CN117097587A - 一种异地以太网络二层互联的方法和设备 - Google Patents

一种异地以太网络二层互联的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异地以太网络二层互联的方法和设备，它涉及通信技术领域。接入设备和路由器间建立穿透NAT网络的隧道T并进行合法性认证，认证通过后将隧道T加入本地局域网，接入设备收到本地局域网目的IP为公网地址的IP报文，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网，其它报文按照二层转发流程处理；隧道T传输报文模式一：所有报文都封装完整以太报文到隧道T传输；隧道T传输报文模式二：单播IP报文只封装IP部分到隧道T传输，其它报文封装完整以太报文到隧道T传输。本发明目可以进行异地以太网二层互联，降低用户业务部署复杂度，提高网络效率，应用前景广阔。

Description

一种异地以太网络二层互联的方法和设备
技术领域
本发明涉及的是通信技术领域，具体涉及一种异地以太网络二层互联的方法和设备。
背景技术
VPLS(Virtual Private Lan Service，虚拟专用局域网业务)，在两个地域上隔离的以太网络之间建立PW(Pseudo Wire，虚链路)传输网络间以太报文，将异地以太网络互联虚拟为同一个二层网络；但VPLS技术无法应用于普通宽带用户。
图1为一种常见的宽带用户组网模式，路由器1和路由器2分别是地域隔离的两台用户设备，公网接口通过PPPoE(Point-to-Point Protocol over Ethernet)等宽带接入技术连接因特网；路由器同时集成DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol，动态主机配置协议)服务端为内部二层网络分配私网IP地址；IANA(因特网地址分配组织)规定10.0.0.0至10.255.255.255、172.16.0.0至172.31.255.255、192.168.0.0至192.168.255.255三个地址段不会在因特网上分配，只能在局域网中使用，一般称为私网IP地址。由于公网IPv4地址匮乏，运营商一般采用NAT(Network Address Translation，网络地址转换)技术为宽带用户提供服务，路由器公网接口一般分配100.64.0.0/10地址段；此时路由器1和路由器2无法建立PW。
基于此，开发一种能穿透NAT网络进行异地以太网络二层互联的方法和设备尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种异地以太网络二层互联的方法和设备，可以进行异地以太网二层互联，降低用户业务部署复杂度，提高网络效率，易于推广使用。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种异地以太网络二层互联的方法，其组网包括接入设备和路由器，路由器和接入设备均通过NAT技术接入因特网，并集成NAT模块为本地局域网设备提供因特网服务，其具体步骤为：
(1)接入设备和路由器间建立穿透NAT网络的隧道T并进行合法性认证，认证通过后将隧道T加入本地局域网；
(2)接入设备收到本地局域网目的IP为公网地址的IP报文，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网，其它报文按照二层转发流程处理；
(3)隧道T传输报文模式一：所有报文都封装完整以太报文到隧道T传输；
(4)隧道T传输报文模式二：单播IP报文只封装IP部分到隧道T传输，其它报文封装完整以太报文到隧道T传输。
作为优选，所述的路由器集成有DHCP服务端功能，为局域网设备分配IP地址，接入设备无DHCP服务端功能。
作为优选，所述的步骤(1)在接入设备和路由器之间建立穿透NAT的IP隧道T，隧道T采用STUN技术建立；IP隧道协议类型支持NAT，包括TCP、UDP、ICMP。隧道T建立后，进行接入设备的合法性认证，认证方法为用户名+密码或证书，认证通过后隧道T加入本地局域网，功能和行为和物理端口相同。
作为优选，所述的步骤(2)中接入设备收到本地局域网物理接口报文的处理流程为：
S1.根据以太报文中的报文类型判断是否IP报文：按照国际标准0x0800为IP报文，解析目的IP；若不是IP报文，其它报文均按照非IP报文处理，直接执行步骤S5；
S2.判断是否私网IP，私网IP包括IANA规定10.0.0.0至10.255.255.255、172.16.0.0至172.31.255.255、192.168.0.0至192.168.255.255三个地址段及局域网广播地址255.255.255.255；若是私网IP，执行步骤S5；不是私网IP，执行步骤S3；
S3.判断是否允许接入公网，若不允许，执行步骤S5；若允许接入，执行步骤S4；
S4.按公网报文处理流程，现有家用无线路由器通用处理，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网；
S5.按二层报文处理流程，根据目的MAC查询MAC地址表向哪些物理端口或隧道发送以太报文，并进行源MAC地址学习。
作为优选，所述的步骤S5向隧道发送报文的处理流程为：
S11.判断是否为IP报文，是，则执行S12，否，则执行S14；
S12.根据目的MAC地址判断是否广播或组播报文：全F为广播，第一个字节最低位等于1为组播MAC；若是，则执行S16，否，则执行S13；
S13.去掉以太头后做隧道封装，结束操作；
S14.判断是否为ARP报文：是，则执行S15；否，则执行S16；
S15.ARP学习，解析ARP报文的发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
S16.按以太报文格式做隧道封装，在以太报文前增加0x00后封装隧道IP头及UDP头，结束操作。
作为优选，所述的步骤(2)中接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，保留以太报文；
②根据以太报文的目的MAC地址根据目的MAC进行广播或单播处理。
作为优选，所述的步骤(2)中接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，隧道承载的报文如果是以太报文，执行步骤②，如果是IP报文，执行步骤③；
②所有以太报文均进入二层转发流程；特别的，如果是ARP报文，需解析发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
③如果是IP报文，使用报文目的IP及源IP查找ARP表得到目的MAC及源MAC地址，封装成以太报文后进入二层转发流程。
一种异地以太网络二层互联的设备，包括有隧道建立及认证模块、二层转发模块、ACL模块和NAT模块，其中隧道建立及认证模块用于建立在接入设备和路由器之间穿透NAT网络的隧道T，同时用于合法性认证；二层转发模块用于将报文基于原MAC、目的MAC、MAC地址表进行业务转发；ACL模块用于对转发的报文进行过滤、判断；NAT模块用于将 IP 数据报报头中的 IP 地址转换为另一个 IP 地址，实现内部网络访问外部网络的功能，为二层以太网设备提供因特网服务。
本发明的有益效果：本发明在本地网络通过NAT技术接入公网时，可以进行异地以太网二层互联，降低用户业务部署复杂度，同时各异地以太网络可以就近利用公网接口访问因特网，提高网络效率，应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为背景技术中常见宽带用户组网模式的结构示意图；
图2为本发明的组网模式结构示意图；
图3为本发明接入设备收到本地局域网物理接口报文的处理流程示意图；
图4为本发明对于UDP的隧道T上的报文封装示意图；
图5为本发明以太报文的封装示意图；
图6为本发明向隧道发送报文的处理流程示意图。
实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图2-6，本具体实施方式采用以下技术方案：一种异地以太网络二层互联的方法，其组网包括接入设备和路由器，路由器和接入设备均通过NAT技术接入因特网，并集成NAT模块为本地局域网(二层以太网)设备提供因特网服务，所述的路由器集成有DHCP服务端功能，路由器运行DHCP服务端，为局域网设备分配IP地址，具有分配IP地址的功能，接入设备无DHCP服务端功能。其具体步骤为：
(1)接入设备和路由器间建立穿透NAT网络的隧道T并进行合法性认证，认证通过后将隧道T加入本地局域网；
(2)接入设备收到本地局域网目的IP为公网地址的IP报文，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网，其它报文按照二层转发流程处理；
(3)隧道T传输报文模式一：所有报文都封装完整以太报文到隧道T传输；
(4)隧道T传输报文模式二：单播IP报文只封装IP部分到隧道T传输，其它报文封装完整以太报文到隧道T传输。
值得注意的是，所述的步骤(1)在接入设备和路由器之间建立穿透NAT的IP隧道T，隧道T采用STUN(Session Traversal Utilities for NAT)技术建立，也可采用其它方法；IP隧道协议类型须支持NAT，包括TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)、UDP(User Datagram Protocol，用户报协议)、ICMP(Internet Control MessageProtocol，互联网控制消息协议)。隧道T建立后，需进一步进行接入设备的合法性认证，认证方法可采用用户名+密码或证书，认证通过后隧道T加入本地局域网，功能和行为和物理端口相同。
本具体实施方式接入设备收到本地局域网物理接口报文的处理流程为：
S1.根据以太报文中的报文类型判断是否IP报文：按照国际标准0x0800为IP报文，解析目的IP；若不是IP报文，其它报文均按照非IP报文处理，直接执行步骤S5；
S2.判断是否私网IP，若是私网IP，执行步骤S5；不是私网IP，执行步骤S3；
S3.判断是否允许接入公网，若不允许，执行步骤S5；若允许接入，执行步骤S4；
S4.按公网报文处理流程，现有家用无线路由器通用处理，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网；
S5.按二层报文处理流程，根据目的MAC查询MAC地址表向哪些物理端口或隧道发送以太报文，并进行源MAC地址学习。
值得注意的是，步骤S2中私网IP包括IANA(因特网地址分配组织)规定10.0.0.0至10.255.255.255、172.16.0.0至172.31.255.255、192.168.0.0至192.168.255.255三个地址段及局域网广播地址255.255.255.255；组播地址(224.0.0.0 - 239.255.255.255)，本发明中可以判定为私网地址，也可以由用户或产品自主配置。
步骤S3中部分场景由于用户安全或管理需要，上公网报文须经过特定设备处理；如电脑2外发电子邮件，电子邮件内容可能需要经过电脑1检查或存档后才允许外发，此时不能通过接入设备直接转入公网；判断报文的规则通称为ACL(访问控制列表)，ACL规则可以由用户自定义。
步骤S5类似VPLS技术二层转发处理流程，区别在于VPLS隧道报文一般是标签或GRE(Generic Routing Encapsulation)封装，本发明使用支持NAT的IP协议封装，以UDP为例，隧道T上的报文封装如图4。
为了更高效地利用公网带宽，隧道T在发送IP类型的单播以太报文时可去掉以太头部，因为IP报文的第一个字节是版本号(4 bits)+头部长度(4 bits)，所以必然大于0x40，第一个字节小于0x40时可以用于表示其它类型报文，假设0x00表示以太报文，如图5所示。
上述步骤S5向隧道发送报文的处理流程为：
S11.判断是否为IP报文，是，则执行S12，否，则执行S14；
S12.根据目的MAC地址判断是否广播或组播报文：全F为广播，第一个字节最低位等于1为组播MAC；若是，则执行S16，否，则执行S13；
S13.去掉以太头后做隧道封装，结束操作；
S14.判断是否为ARP报文：是，则执行S15；否，则执行S16；
S15.ARP学习，解析ARP报文的发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
S16.按以太报文格式做隧道封装，在以太报文前增加0x00后封装隧道IP头及UDP头，结束操作。
本具体实施方式接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，保留以太报文；
②根据以太报文的目的MAC地址根据目的MAC进行广播或单播处理。
接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，隧道承载的报文如果是以太报文，执行步骤②，如果是IP报文，执行步骤③；
②所有以太报文均进入二层转发流程；特别的，如果是ARP报文，需解析发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
③如果是IP报文，使用报文目的IP及源IP查找ARP表得到目的MAC及源MAC地址，封装成以太报文后进入二层转发流程。
本具体实施方式还提供了一种异地以太网络二层互联的设备，包括有隧道建立及认证模块、二层转发模块、ACL模块和NAT模块，其中隧道建立及认证模块用于建立在接入设备和路由器之间穿透NAT网络的隧道T，同时用于合法性认证；二层转发模块用于将报文基于原MAC、目的MAC、MAC地址表进行业务转发；ACL模块用于对转发的报文进行过滤、判断；NAT模块用于将 IP 数据报报头中的 IP 地址转换为另一个 IP 地址，实现内部网络访问外部网络的功能，为二层以太网设备提供因特网服务。
本具体实施方式电脑2在开机时，通常运行DHCP协议作为客户端向DHCP服务端申请IP地址，通过上述流程，路由器必然能为电脑2分配本地局域网段的IP地址，由此实现两个地域隔离的以太网络模拟成同一局域网实现二层互联；同时电脑2可以通过本地接入设备访问因特网，避免通过隧道T转发到路由器访问因特网，从而节约带宽，提升网络效率
本具体实施方式可以进行异地以太网二层互联，利用二层网络通信简单的特点降低用户业务部署复杂度，同时各异地以太网络可以就近利用公网接口访问因特网，提高网络效率，具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，其组网包括接入设备和路由器，路由器和接入设备均通过NAT技术接入因特网，并集成NAT模块为本地局域网设备提供因特网服务，其具体步骤为：
(1)接入设备和路由器间建立穿透NAT网络的隧道T并进行合法性认证，认证通过后将隧道T加入本地局域网；
(2)接入设备收到本地局域网目的IP为公网地址的IP报文，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网，其它报文按照二层转发流程处理；
(3)隧道T传输报文模式一：所有报文都封装完整以太报文到隧道T传输；
(4)隧道T传输报文模式二：单播IP报文只封装IP部分到隧道T传输，其它报文封装完整以太报文到隧道T传输。
2.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的路由器集成有DHCP服务端功能，为局域网设备分配IP地址，接入设备无DHCP服务端功能。
3.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤(1)在接入设备和路由器之间建立穿透NAT的IP隧道T，隧道T采用STUN技术建立；IP隧道协议类型支持NAT，包括TCP、UDP、ICMP。
4.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤(1)隧道T建立后，进行接入设备的合法性认证，认证方法为用户名+密码或证书，认证通过后隧道T加入本地局域网，功能和行为和物理端口相同。
5.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中接入设备收到本地局域网物理接口报文的处理流程为：
S1.根据以太报文中的报文类型判断是否IP报文：按照国际标准0x0800为IP报文，解析目的IP；若不是IP报文，其它报文均按照非IP报文处理，直接执行步骤S5；
S2.判断是否私网IP，私网IP包括IANA规定10.0.0.0至10.255.255.255、172.16.0.0至172.31.255.255、192.168.0.0至192.168.255.255三个地址段及局域网广播地址255.255.255.255；若是私网IP，执行步骤S5；不是私网IP，执行步骤S3；
S3.判断是否允许接入公网，若不允许，执行步骤S5；若允许接入，执行步骤S4；
S4.按公网报文处理流程，现有家用无线路由器通用处理，通过NAT模块处理后从公网接口发送到因特网；
S5.按二层报文处理流程，根据目的MAC查询MAC地址表向哪些物理端口或隧道发送以太报文，并进行源MAC地址学习。
6.根据权利要求5所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤S5向隧道发送报文的处理流程为：
S11.判断是否为IP报文，是，则执行S12，否，则执行S14；
S12.根据目的MAC地址判断是否广播或组播报文：全F为广播，第一个字节最低位等于1为组播MAC；若是，则执行S16，否，则执行S13；
S13.去掉以太头后做隧道封装，结束操作；
S14.判断是否为ARP报文：是，则执行S15；否，则执行S16；
S15.ARP学习，解析ARP报文的发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
S16.按以太报文格式做隧道封装，在以太报文前增加0x00后封装隧道IP头及UDP头，结束操作。
7.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，保留以太报文；
②根据以太报文的目的MAC地址根据目的MAC进行广播或单播处理。
8.根据权利要求1所述的一种异地以太网络二层互联的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中接入设备收到隧道T的报文处理流程为：
①删除隧道IP头及UDP头，隧道承载的报文如果是以太报文，执行步骤②，如果是IP报文，执行步骤③；
②所有以太报文均进入二层转发流程；特别的，如果是ARP报文，解析发送端IP和MAC地址并保存到ARP表；
③如果是IP报文，使用报文目的IP及源IP查找ARP表得到目的MAC及源MAC地址，封装成以太报文后进入二层转发流程。
9.一种异地以太网络二层互联的设备，其特征在于，包括有隧道建立及认证模块、二层转发模块、ACL模块和NAT模块，其中隧道建立及认证模块用于建立在接入设备和路由器之间穿透NAT网络的隧道T，同时用于合法性认证；二层转发模块用于将报文基于原MAC、目的MAC、MAC地址表进行业务转发；ACL模块用于对转发的报文进行过滤、判断；NAT模块用于将IP 数据报报头中的 IP 地址转换为另一个 IP 地址，实现内部网络访问外部网络的功能，为二层以太网设备提供因特网服务。
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