TWI558141B - A lightweight real - time active call method and module for passive communication protocols - Google Patents

Description

適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組

一種適用於被動式通訊協定下，輕量、可靠的(無視NAT的種類)、穩定的(不受終端設備的使用行為所影響)穿透方式，讓外部伺服器能夠主動的進行內部設備輕量呼叫的架構與方式，並利用環境內的代理人間的智慧選舉機制，選舉出一台密探代理人，並與伺服器的長連線建置，來達成被動式通訊協定下，伺服器即時委任呼叫NAT環境下個設備的任務。

近年來，隨著Internet的快速成長，以及IPv6推廣的困難度仍高，因此各類NAT(網際網路網址轉換)環境的利用應運而生。在NAT機制的擴展之下，雖然解決了各終端設備的IP配發議題，它提供了內部虛擬位址、連接埠與外部實際位址、連接埠的轉換能力，使得各終端設備能夠連接存取Internet的服務資源。NAT解決客戶端上網議題的同時，卻造成了伺服器端至客戶端方向連線建立的困難。原因是伺服器只知道NAT主機對外的實際位址，但卻無法得知NAT環境下設備真實的識別或聯絡方式。

針對目前常見的NAT種類，有以下幾種：

(1)Full Cone NAT-設備(EQA)對外通訊時，會透過NAT的某個外部實際IP(IPA)與通訊埠(PortA)連外。任何外部的主機，只要對該NAT外部的IP位址(IPA)與通訊埠(PottA)傳送封包，該封包就會被轉送至 主機EQA。

(2)Address Restricted Cone NAT-設備(EQA)對外通訊時，會透過NAT的某個外部實際IP(IPA)與通訊埠(PortA)連外。只有設備EQA對外聯繫過的外部主機(IP位址：EXIP1、Port任意)傳送到NAT外部的IP位址(IPB)與通訊埠(PortB)傳送封包，該封包才會被轉送至主機EQA。其他的外部主機傳送至NAT外部IP位址(IPA)與通訊埠(PortA)的封包都將被丟棄。

(3)Port Restricted Cone NAT-設備(EQA)對外通訊時，會透過NAT的某個外部實際IP(IPA)與通訊埠(PortA)連外。只有設備EQA對外聯繫過的外部主機與埠(IP位址：EXIP1、Port：EXPort1)傳送到NAT外部的IP位址(IPA)與通訊埠(PortA)傳送封包，該封包才會被轉送至主機EQA。其他的外部主機、或是EXIP1主機的其他通訊埠(非EXPort1)傳送至NAT外部IP位址(IPA)與通訊埠(PortA)的封包都將被丟棄。

(4)Symmetric NAT-設備(EQA)對外通訊時，針對不同的服務目標，在NAT上都會配置不同的外部IP位址(IPA、IPB…)。在Port Restricted Cone NAT的前提下，對外聯繫過的外部主機與埠(IP位址：EXIP1、Port：EXPort1)也必須傳送至正確的外部IP位址(IPA、IPB…)，這個封包才會被進行轉送。

而針對上述的NAT種類，目前也有多項的研究(如STUN(NAT會話傳輸運用程式)、TURN…等)。以STUN而言，於NAT外部建立STUN Server 來作為NAT穿透的工具，但卻無法解決Symmetric NAT的穿透議題。以TURN來說，透過外部主機Relay的方式來進行資料的轉送，可以解決以上四種NAT的穿透，但過大的資料轉送流量卻不適合於實際的網路環境。針對資料傳輸內容的特性，又可以區分為控制信號以及資料內容。控制信號的特性就是資料量少，大多存在於連線的初期與末期。資料內容的特性就是資料量大，且生命週期存在於啟始信號與結束信號之間。

為了解決上述的問題，有多種解決思維。可以針對NAT的特性去進行拆解與通訊方式的研究，但隨著不同的NAT產品類型的開發，相同的困境將不斷的重複發生。

本案發明人鑑於上述習用方法所衍生的各項缺點，終於成功研發完成本件一種適用於被動式通訊協定下，伺服器端能夠主動呼叫設備端的輕量呼叫方式，一方面不受任何前端NAT類型的影響，另一方面可以有效且穩定的維持與特定區域網路間的通訊管道。

本發明提出一種適用於被動式通訊協定下，輕量、可靠的(無視NAT的種類)、穩定的(不受終端設備的使用行為所影響)穿透方式，讓外部伺服器能夠主動的進行內部設備輕量呼叫的架構與方式。為了解決NAT環境下穿透呼叫的議題，利用環境內的代理人間的智慧選舉機制，選舉出一台密探代理人，並與伺服器的長連線建置，來達成被動式通訊協定下，伺服器即時委任呼叫NAT環境下個設備的任務。

達成上述發明目的之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組，其中步驟包含：

1.設備開機時會先偵測其是否位於NAT的環境。若位於非NAT環境下，不進行任何行為；若位於NAT環境下，則進行後續的檢查。

2.設備偵測在區域網路下是否有此專利機制指標訊號的廣播封包。若有，則回報本身設備的設備ID與區域網路IP給該區域網路下的密探代理人；若無，則與其他設備進行遴選機制，選擇出一台密探代理人。

3.密探代理人與被動式通訊協定伺服器建立一長連線

4.密探代理人回傳該區域網路下設備ID與區域網路IP的對應資訊

5.當伺服器需要聯繫NAT環境下的設備時，透過上述長連線傳送要被呼叫的設備CPE ID，由該密探代理人進行呼叫。

6.設備收到呼叫後，啟動既有的被動式報到作業。

NAT環境內的密探代理人主機，該主機可透過HTTP或是客製的TCP通訊埠建立一個長連線，以作為後續通訊之用。同時，在密探代理人上會收集並回傳區域網路環境內設備與虛擬位址的對應清單。待被動式通訊協定之網管主機要對設備進行呼叫時，透過與密探代理人之前建立的長連線，將要呼叫的設備資訊送至密探代理人，其中資訊包含該納管設備的設備ID。代理人在收到此訊息後，透過查詢可以得知設備的位址，再針對設備進行委任的呼叫。

如此可以有效避免不必要的大量長連線的建立，同時有效的針對各種NAT類型都能達到穿透呼叫的目的。

101‧‧‧設備裝機

102‧‧‧判斷設備是否位於NAT的環境下

103‧‧‧設備偵測內部網路中是否有密探代理人的指標訊號

104‧‧‧透過密探代理人遴選機制選出內部網路的密探代理人腳色

105‧‧‧密探代理人收集內部網路下的設備ID與IP位址的關係資訊

106‧‧‧網管伺服器收集及紀錄各內部網路密探代理人回報的設備關係資訊

107‧‧‧透過UI或是NBI介面，從伺服器端對設備進行呼叫

108‧‧‧判斷設備所屬網路環境是直接透通還是位於NAT環境內

109‧‧‧透過既有的傳輸機制對設備進行呼叫

110‧‧‧透過區域網路設備關係對應模組找出待呼叫設備使用的長連線

111‧‧‧透過長連線進行設備的呼叫

201‧‧‧被動式通訊協定網管伺服器

202‧‧‧網際網路網址轉換器(NAT)

203‧‧‧內部網路

204‧‧‧密探代理人(Spy Agent)

205‧‧‧納管設備(內嵌密探代理人104)

206‧‧‧網管路徑

207‧‧‧納管設備(待呼叫設備)

301‧‧‧設備環境判斷模組

302‧‧‧區域網路設備關係對應模組

303‧‧‧設備連線建立模組

304‧‧‧密探代理人遴選模組

305‧‧‧委任呼叫連線模組

401‧‧‧檢查「指標訊號」是否存在

402‧‧‧設備校時

403‧‧‧所有設備個別產生及廣一個亂數值

404‧‧‧接收亂數值並進行大小比較

405‧‧‧進入「密探代理人模式」，發送「指標訊號」

406‧‧‧檢查「指標訊號」是否存在

圖一 為該一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組流程示意圖；圖二 為本發明之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組架構示意圖；圖三 為該一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組的模組示意圖；圖四 為該一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組，設備端進行設備選舉時的設備內部流程與演算法示意圖；圖五 為該一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組，密探代理人發出的指標訊號格式。

請參閱圖一所示，為本發明之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組流程示意圖。於待納管設備裝機101時，設備會進行內部網路的密探代理人偵測，若沒有內部網路沒有密探代理人，則會透過密探代理人遴選模組204進行選擇這個角色。角色選擇出來後，會與被動式通訊協定網管伺服器201建立長連線，並回傳所收集到的NAT內設備資訊。

要建立紀錄各區域下的設備ID與位址對應關係105，該對應關係資訊為一筆長連線，可以查詢出0到多筆的設備ID，設備IP組合，每一個設備ID，只會對應到唯一的一筆長連線，或設備IP無法反查回設備的ID或是長連線，透過此關係，被動式通訊協定網管伺服器201才能將設備ID與 設備的位址進行正確的對應。被動式通訊協定網管伺服器201因應的維運需求，可以透過使用者介面或是NBI介面，對設備進行呼叫107。於被動式通訊協定下，針對NAT環境下的設備與非NAT環境下的設備，分別定義了不同的連線建立方式。惟NAT環境下，因不同的NAT技術，造成了穿透上的困難，因而有此專利的衍生。此專利在對設備進行呼叫時，被動式通訊協定網管伺服器201需判斷108設備是屬於直接透通的實體IP，還是網際網路網址轉換器202內的虛擬IP環境。如果設備是位於直接透通的真實IP位址網路環境，則可使用既有連線請求方式來對設備建立連線109；如果是位於NAT下的內部網路203，則必須透過上述區域網路設備關係對應模組302紀錄的對應資料，查詢到設備正確的位址，同時找出該針對該內部網路的預留長連線110，再透過該長連線進行設備的委任呼叫111。由密探代理人204呼叫待呼叫設備207，該設備即發送報到的訊息至網管系統，完成此委任呼叫的流程。

請參閱圖二所示，為實施本發明一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組架構示意圖，係包括：一被動式通訊協定網管伺服器201，係用以提供監控、管理與維護內部網路203下的被納管設備，實現追蹤、管理及處理故障等功能。

一網際網路轉址轉換器202，係用以作為外部網路206與內部網路203間的IP位址轉換作業。提供內部網路203環境下，納管設備207的IP配址能力。

一內建於設備205上的密探代理人204，係用以提供作為被動式通訊協定網管伺服器201呼叫時，內部網路的請求轉送代理單位。

一密探代理人遴選模組304，係用以於設備的內部網路203 內透過一自動選擇的機制，選出該內部網路下的密探代理人204，來與被動式通訊協定網管伺服器201建立委任呼叫時所需要的長連線。

請參閱圖三所示，為本發明之種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組於網管系統之模組示意圖。在被動式通訊協定網管伺服器201需要有設備環境判斷模組301，用來判斷納管設備207所屬的網路環境為何，是具有真實IP位址，還是內部虛擬IP位址。針對不同的位址類型，被動式通訊協定網管伺服器201會觸發不同的連線建立機制。在進行呼叫之前，被動式通訊協定網管伺服器201如何找到設備的位置？本發明透過區域網路設備關係對應模組302，進行記錄納管設備207的ID與所對應的內部位址。在得到納管設備207的正確位置之後，最後再透過設備連線建立模組303，針對不同的網路環境進行不同的連線建立及呼叫作業。在密探代理人204與被動式通訊協定網管伺服器201存在一長連線，透過此長連線，被動式通訊協定網管伺服器201可隨時透通傳送訊息至內部網路203的密探代理人204，再由密探代理人呼叫內部網路中正確的納管設備207。待呼叫的設備207在收到密探代理人204的觸發後，便啟動在被動式通訊協定中的報到機制，完成由被動式通訊協定網管伺服器201觸發呼叫的作業流程。

請參閱圖四所示，為本發明之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組設備端代理人的設備執行模式演算法。設備開機後，首先於該區域網路下檢查「指標訊號」是否存在401。如果有，則不進行模式的轉換；如果沒有，則進行設備校時402同步的作業。所有設備於校時的固定週期後，所有設備個別產生及廣播一個亂數值(0~32767)403。發送後，各設備開始接收亂數值並進行大小比較404所接收到的亂數值。如 果有數值比本機的值為大，則設備不進行模式的轉換；如果本機值最大，但亦有其他設備發送相同的值，則發送此值的設備重複進入校時的程序，重新發送亂數值，比出最後的唯一密探代理人身份；如果本機值最大，且沒有其他設備發送相同的值，則進入「密探代理人模式」，發送「指標訊號」405。進入密探代理人模式後，仍要避免因網路封包遺失所造成多位密探代理人的情境。因此需再一次檢查「指標訊號」是否存在406。如果不存在，則維持在「密探代理人模式」；如果存在，重複進入校時的步驟，重新發送亂數值，進行比對的流程，直到選擇出唯一的一台密探代理人後結束。

本發明之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組中密探代理人發出的指標訊號說明如下。指標訊號為該NAT下之廣播封包，在IPv4環境下封包的目的地址使用255.255.255.255，通訊協定採用UDP，埠號採用1031，封包內容為「CWMPSAGENT」，詳細封包內容請參考圖五。

本發明所提供之一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法與模組，與目前既有的NAT穿透方式或其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：

1.本發明利用密探代理人建立一長連線至被動式通訊協定伺服器，可以有效的節省網路與網管系統的資源。在沒有其他穿透技術下，伺服器若要與任意設備主動進行溝通，則所有設備皆必須與伺服器建立長連線。如此將嚴重浪費頻寬、增加NAT主機、網管系統的系統資源負擔。

2.本發明利用密探代理人建立一長連線至被動式通訊協定伺服器的 方法，可適用於各種NAT種類設備的穿透以及NAT種類更換所導致的無法穿透的情況。設備的呼叫皆透過密探代理人來執行，而伺服器至設備的通訊都委由密探代理人與伺服器間的長連線來觸發。因此無論前端NAT設備種類如何更換，內部密探代理人與外部伺服器間的連線仍可有效的保留。

3.本發明在一區域內設備上的密探代理人會進行智慧的選舉機制，當該區域下的長連線代理者消失(設備關機、設備當機、設備發生異常…等)，可透過指標訊號來查覺，並啟動選舉機制，決定下一台長連線的代理者。此運作方式符合家用終端設備的實際使用行為情境，達到連線備援的目的，使伺服器與區域網路內的聯繫有效且穩定的存在。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

201‧‧‧被動式通訊協定網管伺服器

202‧‧‧網際網路網址轉換器(NAT)

203‧‧‧內部網路

204‧‧‧密探代理人(Spy Agent)

205‧‧‧納管設備(內嵌密探代理人104)

206‧‧‧網管路徑

207‧‧‧納管設備(待呼叫設備)

Claims (9)

1. 一種適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其步驟包含：a.判斷設備所在的網路環境時，如果設備位於NAT後，則會試圖接收密探代理人於內部網路定時廣播發出的指標訊號；b.如果設備所在的NAT下，沒有收到密探代理人的指標訊號，則內部網路的設備透過密探代理人的遴選機制模組，選擇出一台設備作為密探代理人，以保護及避免內部網路上的設備因關機或是服務發生異常，而造成外部網管系統無法內連或多重代理人的情況；c.在接收到指標訊號後，傳送設備的ID與內部位址資訊給密探代理人；d.各NAT下的密探代理人分別與網管系統建立個別且唯一的長連線，且密探代理人定期透過長連線將內部網路中的設備ID與設備IP的資訊傳遞至網管系統伺服器，由網管系統伺服器針對該長連線、回傳的設備對應資訊進行記錄；e.當伺服器需要聯繫設備時，從伺服器端對設備進行呼叫，判斷設備所在的網路環境，進行不同的連線建立方式；f.若被呼叫設備位於NAT的環境下，伺服器端透過NAT環境下的密探代理人，進行被呼叫設備的委任呼叫；g.被呼叫設備接收密探代理人轉發的請求後，即可循被動式通訊協定機制至網管系統報到，並進行後續要求的即時查測行為。
2. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其 中該基本狀態偵測包含網路環境偵測、密探代理人偵測或密探代理模式的啟動。
3. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中該設備收到密探代理人的廣播訊息後，即可藉由解析得知該內部網路的密探代理人IP位址，再將設備本身的設備ID與設備IP對應關係傳送給密探代理人。
4. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中該密探代理人，會定時發送所收集到的設備ID與設備IP組合資訊至網管系統伺服器，網管系統伺服器會將長連線、與該長連線下內部網路的設備ID、設備IP的對應關係資訊進行記錄。
5. 如請求項3或4所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中該對應關係資訊為一筆長連線，可以查詢出0到多筆的設備ID、設備IP組合，每一個設備ID，只會對應到唯一的一筆長連線，或設備IP無法反查回設備的ID或是長連線。
6. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中該網管系統係利用設備ID透過區域網路設備關係對應模組找出唯一且正確的長連線。
7. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中當伺服器需要聯繫設備時，若被呼叫設備並非位於NAT環境下，則直接進行設備的溝通與呼叫。
8. 如請求項1所述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其 中步驟d執行方式如下：a.透過長連線，傳送被呼叫設備的設備ID與設備區域網路IP至該NAT下的密探代理人；b.密探代理人收到後，利用收到的區域網路IP，將此請求轉發至被呼叫設備。
9. 如請求項1述之適用於被動式通訊協定之輕量即時主動呼叫方法，其中接收密探代理人的指標訊號包括：a.檢查該區域網路下有是否指標訊號的存在，如果有，則不進行模式的轉換；如果沒有，則進行步驟b；b.設備間進行校時同步；c.設備於校時後的固定週期後，個別且同時的發送一個0~32767之間的整數亂數值；d.每一個設備接收並比對所接收到的亂數值，如果有數值比本機的值為大，則此設備不進行模式的轉換；如果本機值最大，但亦有其他設備發送相同的值，則發送此值的設備重複進行校時同步，並重新發送一個0~32767之間的整數亂數值；如果本機值最大，且沒有其他設備發送相同的值，則進入步驟e；e.進入密探代理人模式，並準備發送「指標訊號」；f.進入密探代理人模式之設備檢查非自身發送的指標訊號是否存在；如果不存在，則維持在密探代理人模式；如果存在，則關秘密探代理人模式，重複進入校時的步驟，重新發送亂數值，進行比對 的流程，直到選擇出唯一的一台密探代理人後結束。