CN115514732A - 一种基于tcp连接数的源nat ip分配方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法与系统，其方法包括：在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中，如不存在，则结束当前进程；如存在，则将目标服务器的IP和Port送入网关的NAT策略中，如主机的IP未命中网关的NAT策略，则结束当前进程；如主机的IP命中网关的NAT策略，则获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。本发明能够在NAT IP与目标IP建立TCP时实现连接数量的负载均衡。

Description

一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法与装置
技术领域
本发明属于物联网和数据通信技术领域，尤其涉及一种基于TCP连接数的源NATIP分配方法与装置。
背景技术
在现有的物联网技术中，当大量终端通过集中式网关访问部署在Internet上的服务器，且服务器端针对服务所监听的IP和Port限制其源IP并发最大TCP连接会话数，同时网关上部署的NAT(Network Address Translation)IP池内IP较少时，会导致NAT IP与目标IP建立TCP时连接数量的负载不均衡，导致TCP连接过于集中在某个或部分IP，导致后续这些IP的TCP请求被服务器拒绝。其原因在于：1、网关不能根据目的IP和Port对NAT IP池内IP进行会话负载分担，导致NAT IP到目的IP的TCP会话数不均衡；2、部分NAT IP的会话数大于服务端的源IP并发最大TCP连接会话数限制，导致后续使用这部分NAT IP的终端不能和服务器建立TCP连接；3、现有技术中NAT IP探测方法对上述问题无效。具体来说：当现有的NATIP探测方法使用ICMP协议将NAT IP作为源，而将服务器IP作为目的探测时，由于服务端对ICMP未采取限制，ICMP探测可达而实际TCP会话无法新建导致探测无效；当现有的NAT IP探测方法使用TCP协议将NAT IP作为源，而将服务器IP作为目的探测时，探测行为本身需要占用TCP会话数，且探测过程需要建立TCP握手，导致持续时间长、不能敏捷地感知可用状态，探测可靠性低。中国专利CN201710958185.0中公开了一种检测NAT地址池中公网IP可用性的方法，其通过探测确定NAT会话连接所用的公网IP是否可用，进而实现源地址网络转换的转换效率提高。但是该方案不涉及提供具体的探测方法，也无法针对TCP连接数进行NAT IP分配。因此，如何开发出一种新型的基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，以克服现有技术中存在的上述缺陷，是本领域技术人员需要研究的方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法。能够在NAT IP与目标IP建立TCP时实现连接数量的负载均衡，减少TCP会话过于集中在某个或某些NATIP、导致被服务器拒绝新建TCP连接的情况。
其采用的技术方案如下：
一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其包括如下步骤：
步骤1：在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；
步骤2：判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中，如不存在，则结束当前进程；如存在，则跳转至步骤3；
步骤3：将目标服务器的IP和Port送入网关的NAT策略中，如主机的IP未命中网关的NAT策略，则结束当前进程；如主机的IP命中网关的NAT策略，则跳转至步骤4；
步骤4：获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；
步骤5：将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
优选的是，上述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法中，所述步骤1包括：
步骤11：对网关收到来自内网主机的报文进行二次处理，筛选出包头中包含TCP协议标签的报文并丢弃其他报文；
步骤12：在步骤11筛选出的报文中提取目标服务器的IP和Port；
步骤13：提取内网主机的TCP请求源IP和Port。
更优选的是，上述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法中，步骤2所述均衡服务器列表包括服务器名称，服务监听的IP和服务监听的Port；所述服务器为具有监听IP、Port功能并且能响应TCP请求的设备或系统。
进一步优选的是，上述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法中，所述步骤4包括：
步骤41：获取TCP连接的均衡服务器列表；
步骤42：获取网关当前已存在的NAT转换表，所述NAT转换表为网关与被匹配到的服务器已建立的TCP会话表；
步骤43：以TCP连接均衡服务器列表中的IP和Port匹配网关的NAT转换表，得到NATIP与服务器已建立的TCP会话数；
步骤44：对NAT IP排序，得到关于NAT IP与服务器已建立的TCP会话数的升序序列，并为序列中的记录编号；
步骤45：将序列中序号为0的NAT IP作为当前新建会话的优选IP。
为实现上述分配方法，本发明进一步公开了一种基于TCP连接数的源NAT IP分配装置，其技术方案如下：
一种基于TCP连接数的源NAT IP分配装置，其包括：接收模块，服务器列表模块，序列模块和分配模块；
所述接收模块用于接入网关、在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；
所述服务器列表模块连接接收模块、用于从接收模块获取目标服务器的IP和Port、判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中；
所述序列模块连接服务器列表模块、用于获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；
所述分配模块连接序列模块、用于将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
与现有技术相比，本发明的方案能够基于TCP连接数对源NAT IP进行分配，保证了NAT IP向给定范围内服务器建立的TCP连接数量的均衡，同时能够实现有效降低TCP会话过于集中在单个或某部分NAT IP导致被服务器拒绝新建TCP连接概率。
附图说明
图1为实施例1的系统框图；
图2为实施例1的工作流程图；
图3为源NAT IP分配方法参与TCP建立的典型消息流转示意图；
图4为源NAT IP分配方法中序列模块工作时序列变化的过程说明图；
图5为源NAT IP分配方法序列计算的流程图。
各附图标记对应部件名称如下：
1、接收模块；2、服务器列表模块；3、序列模块；4、分配模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为实施例1：
一种基于TCP连接数的源NAT IP分配装置，其包括：接收模块1，服务器列表模块2，序列模块3和分配模块4。
其中，所述接收模块1用于接入网关、在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；具体来说，其主要功能在于接收内网主机发来的tcp.flags.sysn报文，并提取报文中目的IP、Port发给服务器列表模块2。其发给服务器列表模块2的信息还包括内网主机的TCP请求源IP、Port。
所述服务器列表模块2用于从接收模块1获取目标服务器的IP和Port、判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中；具体来说：该模块从接收模块从获取主机H的TCP请求报文中目的IP、Port，并用它们匹配存在于本模块内的负载均衡服务器列表，匹配完成后向序列模块输出匹配结果，匹配结果至少包含命中的服务器IP、Port，并包含H的源IP、Port信息。所述负载均衡服务器列表具体是一个包含被选定参与本申请所述分配方法的服务器信息可操作性清单，至少包含服务器名称、服务监听的IP、服务监听的Port信息，清单内容支持预配置。
所述序列模块连接服务器列表模块、用于获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；具体来说：该模块一方面从服务器列表模块接收被其匹配命中的TCP请求信息，包含命中的服务器IP、Port，并包含H的源IP、Port信息。另一方面从网关获取当前的NAT转换表，这里的转换表具体是指网关与服务器IP、Port已建立的TCP会话表。进一步地，该模块将从不同NAT IP出发到达被命中的服务器IP、Port的TCP会话数量进行升序排列，并计算优先级得到优选NAT IP，序列模块将优选NAT IP发送给分配模块。
所述分配模块连接序列模块、用于将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
如图2-5所示，其工作过程如下：
一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其包括如下步骤：
步骤1：在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；
具体的，步骤1包括：对网关收到来自内网主机的报文进行二次处理，筛选出包头中包含TCP协议标签的报文并丢弃其他报文；在筛选出的报文中提取目标服务器的IP和Port；提取内网主机的TCP请求源IP和Port。
步骤2：判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中，如不存在，则结束当前进程；如存在，则跳转至步骤3；其中，所述均衡服务器列表包括服务器名称，服务监听的IP和服务监听的Port；所述服务器为具有监听IP、Port功能并且能响应TCP请求的设备或系统。
步骤3：将目标服务器的IP和Port送入网关的NAT策略中，如主机的IP未命中网关的NAT策略，则结束当前进程；如主机的IP命中网关的NAT策略，则跳转至步骤4；本步骤中，网关的NAT策略是网关关于实现NAT功能的一部分，属于现有技术，在此不再赘述。
步骤4：获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；具体的，步骤4包括：
步骤41：获取TCP连接的均衡服务器列表；
步骤42：获取网关当前已存在的NAT转换表，所述NAT转换表为网关与被匹配到的服务器已建立的TCP会话表；
步骤43：以TCP连接均衡服务器列表中的IP和Port匹配网关的NAT转换表，得到NATIP与服务器已建立的TCP会话数；
步骤44：对NAT IP排序，得到关于NAT IP与服务器已建立的TCP会话数的升序序列，并为序列中的记录编号；
步骤45：将序列中序号为0的NAT IP作为当前新建会话的优选IP。
步骤5：将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
上述过程中：所述分配装置通过监听接收模块的后续收发报文，确定此次TCP连接的状态，当收到H发送给SV与此次请求相应的tcp.flags.ack报文时确定此次TCP连接已经建立，此时网关的NAT转换表中已建立的连接数发生了变化，当下一次进行步骤5的过程时，序列被重新计算。如果网关没有收到H发送给SV与此次请求相应的tcp.flags.ack报文，或者收到了两端任一端发送的tcp.flags.rst，又或者连续收到了H或SV的重传超时，则表示连接失败，于是结束本方法的过程，所述重传和超时的判断方法为现有技术，在此不做赘述。
在初始阶段，分配装置根据服务器列表中已存在的IP、Port信息，以及网关当前的TCP会话表，匹配生成出包含优先级、NAT IP、服务器IP、服务器Port，以及已建立TCP会话数的数据表，每一对服务器IP:Port具有唯一的数据表。分配装置将此表的优先级根据已建立的TCP会话数升序排列，会话数相同时以IP地址从右至左十进制数值小的为优先，优先级使用非负整数表示，数值越小的优先级越高，其中0为优选。每一次TCP建立完成后重新计算优先级。
通过以上工作过程，若干个内网主机所发出的TCP请求中目标IP:Port，如果命中了服务器清单就会被平均分配到所有的NAT IP。因此保证了NAT IP向给定范围内服务器建立的TCP连接数量的均衡，同时能够实现有效降低TCP会话过于集中在单个或某部分NAT IP导致被服务器拒绝新建TCP连接概率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；
步骤2：判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中，如不存在，则结束当前进程；如存在，则跳转至步骤3；
步骤3：将目标服务器的IP和Port送入网关的NAT策略中，如主机的IP未命中网关的NAT策略，则结束当前进程；如主机的IP命中网关的NAT策略，则跳转至步骤4；
步骤4：获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；
步骤5：将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
2.如权利要求1所述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤11：对网关收到来自内网主机的报文进行二次处理，筛选出包头中包含TCP协议标签的报文并丢弃其他报文；
步骤12：在步骤11筛选出的报文中提取目标服务器的IP和Port；
步骤13：提取内网主机的TCP请求源IP和Port。
3.如权利要求1所述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其特征在于，步骤2所述均衡服务器列表包括服务器名称，服务监听的IP和服务监听的Port；所述服务器为具有监听IP、Port功能并且能响应TCP请求的设备或系统。
4.如权利要求1所述基于TCP连接数的源NAT IP分配方法，其特征在于，步骤4包括：
步骤41：获取TCP连接的均衡服务器列表；
步骤42：获取网关当前已存在的NAT转换表，所述NAT转换表为网关与被匹配到的服务器已建立的TCP会话表；
步骤43：以TCP连接均衡服务器列表中的IP和Port匹配网关的NAT转换表，得到NAT IP与服务器已建立的TCP会话数；
步骤44：对NAT IP排序，得到关于NAT IP与服务器已建立的TCP会话数的升序序列，并为序列中的记录编号；
步骤45：将序列中序号为0的NAT IP作为当前新建会话的优选IP。
5.一种基于TCP连接数的源NAT IP分配装置，其特征在于，包括：接收模块，服务器列表模块，序列模块和分配模块；
所述接收模块用于接入网关、在网关上接收内网主机发送给服务器的TCP请求包，并从请求包中提取目标服务器的IP和Port；
所述服务器列表模块连接接收模块、用于从接收模块获取目标服务器的IP和Port、判断目标服务器的IP和Port是否存在于TCP连接的均衡服务器列表中；
所述序列模块连接服务器列表模块、用于获取NAT IP池内与被命中的服务器已建立连接的TCP连接数量的升序排序列表，计算优先级取得优选NAT IP；
所述分配模块连接序列模块、用于将内网的请求包头的IP替换为优选NAT IP，将请求包头的源Port随机替换为与现有会话不重复的Port。
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