CN106899710B - Ip地址转换方法、ip地址转换装置以及网关系统 - Google Patents

Ip地址转换方法、ip地址转换装置以及网关系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种IP地址转换方法，IP地址转换装置以及网关系统，在网关中实施该IP地址转换方法，以根据从网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数将与该网关连接的多个内部网络设备的多个内部IP地址映射至多个外部IP地址，该多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址。在没有连续IP地址组的情况下也能实现地址转换，并且可以自由地改变映射函数，地址的管理更加灵活简便。

Description

IP地址转换方法、IP地址转换装置以及网关系统
技术领域
本发明属于计算机网络通信领域，具体地涉及用于连接有多个内部网络设备的局域网网关的IP地址转换方法、IP地址转换装置以及网关系统。
背景技术
当前网络中的分组域采用基于IP协议进行连接。用户设备(User Equipment，UE)在网络的附着流程或者业务请求流程中向网关申请IP地址，该IP地址用于连接分组数据网络(PacketDataNetwork，PDN)。然后网关为该UE分配一个用于外部互联的IP地址。随着网络地址的不断的消耗，逐渐出现IP地址短缺的情况。
目前解决IP地址短缺的有效方法包括NAT和CIDR。
NAT(Network Address Translator)功能通常集成在企业的出口路由器或防火墙设备上，其指的是网络地址转换，即改变IP报文中的源或目的地址的一种处理方式。基本原理是：内网访问外网的数据报文到达出口路由器或防火墙设备时，NAT模块会把数据包的源地址转换为一个地址池中的地址，其中一些外网地址(全球唯一的IP地址)组合而成为地址池，这样的一个地址集合被称为地址池。然后，NAT模块把一个外网地址变更作为该数据包的源地址向外网内其他设备进行转发。
因此，通过NAT，在内部网络的数据包通过地址转换达到外部网络时，选择地址池中的某个地址作为转换后的源地址，这样可以有效利用用户的外部地址，提高内部网络访问外部网络的能力，既能够使一个局域网中的多台主机使用少数的合法地址访问外部资源，也可以按照要求设定内部的WWW、FTP、TELNET的服务提供给外部网络使用；同时，通过将内部局域网的IP地址转换为外部地址，有效的隐藏了内部局域网的主机IP地址，起到了安全保护的作用。
然而，在现有技术中，内部地址通常转化只能转换为单一地址或者连续地址组里的一个地址。例如在CN101800690A中，公开了使用地址池实现源地址转换的方法和装置，其中揭示了如果内网有多台PC，在某一台PC上发出的数据报都会对应到唯一的一个地址池地址上。即，内部地址通常转化只能转换为单一地址。其目的在于保证相同的内网源地址经过NAT后使用相同的地址池地址，从而避免由于地址不一致导致的访问失败。而在CN105635326A中公开了一种网络设备及IP地址分配方法，其中从用户终端发送的DHCP封包中查询用户终端的介质访问控制(MAC)地址；根据查询到的MAC地址和预定的计算函数，计算出对应的IP地址；以及将IP地址分配给该用户终端。然而，其所采用的计算函数仅能够适用于在连续的IP地址组里的选定一个固定的地址。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种IP地址转换方法，在网关中实施的该IP地址转换方法包括：外部IP地址获取步骤：从网络供应商处获取多个外部IP地址，多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取步骤：获取来自与网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；转换步骤：基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
在没有从网络供应商处获取连续的可用IP地址组的情况下，本发明的IP地址转换方法也能实现从局域网内部地址至互联网公网(外部)地址的地址转换。简化了大规模地址组的管理策略。
优选地，上述设定的映射函数是从网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。因此，通过提供多个自定义的地址映射/转换函数模块，并且能够基于实际网络需求在多个预设的映射函数中进行选择，能够灵活地配置IP地址，优化每个网络设备用户的网络可用资源。
具体地，在转换步骤中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。
因此，通过灵活地配置映射函数以计算寻址关键值，然后基于寻址关键值查找对应的外部IP地址，在多个内部IP地址和多个外部IP地址之间无需建立不变的、一一对应的关系。从而，能够使得同一内部网络设备在不同的时间段内和不同的外部IP地址之间建立对应关系，也能够使得不同内部网络设备在同一时间和同一外部IP地址之间建立对应关系。
具体地，在内部IP地址获取步骤中，从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。进一步，IP连接报文数据组还可以包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
因此，可以选择性地将IP连接报文数据组中的源IP地址，即当前的内部IP地址，作为上述映射函数的输入，也可整体地考虑IP连接报文数据组中的源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个因素而在内部IP地址和外部IP之间建立对应关系。从而可以实现根据网络访问类型、网络访问目的等的不同，改变一个内部网络设备的外部IP地址，实现地址分配优化的效果。具体地，设定的映射函数是哈希函数。
本发明第二方面提供了一种IP地址转换装置，在网关中实施的IP地址转换装置包括：外部IP地址获取模块：用于从网络供应商处获取多个外部IP地址，多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取模块：用于获取来自与网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；和转换模块：用于基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
优选地，设定的映射函数是从网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。
具体地，内部IP地址获取模块从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。
进一步，IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
具体地，在转换模块中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。具体地，设定的映射函数是哈希函数。
本发明第三方面提供一种网关系统，其具有上述IP地址转换装置以及连接至IP地址转换装置的多个内部网络设备。
本发明第四方面提供一种存储介质，该存储介质存储有IP地址转换程序，该IP地址转换程序在执行时会使得处理器执行IP地址转换方法，该IP地址转换程序包括：外部IP地址获取指令：从网络供应商处获取多个外部IP地址，该多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取指令：获取来自与该网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；转换指令：基于设定的映射函数，将该多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
在本发明的存储介质中，优选地，设定的映射函数是从关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。
具体地，在内部IP地址获取步骤中：从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。
优选地：IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
具体地，在转换步骤中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。设定的映射函数是哈希函数。
本发明第五方面提供一种网关控制器装置，该控制器装置包括存储器和处理器，该存储器存储IP地址转换程序，该处理器执行IP地址转换程序以实施IP地址转换方法，该方法包括：外部IP地址获取步骤：从网络供应商处获取多个外部IP地址，多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取步骤：获取来自与网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；转换步骤：基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
优选地，设定的映射函数是从关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。
具体地，在内部IP地址获取步骤中：从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。
优选地：IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
具体地，在转换步骤中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。设定的映射函数是哈希函数。
附图说明
图1是本发明的网关系统示意图。
图2示出本发明的IP地址转换方法流程图。
图3示出本发明的IP地址转换装置模块化视图。
图4(a)和图4(b)示出采用现有技术的IP地址转换方法和本发明的IP地址转换方法的转换成果对比图。
具体实施方式
将参照附图进行说明关于根据本发明的IP地址转换方法、IP地址转换系统以及网关系统的优选实施例。
为使得本发明的技术方案和优点更加清楚明白，下面用本发明的一个应用示例进一步加以说明。
如图1所示，本发明的网关系统包括位于局域网与互联网边界处的网关gtw，该网关gtw中设置有IP地址转换装置1，网关系统还包括连接至IP地址转换装置1的10个局域网内部网络设备T1，T2，T3……T10，该10个内部网络设备通过网关gtw而与互联网连接以访问远程服务器11.1.1.1及120.8.6.8。此处，通常由路由器提供NAT功能，现在防火墙也常常使用该功能为网络设备用户提供服务，因此路由器以及防火墙等运行NAT功能的装置在后文都将统称为网关。在本示例中，内部网络设备T1在该局域网内的内部IP地址为192.168.1.1，内部网络设备T2的内部IP地址为192.168.1.2，内部网络设备T3在该局域网内的内部IP地址为192.168.1.3，其余网络设备的内部IP地址以此类推。
此处为表述清楚起见，将该10个内部网络设备T1至T10的内部IP地址设置为连续的，然而本发明对多个内部IP地址的构成不加以任何限定，其可选择性地为离散的或连续的。类似地，尽管只示出了10个内部网络设备T1至T10连接至网关gtw的情况，然而本发明并不局限于此。实质上，可以有大于等于一的任意数量的内部网络设备连接至网关。
图4示出了现有技术的IP地址转换方法和本发明的IP地址转换方法的转换成果对比图。如图4(a)所示，如果采用现有技术的IP地址转换方法，将需要有数个例如四个连续的外部IP地址202.99.5.1～202.99.5.4。而其中202.99.5.2如果已经被另一互联网络设备占用，则需采用图4(b)所示本发明的IP转换方法以用于将10个内部网络设备T1至T10的内部IP地址转换为NAT地址池中的四个外网IP地址，分别为202.99.5.1，202.99.5.3，202.99.5.4，202.99.5.8。在此，尽管其中两个外网IP地址202.99.5.3以202.99.5.4构成为连续IP地址，然而四个外网IP地址作为整体并不是连续的。可以设想的是，本发明也可用于不存在任意一对连续的外网IP地址的多个外网IP地址中。
图2示出本发明的IP地址转换方法流程图。其中，该10个内部网络设备终端T1至T10的地址转换过程如下：
外部IP地址获取步骤SA：从网络供应商处获取的四个可用的外部IP地址202.99.5.1，202.99.5.3，202.99.5.4，202.99.5.8，并将这些外部IP地址存储在NAT地址池中，如上所述，该四个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址。在此，尽管只示出了具有4个可用外部IP地址的情况，然而本发明并不局限于此。实质上，本发明可以适用于将多个内部IP地址转换至具有大于一的任意数量的可用外部IP地址。
内部IP地址获取步骤SB：10个内部网络设备T1～T10分别向网关gtw发送IP连接报文数据组，每个IP连接报文数据组至少包括源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议。由于同一内部网络设备发送的每个IP连接报文数据组中所含有的数据均包括该内部网络设备的唯一的、不变的内部IP地址，因此，在此时，一个内部网络设备所发送的IP连接报文数据组中的源IP地址即为其自身的IP地址，在本发明的该示例中，表现为其在该局域网中的内部IP地址。例如，对于T1所发送的IP连接报文数据组，其源IP地址即为192.168.1.1。因此，在内部IP地址获取步骤SB中，通过分别从网关gtw接收到的IP连接报文数据组中读取源IP地址，能够获取来自与网关gtw连接的10个内部网络设备T1～T10各自发送的10个内部IP地址，即192.168.1.1～192.168.1.10。
在以上步骤均完成后，进行转换步骤SC。在转换步骤SC中，基于设定的映射函数，将10个内部IP地址映射至4个外部IP地址。
具体地，对于每个内部IP，按照某一确定的映射函数，使得有唯一确定的外部IP地址与之对应，此处将该外部IP地址称之为该内部IP的映射。例如，
可以将网关从内部网络设备T1接收到的IP连接报文数据组中的源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口和传输层协议多个参数数据整体作为设定的映射函数的自变量而代入该函数进行运算，也可以仅将其中部分数据作为自变量，例如可仅采用源IP地址，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于所计算出的寻址关键值，在4个外部IP地址中选定对应的一个外部IP地址，即完成将内部IP地址192.168.1.1映射至202.99.5.8。
此处，基于不同的映射函数，自变量和运算结果之间可以有变化的对应关系。例如可对输入的自变量进行平方运算、取模、取余数、抽取个别数位值、数位值相加等，但需保证运算得出的寻址关键值和可用的外部IP地址之间具有一一对应的关系。根据实际需要，从网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数进行上述运算。
在本发明中，优选地，将网关从内部网络设备接收到的IP连接报文数据组中的源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口和传输层协议五个参数数据整体作为设定的映射函数的自变量而代入一哈希函数进行运算，即采用五元组哈希运算以得出寻址关键值。
因此，在不改变选定的映射函数的情况下，对于每个内部IP地址，一定有唯一对应的外部IP地址；而不同的内部IP地址，能够对应至同一外部IP地址。反之，一个内部IP地址对应至多个外部IP地址的情况是不存在的。
既可以在获取内部网络设备发送的IP连接报文数据组之前预先选定映射函数设定步骤，也可以根据可用的外部IP地址以及待转换的内部IP地址的数量、各个内部网络设备的实际网络连接需求而改变当前的映射函数。
图3示出设置于网关gtw中的本发明的IP地址转换装置1包括：外部IP地址存储模块10：用于存储从网络供应商处获取的多个外部IP地址，多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取模块20：用于获取来自与网关连接的多个内部网络设备T1～T10各自发送的多个内部IP地址；转换模块30：用于基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
设定的映射函数是从网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。内部IP地址获取模块20从多个内部网络设备T1～T10发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。在转换模块30中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为哈希函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。
本发明还提供一种存储介质，该存储介质存储有IP地址转换程序，该IP地址转换程序在执行时会使得处理器执行IP地址转换方法，该IP地址转换程序包括：外部IP地址获取指令：从网络供应商处获取多个外部IP地址，该多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取指令：获取来自与该网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；转换指令：基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至该多个外部IP地址。
在本发明的存储介质中，优选地，设定的映射函数是从关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。
具体地，在内部IP地址获取步骤中：从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。
优选地：IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
具体地，在转换步骤中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。设定的映射函数是哈希函数。
本发明还提供一种网关控制器装置，该控制器装置包括存储器和处理器，该存储器存储IP地址转换程序，处理器执行IP地址转换程序以实施IP地址转换方法，该方法包括：外部IP地址获取步骤：从网络供应商处获取多个外部IP地址，多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；内部IP地址获取步骤：获取来自与网关连接的多个内部网络设备各自发送的多个内部IP地址；转换步骤：基于设定的映射函数，将多个内部IP地址映射至多个外部IP地址。
优选地，设定的映射函数是从关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数。
具体地，在内部IP地址获取步骤中：从多个内部网络设备发送至网关的IP连接报文数据组中读取源IP地址，从而获取多个内部IP地址。
优选地：IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议中的一个或多个。
具体地，在转换步骤中：将网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组作为设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于寻址关键值，在多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。设定的映射函数是哈希函数。
尽管在此已经详细描述了本发明的各种优选实施例，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所要求保护的本发明的情况下，可以对其进行变化。

Claims (5)

1.一种IP地址转换方法，其特征在于，在网关中实施的所述IP地址转换方法包括：
外部IP地址获取步骤：从网络供应商处获取多个可用的外部IP地址，所述多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；
内部IP地址获取步骤：获取来自与所述网关连接的多个内部网络设备各自发送的IP连接报文数据组的源IP地址中的多个内部IP地址，所述IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议；
转换步骤：基于设定的映射函数，将所述多个内部IP地址映射至所述多个外部IP地址，其中，所述设定的映射函数是根据所述外部IP地址和内部IP地址的数量、各所述内部网络设备的连网需求，从所述网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数，并且，将所述网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组中的所述内部IP地址、所述源端口、所述目的IP地址、所述目的端口和所述传输层协议整体作为所述设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于所述寻址关键值，在所述多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。
2.如权利要求1所述的IP地址转换方法，其特征在于，所述设定的映射函数是哈希函数。
3.一种IP地址转换装置，其特征在于，在网关中的所述IP地址转换装置包括：
外部IP地址存储模块：用于存储从网络供应商处获取的多个可用的外部IP地址，所述多个外部IP地址至少部分是不连续的IP地址；
内部IP地址获取模块：用于获取来自与所述网关连接的多个内部网络设备各自发送的IP连接报文数据组的源IP地址中的多个内部IP地址，所述IP连接报文数据组还包括源端口、目的IP地址、目的端口和传输层协议；
转换模块：用于基于设定的映射函数，将所述多个内部IP地址映射至所述多个外部IP地址，其中，所述设定的映射函数是根据所述外部IP地址和内部IP地址的数量、各所述内部网络设备的连网需求，从所述网关中保存的多个预设的映射函数中选定的一个映射函数，并且，将所述网关从一个内部网络设备接收到的IP连接报文数据组中的所述内部IP地址、所述源端口、所述目的IP地址、所述目的端口和所述传输层协议整体作为所述设定的映射函数的自变量进行运算，并将运算结果作为该一个内部网络设备的寻址关键值；并且基于所述寻址关键值，在所述多个外部IP地址中选定一个对应的外部IP地址作为该一个内部网络设备的内部IP地址的映射。
4.如权利要求3所述的IP地址转换装置，其特征在于，所述设定的映射函数是哈希函数。
5.一种网关系统，其特征在于，包含如权利要求3至4中任一项所述的IP地址转换装置，以及连接至所述IP地址转换装置的多个内部网络设备。
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