CN1739308A - 基于移动性管理的网络地址转换 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在具有本地代理的通信结构中支持移动主机(199)的方法。移动主机(199)能够与网络地址转换(NAT)服务器(165)进行通信。移动主机(199)的数据包通过本地代理(125)被分别转换为在NAT服务器(145)中使用的全球地址和端口，该移动主机的数据包结合包含在移动主机(199)中使用的至少一个地址和一个端口的数据。从本地代(125)发送该数据包用于修改，以使该数据包能够路由至本地主机(199)。该数据包与NAT服务器(145)相兼容。

Description

基于移动性管理的网络地址转换

技术领域

本发明通常涉及移动性管理，尤其是涉及基于其各自的网络地址访问的资源移动性管理的网络地址转换(NAT)。

背景技术

移动网际协议(IP)是一种用于经由因特网传送信息的基于移动标准；参见在 http：//www.faqs.org/rfcs/rfc2794.html上2000年9月的“Mobile IP Network Access Identifier Extension for IPv4”。移动IP具有的一个问题是它需要可以在全球获取的移动资源地址，诸如移动转交地址(care-of-address)。由于大多数网络使用网络地址转换(NAT)，因此这是非常困难的，网络地址转换(NAT)分配用于多个移动装置使用的IP地址，这些移动装置通常通过对应于指定IP地址的单一访问点进行通信。移动IP的另一个问题是协议开销非常高，尤其是对小数据包来说，这是由于移动IP使用隧道过程来传送数据。普通的隧道技术包括例如IP-in-IP或IP-in-用户数据报协议(UDP)-in-IP。

关于上面叙述的第一个问题，已经建议使用UDP绕过(workaround)NAT，也就是使用UDP数据包从本地代理(home agent)隧道IP数据包。也就是说，移动终端(MT)首先使用UDP向其本地代理进行注册，建立在对应的外部网络NAT服务器中的映射。这种方法需要大量用于操作的协议开销。而且，MT必须通过不断的向该MT的本地代理发送注册消息来保持UDP映射在外部NAT服务器中的有效。

因此，期望具有一种能够克服上述现有技术问题的移动性管理的方法和系统，这将是非常有利的。

发明内容

本发明公开了一种在具有NAT服务器和本地代理的通信结构中支持移动主机的方法和设备。该NAT服务器对应于关于移动主机和本地代理的外部网络。在移动主机的数据包中，本地代理将移动主机中与网际协议兼容的地址和NAT服务器中的端口中的至少一个分别转换为NAT服务器中的全球地址和NAT服务器中的端口。该数据包从本地代理被发送至NAT服务器，用于修改NAT服务器中的地址(全球)和NAT服务器中的端口中的至少一个，以使数据包能够被路由到移动主机。

本发明的这些和其他方面、特征和优点将从下文结合附图详细叙述的优选实施例中变得更加明显。

附图说明

图1是描述依据本发明示例性实施例的通信结构100的功能图；

图2是依据本发明示例性实施例的流程图，示出了一种在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法。

图3是依据本发明另一个示例性实施例的流程图，示出了一种在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法；以及

图4是依据本发明再一个示例性实施例的流程图，示出了一种在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法。

具体实施方式

本发明是针对一种以基于IP移动装置的管理为基础的网络地址转换(NAT)的方法和系统。由于存在对唯一基于IPv4地址的总量的限制，就使用NAT服务器来解决IPv4地址空间缺乏的问题。这种限制也产生了对各种网际协议的许多问题。本发明通过使用对基于因特网移动性支持的NAT，利用现有的基于NAT的结构，这与绕过(workaround)NAT的方式相反。

可以理解本发明能够采用硬件、软件、固件、专用处理器或其组合的形式来实现。优选地，采用硬件和软件的组合形式实现本发明。而且，软件更适宜采用在程序存储装置中被有形包含的应用程序的形式来实现。应用程序可以被加载到包含任何适合结构的机器中，并且可以通过包含任何适合结构的机器来执行。优选的，该机器是实施在具有硬件的计算机平台上，该硬件诸如是一个或多个中央处理单元(CPU)、随机访问存储器(RAM)和输入/输出(I/O)接口。计算机平台还包括操作系统和微指令代码。本文叙述的各种处理和功能可以是经由操作系统运行的微指令代码部分或应用程序部分(或者其组合)。此外，各种其它的外围设备也可以连接到计算机平台，诸如附加的数据存储装置和打印装置。

可以进一步的认识到，由于在附图中叙述的一些构成系统部件和方法步骤更适宜以软件的方式实施，因此在系统部件(或处理步骤)之间的实际连接可能不同，这取决于本发明的设计方式。根据本发明的原理，相关技术领域的普通技术人员将能够设想到本发明的这些和类似的实施或配置。

图1是描述依据本发明示例性实施例的通信结构100的功能图。通信结构100包括本地代理125、移动主机199和网络地址转换(NAT)服务器145(本文也称为“父NAT服务器”145)。本地代理125属于第一网络120，NAT服务器145属于外部网络140。外部网络140还包括子网络190，子网络190依次包括子网络NAT服务器195(本文也称为“子NAT服务器”195)，后者将在下文关于图4的进一步叙述中进行说明。

在本发明的这个实施例中，本地代理125、移动主机199、NAT服务器145和子网络NAT服务器195各自包含发射机181和接收机182。可以意识到通信结构100的部件并不局限于前述的通信装置，因此在保持本发明的精神和范围的同时所有类型的通信装置都可以应用于本发明。本地代理125、NAT服务器145和子网络NAT服务器195各自包括转换器183。NAT服务器145和子网络NAT服务器195各自包括映射产生器184。

移动主机199可以是但并不局限于移动电话、个人数字助理(PDA)、膝上型计算机或使用无线接口传送信息的所有类型装置。可以意识到移动主机199也可以是能够经由有线连接进行通信的所有类型的移动装置。例如，移动装置在连接到网络的同时将保持固定，完成其与该网络的通信，然后被携带到另一个位置，在该位置中重复的执行连接和断开操作，以便与相同或不同网络进行通信，即该移动装置是能够对接到通信网络的PDA。

本地代理125可以是在能够运行软件的网络中所获得的所有类型装置。因而，本地代理125可以是但不局限于服务器、计算机、移动装置接收机等等。

第一网络120和外部网络140可以是任何组合的网络，这些网络包括无线网络(例如，无线局域网，第三代(3G)通用移动电信系统(UMTS)，基于GSM网络，基于GPRS网络，例如双绞线、以太网、PSTN等的有线网。

尽管显示了将基于RF的信号101作为在第一网络120和外部网络140之间的通信媒介，但是可以使用所有类型的通信媒介或构造。通信媒介还可以包括在装置之间的有线和无线部件。通信媒介的需要是取决于所联网的网络和装置的类型。在下文的示例性实施例中，用户注册消息、地址转换消息和用户数据消息都是以数据包的形式无线地在第一网络120和外部网络140之间交换的消息类型。然而，本发明并不仅仅局限于这些类型的消息，根据本发明也可以使用应用其它接口装置(有线或无线)的其它类型的消息，这对于相关领域的普通技术人员来说是可以很容易确定的。

下面本示例性实施例将介绍端口的使用。可以意识到能够使用所有类型的端口来实现本发明，这包括但并不局限于用于应用程序的端口，诸如文件传输协议(FTP)、超文本传输协议(HTTP)，简单邮件传送协议(SMTP)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)、用户数据报协议(UDP)和分组数据会聚协议(PDCP)，在分组数据会聚协议(PDCP)中，客户经过端口捆绑到主机。还可以意识到依据本发明可以应用所有范围的端口。在本发明的优选实施例中，可以使用从1000到2000的任何一个端口，每个端口可以由客户来使用以实现与主机捆绑的目的，然而，也可以使用更多或更少的端口，这取决于对使用本发明原理的装置的需要。

可以意识到本发明并不局限于如图1实际显示的通信结构，因此，相关领域的普通技术人员能够很容易的设想到本发明可以使用其它的结构。也就是说，在给出本文提供的本发明教导的情况下，在保持本发明的精神和范围的同时，相关领域的普通技术人员将设想到用于本发明通信结构的这些和各种其他的变化和实施。

可以意识到本文交替的使用了短语“移动终端”和“移动主机”。而且，作为本文中的应用，“G”代表由NAT服务器145保留的用于移动性管理的全球地址，“H”代表移动主机199的本地地址，“P”和“P’”代表端口。

NAT服务器145保留一个用于移动性管理的全球地址G。通过使用全球地址G和NAT服务器145的不同端口号来映射所有的移动用户数据报协议(UDP)数据包和传输控制协议(TCP)数据包。

现有技术面临的一个问题是为移动主机199映射正在进行会话(ongoing session)的方法，这是由于通信的端口数量都已经固定，这与NAT背后的原理相反。解决这个问题的关键是使用本地代理125而不是使用IP隧道，这是由于本地代理125能够执行地址转换。为了促进本地代理125的地址转换，移动主机199中的开启端口(open port)需要为NAT服务器145所知。该开启端口被映射为NAT服务器145外部接口中的端口，借此将映射的端口通知本地代理125。

图2是依据本发明示例性实施例的流程图，示出了在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法。图2的方法对应在移动主机199向使用NAT的外部网络140中移动，并且移动主机199可以由外部网络140的NAT服务器145直接获取的情况。

移动主机199采用移动主机199的本地地址H作为源地址(步骤205)，发送注册数据包至(移动主机199的)本地代理125。除了正常的注册信息以外，该注册数据包还包括移动主机199中当前开启的端口P。

外部网络140中的NAT服务器145截取该注册数据包(步骤210)。对于注册数据包中每个开启的端口P，NAT服务器145选择在NAT服务器145中的映射端口P’，以使(G，P’)可以唯一的识别(H，P)(步骤215)。NAT服务器145注册该映射(G，P’)->(H，P)(步骤220)。然后，NAT服务器145将注册数据包与全球地址G和(P，P’)形式所有端口映射一起发送至本地代理125(步骤225)。NAT服务器145还记录下移动主机199的本地地址H已经经过了注册。

当移动主机199的本地代理125接收到来自移动主机199中端口P正在进行会话的数据包时，本地代理125查询映射表，并将数据包中的目的地址/端口配对(port pair)从(H，P)改变为(G，P’)(步骤235)。然后，根据全球地址G将该数据包路由到外部网络140中的NAT服务器145(步骤240)。NAT服务器145检验其映射表，将目的地址/端口配对改变回(H，P)，并发送该数据包至移动主机199(步骤245)。

可以意识到图3和图4都使用了图2中显示的一些步骤，这些步骤对应移动主机注册的过程。这些步骤在图3和图4中没有被再现，以使每个附图中分别显示的本发明的独特方面能够得以突出。

图3是依据本发明另一个示例性实施例的流程图，它叙述了在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法。图3的方法对应于以下情况：在本地代理125接收到移动主机199的数据包时，数据包中的目的端口不具有本地代理125处的任何映射。这可能发生在以下的情况下，即当对应的主机(CH)或移动主机199启动新的会话时，该对应的主机(CH)或移动主机199在注册期间并没有发送任何当前开启的端口的情况(例如，为了后向兼容性，移动主机199可以是常规的移动IP主机)，或者在外部网络中开始会话的情况。在这种情况下，本地代理125直接询问外部网络140中的NAT服务器145来建立映射(步骤410)。由于本地代理125只具有在外部网络140中NAT服务器145上的移动地址G，NAT服务器145的映射建立就需要为了这个目的由NAT服务器145保留在全球地址G中的端口；这个端口在本文被表示为端口M。

这样，当本地代理125接收具有目的地址(H，P₂)的数据包并且不存在对P₂映射的端口时(步骤405)，本地代理125发送对映射(H，P₂)的请求至外部网络140中NAT服务器145的端口M处的全球地址G(步骤410)。NAT服务器145根据接收的这个请求，建立映射(G，P₂’)->(H，P₂)，并将该映射(G，P₂’)->(H，P₂)发送回本地代理125(步骤415)。然后，本地代理125可以将移动主机199的数据包中的目的地址/端口配对从(H，P₂)替换为(G，P₂’)(步骤425)。当NAT服务器145接收到该数据包时，该目的地址/端口配对被转换回(H，P₂)(步骤430)，以使该数据包可以随后被正确的路由到移动主机199。

图4是依据本发明再一个示例性实施例的流程图，示出了在无线通信结构中用于支持移动主机的网络地址/端口转换的方法。图4的方法对应下面的情况：当移动主机199向外部网络140(它使用NAT)中移动时，但是外部网络140的NAT服务器145不能直接到达移动主机199。移动主机199很可能将直接连接到子网络190，该子网络190是由NAT服务器145提供服务的网络部分(这里是外部网络140)。对于这个问题的一种解决办法是使用NAT的另一个体系，即子网络190也具有NAT服务器。在图4的实例中，外部网络140的NAT服务器145可以被认为是父服务器(下文将关于图4的实例交替的称为“NAT服务器”145或“父NAT服务器”145)，而子网络190的NAT服务器可以被认为是子服务器(在下文中被称为“子NAT服务器195”)。

子NAT服务器195采取类似于父NAT服务器145所使用的过程，除了子NAT服务器195是与父NAT服务器145进行通信而不是与移动主机199的本地代理125进行通信之外。子NAT服务器195还保持移动映射地址L，该地址对子NAT服务器195而言是本地的(步骤505)。当移动主机199发送注册数据包至本地代125时(步骤510)，子NAT服务器195截取该注册数据包(步骤515)。子NAT服务器195将移动主机199中每个正在进行会话的端口P映射成在映射地址L中(即在子NAT服务器195中)唯一的端口P’(步骤520)。在子NAT服务器195中注册映射(L，P’)->(H，P)(步骤525)。然后，子NAT服务器195将注册数据包与L和以(P，P’)形式映射的所有端口一起转发至父NAT服务器145(步骤530)。父NAT服务器145再次映射这些端口以使它们在外部地址G中是唯一的，即对于在地址L中的每个端口P’，产生映射(P’，P”)(步骤535)。父NAT服务器145注册该映射(G，P”)->(L，P”)，并将该注册数据包、全球地址G和以(P，P”)形式映射的端口发送至本地代理125(步骤545)。

当移动主机199的本地代理125接收到来自移动主机199中端口P的正在进行会话的数据包时，本地代理125检验它的映射表，并将数据包中的目的地址/端口配对从(H，P)改变为(G，P”)(步骤550)。然后根据全球地址G将该数据包从本地代理125路由到外部网络140中的NAT服务器145(步骤555)。NAT服务器145接收该数据包，检验映射表，改变目的地址/端口配对为(L，P’)，并发送该数据包到子NAT服务器195(步骤565)。当子NAT服务器195接收到该数据包时，将目的地址/端口配对改变为(H，P)并转发至移动主机199(步骤570)。

对于在外部网络140内部启动的移动会话将应用类似的过程。对于在外部网络140内部通过MH的CH启动的会话，由父NAT服务器145将来自移动主机199的本地代理125中对于映射的请求转发至子NAT服务器195。子NAT服务器195建立映射(L，P₂’)->(H，P₂)，并将映射通知给父NAT服务器145。父NAT服务器145随后建立映射(G，P₂’)->(L，P₂’)，并发送映射(G，P₂”)->(L，P₂)至本地代理125。

尽管本文已经参照附图叙述了示例性的实施例，但是可以理解本发明并不局限于这些严谨的实施例，在不脱离本发明精神和范围的情况下，相关领域的普通技术人员可以对本发明作出各种其他的改变和修改。所有这些改变和修改都意味着是包含在如后附的权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (32)

1、一种在具有本地代理的通信结构中支持移动主机(199)的方法，该移动主机能够与网络地址转换(NAT)服务器进行通信，该方法包括步骤：

通过本地代理(125)转换在移动主机(199)的数据包中的数据，这包括将移动主机中的地址和移动主机中的端口中的至少一个分别转换为在NAT服务器中使用的全球地址和端口；

从本地代理(125)发送该数据包用于修改，以使该数据包能够被路由到移动主机(199)，其中该数据包与NAT服务器相兼容。

2、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：在所述转换步骤之前，通过本地代理接收在NAT服务器中使用的全球地址。

3、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：通过本地代理接收在移动主机中当前开启的端口和在NAT服务器中使用的不同端口之间的映射。

4、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：通过本地代理接收注册数据包，该注册数据包用于将移动主机向本地代理进行注册，该注册数据包包括移动主机中的地址。

5、如权利要求1所述的方法，其中所述发送步骤发送数据包，用于将NAT服务器中使用的全球地址和端口中的至少一个分别转换回移动主机中的地址和端口。

6、如权利要求1所述的方法，还包括步骤：

当没有在本地代理的所有映射中指定移动主机中的特定端口时，从本地代理发送建立映射的请求，该映射包括移动主机中的特定端口；以及

接收在所述转换步骤中使用的映射。

7、一种在具有本地代理的通信结构中支持移动主机的设备，该移动主机能够与网络地址转换(NAT)服务器进行通信，该设备包括：

设置在本地代理(125)处的转换器，用于转换移动主机(199)数据包的数据，这包括将移动主机中的地址和端口中的至少一个分别转换为在NAT服务器中使用的全球地址和端口；

设置在在本地代理(125)处的发射机，用于发送转换的数据包，以使该数据包能够被路由至移动主机。

8、如权利要求7所述的设备，还包括设置在本地代理处的接收机，用于接收在NAT服务器中使用的全球地址。

9、如权利要求7所述的设备，还包括设置在本地代理处的接收机，用于接收在移动主机中当前开启的端口和在NAT服务器中使用的端口之间的映射。

10、如权利要求7所述的设备，还包括设置在本地代理处的接收机，用于接收注册数据包，该注册数据包用于将移动主机向本地代理进行注册，该注册数据包包括在移动主机中使用的地址。

11、如权利要求7所述的设备，其中设置在本地代理处的所述发送机发送数据包，用于将NAT服务器中使用的全球地址和端口中的至少一个分别转换回在移动主机中的地址和端口。

12、如权利要求7所述的设备，其中当在本地代理处的所有映射中没有指定移动主机中的特定端口时，在本地代理处设置的所述发射机发送建立映射的请求，该映射包括移动主机中的特定端口；所述设备还包括接收机，用于接收为所述转换器使用的映射。

13、一种能够使网络地址转换(NAT)服务器执行对移动主机的相关地址转换的方法，该移动主机对应具有本地代理的通信结构，该NAT服务器能够与移动主机进行通信，该方法包括步骤：

通过NAT服务器接收由移动主机使用的数据包，该数据包具有在移动主机中使用的地址和端口中的至少一个，该在移动主机中使用的地址和端口被分别转换为在NAT服务器中的全球地址和端口；以及

修改在NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个，以使该数据能够被路由至移动主机。

14、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：从NAT服务器中发送NAT服务器中的全球地址，该全球地址用于将移动主机中使用的地址和端口中的至少一个分别转换为NAT服务器中的全球地址和端口。

15、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：从NAT服务器中发送在主机中使用的当前开启端口和NAT服务器中的端口之间的映射。

16、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：从NAT服务器中发送注册数据包，该注册数据包用于将移动主机向本地代理进行注册，该注册数据包包括在移动主机中使用的地址。

17、如权利要求13所述的方法，其中所述修改步骤包括步骤：将NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个分别转换回移动主机中的地址和端口。

18、如权利要求13所述的方法，还包括步骤：当在本地代理的所有映射中没有指定移动主机中使用的特定端口时，NAT服务器接收建立映射的请求，该映射包括移动主机中的特定端口。

19、一种能够使子网络的网络地址转换(NAT)服务器执行对移动主机的相关地址转换的方法，该移动主机与本地代理相关联，该子网络NAT服务器对应于外部网络的子网络，该子网络NAT服务器能够与移动主机进行通信，该方法包括步骤：

由子网络NAT服务器(195)接收与移动主机相兼容的数据包，该数据包具有外部网络NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个，该外部网络NAT服务器中的全球地址和端口分别被修改为子网络NAT服务器(195)中的本地映射地址和端口；以及

通过子网络NAT服务器对数据包中的数据进行转换，这包括将子网络NAT服务器中的本地映射地址和端口中的至少一个分别转换为在移动主机中使用的地址和端口。

20、如权利要求19所述的方法，还包括步骤：在所述接收步骤之前，从子网络NAT服务器中转发子网络NAT服务器中的本地映射地址以及移动主机中使用的当前开启端口和子网络NAT服务器中的端口之间的映射。

21.如权利要求20所述的方法，还包括步骤：通过子网路NAT服务器建立在移动主机中使用的当前开启端口和子网络NAT服务器中的不同端口之间的映射。

22.如权利要求19所述的方法，还包括步骤：在所述转换步骤之后，从子网络NAT服务器中发送该数据包。

23.一种能够使网络地址转换(NAT)服务器执行对移动主机的相关地址转换的设备，该移动主机对应于具有本地代理的通信结构，该设备包括：

设置在NAT服务器处的接收机，用于接收移动主机的数据包，该数据包具有为移动主机使用的地址和端口中的至少一个，该移动主机的地址和端口被分别转换为NAT服务器中的全球地址和端口；以及

设置在NAT服务器处的转换器，用于转换NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个，以使该数据包能够被路由到移动主机。

24.如权利要求23所述的设备，还包括设置在NAT服务器处的发射机，用于发送NAT服务器中的全球地址，该全球地址用于将移动主机中的地址和端口中的至少一个分别转换为在NAT服务器中使用的全球地址和端口。

25.如权利要求23所述的设备，还包括设置在NAT服务器处的发射机，用于发送在移动主机中使用的当前开启端口和在NAT服务器中的不同端口之间的映射。

26.如权利要求23所述的设备，还包括设置在NAT服务器处的发射机，用于发送注册数据包，该注册数据包用于将移动主机向本地代理进行注册，该注册数据包包括移动主机中的地址。

27.如权利要求23所述的设备，其中所述转换器将NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个分别转换回为移动主机使用的地址和端口。

28.如权利要求23所述的设备，其中当在本地代理的所有映射中没有指定移动主机中的特定端口时，所述设置在NAT服务器处的接收器能够接收建立映射的请求，该映射包括为移动主机使用的特定端口。

29.一种能够使子网络的网络地址转换(NAT)服务器执行对移动主机的相关地址转换的设备，该移动主机与本地代理(125)相关联，该子网络NAT服务器(195)对应于外部网络的子网络，该外部网络具有外部网络NAT服务器，该子网络NAT服务器(195)能够与移动主机进行通信，该设备包括：

设置在子网络NAT服务器(195)处的接收机(182)，用于接收包含具有外部网络NAT服务器中的全球地址和端口中的至少一个数据的数据包，该外部网络NAT服务器中的全球地址和端口被分别修改为在子网络NAT服务器中使用的本地映射地址和端口；

设置在子网络NAT服务器处的转换器(183)，用于将数据包中用于子网络NAT服务器本地映射地址和端口中的至少一个分别转换为移动主机中的地址和端口。

30.如权利要求29所述的设备，还包括设置在子网络NAT服务器处的发射机，用于发送子网络NAT服务器中的本地映射地址以及在移动主机中的当前开启端口和子网络NAT服务器中的不同端口之间的映射。

31.如权利要求30所述的设备，还包括设置在子网络NAT服务器处的映射产生器，用于产生在为移动主机使用的当前开启端口和子网路NAT服务器中的不同端口之间的映射。

32.如权利要求29所述的设备，还包括设置在子网络NAT服务器处的发射机，用于发送数据包。

Images