網絡地址轉換方法和設備的製作方法

2023-05-24 19:22:56

專利名稱：網絡地址轉換方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及技術領域IP位址技術領域，尤其涉及一種網絡地址轉換方法和設備。
背景技術：
NAT (Network Address Translation,網絡地址轉換)是一種解決IPv4地址短缺以保留公網IP位址的重要技術,NAT的主要應用方法之一是通過創建TCP/UDP埠的映射將大量內部私網地址轉換到少量公網IP位址，以起到節省公網地址的作用。目前網絡地址轉換已經得到廣泛的使用。隨著全球IPv4地址枯竭日期的臨近，NAT444技術也在NAT技術基礎上發展成為了一種向IPv6演進的重要過渡技術。由於TCP (Transmission Control Protocol,傳輸控制協議)/UDP (User Data Protocol,用戶數據報協議)的可用源、目地埠長度為16比特(比特)，因此在NAT環境中一個公網地址可以代理的TCP/UDP連接數將少於65535個，當埠全部被佔用後，NAT用戶後續使用新埠的會話將無法建立，因此制約了公網IPv4地址的利用率和NAT用戶的業務應用。圖1示出現有技術中NAT網關進行網絡地址轉換的示意圖。在圖1中，內網主機A 11具有私網地址例如10.1. 0. 1，內網主機B 12具有私網地址例如10. 100. 0. 1，NAT設備13具有公網地址218. 80. 254. 1，公網主機(伺服器)D 14具有公網地址202. 100. 0.1。NAT設備13為內網主機A 11轉換地址後，同一外網IP會話使用的埠達到最大值，此時，如果內網主機B 12請求建立新的埠會話，由於與公網IP位址218. 80. 254.1對應的埠會話達到上限，內網主機B 12新建的會話將在NAT設備13上丟棄。即NAT設備上一個公網IPv4地址對應的最大會話數將受到埠的最大數限制，而不能超過65535。同樣的，在NAT64過渡技術中，由於IPv6地址範圍遠大於IPv4所需代理的IPv6地址，因此埠限制也會造成公網IPv4地址的大量消耗和超過65535個埠後新會話無法建立的問題。

發明內容
鑑於以上問題提出本發明。本發明要解決的一個技術問題是提供一種網絡地址轉換方法和設備，能夠提高NAT轉換能力，提高了公網IPv4地址利用率。根據本發明的一個方面，提供一種網絡地址轉換方法，包括接收來自內網主機的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的源IP位址為內網主機的私網IP位址，源埠欄位為內網主機的埠號；將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號；將IP報文的源IP位址轉換為公網IP位址，將擴展埠號寫入IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送IP報文。優選地，該方法還包括根據私網IP位址和內網主機的埠號與公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立映射表項。 優選地，將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號包括將私網IP位址映射到公網IP位址；將內網主機的埠號映射到擴展埠號，其中由源埠欄位表示擴展埠號的低位比特，由EPORT欄位表示擴展埠號的高位比特。優選地，將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和新埠號包括將私網IP位址映射到公網IP位址；將內網主機的埠號映射到擴展埠號，擴展埠號包括由源埠欄位表示的埠號和由EPORT欄位表示的內網主機的唯一標識。優選地，該方法還包括接收來自公網的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭、目的埠欄位和EPORT欄位；根據NAT映射表項獲得與由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號對應的私網IP位址和埠號；將IP報文轉發給與私網IP位址和埠號對應的內網主機。根據本發明的另一方法，還提供一種網絡地址轉換設備，包括報文接收模塊，用於接收來自內網主機的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的 源IP位址為內網主機的私網IP位址，源埠欄位為內網主機的埠號；地址映射模塊，用於將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號；報文發送模塊，用於將IP報文的源IP位址轉換為公網IP位址，將擴展埠號寫入IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送IP報文。優選地，該設備還包括映射存儲模塊，用於存儲根據私網IP位址和內網主機的埠號與公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立的映射表項。優選地,該地址映射模塊包括IP位址映射單元,用於將私網IP位址映射到公網IP位址；埠映射單元，用於將內網主機的埠號映射到由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號。優選地，由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號包括由源埠欄位表示擴展埠號的低位比特和由EPORT欄位表示擴展埠號的高位比特，或由源埠欄位表示的埠號和由EPORT欄位表不的內網主機的唯一標識。優選地，報文接收模塊還用於接收來自公網的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭、目的埠欄位和EPORT欄位；地址映射模塊還用於根據NAT映射表項獲得與由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號對應的私網IP位址和埠號；報文發送模塊還用於將IP報文轉發給與私網IP位址和埠號對應的內網主機。本發明提供的網絡地址轉換方法和設備，採用可選IPv4報文選項EPORT擴展傳統的UDP/TCP埠數量，由此增強了 NAT轉換能力、大幅提高了公網IPv4地址利用率。


構成說明書的一部分的附圖描述了本發明的實施例，並且連同說明書一起用於解釋本發明的原理。參照附圖，根據下面的詳細描述，可以更加清楚地理解本發明，其中圖1不出現有技術中NAT網關進彳丁網絡地址轉換的不意圖；圖2示出IPv4報文頭格式以及可選報文頭EPORT的示意圖；圖3示出本發明的網絡地址轉換方法的一個實施例的流程圖；圖4示出本發明的網絡地址轉換方法的另一個實施例的流程圖5示出本發明的網絡地址轉換方法的又一個實施例的流程圖；圖6示出本發明的網絡地址轉換設備的一個實施例的結構圖；圖7示出本發明的網絡地址轉換設備的另一個實施例的結構圖；圖8示出本發明的NAT網關進行網絡地址轉換的示意圖。
具體實施例方式現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的範圍。同時，應當明白，為了便於描述，附圖中所示出的各個部分的尺寸並不是按照實際的比例關係繪製的。 以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為授權說明書的一部分。在這裡示出和討論的所有示例中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它示例可以具有不同的值。應注意到相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。本發明實施例的基本構思為通過新的IPv4可選報文頭EPORT(Extended TCP/UDP PORT)來擴展NAT網關TCP/UDP埠映射能力。圖2示出IPv4報文頭格式以及可選報文頭EPORT的一個例子的示意圖，該例子中報文頭規格如下選項類型(option-type)欄位(8比特)第I比特copied flag :取I，將可選報文頭複製到所有的切片報文中。第2比特option class,:取01定義為新的IP擴展第5比特option number :取00001定義為EPORT id,標識該IPv4報文包含EPORT可選報文頭為報文頭用於擴展TCP/UDP埠。長度(LENGTH)欄位(8比特)取00000100，標識EPORT可選報文頭的總長度為
4byte0選項數據(option-data)欄位(16比特)用於標識NAT網關映射的TCP/UDP擴
展埠號。本領域的技術人員應當理解，IPv4報文頭格式也可以有其他的實現方式，option-data欄位也可以包括其他的可選欄位，而LENGTH等欄位可以有相應的取值。圖3示出本發明的網絡地址轉換方法的一個實施例的流程圖。如圖3所示，步驟302，NAT設備接收來自內網主機的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的源IP位址為內網主機的私網IP位址，源埠欄位為內網主機的埠號。IP 報文例如是 TCP、UDP、IGMP (Internet Group Management Protocol,Internet組管理協議)等。步驟304，NAT設備將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號。可以根據私網IP位址和內網主機的埠號與公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立映射表項，將映射關係存儲在映射表項中。步驟306，NAT設備將IP報文的源IP位址轉換為公網IP位址，將擴展埠號寫IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送IP報文。上述實施例中，網絡NAT網關在進行私網、公網IP位址轉換埠映射時結合原有的TCP/UDP埠，以可選的IPv4報文的方式擴展TCP/UDP埠數量。這樣，一個公網IPv4地址可代理的TCP/UDP連接數從原有的16比特擴展到了 32比特，使得一個公網IPv4地址可以代理的連接數量從65535個大幅擴展到了 4294967295個，大幅度降低了 IPv4公網地址的消耗速度，同時在不影響用戶應用體驗的情況下增加了單層或多層NAT網關後可代理的私網地址規模，為IPv6的大規模部署贏得了時間。同時，該解決方案不修改現有TCP/UDP報文頭的結構和相關定義，不改變IP報文頭已定義的各個字 段，具備較好的協議兼容性。通過EPORT欄位和源埠欄位表示擴展埠號有多種實現方式。下面將介紹幾個具體的例子。在本發明的一個實施例中，NAT網關設備將公網映射側TCP/UDP映射埠從傳統的TCP/UDP源埠號的16比特擴展到32比特，其中低位16比特埠號由傳統TCP/UDP源端號欄位表示，超過16比特後(即一個經過NAT映射後的公網地址代理的連接超過65535個後)的埠號由IPv4可選報文頭EPORT中option-data欄位的TCP/UDP擴展埠號+TCP/UDP源端號欄位表示。需要注意，這種情況下，每個NAT網關的內網主機可建立的連接遵從IPv4UDP/TCP的埠定義不超過65535，所有的內網主機共享NAT網關的4294967295個(32比特)理論TCP/UDP連接。該方式對於小於65535個埠的情況不使用EPORT欄位，對於大於65535個埠的情況再使用EPORT欄位，可以較好地和現有的技術方案兼容，具有較好的兼容性。在本發明的另一個實施例中，NAT網關設備將公網映射側TCP/UDP映射埠從傳統的TCP/UDP源埠號的16比特擴展到32比特，其中低位的16比特埠號由傳統TCP/UDP源端號欄位表述，高位的IPv4可選報文頭EPORT的TCP/UDP擴展埠號用於標識NAT網關代理的私網主機，每一個內網主機都由NAT網分配一個唯一的PORT的TCP/UDP擴展埠號。在這種情況下，一個NAT網關設備最多可以代理65535(16比特)個內網主機，每個主機理論上都可以通過NAT網關建立65536 (16比特)的理論TCP/UDP連接。圖4示出本發明的網絡地址轉換方法的另一個實施例的流程圖。如圖4所示，步驟402，NAT設備接收來自內網主機的TCP/UDP報文，報文中包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的源IP位址為內網主機的私網IP位址。步驟404，將源IP位址由私網IP位址映射為公網IP位址。步驟406，將源埠號映射為由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號。例如，源埠號佔用源埠欄位的16比特(比特)，取值範圍為1-65535，而擴展埠號佔用EPORT欄位(16比特)和源埠欄位(16比特)共32比特，取值範圍可以為1-4294967295個。步驟408，建立映射表項，將公網IP位址和擴展埠號寫入TCP/UDP報文的對應欄位，將TCP/UDP報文發送到公網。採用公網IP位址的主機終端具備識別TCP/UDP報文中可選報文頭EPORT欄位的能力，據此區分屬於不同會話連接的TCP/UDP報文，在返回TCP/UDP報文中原封保留接收到的可選報文頭的EPORT欄位。該實施例還可以包括如下步驟步驟410，NAT設備接收來自公網的TCP/UDP報文，TCP/UDP報文中包括目的IP位址、目的埠號和EPORT欄位。步驟412，根據映射表項獲得與目的IP位址和由EPORT欄位和目的埠欄位表示的擴展埠號對應的內網主機的私網IP位址和埠號。步驟414，將TCP/UDP報文發送給與私網IP位址對應的內網主機。上述實施例中，NAT網關設備接收到來自公網主機應答的TCP/UDP報文後，識別可選報文頭的EPORT欄位，根據映射的表項去除包含EPORT欄位IPv4可選報文頭並將公網主機應答的數據報文返回給相應的內網主機。不需要修改現有TCP/UDP報文頭的結構，不改變IP報文頭已定義的各個欄位，具備較好的協議兼容性。 從NAT網關出口到所訪問的公網目地終端途經的網絡設備不修改包含TCP/UDP埠擴展的EPORT欄位及所屬IPv4可選報文頭，不丟棄擁有該可選報文頭的IPv4報文。圖5示出本發明的網絡地址轉換方法的又一個實施例的流程圖。如圖5所示，步驟502，NAT設備接收來自內網主機的TCP/UDP報文，報文中包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的源IP位址為內網主機的私網IP位址。步驟504，NAT設備將私網IP位址和源埠號映射為公網IP位址和擴展埠號，並建立映射表項。步驟506，NAT設備將公網IP位址和擴展埠號寫入TCP/UDP報文的源IP位址欄位和源埠、EPORT欄位，將TCP/UDP報文發向目的主機。步驟508，採用公網IP位址的公網主機識別TCP/UDP報文中可選報文頭EPORT欄位，在返回TCP/UDP報文中原封保留接收到的可選報文頭的EPORT欄位，將源埠欄位的內容寫入目的埠欄位。步驟510，NAT設備接收來自公網的TCP/UDP報文，TCP/UDP報文中包括目的IP位址、目的埠號。步驟512，NAT設備判斷TCP/UDP報文的IPv4報文頭中是否包括EPORT欄位，如果是，則執行步驟516，否則執行步驟514。步驟514，根據映射表項獲得與目的IP位址和由目的埠欄位表示的埠號對應的內網主機的私網IP位址和埠號。步驟516，根據映射表項獲得與目的IP位址和由EPORT欄位和目的埠欄位表示的擴展埠號對應的內網主機的私網IP位址和埠號。步驟518，將TCP/UDP報文發送給與私網IP位址對應的內網主機。上述實施例中，NAT設備通過判斷是否具有EPORT欄位來分別進行傳統映射處理和擴展埠號處理，可以較好地和現有技術兼容。圖6示出本發明的網絡地址轉換設備的一個實施例的結構圖。如圖6所示，該設備包括報文接收模塊61、地址映射模塊62和報文發送模塊63。其中，報文接收模塊61接收來自內網主機的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，IPv4報文頭中的源IP位址為內網主機的私網IP位址，源埠欄位為內網主機的埠號；地址映射模塊62將私網IP位址和內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號；報文發送模塊63將IP報文的源IP位址轉換為公網IP位址，將擴展埠號寫IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送IP報文。圖7示出本發明的網絡地址轉換設備的另一個實施例的結構圖。如圖7所示，該設備包括報文接收模塊61、地址映射模塊72、報文發送模塊63和映射存儲模塊74。映射存儲模塊74存儲根據私網IP位址和內網主機的埠號與公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立的映射表項。根據本發明的一個實施例，地址映射模塊72包括IP位址映射單元721和埠映射單元722。其中，IP位址映射單元721將私網IP位址映射到公網IP位址；埠映射單元722將內網主機的埠號映射到由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號。根據本發明的一個實施例，報文接收模塊61還用於接收來自公網的IP報文，IP報文包括IPv4報文頭、目的埠欄位和EPORT欄位；地址映射模塊72還用於根據NAT映射表項獲得與由EPORT欄位和源埠欄位表示的擴展埠號對應的私網IP位址和埠號；報文 發送模塊63還用於將IP報文轉發給與私網IP位址和埠號對應的內網主機。圖8示出本發明的NAT網關進行網絡地址轉換的示意圖。如圖8所示，NAT設備13在達到傳統最大埠數後，主機B 12初始化新的TCP/UDP連接，NAT設備13接收並啟用EPORT選項報文，將超出傳統最大埠數的部分擴展到選項報文中去。伺服器D 14識別NAT設備13傳遞過來數據包中的EPORT選項；在返回NAT設備13的數據包中原封附帶該EPORT選項報文；NAT設備13根據之前建立的內外映射表，將公網地址轉換成NAT內部的私網地址，並去除EPROT選項報文頭返回給內網主機B 12。本發明實施例採用可選IPv4報文選項EPORT將傳統的UDP/TCP埠數量在NAT轉換時從16bit擴展到32bit，由此增強了 NAT轉換能力、大幅提高了公網IPv4地址利用率。此外，本發明實施例不修改現有TCP/UDP報文頭的結構和相關定義，不改變IP報文頭已定義的各個欄位，因此具備較好的協議兼容性。本發明實施例提供了通過擴展TCP/UDP埠增強NAT轉換能力、提高IPv4地址利用率的方法和設備。至此，已經詳細描述了根據本發明的網絡地址轉換方法和設備。為了避免遮蔽本發明的構思，沒有描述本領域所公知的一些細節。本領域技術人員根據上面的描述，完全可以明白如何實施這裡公開的技術方案。本發明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而並不是無遺漏的或者將本發明限於所公開的形式。很多修改和變化對於本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，並且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適於特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
權利要求
1.一種網絡地址轉換方法，其特徵在於，包括接收來自內網主機的IP報文，所述IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，所述IPv4報文頭中的源IP位址為所述內網主機的私網IP位址，所述源埠欄位為所述內網主機的埠號；將所述私網IP位址和所述內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號；將所述IP報文的源IP位址轉換為所述公網IP位址，將所述擴展埠號寫入所述IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送所述IP報文。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，根據所述私網IP位址和所述內網主機的埠號與所述公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立映射表項。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述私網IP位址和所述內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號包括將所述私網IP位址映射到所述公網IP位址；將所述內網主機的埠號映射到所述擴展埠號，其中由所述源埠欄位表示所述擴展埠號的低位比特，由所述EPORT欄位表示所述擴展埠號的高位比特。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述私網IP位址和所述內網主機的埠號映射到公網IP位址和新埠號包括將所述私網IP位址映射到所述公網IP位址；將所述內網主機的埠號映射到所述擴展埠號，所述擴展埠號包括由所述源埠欄位表示的埠號和由所述EPORT欄位表示的所述內網主機的唯一標識。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括接收來自公網的IP報文，所述IP報文包括IPv4報文頭、目的埠欄位和EPORT欄位；根據所述NAT映射表項獲得與由所述EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號對應的私網IP位址和埠號；將所述IP報文轉發給與所述私網IP位址和埠號對應的內網主機。
6.一種網絡地址轉換設備，其特徵在於，包括報文接收模塊，用於接收來自內網主機的IP報文，所述IP報文包括IPv4報文頭和源埠欄位，所述IPv4報文頭中的源IP位址為所述內網主機的私網IP位址，所述源埠欄位為所述內網主機的埠號；地址映射模塊，用於將所述私網IP位址和所述內網主機的埠號映射到公網IP位址和由EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號；報文發送模塊，用於將所述IP報文的源IP位址轉換為所述公網IP位址，將所述擴展埠號寫入所述IP報文的源埠欄位和EPORT欄位，發送所述IP報文。
7.根據權利要求6所述的設備，其特徵在於，還包括映射存儲模塊，用於存儲根據所述私網IP位址和所述內網主機的埠號與所述公網IP位址和擴展埠號的映射關係建立的映射表項。
8.根據權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述地址映射模塊包括IP位址映射單元，用於將所述私網IP位址映射到所述公網IP位址；埠映射單元，用於將所述內網主機的埠號映射到由所述EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號。
9.根據權利要求8所述的設備，其特徵在於，由所述EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號包括由所述源埠欄位表示所述擴展埠號的低位比特和由所述EPORT欄位表示所述擴展埠號的高位比特或由所述源埠欄位表示的埠號和由所述EPORT欄位表示的所述內網主機的唯一標識。
10.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述報文接收模塊還用於接收來自公網的IP報文，所述IP報文包括IPv4報文頭、目的埠欄位和EPORT欄位；所述地址映射模塊還用於根據所述NAT映射表項獲得與由所述EPORT欄位和所述源埠欄位表示的擴展埠號對應的私網IP位址和埠號；所述報文發送模塊還用於將所述IP報文轉發給與所述私網IP位址和埠號對應的內網主機。
全文摘要
本發明公開一種網絡地址轉換方法和設備，涉及IP位址技術領域。該方法採用可選IPv4報文選項EPORT將傳統的UDP/TCP埠數量在NAT轉換時從16bit擴展到32bit，由此增強了NAT轉換能力、大幅提高了公網IPv4地址利用率。此外，該方法並不修改現有TCP/UDP報文頭的結構和相關定義，不改變IP報文頭已定義的各個欄位，因此具備較好的協議兼容性。
文檔編號H04L29/12GK103024089SQ20111027912
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年9月20日
發明者孫劍平, 黃國瑾 申請人:中國電信股份有限公司