CN101986666A

CN101986666A - 基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法

Info

Publication number: CN101986666A
Application number: CN2010105326324A
Authority: CN
Inventors: 张尧学; 周悦芝
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Hunan Tiao Medical Technology Co ltd
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: CN101986666B

Abstract

本发明涉及基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法，属于计算机网络访问技术领域，该方法包括：网络终端通过虚拟网络接口发送网络数据包，该网络数据包再被虚拟反向网络地址转换器截取，将该数据包中的源网络地址修改成被选择的物理网络接口的网络地址，再通过该物理网络接口进行发送；当网络终端的任何一个物理网络接口接收到来自服务器返回的网络数据包时，虚拟反向网络地址转换器截取该网络数据包，然后将该网络数据包的目的地址修改成虚拟网络接口的网络地址，并通过虚拟网络接口递送给上层的操作系统或用户。本发明只需要修改网络终端一侧，不但能够有效支持多个异构网络接口的同时使用和访问，还能够非常方便的进行部署和应用。

Description

基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法

技术领域

本发明属于计算机网络访问技术领域，特别涉及一种无需更改网络基础设施及已有网络通信协议，就可以为用户提供同时使用多个相同或不同网络接口访问因特网(Internet)的方法。

背景技术

随着计算机技术的发展，计算机终端(设备)进一步向小型化、便携式和多样化方向发展，如笔记本、上网本、MID(Mobile Internet Devices)、3G手机等。与传统的PC机一般只安装有一个有线网络接口(网卡)进行网络通信不同，现有的便携式计算设备往往配备有多个不同类型(异构)的网络接口，如有线以太网络接口、WiFi、WiMax、蓝牙、以及3G(如TD-SCDMA，WCDMA)网络接口等，以方便用户在固定和移动场合下都能够访问到Internet网络服务。

在这样一种设备小型化、网络泛在化的环境下，终端用户很自然地希望能够在多个网络接口都存在的情况下，同时使用这多个网络接口来加快网络访问速度，提升网络的可用性和可靠性，从而提高工作效率，即将从网络终端到服务器之间存在的多条物理网络链路聚合成一条逻辑链路，以提高网络服务的带宽、可用性和可靠性。现有具有多个物理网络接口的网络终端设备如图1所示，包括在主板设置的CPU、内存(内部存储器)和外存(外部存储器)、三个物理网络接口1、2、3，及其外围部件。但是，由于现有终端上的路由规则和策略是：只要找到一条可抵达目的主机的网络接口(或者称之为路径)，就通过该网络接口进行数据包的发送，而不再进行其它的网络接口查找和发送。因此，在现有的路由协议规则和策略下，即使终端设备上存在可实际使用的多个网络接口和物理链接，当终端需要向某一网络主机发送数据时，现有终端上的路由方法并不能自动同时使用多个网络接口及其相关的多条物理链接来发送这些数据包，而只会从既定的路由表中选择一条相对固定的路径进行转发(即只通过某一个网络接口发送)。因此，如何有效聚合并使用多个网络接口、尤其是异构网络接口的带宽，就成为在网络泛在化条件下一个迫切需要解决的技术问题。

为了解决上述多网络接口带宽聚合的问题，人们已经进行了多方面的研究并发明了多种方法。下面按TCP/IP网络的层次结构来进行分类描述。在数据链路层(Data Link Layer)上，人们通过修改或增加新的逻辑链路层功能来聚合两端之间的物理链路。例如，在上个世纪90年代早期，BONDING Consortium为了利用n条56(或64)kb/s的广域网链路得到一条虚拟的高速广域网数据链路，Bandwidth on Demand Interoperability Group发明了BONDING技术(参见发表于1992年的Interoperability requirements for nx56/64kbscalls，version 1.0)。专利公开号为CN10134967A，题为“一种多网络接口反向复用方法”中也提出了一种聚合多个T1接口的方法。在IEEE以太网标准802.3中也定义了关于链路聚合(Link aggregation)的方法，用以将多条以太网链接聚合成一条高带宽的逻辑链路。此外，在蜂窝网络和无线局域网络中，人们也提出了将多条物理链路聚合成一条逻辑链路的方法。但是这些方法为了保持对上层协议的接口，都需要更改这些物理链路的两端以及相应的逻辑链路协议，从而使得发送端能够将来自上层的数据包分发到不同的物理链路上同时进行发送，接收端能够将不同物理链路上接收到的数据包按发送次序收集整理并递送给上层操作系统或应用。此外，这些方法都只能针对同一类型的物理链路，即只能将同构的物理链路进行聚合。这就使得这些物理链路聚合方法只能在有限的特定场合下使用。对于目前网络终端上普遍具有多条不同性质物理链路的情况，这些方法基本上不适用。这些方法和技术被称为反向复用(Inverse Multiplexing)，以表明与传统链路复用概念的区别。

在网络层(Network Layer)解决多个网络接口同时使用的问题，能在一定程度上克服链路层反向复用只能适用于同构网络的问题。因此，这些年来研究者们开始着手研究新的IP路由协议，如多路径路由(Multipath routing)(参见K.Lakshminarayanan等于2007年发表在Proc.of the ACM SIGCOMM上的文章：Achieving Convergence-Free Routingusing Failure-Carrying Packets)或Shim 6协议(参见E.Nordmark和M.Bagnulo于2008年发表的IETF Internet Draft：Shim 6：Level 3multihoming shim protocol forIPv6)。通过多路径路由，上层应用的数据包可以通过多条IP路径到达目的主机，从而能够利用多条网络连接来进行数据的传送。但是更改现有网络路由协议的方法，涉及到整个网络基础设施的更改，部署起来需要一个过程。为了解决这一个问题，一些研究者引入IP代理机制(参见K.Evensen等于2009年在Proc.of the 34rd Annual IEEE Conferenceon Local Computer Networks(LCN)上发表的文章：A Network-Layer Proxy for BandwidthAggregation and Reduction of IP Packet Reordering)，通过在终端和服务器之间增加一个新的硬件设备来管理和利用终端和代理之间存在的多条物理链路带宽。另外，在企业网络应用里面，也出现了类似IP代理的硬件设备。这些硬件设备能够同时连接并使用多个ISP提供的网络访问服务(参见用于“AscenLink”产品介绍的因特网网址，http://nsl.ascenvision.com.tw/ascenvision tc/product2.php(检索日期：2010年10月25日))，并为企业内部的全部用户服务。这些类似IP代理的机制大多数利用网络隧道技术或网络地址转换(Network Address Translation)技术来帮助用户达到同时访问多个网络的目的，无需对终端进行任何修改，但是这种方法需要在终端和服务器之间增加一个新的网络硬件设备，因此在部署上存在一定的难度。特别是在终端设备移动的场景下，这种硬件代理设备难于部署和使用，而且可能会影响效率。例如，由于硬件代理设备不能随着网络终端设备进行移动，因此在移动场景下网络终端设备与硬件代理的交互会变得异常麻烦和困难，而且由于不同无线网络的特性不一致，很容易导致一个TCP连接上的IP数据包，由于经历的无线网络不同而发生到达顺序上的变化(即IP包乱序问题)，从而影响到传输层TCP的行为，并最终使得实际的TCP传输带宽下降或影响上层应用。

在数据传输层(Transport Layer)上，通过修改数据传输协议，使其能够利用多个IP地址和网络路径来进行数据传输是另一种实现多个网络接口聚合访问的方法。例如，SCTP和TCP协议的多种变种，cmpSCTP(参见J.Liao等于2008年在ICC会议上发表的论文：cmpSCTP：An extension of SCTP to support concurrent multi-path transfer)，pTCP(参见H.-Y.Hsieh等于2003年在Proc.of the 10th IEEE International Conferenceon Network protocols上发表的论文：pTCP：An end-to-end transport layer protocolfor striped connections)等，都是通过扩展现有传输层协议来达到利用多个网络接口同时进行数据传输的目的。

基于应用层(Application Layer)的网络带宽聚合方法，与上述的修改IP和TCP协议的方法类似，主要是通过修改应用层协议来达到利用多个网络接口同时进行数据传输的目的，如通过修改FTP协议(参见M.Allman等于1996年在Proc.of the First InternationalWorkshop on Satellite-based Information Services上发表的论文：AnApplication-level Solution to TCP’s Satellite Inefficiencies)，使其能够在一个文件下载时建立多条连接来进行传输。在应用层进行修改的网络带宽聚合方法，无需修改底层的传输层或网络层协议，因此也无需修改网络路由器等网络基础设施，但是这种方法和基于网络层和传输层进行修改的方法一样，也需要通信双方的应用层协议均进行修改，相互配合，才能互相通信。如果对方服务器的应用层协议不修改，则仅终端一方的协议修改不起作用。

综上所述，现有的这些解决多个网络接口带宽聚合访问的方法，要么需要更改协议，要么需要更改网络基础设施。总所周知，网络基础架构和网络协议的修改，涉及到网络设备提供商、网络服务提供商、用户等众多环节，牵一发而动全身，因此网络设备或协议的更新部署是一个相对漫长的过程。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有多网络接口带宽聚合方法难于部署和目前具有多网络接口的网络终端用户难于立即受益的困境，提出了一种基于虚拟网络接口和反向网络地址转换的多网络接口数据传输方法，该方法通过在网络终端上增加一个虚拟网络接口和一个虚拟反向网络地址转换器，使得访问网络主机的网络包首先经过虚拟网络接口，然后由虚拟反向网络地址转换器实现网络包在不同网络接口上的数据发送和接收。这种方法不需改变现有的终端路由策略和方法，也不需要修改现有的网络协议，也无须修改对方主机和中间的网络路由器设备等，能够对上层网络协议完全透明，因此能够解决现有带宽聚合方法难于向后兼容和难于部署的问题。

本发明提出的基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法，其特征在于，在网络终端中设置一个虚拟网络接口，一个虚拟反向网络地址转换器，该方法包括：网络终端通过虚拟网络接口发送IP网络数据包，该IP网络数据包再被所述虚拟反向网络地址转换器截取，虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包中的源IP网络地址修改成被选择的物理网络接口的IP网络地址，再通过该物理网络接口进行发送；当网络终端的任何一个物理网络接口接收到来自服务器返回的IP网络数据包时，虚拟反向网络地址转换器截取该IP网络数据包，然后将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改成虚拟网络接口的IP网络地址，并通过虚拟网络接口递送给上层的操作系统或用户。

本发明的特点

1、对上层操作系统、应用程序和用户透明：引入虚拟网络接口，维持现有操作系统和用户的应用传统和习惯，保持了现有的网络路由策略。

2、对网络层和数据链路层协议透明：无需修改终端上的网络层协议和数据链路层协议，因此可以做到对现有网络层协议和各种不同类型网络接口的支持和兼容。

3、对网络基础设施和对方服务器透明：由于没有修改任何网络协议，也无需修改路由协议、规则和策略，因此无需修改网络中的路由器，也不需对方服务器或主机的配合。

4、容易部署：上述三个方面的透明性，使得本发明非常容易部署和应用，使得用户无需网络基础设施的支持就可以立即享受到多个网络接入能够带来的高带宽、高可靠性和高可用性等好处。

5、能够支持移动终端和异构网络接口等多种复杂场合：由于无需硬件设备的支持，因此能够随着移动终端随时进行移动，适应多种复杂的应用场景。

6、本发明虽然是针对IP网络提出的，但也可以扩展到用于其他类型网络，如IPX/SPX网络，AppleTalk网络等。

附图说明

图1为现有具有多网络接口的网络终端设备示意图。

图2为本发明的网络终端设备示意图。

图3为本发明的虚拟网络接口、物理网络接口以及虚拟反向网络地址转换器之间的连接关系。

图4为本实施例中的数据发送流程框图。

图5为本实施例中的数据接收流程框图。

具体实施方式

本发明提出的基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法，结合附图及实施例详细说明如下：

为了解决现有多网络接口带宽聚合技术需要修改现存网络协议或者网络基础设施、难于大规模部署的问题，本发明提出了一种基于虚拟网络接口和反向地址转换器的方法来支持多个物理网络接口的同时使用。

本发明提出的方法，其特征在于，在网络终端中设置一个虚拟网络接口，一个虚拟反向网络地址转换器，该方法包括：

网络终端通过虚拟网络接口发送IP网络数据包，该IP网络数据包再被所述虚拟反向网络地址转换器截取，虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包中的源IP网络地址修改成被选择的物理网络接口的IP网络地址，再通过该物理网络接口进行发送；当终端的任何一个物理网络接口接收到来自服务器返回的IP网络数据包时，虚拟反向网络地址转换器截取该IP网络数据包，然后将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改成虚拟网络接口的IP网络地址，并通过虚拟网络接口递送给上层的操作系统或用户。

虚拟网络接口是用户和操作系统识别为实际网络接口的虚拟计算机部件。它通过通用的设备驱动接口与用户或者操作系统进行交互，具有和物理网络接口一样的媒体类型，最大、最小帧长度，硬件地址(如MAC地址)，以及IP网络地址。

虚拟反向网络地址转换器是一个虚拟的计算机部件。它连接终端上的虚拟网络接口和物理网络接口，截获用户或操作系统需要发送到服务器上的任何IP网络数据包，以及任何物理网络接口接收到的IP网络数据包，同时根据需要进行IP网络数据包的地址转换和数据发送。

从上面可以看出，本发明的方法只需要修改网络终端一侧，无需修改现存的网络协议以及网络基础设施，也无需服务器的配合，因此不但能够有效支持多个异构网络接口的同时使用和访问，还能够非常方便的进行部署和应用。

本发明的方法，包括以下内容：

在现有具有多个物理网络接口的网络终端(包括在主板设置的CPU、内存、外存、多个物理网络接口(例如图中所示的三个物理网络接口1、2、3)，及其外围部件)的基础上，增加一个虚拟网络接口4和一个虚拟反向网络地址转换器5，如图2所示；其中在虚拟反向网络地址转换器中维护一张动态的数据转发记录表(图中未示出)；

将所述虚拟网络接口的IP网络地址设置为一个内部IP网络地址或者一个合法的外部IP网络地址；

为现有网络终端上的所有物理网络接口，均分配一个合法的IP网络地址，用于能够访问Internet上的主机或被Internet上的主机寻址；

将上述的虚拟反向网络地址转换器5连接在虚拟网络接口4和网络终端上的所有物理网络接口之间；将虚拟网络接口设置为用户或操作系统使用的默认网络接口(即该网络终端的所有Internet网络访问，都通过该虚拟网络接口来进行)；将虚拟反向网络地址转换器设置为能够截获虚拟网络接口和全部物理网络接口所发送或接收的IP网络数据包的网络地址转换器，如图3所示。虚拟反向网络地址转换器在截获到用户或操作系统发送的IP网络数据包后，再选择一个物理网路接口(以太网、WiFi或者3G)将该IP网络数据包发送至因特网，最后送至服务器。当截获到任一物理网络接口接收到的IP网络数据包时，虚拟反向网络地址转换器将把该IP网络数据包通过虚拟网络接口传递给操作系统或用户。

所述的数据转发记录表记录虚拟反向网络地址转换器在IP网络数据包转发过程中所维护的TCP连接的各种相关信息的连接记录。该连接记录包括如下几个域：虚拟网络接口IP，客户端口号，服务器IP，服务器端口号，物理网络接口IP，活动时戳，标志。其中虚拟网络接口IP为虚拟网络接口的IP网络地址，客户端口号是指虚拟网络接口侧所对应的TCP端口号，服务器IP地址是指网络终端应用程序所要连接的服务器的IP网络地址，服务器端口号是指服务器侧所对应的TCP端口号。上述的虚拟网络接口IP，客户端口号，服务器IP，服务器端口号标识了一条建立在虚拟网络接口和服务器之间的TCP连接。物理网络接口IP是指分配给上述的TCP连接的物理网络接口的IP网络地址，表示凡是属于这条TCP连接的IP网络数据包都将通过该物理网络接口进行发送或者接收。实际上它是记录了该TCP连接的转发路径。活动时戳是指在该TCP连接上最近一次数据传输发生时的时间。活动时戳主要是为了记录TCP连接的活动情况。对于长期不活动的TCP连接，可以认为该TCP连接已经无效，因此可以回收该条记录所占用的空间，以节省系统资源。标志是指上述TCP连接所处的状态，它有两个取值：“E”，“T”。“E”表示TCP连接已经建立，可以通过该连接发送或接收TCP数据包。“T”表示TCP连接处于关闭状态。处于关闭状态的TCP连接，在网络终端或服务器发送TCP连接关闭应答并经历一段时间后，可以从数据转发记录表中删除其所对应的连接记录。

在上述设置基础上，本发明的网络数据传输方法包括数据接收和数据发送过程，包括以下步骤：

所述数据发送过程，具体步骤如下：

1.1)网络终端通过虚拟网络接口发送IP网络数据包，该IP网络数据包被所述虚拟反向网络地址转换器截取；

1.2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议(如TCP，Transport Control Protocol)的IP网络数据包，如果是则进行步骤1.3)，否则进行步骤1.11)；

1.3)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包是否是TCP连接建立的IP网络数据包(即SYN＝1的TCP数据包)，如果是则进行1.4)，否则进行1.7)；

1.4)虚拟反向网络地址转换器选择一条物理链路(例如，选择带宽-迟延乘积与已分配TCP连接的总数据流差值最大的物理链路)，并将该物理链路对应的物理网络接口分配给该IP网络数据包对应的TCP连接；

1.5)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中建立一条新的连接记录，记录该TCP连接的转发路径，并将其标志域置为“E”，同时更新该记录中的活动时戳域；

1.6)虚拟反向网络地址转换器将该数据包的源IP网络地址修改成已分配的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口进行数据发送；

1.7)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中查找该数据包对应的TCP连接的连接记录，如果存在，则执行1.8)，否则丢弃该IP网络数据包；

1.8)虚拟反向网络地址转换器查看该数据包是否是传输层的TCP连接关闭的IP网络数据包(即FIN＝1的TCP数据包)，如果是则进行1.9)，否则进行1.10)；

1.9)虚拟反向网络地址转换器将数据转发记录表中该数据包对应的连接记录的标志改为“T”；

1.10)虚拟反向网络地址转换器将该数据包的源IP网络地址更改为所述连接记录中的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口进行发送，同时更新连接记录中的活动时戳域；

1.11)虚拟反向网络地址转换器选择一条物理链路，将该IP网络数据包的源IP网络地址更改为该物理链路所对应的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口发送到因特网；

1.12)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1(一般取值范围为30秒-2分钟)，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2(一般取值范围为2小时-24小时)，T2＞T1，则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，则也删除该连接记录。

所述数据接收过程，具体过程如下：

2.1)网络终端的任何一个物理网络接口接收到来自服务器返回的IP网络数据包，虚拟反向网络地址转换器截获到该IP网络数据包；

2.2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议的IP网络数据包(如TCP数据包)，如果是则进行2.3)，否则进行2.5)；

2.3)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中查找所对应的连接记录，如果存在，则进行2.4)，否则将该IP网络数据包丢弃；

2.4)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的目的IP网络地址更改为虚拟网络接口的IP网络地址，并通过该虚拟网络接口递送给上层操作系统或用户，同时更新该连接记录的活动时戳域；

2.5)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改为虚拟网络接口的IP网络地址，并通过虚拟网络接口转发给上层操作系统或用户。

2.6)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1(一般取值范围为30秒-2分钟)，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2(一般取值范围为2小时-24小时)，则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，则也删除该连接记录。

本发明方法的实施例说明如下：

本实施例以一台ThinkPad X301 2774(HH1)笔记本为例，来说明本发明的具体的实施过程。本实施笔记本的配置情况如下：

硬件配置：CPU：Intel Core2 Duo U9400；内存：3GB；硬盘：128GB固态硬盘；共有两个物理网络接口：1个Intel 82567LM以太网络接口(1Gbps)和一个Intel 5300 AGN无线WiFi网络接口。

软件配置：Windows XP sp3。

本实施例的实施过程如下：

首先，在笔记本ThinkPad X301 2774(HH1)上，增加一个虚拟网络接口和一个虚拟反向网络地址转换器；其中虚拟反向网络地址转换器维护一张动态的数据转发记录表；

其中，虚拟网络接口的实施例为：

虚拟网络接口通过向Windows XP系统安装一个驱动程序的方式来实现。该驱动程序用WDK(Windows Driver Kit)实现为一个符合NDIS(Network Driver Interface Specification)的WDF小端口驱动(Miniport Driver)。在DriverEntry中，首先初始化一个包装句柄(Wrapper Handler)，该句柄提供驱动对象的指针和这个驱动的注册表路径。然后填写相应小端口特征函数(即回调函数)，最后将该驱动注册为一个小端口网络驱动。

在初始化过程中，该小端口驱动不从注册表中读取网络接口信息，而是直接在网络接口(即适配器)结构中，设置一个以太网络适配器。在MPinitialize函数(即InitializeHandler所指函数)中，将该适配器的媒体类型设置为“NdisMedium8023”，即设置为一块标准的以太网网络接口，最大帧长度为1500Byte。将虚拟网络接口的MAC地址设置为：A5-BA-DB-FE-A8-96，IP地址设置为：192.168.0.5。依据上述设置生成适配器结构和适配器上下文。最后激活该适配器实例，完成虚拟网络接口的设置。

虚拟反向网络地址转换器的实施例为：

在Windows XP系统中，虚拟反向网络地址转换器可以利用WDK实现为一个NDIS中间层驱动来实现其功能。该NDIS中间层驱动位于Windows本身的NDIS协议驱动和NDIS小端口驱动之间，截获操作系统或用户通过任何协议和任何网络接口发送的数据包，以及所有NDIS小端口(即网络接口)驱动所接收的数据包。在DriverEntry中，首先初始化包装句柄，然后再注册小端口特征函数(即回调函数)和协议特征函数。其次，在注册表中取得所有物理网络接口的设备名(DeviceName)，调用驱动注册的PtBindAdapter函数实现协议驱动对小端口的绑定。该NDIS中间层驱动截获数据后的操作步骤将在后面结合数据的发送和接收过程进行说明。

为了得到所有物理网络接口的MAC地址，虚拟反向网络地址转换器可以利用Windows系统本身的Oid查询请求获得每一块物理网络接口的MAC地址。为了得到该MAC地址所对应的IP地址，虚拟反向网络地址转换器可以利用ARP协议来获得所需要的MAC到IP的对应关系。由于虚拟反向网络地址转换器能够截获到所有的数据包，因此也可以截获ARP请求的应答包，这样就可以知道该MAC地址所对应的IP地址。

在本实施例中，虚拟网络接口的IP地址设置为：192.168.0.5，有线网络接口的IP地址设置为166.111.139.211，无线网络接口的IP地址为166.111.139.212。

本实施例的数据发送过程实施的流程图如图4所示，包括以下步骤：

1)网络终端通过虚拟网卡(IP地址为192.168.0.5)发送IP网络数据包(例如向服务器166.111.4.100的端口80发送TCP连接请求IP网络数据包，为简单起见，将该TCP包记为：<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，SYN>。其中各个字段分别表示源IP网络地址，源端口，目标IP网络地址，目标端口，以及TCP包类型。或者向服务器166.111.4.100的端口80发送TCP数据包，将该TCP数据包记为：<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，DATA>。或者向服务器166.111.4.100的端口80发送TCP连接关闭数据包，将该TCP数据包记为：<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，FIN>。)，虚拟反向网络地址转换器截获该IP网络数据包；

2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议(如TCP，Transport Control Protocol)的数据包，如果是则进行步骤3)，否则进行步骤11)；

3)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包是否是TCP连接建立数据包(即SYN＝1的TCP数据包)(例如<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，SYN>)，如果是则进行4)，否则进行7)；

4)虚拟反向网络地址转换器根据当前两个物理网络接口上已经分配的数据流状况，以及每条物理链路的带宽-迟延乘积大小，选择两者差值最大的物理链路，并将对应的物理网络接口(有线网络接口166.111.139.211)分配给该TCP连接；

5)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中建立一条新的连接记录，并将活动时戳域置为当前时间，标志域置为“E”，例如如果该IP网络数据包为<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，SYN>，则所建立的连接记录如下：

6)虚拟反向网络地址转换器将该网络数据包的源IP网络地址修改成已分配的物理网络接口的IP网络地址，即将该TCP包更改为：<166.111.139.211，80，166.111.4.100，80，FIN>，并通过分配的有线物理网络接口发送到因特网；

7)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中查找对应该IP网络数据包(<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，DATA>或<192.168.0.5，80，166.111.4.100，80，FIN>)的TCP连接的连接记录，如果存在，则执行8)，否则丢弃该IP网络数据包；

8)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包是否是传输层的连接关闭数据包(即FIN＝1的TCP数据包)，如果是则进行9)，否则进行10)；

9)虚拟反向网络地址转换器将数据转发记录表中所对应连接记录的标志改为“T”；

10)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的源IP网络地址更改为相应连接记录中的物理网络接口的IP网络地址，即将该IP网络数据包更改为：<166.111.139.211，80，166.111.4.100，80，DATA>或者<166.111.139.211，80，166.111.4.100，80，FIN>，并通过该物理网络接口进行发送，同时更新连接记录表中的活动时戳域；

11)虚拟反向网络地址转换器选择一条的物理链路，将该IP网络数据包的源IP网络地址更改为该物理链路所对应的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口发送到因特网；

12)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1(30分钟)，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2(2小时)，T2＞T1则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，则也删除该连接记录。本实施例的数据发送过程实施的流程图如图5所示，包括如下步骤：

1)网络终端的有线网络接口或无线网络接口接收到IP网络数据包(例如收到服务器166.111.4.100的端口80发送TCP数据包，将该TCP包记为：<166.111.4.100，80，166.111.139.211，80，DATA>)，虚拟反向网络地址转换器截获到该IP网络数据包；

2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议的IP网络数据包(如TCP数据包)，如果是则进行3)，否则进行5)；

3)虚拟反向网络地址转换器在数据转发记录表中查找该数据包所对应的连接记录，如果存在，则进行4)，否则将该IP网络数据包丢弃；

4)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的目的IP网络地址更改为虚拟网络接口的IP网络地址，即将该IP网络数据包更改为：<166.111.4.100，80，192.168.201.5，80，DATA>，并通过该虚拟网络接口递送给上层操作系统和应用程序，同时更新该记录的活动时戳域；

5)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改为虚拟网络接口的IP网络地址(192.168.0.5)，并通过虚拟网络接口转发给上层操作系统和应用程序；

6)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1(30分钟)，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2(2小时)，T2＞T1则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，则也删除该连接记录。

Claims

1.一种基于虚拟网络接口和反向地址转换的网络数据传输方法，其特征在于，在网络终端中设置一个虚拟网络接口，一个虚拟反向网络地址转换器，该方法包括：

网络终端通过虚拟网络接口发送IP网络数据包，该IP网络数据包再被所述虚拟反向网络地址转换器截取，虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包中的源IP网络地址修改成被选择的物理网络接口的IP网络地址，再通过该物理网络接口进行发送；当网络终端的任何一个物理网络接口接收到来自服务器返回的IP网络数据包时，虚拟反向网络地址转换器截取该IP网络数据包，然后将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改成虚拟网络接口的IP网络地址，并通过虚拟网络接口递送给上层的操作系统或用户。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述虚拟网络接口的IP网络地址设置为一个内部IP网络地址或者一个合法的外部IP网络地址；为现有网络终端上的所有物理网络接口，均分配一个合法的IP网络地址，用于能够访问Internet上的主机或被Internet上的主机寻址；将所述的虚拟反向网络地址转换器连接在虚拟网络接口和网络终端上的所有物理网络接口之间；将虚拟网络接口设置为用户或操作系统使用的默认网络接口；将虚拟反向网络地址转换器设置为能够截获虚拟网络接口和全部物理网络接口所发送或接收的IP网络数据包的网络地址转换器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的数据转发记录表记录虚拟反向网络地址转换器在IP网络数据包转发过程中所维护的TCP连接的各种相关信息的连接记录；该连接记录包括：虚拟网络接口IP，客户端口号，服务器IP，服务器端口号，物理网络接口IP，活动时戳，标志；其中虚拟网络接口IP为虚拟网络接口的IP网络地址，客户端口号为虚拟网络接口侧所对应的TCP端口号，服务器IP地址为网络终端应用程序所要连接的服务器的IP网络地址，服务器端口号为服务器侧所对应的TCP端口号；活动时戳为在该TCP连接上最近一次数据传输发生时的时间；标志是指TCP连接所处的状态；它有两个取值：“E”，“T”；“E”表示TCP连接已经建立，可以通过该连接发送或接收TCP数据包；“T”表示TCP连接处于关闭状态；处于关闭状态的TCP连接，在网络终端或服务器发送TCP连接关闭应答并经历一段时间后，可以从数据转发记录表中删除其所对应的连接记录。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，该方法包括数据接收和数据发送过程，包括以下步骤：

所述数据发送过程，具体步骤如下：

1.2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议的IP网络数据包，如果是则进行步骤1.3)，否则进行步骤1.11)；

1.3)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包是否是TCP连接建立的IP网络数据包，如果是则进行1.4)，否则进行1.7)；

1.4)虚拟反向网络地址转换器选择一条物理链路，并将该物理链路对应的物理网络接口分配给该IP网络数据包对应的TCP连接；

1.6)虚拟反向网络地址转换器将该数据包的源IP地址修改成已分配的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口进行数据发送；

1.8)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包是否是传输层的TCP连接关闭的数据包，如果是则进行1.9)，否则进行1.10)；

1.9)虚拟反向网络地址转换器将数据转发记录表中该IP网络数据包对应的连接记录的标志改为“T”；

1.10)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的源IP网络地址更改为所述连接记录中的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口进行发送，同时更新连接记录中的活动时戳域；

1.11)虚拟反向网络地址转换器选择一条物理链路，将该IP网络数据包的地址更改为该物理链路所对应的物理网络接口的IP网络地址，并通过该物理网络接口发送到因特网；

1.12)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2，T2＞T1，则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，也删除该连接记录；

所述数据接收过程，具体过程如下：

2.2)虚拟反向网络地址转换器查看该IP网络数据包的负载是否是面向连接的传输层协议的IP网络数据包，如果是则进行2.3)，否则进行2.5)；

2.5)虚拟反向网络地址转换器将该IP网络数据包的目的IP网络地址修改为虚拟网络接口的IP网络地址，并通过虚拟网络接口转发给上层操作系统或用户；

2.6)虚拟反向网络地址转换器定时扫描数据转发记录表中连接记录的标志域和活动时戳域，如果发现某一连接的标志为“T”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T1，表明该记录已经被正常关闭，则删除该记录；如果发现某一连接的标志为“E”，且其活动时间与扫描发生的时间相差大于阈值T2，T2＞T1，则表明该连接记录对应的TCP连接由于其他意外原因被关闭，也删除该连接记录。