TWI527407B

TWI527407B - 會談感知的網路位址轉換穿透方法

Info

Publication number: TWI527407B
Application number: TW103110106A
Authority: TW
Inventors: 曾建超; 王明宏; 林家樑
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2014-03-18
Filing date: 2014-03-18
Publication date: 2016-03-21
Also published as: CN104092789B; CN104092789A; US20150271135A1; TW201537917A

Description

會談感知的網路位址轉換穿透方法

本發明係有關一種網路傳輸技術，特別是指一種會談感知的網路位址轉換穿透方法。

在電腦網路中，網路位址轉換(Network Address Translation)是一種在IP封包通過路由器或防火牆時重寫來源IP位址或/和目的地IP位址的技術，這種技術被普遍使用在有多台主機但只通過一個公有IP位址訪問網際網路的私有網路中，而具有網路位址轉換技術之路由器稱做網路位址轉換器(Network Address Translation router,NAT router)。

在現有網際網路環境中，當兩端點分別位於不同網路位址轉換器的私有網域時，兩端點欲進行通訊之前，需先進行網路位址轉換器之穿透，又稱NAT穿透；首先，端點各自透過STUN伺服器(Session Traversal Utilities for NAT Server)取得自己在網路位址轉換器上開啟的映射位址(mapped address)；其次，兩端點透過一信令伺服器(signaling server)交換彼此的映射位址；其三，兩端點分別使用前一個步驟取得的映射位址作為目的地位址傳送封包給對方，當端點收到來自對方的封包之後，表示NAT穿透程序已完成，雙方可順利進行通訊。然而，假設第一主機12和第二主機14通訊的過程中，第二主機14移動到另一個網路位址轉換器的私有網域，由於第二主機14的映射位址改變了，若第一主機12所在的網路位址轉換器不是完全圓錐形之網路位址轉換器(full-cone NAT router)，則該網路位址轉換器不會允許來自第二主機14的封包通過，因此兩端點欲恢復通訊之前，必須重做NAT穿透。

由於現有的網路位址轉換器的過濾行為(filtering behavior)是基於外部裝置的IP位址和連接埠，導致第二主機14在移動換手(handoff)和IP位址改變之後，就必須重做NAT穿透。請參考第1圖，假設端點第一主機12位於NAT X後方之私有網域10a，第二主機14位於NAT Y後方之私有網域10b，STUN伺服器16和信令伺服器18位於公眾網域(即網際網路)，第一主機12的IP為IPa並開啟連接埠Pa，NAT X的公眾IP為IPx，第一主機12的IPa.Pa相對應的映射位址為IPx.Px，第二主機14的IP為IPb並開啟連接埠Pb，NATY的公眾IP為IPy，第二主機14的IPb.Pb相對應的映射位址為IPy.Py。第一主機12和第二主機14欲進行通訊前需先進行NAT穿透，如上述三個步驟。若在通訊過程中，第二主機14移到了NAT Z的私有網域10c中，第二主機14將使用新取得的IPb’與連接埠Pb’與第一主機12恢復通訊。兩端點恢復通訊之前，必須重做NAT穿透，假設NAT Z的IP為IPz，第二主機14的IPb’.Pb’相對應的映射位址為IPz.Pz，首先第二主機14從IPb’.Pb’向STUN伺服器16送出一響應請求(echo request)封包，該響應請求封包通過NAT Z時，NAT Z會產生IPz.Pz的映射位址；接著STUN伺服器16收到響應請求封包後會將NATZ產生的映射位址IPz.Pz放在響應回覆(echo response)封包中並送回給第二主機14；第二主機14會透過信令伺服器18將映射位址IPz.Pz送至第一主機12，第一主機12亦將映射位址IPx.Px透過信令伺服器18送至第二主機 14；最後，第一主機12透過映射位址IPz.Pz將封包送至第二主機14；第二主機14透過映射位址IPx.Px將封包送至第一主機12。等於將上述NAT穿透的三個步驟重做一遍，此舉造成較長的換手延遲(handoff latency)。

有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，其利用在首次進行NAT穿透時，移動端主機對固定端的網路位址轉換器進行註冊，使得固定端的網路位址轉換器中建立會談記錄及產生會談識別碼。當移動端主機移動到另一私有網域時，可藉由先前取得的會談識別碼重新向固定端的網路位址轉換器註冊並且與固定端主機恢復通訊，不需重新進行NAT穿透，可降低換手後恢復通訊的延遲時間。

本發明之另一目的在提供一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，其係讓固定端之網路位址轉換器替固定端主機與外部的移動端主機之間的通訊建立會談記錄的機制，讓固定端的網路位址轉換器知道移動端主機移動前和移動後的兩次通訊屬於同一個會談，便可允許封包通過。

本發明之再一目的在提供一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，其係讓移動端主機向固定端的網路位址轉換器發出具有會談識別碼的註冊請求訊息，固定端之網路位址轉換器收到後會將移動端主機的新映射位址記錄在對應此會談識別碼的會談記錄中，並將此新映射位址附加在註冊回覆訊息中傳給移動端主機，使移動端主機不必透過STUN伺服器便可得知換手後的新映射位址，並同時與固定端主機恢復通訊。

為達上述之目的，本發明提供一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，其係應用於一第一主機及一第二主機之間的網路通訊，第一主機及第二主機分別設於一第一網路位址轉換器和一第二網路位址轉換器之下，穿透方法包括下列步驟：初次進行通訊時，第一、第二主機分別取得一第一映射位址及一第二映射位址，互相交換對方之第二映射位址及該第一映射位址後，使第一、第二主機完成連線並可進行通訊；第二主機向第一網路位址轉換器發送一註冊請求訊息；以及第一網路位址轉換器基於註冊請求訊息產生一會談記錄，並產生唯一之一會談識別碼(session ID)，將包含會談識別碼與第二映射位址之一註冊回覆訊息發送給第二主機。之後，第二主機移動換手至第三網路位址轉換器之下，不需要重作NAT穿透，只需要向第一網路位址轉換器重新送出包含該會談識別碼之註冊請求訊息，第一網路位址轉換器收到後會將第二主機的第三映射位址記錄在對應此會談識別碼的會談記錄中，並將第三映射位址附加在註冊回覆訊息中傳給第二主機。完成上述步驟之後，第一與第二主機便可利用彼此的映射位址恢復通訊。

10a、10b、10c‧‧‧私有網域

12‧‧‧第一主機

14‧‧‧第二主機

16‧‧‧STUN伺服器

18‧‧‧信令伺服器

第1圖為網路系統之架構示意圖。

第2圖為二主機透過STUN伺服器取得映射位址之示意圖。

第3圖為二主機交換映射位址及打洞之示意圖。

第4圖為移動端移動到另一私有網域之示意圖。

本發明是一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，請參考第1圖為網路系統之架構示意圖，包含一第一主機12、一第二主機14、一第一網路位址轉換器X(NATX)、一第二網路位址轉換器Y、一第三網路位址轉換器Z、至少一STUN伺服器(Session Traversal Utilities for NAT Server)16及至少一信令伺服器(signaling server)18，其中第一主機12及第二主機14分別在第一網路位址轉換器X及第二網路位址轉換器Y後方的私有網域10a和10b中，STUN伺服器16及信令伺服器18位於公眾網路，亦即網際網路中。

由於第一主機12及第二主機14位於不同的網路位址轉換器後方，因此二者在進行通訊之前必須執行NAT穿透，若第二主機14一開始在第二網路位址轉換器Y的私有網域10b，但一段時間後要移動到第三網路位址轉換器Z的私有網域10c，則需要重新建立第一主機12和第二主機14之間的通訊。請同時參考第2圖，第一主機12及第二主機14擁有在私有網域10a、10b上的私有IP位址，但並沒有可對外的公眾IP位址，因此必須要先取得各自在第一網路位址轉換器X及第二網路位址轉換器Y上開啟的映射位址，亦即IP位址及連接埠。第一主機12從私有網域10a的位址IPa.Pa送出一響應請求訊息，經過第一網路位址轉換器X到達STUN伺服器16，第一網路位址轉換器X會針對IPa.Pa產生對應的映射位址IPx.Px，當STUN伺服器16收到響應請求訊息後，會將觀察到的第一主機12在第一網路位址轉換器X上的映射位址IPx.Px附加在響應回覆訊息中回傳給第一主機12，當第一主機12收到響應回覆訊息後，即可得知自己在第一網路位址轉換器X所產生之映射位址為IPx.Px。同理，第二主機14從私有網域10b的位址IPb.Pb送出一響應請求，經過第二網路位址轉換器Y到達STUN伺服器16，將觀察到的IPy.Py附加在響應回覆訊息中回傳給第二主機14，當第二主機14收到響應回覆訊息後，可得知自己在第二網路位址轉換器Y所產生之映射位址為IPy.Py。

特別的是，第一主機12與第二主機14可以分別使用兩台不同的STUN伺服器16取得自己的映射位址。STUN伺服器16可為很多台支援STUN協定的主機所構成的一群伺服器。

上述僅為取得映射位址的一種作法，除此之外，若網路位址轉換器有支援IGD協定(Internet Gateway Device Protocol)，第一、第二主機亦可利用IGD協定向網路位址轉換器取得映射位址，而不需透過STUN伺服器取得。

接著請參考第3圖，第一主機12及第二主機14利用信令伺服器18交換彼此的映射位址，第一主機12及第二主機14分別將帶有第一映射位址IPx.Px及第二映射位址IPy.Py之一邀請訊息送至信令伺服器18，信令伺服器18收到該訊息會分別轉送給第二主機14及第一主機12；當第一主機12及第二主機14收到之後，同樣透過信令伺服器18傳送一確認訊息至第一主機12及第二主機14。如此一來，第一主機12及第二主機14即可得知對方的映射位址。

其中，信令伺服器18同樣可為一群主機。

接著，第一主機12及第二主機14利用所取得的對方的映射位址進行打洞(hole punching)，二者重複傳送封包到對方的映射位址IPy.Py及IPx.Px，直到接收到對方傳來的封包即完成打洞流程。

當NAT穿透完成後，於本發明中之第二主機14會傳送一註冊請求訊息給第一網路位址轉換器X，第一網路位址轉換器X會產生一會談記錄，並且替此會談產生唯一的會談識別碼，會談記錄中更包括一傳輸層協定，最後傳送包含會談識別碼的註冊回覆訊息給第二主機14。在此實施例中第一主機12為固定端，第二主機14為移動端，故由移動端向固定端NAT路由器發出註冊請求的訊息。

若通訊的過程中，移動端主機移動到不同NAT路由器的私有網域之後，移動端主機會向固定端NAT路由器重新送出包含會談識別碼的註冊請求訊息，固定端NAT路由器觀察註冊請求訊息之來源IP位址與連接埠即可得知移動端主機之新的映射位址，固定端NAT路由器，即第一網路位址轉換器X除了將新的映射位址加入該會談識別碼所對應之會談記錄外，亦傳送一註冊回覆訊息給移動端主機，使移動端主機得知其換手後的新映射位址。請參考第4圖，以第4圖為例，假設通訊過程中，第二主機14從第二網路位址轉換器Y的私有網域10b移動至第三網路位址轉換器Z的私有網域10c，第二主機14取得一新的網路位址IPb’後，第二主機14會先對第一網路位址轉換器X重新註冊換手後新的映射位址。首先，第二主機14利用新的網路位址IPb’與連接埠Pb’傳送帶有會談識別碼的註冊請求訊息給固定端的第一網路位址轉換器X，該訊息經過第三網路位址轉換器Z時，第三網路位址轉換器Z會替該會談連線產生一新的映射位址IPz.Pz；第一網路位址轉換器X收到後，會利用會談識別碼找到之前註冊過的會談記錄，並且將第二主機14新的映射位址IPz.Pz加入會談記錄中，同時亦更新該會談之過濾規則(filtering rule)，使得第一網路位址轉換器X允許來自映射位址IPz.Pz的封包傳送至映射位址IPx.Px；最後，第一網路位址轉換器X將第二主機14的新映射位址IPz.Pz附加在註冊回覆訊息中傳送至第二主機14，第二主機14收到後即可得知自己換手後在第三網路位址轉換器Z上的映射位址為IPz.Pz。完成上述步驟之後，第一網路位址轉換器X將允許來自IPz.Pz的封包經由IPx.Px傳送給第一主機12，因此第一主機12和第二主機14即可恢復通訊。

本發明所提出之穿透並恢復連線的方法除了可適用於第二主機從一網路位址轉換器下的私有網域移動至另一個網路位址轉換器下的私有網域的情況外，亦適用於第二主機從一公眾網域移動至一網路位址轉換器下之私有網域的情況、第二主機從一網路位址轉換器下之私有網域移動至一公眾網域的情況、及第二主機從一公眾網域移動至另一公眾網域的情況。不論第二主機的移動是上述哪一種情況，由於映射位址改變，故第二主機的IP位址會隨之改變，而新的IP位址可能是公果IP或私有IP位址，端看第二主機是移動到公眾網域或私有網域。

綜上所述，本發明提供之會談感知的網路位址轉換穿透方法係為一種會談感知(session aware)的NAT穿透方法，使移動端主機移動換手至另一網域時，只需與固定端的網路位址轉換器交換訊息，移動端主機就能利用換手後新的映射位址傳遞封包給固定端，而不需重做NAT穿透。因此，本發明可避免因移動端主機的換手行為而導致的NAT穿透程序，亦可減少換手後恢復通訊的延遲時間。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10a、10b、10c‧‧‧私有網域

12‧‧‧第一主機

14‧‧‧第二主機

Claims

一種會談感知的網路位址轉換穿透方法，其應用於一第一主機及一第二主機之間的網路通訊，該第一主機位於一第一網路位址轉換器所形成之私有網域，該第二主機可位於公眾網域或一第二網路位址轉換器所形成之另一私有網域，該穿透方法包括下列步驟：於該第一主機及該第二主機之間建立一會談時，該第一、第二主機各自取得一第一映射位址與一第二映射位址，互相交換並取得對方之該第二映射位址及該第一映射位址後，使該第一、第二主機利用該第二、第一映射位址交換訊息並可進行通訊；該第二主機向該第一網路位址轉換器發送一註冊請求訊息；該第一網路位址轉換器基於該註冊請求訊息產生一會談記錄，並產生唯一之一會談識別碼(session ID)，將包含該會談識別碼之一註冊回覆訊息發送給該第二主機；以及該第二主機重新取得一IP位址與一連接埠為一第三映射位址後，該第一主機及該第二主機恢復先前已註冊的會談之方法，包括下列步驟：該第二主機發送包含該會談識別碼之一新註冊請求訊息給該第一網路位址轉換器；該第一網路位址轉換器將該新註冊請求訊息之該第三映射位址加入該會談記錄中，並將該會談識別碼及該第三映射位址附加至一新註冊回覆訊息並發送給該第二主機；以及該第二主機取得該第三映射位址，並與該第一主機恢復通訊。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一映射位址包括該第一網路位址轉換器之一IP位址及一連接埠。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第二主機若位於公眾網域，則該第二映射為本地端IP位址及一連接埠；該第二主機若位於第二網路位址轉換器所形成之私有網域，則該第二映射位址包括該第二網路位址轉換器之一IP位址及一連接埠。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一映射位址係由該第一網路位址轉換器所產生，若該第二主機位於公眾網域，則該第二映射位址係由第二主機所產生；若該第二主機位於第二網路位址轉換器所形成之私有網域，則該第二映射位址係由該第二網路位址轉換器所產生。
如請求項4所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一主機及該第二主機分別送出一響應請求訊息至網際網路中之第一類伺服器，且該響應請求訊息中分別包括該第一、第二映射位址，該第一類伺服器再將該第一、第二映射位址附加在一響應回覆訊息中，分別傳送至該第一主機及該第二主機，使該第一、第二主機取得各自之該第一、第二映射位址。
如請求項5所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一類伺服器為至少一STUN伺服器(Session Traversal Utilities for NAT Server)。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一、第二網路位址轉換器有支援IGD協定(Internet Gateway Device Protocol)，該第一、第二主機係利用IGD協定分別向第一、第二網路位址轉換器取得該第一、第二映射位址。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一、第二主機係透過網際網路中之至少一第二類伺服器交換該第一、第二主機之該第一、第二映射位址。
如請求項8所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第二類伺服器為至少一信令伺服器(signaling server)。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一網路位址轉換器所建立之該會談記錄包括該會談識別碼、該第一映射位址及該第二映射位址。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一網路位址轉換器所建立之該會談記錄更包括一傳輸層協定。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該註冊回覆訊息包括該會談識別碼及該第二主機之該第二映射位址。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一網路位址轉換器將該第三映射位址加入該會談記錄中之步驟，係基於該新註冊請求訊息更新先前註冊過的該會談之該會談記錄以及一過濾規則(filtering rule)。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第二主機重新取得一IP位址與一連接埠為該第三映射位址後，若該第二主機位於公眾網域，則該第三映射為本地端IP位址及一連接埠；若該第二主機位於該第三網路位址轉換器所形成之私有網域，則該第三映射位址包括該第三網路位址轉換器之該IP位址及該連接埠。
如請求項1所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第二主機若位於公眾網域則該第三映射位址係由該第二主機所產生；若該第二主機位於該第三網路位址轉換器所形成之私有網域，該第三映射位址係由該第三網路位址轉換器所產生。
如請求項13所述之會談感知的網路位址轉換穿透方法，其中該第一網路位址轉換器係根據該新註冊請求訊息中的該會談識別碼查詢該會談記錄；若找到該會談記錄，表示欲恢復通訊之該會談為先前註冊過之會談，則更新該會談記錄，將該會談記錄之該第二映射位址更新為該第三映射位址；同時亦根據該會談記錄更新該會談之該過濾規則，使得該第一網路位址轉換器允許來自該第三映射位址的訊息傳送至該第一映射位址。