應 答報文的源IP位址為原報文的目標IP位址，報文的源MAC地址為表項中的 MAC地址。如果查詢不到對應表項，則丟棄ARP糹艮文請求，不應答。
以圖1所示拓樸網絡應用的場景二為例，NAT設備響應ARP請求的過 程如下
當管理員配置NAT設備11與Internet的網絡接口 IP位址為211.1.2.2時， NAT設備11自動將211.1.2.2加入到本機地址表；
當管理員配置NAT設備11內網伺服器192.168.1.5映射到公網IP位址 211.1.2.10時，NAT設備11自動將公網IP位址211.1.2.10加入到本機地址表， 無需管理員手工添加；至此，本機地址表中包含211.1.2.2與211.1.2.10兩個 公網IP位址；此時，由於外網的主機還沒有發起對7>網IP位址211.1.2.10的 連接，所以不存在NAT轉換動作或者NAT轉換表項；
當外網主機發起連接時，如圖1中的ISP路由器12會發出ARP請求到 達NAT設備ll, ARP請求的目標IP位址為211.1.2.10;
NAT設備11收到ARP請求後，查找本機地址表，發現存在"211.1.2.10"， 於是給出ARP應答。從而可以做到不需要NAT轉換，即可給出ARP應答。
並且，採用本機地址表採用散列表存儲，更快速地回應了 NAT設備從外 網接口收到的所有ARP請求。NAT設備自動維護本機地址表，大大減少了 網絡設備管理員的維護工作量。
圖4為本發明網絡地址轉換設備實施例的結構示意圖。如圖4所示，NAT 設備包括建立單元41、接收單元42、查找單元43及應答單元44。建立單元 41用於由配置網絡接口的IP位址由觸發建立用於查詢目標IP位址的本才幾地址
聯的網絡接口編號與媒體訪問控制地址；接收單元42用於接收地址解析協議 請求報文；查找單元43用於根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號 從所述本機地址表中查找所述地址解析協議請求報文中的目標IP位址及相關聯的4某體訪問控制地址；應答單元44用於所述查找單元43查找到所述目標IP 地址後，向查找到的相關聯的媒體訪問控制地址發出地址解析協議應斜艮文。
NAT設備還可包括存儲單元，存儲單元用於以散列表形式存儲所述建 立單元建立的本機地址表。
NAT設備還可包括添加單元，添加單元用於將配置內網主機映射到的 公網IP位址自動添加到所述本4幾地址表。
NAT設備還可包括刪除單元，刪除單元用於刪除所述本機地址表中從 所述網絡地址轉換設備的網絡接口刪除配置的公網IP位址，並刪除該公網IP 地址相關聯的網絡接口編號及媒體訪問控制地址。
上述方法及設備本實施例中，NAT設備通過由配置網絡接口的IP位址 觸發建立本機地址表，使得NAT設備在沒有收到內網發送的IP報文的情況 下也能獲取內網主機映射到的公網IP位址的相關信息，從而解決了外網主動 訪問內網主機時，由於NAT設備未建立地址轉換關係導致的無法做出ARP 應答的問題。保證了 NAT設備做出ARP應答不受是否建立地址轉換關係的 影響，提高了 NAT設備響應ARP請求的性能。並且以散列表存儲本機地址 表，加快了 NAT設備的查詢速度，進一步提高了 NAT設備響應ARP請求的 性能。
本領域普通技術人員可以理解實現上述方法實施例的全部或部分步驟可 以通過程序指令相關的硬體來完成，前述的程序可以存儲於一計算機可讀M 儲介質中，該程序在執行時，執行包括上述方法實施例的步驟；而前迷的存儲 介質包括ROM、 RAM、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其 限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術 人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或 者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技 術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和範圍。
1權利要求
1、一種網絡地址轉換設備響應地址解析協議請求的方法，其特徵在於，包括根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號，從用於查詢目標IP位址的本機地址表中查找與所述地址解析協議請求報文中的目標IP位址相同的公網IP位址；所述本機地址表由配置網絡接口的IP位址觸發建立；所述本機地址表保存有網絡地址轉換設備上的所有公網IP位址及相關聯的網絡接口編號與媒體訪問控制地址；查找到所述相同的公網IP位址後，根據所述相同的公網IP位址相關聯的媒體訪問控制地址向所述地址解析協議請求報文的發送方發出地址解析協議應答報文。
2、 根據權利要求1所述的網絡地址轉換設備響應地址解析協議請求的方 法，其特徵在於，所述本機地址表由配置網絡接口的IP位址觸發建立包括 將所述本機地址表以散列表形式存儲。
3、 根據權利要求1或2所述的網絡地址轉換設備響應地址解析協議請 求的方法，其特徵在於，所述本機地址表由配置網紹 接口的IP位址觸發建 立包括將配置內網主衝幾映射到的公網IP位址自動添加到所述本才幾地址表。
4、 根據權利要求1或2所述的網絡地址轉換設備響應地址解析協議請求 的方法，其特徵在於，還包括刪除所述本機地址表中從所述網絡地址轉換設備的網絡接口刪除配置 的公網IP位址，並刪除該公網IP位址相關聯的網絡接口編號及媒體訪問控 制地址。
5、 一種網絡地址轉換設備，其特徵在於，包括建立單元，用於由配置網絡接口的IP位址觸發建立用於查詢目標IP 地址的本機地址表；所述本機地址表保存有網絡地址轉換設備上的所有/>網IP位址及相關聯的網絡接口編號與媒體訪問控制地址； 接收單元，用於接收地址解析協議請求報文；查找單元，用於根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號，從所 述本機地址表中查找與所述地址解析協議請求報文中的目標IP位址相同的 公網IP位址；應答單元，用於所述查找單元查找到所述相同的公網IP位址後，根 據所述相同的^^網IP位址相關:f關的々某體訪問控制地址向所述地址解析協 議請求報文的發送方發出地址解析協議應答報文。
6、 根據權利要求5所述的網絡地址轉換設備，其特徵在於，還包括 存儲單元，用於以散列表形式存儲所述建立單元建立的本機地址表。
7、 根據權利要求5或6所述的網絡地址轉換設備，其特徵在於，還包括添加單元，用於將配置內網主機映射到的公網IP位址自動添加到所述 本機地址表。
8、 根據權利要求5或6所述的網絡地址轉換設備，其特徵在於，還包括刪除單元，用於刪除所述本機地址表中從所述網絡地址轉換設備的網絡 接口刪除配置的公網IP位址，並刪除該公網IP位址相關聯的網絡接口編號 及媒體訪問控制地址。
全文摘要
本發明涉及一種網絡地址轉換設備及其響應地址解析協議請求的方法，方法包括根據接收地址解析協議請求報文網絡接口的編號，從用於查詢目標IP位址的本機地址表中查找與地址解析協議請求報文中的目標IP位址相同的公網IP位址；本機地址表由配置網絡接口的IP位址觸發建立；本機地址表保存有網絡地址轉換設備上的所有公網IP位址及相關聯的網絡接口編號與媒體訪問控制地址；查找到相同的公網IP位址後，根據相同的公網IP位址相關聯的媒體訪問控制地址向地址解析協議請求報文的發送方發出地址解析協議應答報文。設備包括建立單元、接收單元、查找單元及應答單元。解決了由於NAT設備未建立地址轉換關係導致的無法做出ARP應答的問題。
文檔編號H04L29/12GK101465889SQ20081022796
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月3日 優先權日2008年12月3日
發明者冷欽街, 王曉峰 申請人:北京星網銳捷網絡技術有限公司