CN1380773A - 一种增强的nat－pt协议方案 - Google Patents
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Abstract
本发明属计算机网络技术领域,具体为一种能够实现IPV4和IPV6两类网络高效互访的ENAT－PT协议,由ENAT、NAPT、PT三部分构成。它成功地解决了IPV4网络和IPV6网络的互访,并可用少量的IPV4地址就支持网络互连。
Description
技术领域
本发明属计算机网络技术领域，具体为一种能够实现IPv4网络和IPv6网络高效互访的增强型NAT-PT协议。
背景技术
虽然IP因其简洁性在诸多网络协议的竞争中取得的胜利，在网络中尤其是互连网中得到广泛的应用，但随着技术的进步和网络应用的快速发展，IPv4也面临众多的挑战，如地址空间过小，协议处理仍然相对复杂，对服务质量支持差，安全性差等问题。为了应对IPv4面临的问题，IETF设计了下一代互联网协议IPv6。尽管IPv6继承了IPv4的众多优点，但两者有显著差异。由于IPv4网络现存的资源数量巨大，设备种类繁多，将不可能在短时期内实现向IPv6的迁移，两类网络将长期共存。实现两类网络间的互访是IPv6成功应用的重要方面。为了实现互访，需要解决两个问题。1)两类报文协议间的互相转换即协议翻译(PT-Protocol Translation)。2)实现IPv4与IPv6两个地址域的转换即地址翻译网络(NAT-Network Address Translation)。IP网络是采用IP地址实现数据报文传递的，由于IPv4采用32位地址，IPv6采用128位地址，需要在两类网络节点互访时，实现地址翻译。现有的方案：NAT-PT(NAT协议翻译，RFC 2766)定义了将IPv4数据包转换为公共IPv6数据包的方法。NAT-PT最重要的两种形式是双向NAT-PT和NAPT-PT。
双向NAT-PT同时支持出站会话和入站会话。在双向NAT-PT模型中，一个IPv6地址在会话建立前静态地绑定到一个临时IPv4地址，或者在会话建立的时候动态地映射到一个临时IPv4地址。对于入站会话，在会话建立前，源节点发起一个DNS请求(假定所有IPv6节点的域名是全局唯一的)。NAT-PT网关获得从DNS服务器返回的IPv6地址后，将其动态的绑定到一个临时IPv4地址，或者查找静态绑定表找到该V6地址所对应的映射地址，之后，NAT-PT根据映射关系对IP包头中的地址进行转换。
NAPT-PT(Network Address Port Translation-Protocol Translation)是一种改进的NAT-PT模型。NAPT-PT的基本原理是：对于从IPv6发起的会话，NAPT-PT在将IPv6地址映射成IPv4地址的同时，将IP包中客户端端口映射成某个临时IPv4地址的一个未用端口。这样，每个临时IPv4地址上最多可以同时建立达63000个会话(端口号0～1023保留)，从而节省IPv4地址。
尽管双向NAT-PT可以支持IPv4与IPv6节点的互访，但是由于一个临时IPv4地址只能绑定到一个IPv6节点上，对于大型网络的互访需要大量的临时IPv4地址存放在临时地址池中。这将使得IPv4地址资源紧张的问题更加严重。NAPT-PT采用端口复用技术可以节约大量的IPv4地址，但是其只支持IPv6节点访问IPv4网络。
发明内容
本发明的目的在于提出一种既支持IPv4和IPv6两类网络互访，又不需要大量临时IPv4地址的协议方案。
为了便于斜述，先将本发明涉及的常用的术语与标记介绍如下：
定义1.SA，S-port，DA，D-port：分别表示源地址、源端口、目标地址、目标端口。它们是一个会话的参数。
定义2.会话(Session)，入站会话(Inbound Session)，出站会话(OutboundSession)：会话定义为客户与服务器一个交互过程的所有数据流，其含义约略相当于一个TCP/UDP连接或ICMP查询。在ENAT-PT中，它们被当作一个处理单元来进行地址翻译。TCP/UDP会话可由参数(SA，S-port，DA，D-port)来标识，而ICMP查询会话则由(SA，ICMP query ID，DA)唯一的标识。入站会话表示从V4节点发起的会话，而出站会话表示由V6节点发起的会话。会话的方向(入站或出站)由发起的节点决定，而非数据包的流动方向。
定义3.入站数据包(Inbound packet)，出站数据包(Outbound packet)：入站数据包表示流向发起会话的节点的数据包，而出站数据包表示从发起该会话的节点流出的数据包。例如一个telnet会话，出站数据包通常携带终端的键盘输入信息，而入站数据包则携带服务器返回的显示信息。
本发明提出的支持IPv4和IPv6两类网络互访的协议，可记为ENAT-PT(EnhancedNAT-PT)协议。它分为三个部分：
(1)ENAT：增强的NAT机制，处理入站会话；
(2)NAPT：处理出站会话；
(3)PT：实现IPv4和Ipv6两种协议之间的转换。
其中，NAPT和PT有现有的方案，遵循相关标准。ENAT的基本方法如下：如图1所示，设H1为IPv4主机，地址为ADDR1(V4地址)；H2为IPv6主机，地址为ADDR2(V6地址)。对于入站会话，会话建立前，源节点H1发起一个DNS请求(请求获得H2的地址)到DNS服务器。ENAT-PT网关截获DNS响应，并从地址池中取得一个未被绑定的临时IPv4地址REG1(V4地址)与返回H2的地址ADDR2绑定到一起，同时将REG1作为H2的地址返回给H1。V4主机H1以REG1作为服务器地址发起会话请求。
对于以上DNS解析过程，ENAT与传统的的NAT(仅指V4地址与V6地址的翻译)的入站会话的过程完全相同。与传统的NAT不同的是，ENAT-PT网关在会话建立后就释放临时IPv4地址，而非在会话结束后才释放临时地址，通过该方法可以实现临时地址的复用。但是采用该方法可能使得一个临时地址对应多个V6节点。为了区分到不同V6节点的不同会话，ENAT引入会话参数并维护一个会话表。ENAT-PT网关截获到某个会话的第一个数据包以后，在会话表中建立起一个新的表项，该表项的形式为V4主机地址、V4主机端口、映射地址、V6主机地址、V6主机端口。在本例中，假设V4主机获得H2的映射地址(REG1)以后发起一个到V6的会话，源端口为PORT1，目标端口为PORT2，则会话表中对应该会话的表项为(ADDR1，PORT1，REG1，ADDR2，PORT2)。会话建立以后，临时IPv4地址REG1与V6地址ADDR2的绑定关系即被释放。对于该会话后续的数据包，ENAT-PT网关将查询会话表，并根据会话参数查询到V6节点的地址，然后对数据包头中的地址进行转换。会话表中的表项在其所对应的会话结束时被删除。
临时IPv4地址与V6地址的绑定关系在会话建立后立即被释放，并可重新绑定到另一个V6地址，因此同一个临时IPv4地址可以同时映射到任意多个不同的V6地址，从而大大的提高了临时IPv4地址的利用率。
图2是一个临时IPv4地址的状态图。它表明了一个临时IPv4地址被复用的详细情况。临时IPv4地址起始状态为free。响应一个DNS请求时临时IPv4地址被绑定到一个V6地址，为bind状态。会话建立以后，会话表中记录了会话的相关信息，临时IPv4地址被释放，临时IPv4地址状态为using状态(会话表中至少有一个表项包含了该映射地址)，此时该临时IPv4地址又可重新绑定到新的V6地址。当新的V4节点进行域名查询时，该临时IPv4地址又被绑定到新的V6节点，此时其状态为bind and using。
根据上述方法，ENAT的具体步骤如下：
(1)4客户机在需要访问V6主机时使用DNS查询V6的IP地址；
(2)关截获DNS的响应，从空闲的临时地址池中选择一个V4地址REG1，将DNS中V6主机的地址IV6替换为REG1，返回给V4客户，同时建立地址绑定(IV6，REG1)放入绑定列表；
(3)网关收到V4的数据报后，根据报文参数检查会话表；
(a)如果有该会话的会话项，则进行协议转换操作，将报文转换为IPv6格式，将
会话项中的IV6地址作为V6的目标地址；
(b)如果没有相关会话项，则根据报文的IPv4目的地址查询绑定列表，
①如果没有相关绑定，则转换失败；
②如果有绑定，
(A)如果是TCP连接建立报文或UDP或ICMP报文则根据报文信息和绑
定，在会话表中建立会话项(V4主机地址，V4主机端口，映射地址，
V6主机地址，V6主机端口)，释放该绑定，并进行协议转换；
(B)否则是错误或超时报文，丢弃；
(c)如果是结束报文则，释放会话项。
(4)网关收到V6的数据报后，根据报文参数检查会话表。如果有会话项则进行协议转换，将报文转换为IPv4格式，将会话项中的REG1地址作为V4的源地址。系统通过超时机制来回收资源：当绑定超时是，要释放绑定，使得地址可重用。当会话超时时释放会话项。
ENAT仅适用于入站会话，而普通NAPT仅适用于出站会话。ENAT-PT结合两者的功能，从而可以使用一个很小的地址池同时支持大量两个方向的会话。这可以有两种方法来实现，一种是普通NAPT与ENAT采用相互独立的临时IPv4地址池，分别独立的对入站会话和出站会话进行处理。二是两者使用相同的地址池和相同的会话表。由于采用分离的临时地址池需要更多的地址并且要求区分入站会话和出站会话，引入了新的运算。在ENAP-PT中采用第二种方法。在该方法中需要对普通的NAPT进行适当的修改。传统的NAPT仅使用(源地址、源端口)作为参数进行映射，而ENAT需要根据(源地址、源端口、目的地址、目的端口)进行处理。通过扩展NAPT，使其在进行端口映射时采用(SA，S-port，DA，D-port)四个参数来映射一个数据包，从而统一了ENAT和NAPT对报文的处理过程。会话表的形式略有改动，需要加上“映射端口”一列。
协议转换PT用于实现IPv4/v6报文协议的相互转换。该部分遵循相关标准。显著效果：
ENAT-PT成功的解决了IPv4、IPv6两类网络间的互访，同时仅使用少量的IPv4地址就支持大网络的互连。对于V6节点访问V4网络时，ENAT-PT模型采用修改过的NAPT-PT技术，使得一个临时IPv4地址可以支持63000个会话访问IPv4网络。采用ENAT支持IPv4节点访问V6网络。由于在ENAT中一个临时IPv4地址在一个V4节点到V6的会话建立后就释放了，该地址可以用作其它V4节点建立到V6网络新的会话，从而实现地址复用。从理论上说ENAT只使用一个临时IPv4地址就可以支持V4网络中所有节点访问V6网络。由于在支持V4/V6网络互访的网络地址转换协议中要求DNS记录的生存期为0，即要求V4节点每次在建立与V6节点的会话时要进行DNS查询。在现有的大量应用中，有些应用并没有完全按照DNS协议的要求进行设计，所以ENAT的效果有所退化，但其最终效果仍然比普通的NAT强很多。假设有1万个V4节点的V4网络与有2万个V6节点的V6网络互连，采用100个临时IPv4地址。对于普通的NAT，只支持V4网络中的所有节点同时访问100个不同的IPv6节点，即V6网络资源的可访问率为100/20000＝0.5％。但ENAT支持V4网络中的每一个节点至少可以访问100个不同的IPv6节点，即使每个V4节点访问的V6节点不同，依然可以成功访问。在这个网络拓普中，ENAT理论上可以支持同时访问100*10000＝1,000,000个V6节点，即可以支持V4节点访问所有V6节点。由于每个节点在一段时间内访问的节点数目有限，采用ENAT，使用一个100个V4临时地址，在绝大部分情况下可以正常支持互访，但采用普通的NAT显然是不能完成这个工作的。
在ENAT-PT方案中由于引入了传输层的信息，在信息处理量上比普通的NAT要大，但由于需要处理的总体信息量不大，并且处理方法规整，通过采用合适的数据结构，对互访的效率产生的影响极小。总之ENAT-PT是一个使用少量的IPv4地址就支持大IPv4、IPv6网络互连的高效方法。
附图说明
图1为ENAT基本模型图。
图2为ENAT-PT模型下临时IPv4地址的状态转换图。
图3为ENAT-PT入站会话操作图示。图中标号：H1为IPv4主机，H2为Ipv6主机，Free：初始状态，Bind：地址被绑定到一个IPv6节点上，Using：当绑定的IPv6节点建立了会话，Bind and Using：地址被绑定到一个IPv6节点上，同时有IPv6节点使用该地址建立了会话。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明ENAT-PT的操作过程。如图3所示，临时IPv4地址池中含有两个V4地址：202.120.224.1和202.120.224.2。临时IPv4地址202.120.224.1被静态的绑定到DNS服务器。DNS服务器的作用如前所述。ENAT-PT网关截获所有数据包并作相关的地址转换等处理。以下的例子展示了如何在一个注册IP地址202.120.224.2上建立多个入站会话。会话1节点A发起到节点B的会话
在域名解析过程中，DNS服务器返回节点B的地址(FEDC：BA98∷7654：3210)，此地址在网关G中被绑定到临时IPv4地址202.120.224.2(临时IPv4地址状态为bind，见图2)。网关G将临时IPv4地址202.120.224.2作为节点B的地址返回给A。(1)出站数据包(从V4主机流出的数据包)
出站数据包会话参数(未经ENAT-PT转换时)如下：
SA＝202.120.225.9，S-port＝1024，DA＝202.120.224.2，D-port＝23.(S1)
ENAT-PT网关截获会话第一个数据包以后，在会话表中建立如下表项(表1)，其中的映射端口对于ENAT没有实质意义只是为了统一与NAPT的操作，其值与V6端口相同。表项建立后释放临时IPv4地址202.120.224.2与V6地址FEDC：BA98∷7654：3210的绑定关系(临时IPv4地址状态为using，见图2)。
表1会话表(1)
| V4主机地址 | V4端口 | 映射地址 | 映射端口 | V6主机地址 | V6端口 |
| 202.120.225.9 | 1024 | 202.120.224.2 | 23 | FEDC：BA98∷7654：3210 | 23 |
对于其他的出站数据包(非第一个数据包)，ENAT-PT网关根据数据包参数(SA，S-port，DA，D-port)与会话表中参数(V4主机地址，V4端口，映射地址，映射端口(V6端口))进行匹配，并据此找到实际目标主机(V6)地址FEDC：BA98∷7654：3210。因此，出站数据包经过ENAT-PT网关后将被转换成以下形式
SA＝PREFIX：202.120.225.9，S-port＝1024，DA＝FEDC：BA98∷7654：3210，D-port＝23.(S2)
PREFIX∷/96是一个规定的V6地址前缀，长度为96位。PREFIX可任意指定，如aaaa：bbbb：cccc：dddd：eeee：fffff。在ENAT-PT网关所在的IPv6域中，所有包含此前缀的V6地址都被路由到ENAT-PT网关。(2)入站数据包(从V6主机返回的数据包)
ENAT-PT网关截获的入站数据包参数如下：
SA＝FEDC：BA98∷7654：3210，S-port＝23，DA＝PREFIX：202.120.225.9，D-port＝1024.(S3)
ENAT-PT网关查询会话表，方法是对入站数据包的特征参数(SA，S-port，DA，D-port)和表项(V6主机地址，V6端口，V4主机地址，V4端口)进行匹配，以查找SA(V6地址)所映射的临时IPv4地址。该临时IPv4地址将作为转换后数据包的源地址，目标地址DA则被去掉前缀PREFIX，端口号保持不变。入站数据包中的地址信息将被ENAT-PT网关转换成以下形式
SA＝202.120.224.2，S-port＝23，DA＝202.120.225.9，D-port＝1024.(S4)会话2节点A发起到节点C的会话
当一个临时IPv4地址被释放以后即可被绑定到另一个V6地址。假设节点A在发起第一个连接之后又发起另一个到V6节点C(地址FEDC：BA98∷7654：3211)的连接(如图3)。网关返回节点C的映射地址202.120.224.2给节点A(临时IPv4地址状态为bind and using，见图2)，此会话参数为
SA＝202.120.225.9，S-port＝2002，DA＝202.120.224.2，D-port＝80.(S5)
ENAT-PT网关在截获此会话第一个数据包以后，会话表如下。
表2会话表(2)
| V4主机地址 | V4端口 | 映射地址 | 映射端口 | V6主机地址 | V6端口 |
| 202.120.225.9 | 1024 | 202.120.224.2 | 23 | FEDC：BA98∷7654：3210 | 23 |
| 202.120.225.9 | 2002 | 202.120.224.2 | 80 | FEDC：BA98∷7654：3211 | 80 |
由于记录了会话的参数，ENAT-PT网关有足够的信息分辨两个会话的数据包，并正确地进行地址转换和转发。出站数据包将被转换成
SA＝PREFIX：202.120.225.9，S-port＝2002，DA＝FEDC：BA98∷7654：3211，D-port＝80.(S6)入站数据包参数为
SA＝FEDC：BA98∷7654：3211，S-port＝80，DA＝PREFIX：202.120.225.9，D-port＝2002(S7)它们将被转换为如下形式
SA＝202.120.224.2，S-port＝80，DA＝202.120.225.9，D-port＝2002.(S8)NAPT与ENAT的协作会话3节点B发起到节点A的会话
假设V6节点B发起一个到V4节点A的连接，参数如下：
SA＝FEDC：BA98∷7654：3210，S-port＝2300，DA＝PREFIX：202.120.225.9，D-port＝80.(S9)
由于是V6到V4的会话，将采用NAPT进行处理。网关选择一个可用的临时IPv4地址进行映射，在该例中节点B的地址被映射到临时IPv4地址202.120.224.2，网关将选择一个未用的端口，例如1024作为客户端(节点B)的源端口，进行会话表，见表3。对于出站数据包，会话参数见(S9)式。转换后参数如下
SA＝202.120.224.2，S-port＝1024，DA＝202.120.225.9，D-port＝80.(S10)入站数据包参数为
SA＝202.120.225.9，S-port＝80，DA＝202.120.224.2，D-port＝1024.(S11)转换后参数为
SA＝PREFIX：202.120.225.9，S-port＝2002，DA＝FEDC：BA98∷7654：3210，D-port＝2300.(S12)
Table 3会话表(3)
| V4节点地址 | V4端口 | 转换地址 | 映射端口 | V6节点地址 | V6端口 |
| 202.120.225.9 | 1024 | 202.120.224.2 | 23 | FEDC：BA98∷7654：3210 | 23 |
| 202.120.225.9 | 2002 | 202.120.224.2 | 80 | FEDC：BA98∷7654：3211 | 80 |
| 202.120.225.9 | 80 | 202.120.224.2 | 1024 | FEDC：BA98∷7654：3210 | 2300 |
Claims (4)
1、一种支持IPv4和Ipv6两类网络互访的ENAT-PT协议，其特征在于由三个部分组成：
(1)ENAT，增强的NAT机制，处理入站会话；
(2)NAPT，处理出站会话；
(3)PT，两种协议之间的转换；
其中，ENAT的基本方法如下：会话建立前，源节点H1发起一个DNS请求到DNS服务器请求获得H2的地址，ENAT-PT网关截获DNS响应，并从地址池中取得一个未被绑定的临时IPv4地址REG1与返回H2的地址ADDR2绑定到一起，同时将REG1作为H2的地址返回给H1，V4主机H1以REG1作为服务器地址发起会话请求，ENAT-PT网关在会话建立后就释放临时IPv4地址，而非在会话结束后才释放临时地址。
2、根据权利要求1所述的ENAT-PT协议，其特征在于为了区分到不同V6节点的不同会话，ENAT引入会话参数并维护一个会话表；ENAT-PT网关截获到某个会话的第一个数据包以后，在会话表中建立起一个新的表项，该表项的形式为：V4主机地址、V4主机端口、映射地址、V6主机地址、V6主机端口。
3、根据权利要求2所述的ENAT-PT协议，其特征在于ENAT的具体步骤如下：
(1)V4客户机在需要访问V6主机时使用DNS查询V6的IP地址；
(2)截获DNS的响应，从空闲的临时地址池中选择一个V4地址REG1，将DNS中V6主机的地址IV6替换为REG1，返回给V4客户，同时建立地址绑定(IV6，REG1)放入绑定列表；
(3)关收到V4的数据报后，根据报文参数检查会话表，
(a)如果有该会话的会话项，则进行协议转换操作，将报文转换为IPv6格式，将会
话项中的IV6地址作为V6的目标地址；
(b)如果没有相关会话项，则根据报文的IPv4目的地址查询绑定列表，
①如果没有相关绑定，则转换失败；
②如果有绑定，
(A)如果是TCP连接建立报文或UDP或ICMP报文则根据报文信息和绑
定，在会话表中建立会话项(V4主机地址，V4主机端口，映射地址，
V6主机地址，V6主机端口)，释放该绑定，并进行协议转换；
(B)否则是错误或超时报文，丢弃；
(c)如果是结束报文则，释放会话项；
(4)网关收到V6的数据报后，根据报文参数检查会话表，如果有会话项则进行协议转换，将报文转换为IPv4格式，将会话项中的REG1地址作为V4的源地址，系统通过超时机制来回收资源：当绑定超时是，要释放绑定，使得地址可重用，当会话超时时释放会话项。
4、根据权利要求3所述的ENAT-PT协议，其特征在于通过扩展NAPT的映射参数，使ENAT在进行端口映射时采用源地址、源端口、目的地址、目的端口四个参数来映射一个数据包，从而统一ENAT和NAPT对报文的处理过程。
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