CN103391335A - 一种直接访问ip私网的网络通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直接访问IP私网的网络通信方法，属于网络通信领域，具体通过改进现有IP网络的网络地址翻译路由器(NAT)，特别是IPv4网络NAT，给出一种新型接入网关(GW)，来实现私网之间的直接互通，使私网地址可以在功能上当作公网地址使用，从而真正突破IPv4地址的限制，实质性扩大IPv4端系统的数量。同时，这种新型GW还给出一种新的IPv6和IPv4融合的有效方法，并为提高网络QoS、网络安全和网络的管控性提供了新的有利条件。

Description

一种直接访问IP私网的网络通信方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种直接访问IP私网的网络通信方法。方法解决从外部访问IP私网的问题，等价地能够全面扩充IPv4网络的主机数量，并为提高网络QoS、网络安全和网络的管控性提供了新的有利条件。

背景技术

随着英特网的规模不断扩大，IPv4已经难以满足应用需求，目前解决方法是启用IPv6。然而，从IPv4向IPv6过渡代价巨大，在很长一段时间二者必然共存，或者说IPv4必将在一定时期继续存在，不会很快消失。为此，必须解决两个问题：(1)在IPv4技术条件下，IP私网的地址翻译路由器(NAT)之穿越问题。如果可以解决，那么在有些情况下就不用IPv6，仍然使用IPv4，避免了不必要的代价；(2)IPv4如何与现有IPv6融合和互通，目前的网关法、重叠网法和双协议栈法都不是理想的方法，如何方便地融合互通，是当前业界迫切的需求。

IPv4网络用NAT方法可以大大扩充端系统(ES)的数量，但是它建立在网络第四层协议之上，所以不是网络三层意义上的主机数量扩展，破坏了第三层的IP网络通信体系，引起应用协议“穿越”等许多难以解决的问题。

目前的IP网，把整个地址空间划分为公网地址和私网地址，因特网协议定义了明确的私网地址段，这些地址段不会作为公网地址使用，比如网段10.0.0.0/8和192.168.0.0/16等都是私网地址段。在本发明中，除了公网地址和私网地址外，提出虚拟地址的概念，通过虚拟地址可以实现不同私网之间的第三层意义的网络通信连接，实现IP私网被直接访问的功能。

发明内容

本专利提出一种直接访问IP私网的网络通信方法，通过改进现有IP网络的网络地址翻译路由器(下称NAT)，特别是IPv4网络NAT，给出一种新型接入网关(下称GW)，来实现私网之间的直接互通，使具有私网地址的IP端系统，可以与具有公网地址的IP端系统完全一样的网络通信能力，从而真正突破IPv4地址的限制，实质性扩大IPv4端系统的数量。同时，这种新型GW给出一种新的IPv6和IPv4融合的有效方法。发明内容具体如下：

如图1所示，从IP私网角度看，把整个IP地址空间划分为IPL、IPX以及公网地址三部分，IPL中的地址用于访问所述私网本地的主机或路由器，称为私网地址，IPX中的地址用动态绑定方式临时代表其它私网的主机，称为虚拟地址。对于每个私网，其虚拟地址是局部意义的，可以占用其私网地址的一部分，也可以在公网地址统一分配IP地址段，供所有私网共同使用。

修改IP网络的私网到公网的NAT的功能，在其中增加源路由注册表(简记为SRT)、源路由连接表(简记为SCT)和源路由地址转发功能(简记为SFW)，修改后的NAT称为GW，GW通向公网的端口称为上口，另一通向私网的GW端口称为下口，下口面对的私网称为GW本网络。

端系统(或称为主机，简记为ES)查询DNS操作来驱动生成所述SRT和SCT。

所述SRT的每个行对应GW本网络的ES之一，GW本网络有几个ES，SRT就有几行，每行中包含所述ES的身份标识(身份标识简记为ID)和源路由位置地址(源路由位置地址记为LOC)，每行给出一个ES的ID和LOC的绑定关系。

所述SCT的每个行对应GW本网络的所述ES之一(设为ES1)到GW本网络之外的另一个ES(设为ES2)的连接信息，GW本网络当前有几个对外的网络第三层连接，SCT就有几行，每行对应GW本网络的一个对外的三层连接，每行具体包含IPX2、ROUTE2字段，IPX2是GW本网络为ES2分配的虚拟地址，ROUTE2是ES1到ES2的源路由路径地址，另外为了提高效率每行还可以包括LOC2和ID2，LOC2是ES2的LOC，ID2是ES2的ID。

所述SFW用来转发数据，对于从下口收到的IP包，转发方法如图2所示，如果目的IP属于GW本网络的IPX，则查所述SCT，利用查询结果把IP包源路由化，然后转发至上口发出，如果目的IP不属于GW本网络的IPX，则按照原来NAT的方式处理并转发至上口，对于从上口收到IP包，转发方法如图3所示，如果是源路由IP包，则进行源路由转发，如果不是源路由IP包，则按照原来NAT的方式处理并转发至下口。

所述IP包源路由化可以采取IP源路由地址表示格式，也可以使用向量地址的表示格式。

所述SRT的生成过程与目前因特网的同动态域名系统(DDNS)建立本地DNS数据库的方法基本一样，每个记录包括域名ID和对应的地址，但是在SRT中，对应的地址由简单的IP地址变为LOCes，LOCes是ES的LOC，LOCes＝LOCgw+IPes，LOCgw是GW的LOC，IPes是动态主机设置协议(简记为DHCP)为ES分配得IP地址。

所述SCT的生成包括两个过程，(1)呼叫过程，主叫方GW(设为GW1)受主叫方ES(设为ES1)的DNS查询触发，通过现有DNS体系，首先得到下一步的DNS查询目标即被叫方GW(设为GW2)的IP地址，然后GW1向GW2的IP地址发送特殊的呼叫信令，信令中包含ES1的LOC(设为LOC1)，从而使GW2得到LOC1，所述信令中也可以包含ES1的ID即ID1，以便GW2作为选项得到ID1，之后GW2回应信令给GW1，其中提供被叫方ES(设为ES2)的LOC(设为LOC2)给主叫方GW1，所述回应信令中也可以包含ES2的ID即ID2，以便GW1作为选项得到ID2，这样GW1和GW2就交换了各自管辖ES的LOC，完成呼叫；(2)寻由过程，GW1依据得到的LOC2，建立ES1到ES2的连接信息，即GW1的SCT增加一条记录，同样，GW2依据得到的LOC1，主动建立ES2到ES1的连接信息，即GW2的SCT增加一条记录，从而实现双向对称的通信连接。

所述寻由过程可以采用另外一种方法，GW1依据得到的LOC2，建立ES1到ES2的连接信息，并GW1通过信令控制GW2使其被动地创建从ES2到ES1的连接信息，从而实现双向对称的通信连接。

另外本专利依据一种直接访问IP私网的网络通信方法，给出一种直接访问IP私网的网关系统，即GW。所述GW使得从IP私网一端看，把IP地址空间被划分为IPL、IPX以及公网地址三部分，所述GW还包括：

源路由注册表(简记为SRT)，所述SRT的每个行对应GW本网络的ES之一，每行中包含ES的身份标识(身份标识简记为ID)和ES的源路由位置地址(源路由位置地址记为LOC)，每行给出一个ES的ID和LOC的绑定关系；

源路由连接表(简记为SCT)，所述SCT的每个行对应GW本网络的ES之一(设为ES1)到GW本网络之外的另一个端系统ES2的连接信息，每行中包含IPX2和ROUTE2，作为辅助信息还可以包含LOC2、ID2字段，IPX2是GW本网络为ES2分配的虚拟地址，ROUTE2是ES1到ES2的源路由路径地址，LOC2是ES2的LOC，ID2是ES2的ID；

源路由地址转发功能(简记为SFW)，所述SFW用来转发数据，对于从下口收到的IP包的转发方法是，如果目的IP属于GW本网络的IPX，则查所述SCT，利用查询结果把IP包源路由化，然后转发至上口发出，如果目的IP不属于GW本网络的IPX，则按照原来NAT的方式处理并转发至上口，对于从上口收到IP包转发方法是，如果是源路由IP包，则进行源路由转发，如果不是源路由IP包，则按照原来NAT的方式处理并转发至下口。

上述内容的一些重要概念进一步详细解释如下。

源路由位置地址：简记为LOC，LOC是IP地址的序列或其它分层地址编码，是相关网络节点(ES或GW)在整个网络的位置标识。作为LOC的示例，比如GW的公网地址就是其LOC，序列{IPgw，IPes}就是ES的LOC，其中IPgw是该ES所在私网的GW的公网IP地址，即上述GW的LOC，IPes是该ES的私网IP地址。

源路由路径地址：简记为ROUTE，ROUTE是从一个网络节点到另外一个网络节点的路径的表示，作为示例如图4所示，从GW1到ES2的ROUTE可以表示为{IPgw2c，IPes2}，其中IPgw2c是GW2的公网IP地址，IPes2是ES2的私网IP地址。ES1到ES2的ROUTE可以表示为{IPgw1p，IPgw2c，IPes2}，其中IPgw1p是GW1的私网IP地址，有条件时ROUTE可以简化表示。

源路由IP包：是IP源路由地址表示格式或向量地址表示格式的特殊IP包。

IP源路由地址表示格式的源路由IP包：ROUTE信息被用IPv4或IPv6协议的标准源路由表示格式承载，ROUTE的第一个IP地址是IP包的目的地址，其余IP地址放在源路由选项中。

向量地址的表示格式的源路由IP包如下：

{IPh，VNh，VA，Data}                                  (1)

其中IPh是IP包头；VNh是向量网的包头，占用1字节；VA是承载ROUTE信息的向量地址；Data是用户数据。这种格式的核心内容是所谓向量地址，它在中国发明专利《一种向量网络地址编码方法》(申请号：CN200610089302)中提出，定义如下：

向量地址是数据传输路径方向上的信源设备和转发设备的输出端口号进行地址编码的结果，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，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转发设备的输出端口号，序列的第三分量地址是第二个转发设备的输出端口号，以此类推，序列的最后一个分量地址是最后一个转发设备的输出端口号，这个序列就是所谓向量地址。

在式(1)中，VA的分量地址可以采用IP地址，即VA是类似LOC的IP地址序列，但是分量地址也可以采用其它压缩格式。

IP包源路由化：就是把一般(没有源路由信息)的IP包转化成源路由IP包的过程或方法。

源路由转发方法：首先进行IP包转换，然后从GW的下口把转换后的IP包发送出去。对于IP源路由地址表示格式，IP包的转换方法是提取IP包的源路由选项中的最顶层IP地址，用来代替IP包的目的地址，并且所述最顶层IP地址从源路由选项中删除，如果删除后的源路由选项中的IP地址个数为0，则去除IP包的源路由选项。对于向量地址的表示格式，IP包的转换方法是提取VA的第一个分量地址，用来替换IP包的目的地址，所述第一个分量地址从VA中删除，如果删除后VA的分量地址个数为0，则去除IP包头之后的VNh和VA。

本发明的技术方案带来的有益效果是：

1.在IPv4条件下，仅仅修改私网出口的地址转换路由器，即可以使IP私网从外部直接访问，使得NAS、Web等服务器资源可以部署于内网而能直接访问。

2.解决IPv4地址匮乏的问题。在不修改IPv4的主机和路由器软硬件的条件下，只更新私网与公网之间的网关(NAT)就可实现私网与公网之间，和私网与私网之间的直接网络通信，从而取得大量扩充IPv4主机数量的效果。网络改造对于主机的用户透明，用户仍然面对完全熟悉的IPv4网络环境；

3.私网面向对象封装，对外屏蔽内部细节，所以每个私网可以独立选择IPv4或IPv6(甚至其它网络)。依此特性，本发明能够有效融合IPv4网和IPv6网，甚至融合其他类型的网络。

附图说明

图1私网主机视角的地址空间；

图2从下口转发数据到上口；

图3从上口转发数据到下口；

图4改造NAT成GW的IP网络示意；

图5多端口GW的实现

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明内容作进一步的描述，但本发明不局限于以下实施例。

实施例1：不同私网中的ES之间互访

如图4是一个典型的实施方案示意，A和B是网络中的两个私网，GW1和GW2分别是两个私网的出口网关，ES1、ES2和ES3是三个私网端系统，ES4、ES5和ES6是三个公网端系统，其中ES5部署了内嵌GW，所以与A和B的内部ES可以直接互相访问，而ES4和ES6则只能通过GW的NAT功能被私网ES访问，它们不能主动访问私网ES。另外，设ES6运行DNS服务器软件，是公网DNS服务器角色，GW1和GW2，以及公网ES4和ES5可以访问查询。下面以ES1和ES2通信为例说明建立通信连接和传输数据过程：

(1)用户ES1呼叫指定通信对方ES2，ES2的ID是ID2(其域名)，首先ES1用标准的DNS信令向GW1查询，试图得到关于ID2的IP地址。

(2)在GW1中，把ID2作为关键字，首先在SRT中查询，查找是否有ID2对应的LOC，若命中则表明ID2在本地私网，直接返回相应IP地址，完成；

(3)若(2)中未命中，则在SCT中查找，查找成功转(6)；否则GW1向公网发出DNS查询请求，向上一级DNS Server查询，DNS Server收到GW1发来的DNS查询请求，利用IP网的域名体系，得出关于GW2查询结果，转(4)，但是若未查到则转(7)。

(4)对于本示例，DNS Server的查询结果是一重定向DNS信令，重定向目标是GW2，得到GW2的IP地址，GW1向GW2的IP地址发起呼叫过程，实现两个GW相互交换得到对方管辖ES的LOC，即GW1得到LOC2，GW2得到LOC1。

(5)本地GW1使用(4)获得的LOC2，发起寻由过程，与GW2三次握手建立连接，三次握手成功后，在本地GW1连接数据库中新建一个SCT表项。在表项中存储的信息包括{IPX2、LOC2、ROUTE2、ID2}，同样，对端GW2连接数据库中新建一个SCT表项，存储的信息包括{IPX1、LOC1、ROUTE1、ID1}。GW1根据本地LOC1，结合对端LOC2，计算出对端转发表的传输地址ROUTE2。GW2根据本地LOC2，结合对端LOC1，计算ROUTE1。

(6)将IPX2以DNS回应包的形式返回给终端ES1。

(7)目标域名查询失败，终止。

实施例2：私网ES与包含GW功能的公网ES互通

如图4，实施例2是ES1和ES5互通的情况，正是实施例1的特殊情况：把ES5作为一个私网，私网只有一个ES，而且该ES与私网的GW整合实现成一台设备。下面以ES1和ES5通信为例说明建立通信连接和传输数据过程：

(1)用户ES1呼叫指定通信对方ES5，ES5的ID是ID5(其域名)，首先ES1用标准的DNS信令向GW1查询，试图得到关于ID5的IP地址。

(2)在GW1中，把ID5作为关键字，首先在SRT中查询，查找是否有ID5对应的LOC；

(3)由于ES5不在本网络，所以(2)未命中，所以在SCT中继续查找，如果GW1本网络曾经与ES5建立过连接，GW1中缓冲有关连接信息，则查询命中，返回ID5有关的IPX地址即可，否则查找未成功，则向公网发出DNS查询请求，DNS Server收到GW1发来的DNS查询请求，利用IP网的域名体系，查询得出关于ES5查询结果。

(4)对于本示例，DNS Server的查询结果是一重定向DNS信令，重定向目标是GW5，得到GW5的IP地址，GW1向GW5的IP地址发起呼叫过程，实现两个GW相互交换得到对方ES的LOC，即GW1得到LOC5＝{IPes5}，GW5得到LOC1＝{IPgw1，IPes1}。

(5)本地GW1使用(4)获得的LOC5，发起寻由过程，与对方ES5(内嵌GW5)三次握手建立连接，三次握手成功后，在本地GW1连接数据库中新建一个SCT表项。在表项中存储的信息包括{IPX5、LOC5、ROUTE5、ID5}。同样，在GW5(即ES5)连接数据库中新建一个SCT表项，存储的信息包括{IPX1、LOC1、ROUTE1、ID1}，GW1根据本地LOCI，结合对端LOC5，计算出对端转发表的传输地址ROUTE5。GW5根据本地LOC5，结合对端LOC1，计算ROUTE1。

实施例3：多个私网和公网出口的GW

如图5所示，图中虚线椭圆内的硬件组成一个4端口的合成设备，它有2个对公网的上口，2个对私网的下口。合成设备由本专利给出的网关GW1、GW2和标准IP路由器R组成。在逻辑上，R实际是公网的一部分，所以GW1和GW2在公网和私网之间，它们角色与实施例1完全相同。由此可见，虽然本专利假设GW有上口和下口各一个的条件下进行表述，但是不失一般性，专利内容可以用来实现多个私网和公网出口的GW。

Claims (11)

1.一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，从IP私网角度看，把整个IP地址空间划分为IPL、IPX以及公网地址三部分，IPL中的地址用于访问所述私网本地的主机或路由器，称为私网地址，IPX中的地址用动态绑定方式临时代表其它私网的主机，称为虚拟地址。 

2.一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，修改IP网络的私网到公网的路由网关NAT的功能，在其中增加源路由注册表(简记为SRT)、源路由连接表(简记为SCT)和源路由地址转发功能(简记为SFW)，修改后的NAT称为GW，GW通向公网的端口称为上口，另一通向私网的GW端口称为下口，下口面对的私网称为GW本网络。 

3.一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，端系统(简记为ES)查询DNS操作来驱动生成所述SRT和SCT。 

4.如权利要求2所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述SRT的每个行对应GW本网络的ES之一，每行中包含所述ES的身份标识(身份标识简记为ID)和源路由位置地址(源路由位置地址记为LOC)，每行给出一个ES的ID和LOC的绑定关系。 

5.如权利要求2所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述SCT的每个行对应GW本网络的所述ES之一(设为ES1)到GW本网络之外的另一个ES(设为ES2)的连接信息，每行具体包含IPX2、ROUTE2字段，IPX2是GW本网络为ES2分配的虚拟地址，ROUTE2是ES1到ES2的源路由路径地址，另外为了提高效率每行还可以包括LOC2和ID2，LOC2是ES2的LOC，ID2是ES2的ID。 

6.如权利要求2所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述SFW用来转发数据，对于从下口收到的IP包的转发方法是，如果目的IP属于GW本网络的IPX，则查所述SCT，利用查询结果把IP包源路由化，然后转发至上口发出，如果目的IP不属于GW本网络的IPX，则按照原来NAT的方式处理并转发至上口，对于从上口收到IP包转发方法是，如果是源路由IP包，则进行源路由转发，如果不是源路由IP包，则按照原来NAT的方式处理并转发至下口。 

7.如权利要求6所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述IP包源路由化可以采取IP源路由地址表示格式，也可以使用向量地址的表示格式。 

8.如权利要求3所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述SRT的生成过程与目前因特网的动态域名系统(DDNS)建立本地DNS数据库的方法基本一样，每个记录包括域名ID和对应的地址，但是在SRT中，对应的地址由简单的IP地址变为LOCes，LOCes是ES的LOC，LOCes＝LOCgw+IPes，LOCgw是GW的LOC，IPes是动态主机设置协议(简记为DHCP)为ES分配得IP地址。 

9.如权利要求3所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述SCT的生成包括两个过程，(1)呼叫过程，主叫方GW(设为GW1)受主叫方ES(设为ES1)的DNS查询触发，通过现有DNS体系，首先得到下一步的DNS查询目标即被叫方GW(设为GW2)的IP地址，然后GW1向GW2的IP地 址发送特殊的呼叫信令，信令中包含ES1的LOC(设为LOCI)，从而使GW2得到LOC1，所述信令中也可以包含ES1的ID即ID1，以便GW2作为选项得到ID1，之后GW2回应信令给GW1，其中提供被叫方ES(设为ES2)的LOC(设为LOC2)给主叫方GW1，所述回应信令中也可以包含ES2的ID即IID2，以便GW1作为选项得到ID2，这样GW1和GW2就交换了各自管辖ES的LOC，完成呼叫；(2)寻由过程，GW1依据得到的LOC2，建立ES1到ES2的连接信息，即GW1的SCT增加一条记录，同样，GW2依据得到的LOC1，主动建立ES2到ES1的连接信息，即GW2的SCT增加一条记录，从而实现双向对称的通信连接。 

10.如权利要求9所述的一种直接访问IP私网的网络通信方法，其特征在于，所述寻由过程可以采用另外一种方法，GW1依据得到的LOC2，建立ES1到ES2的连接信息，并GW1通过控制GW2使其被动地创建从ES2到ESI的连接信息，从而实现双向对称的通信连接。 

11.一种直接访问IP私网的网关系统，其特征在于，所述网关系统(网关系统简记为GW)使得从IP私网一端看，把IP地址空间被划分为IPL、IPX以及公网地址三部分，所述GW还包括： 

源路由注册表(简记为SRT)，所述SRT的每个行对应GW本网络的ES之一，每行中包含ES的身份标识(身份标识简记为ID)和ES的源路由位置地址(源路由位置地址记为LOC)，每行给出一个ES的ID和LOC的绑定关系； 

源路由连接表(简记为SCT)，所述SCT的每个行对应GW本网络的ES之一(设为ESI)到GW本网络之外的另一个端系统ES2的连接信息，每行中包含IPX2和ROUTE2，作为辅助信息还可以包含LOC2、ID2字段，IPX2是GW本网络为ES2分配的虚拟地址，ROUTE2是ES1到ES2的源路由路径地址，LOC2是ES2的LOC，ID2是ES2的ID； 

源路由地址转发功能(简记为SFW)，所述SFW用来转发数据，对于从下口收到的IP包的转发方法是，如果目的IP属于GW本网络的IPX，则查所述SCT，利用查询结果把IP包源路由化，然后转发至上口发出，如果目的IP不属于GW本网络的IPX，则按照原来NAT的方式处理并转发至上口，对于从上口收到IP包转发方法是，如果是源路由IP包，则进行源路由转发，如果不是源路由IP包，则按照原来NAT的方式处理并转发至下口。

Images