一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法
【專利摘要】一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，利用地址分配服務(wù)器為終端用戶分配包括公網(wǎng)IPv4地址及端口段的地址參數(shù)，將所述地址參數(shù)與用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址進(jìn)行綁定并通知用戶上聯(lián)的網(wǎng)關(guān)；終端用戶與網(wǎng)關(guān)之間根據(jù)二層地址信息進(jìn)行通信，報文封裝使用各自網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，用戶記錄網(wǎng)關(guān)的下行接口的MAC地址，網(wǎng)關(guān)維護(hù)用戶IPv4地址、端口段及MAC地址的對應(yīng)信息，本發(fā)明達(dá)到公網(wǎng)地址共享的目的的同時，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，保持了網(wǎng)絡(luò)原有的端到端特性，能夠支持目前各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
【專利說明】—種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于互聯(lián)網(wǎng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]早在2011年IANA的公網(wǎng)IPv4地址就已分配完畢。據(jù)CNNIC(China InternetNetwork Informat1n Center,中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心)統(tǒng)計數(shù)據(jù),截至到2013年底,我國擁有的公網(wǎng)IPv4地址數(shù)量僅有3.3億個，而我國的網(wǎng)民數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了 6.18億，相比2012年網(wǎng)民數(shù)量增長了 3.7%。而近年來，我國的網(wǎng)民數(shù)量一直保持穩(wěn)定的增長勢頭。這將使本就捉襟見肘的公網(wǎng)IPv4地址資源更加緊張。
[0003]目前，國內(nèi)的運營商為了緩解地址資源緊缺的壓力，普遍采用NAT技術(shù)。該技術(shù)要求終端用戶使用IETF(Internet Engineering Task Force,互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)RFC1918中規(guī)定的三個網(wǎng)段中的私有地址。IP數(shù)據(jù)報文經(jīng)過上層網(wǎng)關(guān)時將私有IP數(shù)據(jù)報文加端口映射為公有地址加端口后訪問Internet，Internet回復(fù)的IP數(shù)據(jù)包傳輸至網(wǎng)關(guān)時，根據(jù)地址和端口的映射表將公有地址加端口映射為私有地址加端口，通過多個私網(wǎng)地址共同使用一個公網(wǎng)地址達(dá)到地址共享的目的。
[0004]NAT技術(shù)確實能夠一定程度上緩解IPv4地址不足的壓力，但是卻破壞了網(wǎng)絡(luò)原有的端到端特性，NAT內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)狀況對于公網(wǎng)是隱藏的，外部主機(jī)不能主動訪問私網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)。此外,NAT技術(shù)不能良好的支持一些現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如FTP協(xié)議等。同時大范圍的NAT會造成NAT設(shè)備的負(fù)載過大，可擴(kuò)展性差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，通過在為用戶設(shè)備分配地址參數(shù)的同時分配端口段信息，實現(xiàn)了 IPv4單棧網(wǎng)絡(luò)中的地址共享和公網(wǎng)地址復(fù)用，可有效緩解當(dāng)前各運營商所面臨的IPv4公網(wǎng)地址匱乏的壓力，服務(wù)器將用戶的IPv4地址、端口段及MAC (Media AccessControl，截至訪問控制層)地址進(jìn)行綁定，從而保證數(shù)據(jù)能夠到達(dá)正確的客戶端。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，利用地址分配服務(wù)器為終端用戶分配包括公網(wǎng)IPv4地址及端口段的地址參數(shù)，將所述地址參數(shù)與用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址進(jìn)行綁定并通知用戶上聯(lián)的網(wǎng)關(guān)；終端用戶與網(wǎng)關(guān)之間根據(jù)二層地址信息進(jìn)行通信，報文封裝使用各自網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，用戶記錄網(wǎng)關(guān)的下行接口的MAC地址，網(wǎng)關(guān)維護(hù)用戶IPv4地址、端口段及MAC地址的對應(yīng)信息。
[0008]在DHCP中，地址參數(shù)分配過程如下:
[0009]步驟(I)，用戶端接入網(wǎng)絡(luò)向DHCP服務(wù)器發(fā)起DHCPDISC0VER報文請求地址；
[0010]步驟⑵，DHCP服務(wù)器接收到用戶端發(fā)送的DHCPDISC0VER報文，并在地址池中選擇一個租約，包括公網(wǎng)IPv4地址及其對應(yīng)的端口段區(qū)間，一起添加到DHCPOFFER報文中回復(fù)；
[0011]步驟(3)，用戶端收到DHCPOFFER報文后，進(jìn)行解析，將其中的IPv4地址及端口段區(qū)間進(jìn)行配置，并向DHCP服務(wù)器發(fā)送DHCPREQUEST報文，將自己網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址作為client-1D添加到報文中；
[0012]步驟⑷，DHCP服務(wù)器接收到DHCPREQUEST報文后，回復(fù)DHCPACK報文，將用戶端的IPv4地址、端口段及MAC地址信息進(jìn)行綁定，并通知用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)；
[0013]數(shù)據(jù)交互過程如下:
[0014]步驟(I)，網(wǎng)關(guān)收到DHCP服務(wù)器發(fā)來的綁定信息后為用戶建立IPv4地址、端口段及MAC地址的映射表；
[0015]步驟(2)，當(dāng)用戶對外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起訪問時，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層封裝，其源地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為對應(yīng)網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址；
[0016]步驟(3)，所述用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解封裝，從而得到原始數(shù)據(jù)包，并根據(jù)包頭信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；
[0017]步驟(4)，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的端后，目的端進(jìn)行回復(fù)；回復(fù)的報文到達(dá)所述用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，其源地址為網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址；
[0018]步驟(5)，用戶收到數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行解封裝從而得到原始數(shù)據(jù)包。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過為終端用戶分配公網(wǎng)IPv4地址及端口段，將NAT功能下放至各個用戶側(cè)設(shè)備，達(dá)到公網(wǎng)地址共享的目的的同時，提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，保持了網(wǎng)絡(luò)原有的端到端特性，能夠支持目前各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本發(fā)明不僅能同NAT技術(shù)一樣實現(xiàn)公網(wǎng)IPv4地址資源的共享，緩解運營商地址資源壓力，同時，保證了網(wǎng)絡(luò)原有的端到端特性，能夠良好支持現(xiàn)有的各種協(xié)議，保證了網(wǎng)絡(luò)用戶的上網(wǎng)體驗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明應(yīng)用場景不意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明實施例中地址參數(shù)分配流程圖。
[0022]圖3是本發(fā)明實施例中數(shù)據(jù)交互流程圖。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，用戶端通過IPv4網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)接入IPv4互聯(lián)網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)中的地址分配服務(wù)器為終端用戶分配公網(wǎng)IPv4地址及端口段，達(dá)到IPv4網(wǎng)絡(luò)中公網(wǎng)地址共享的目的。其中主要包括地址參數(shù)分配與數(shù)據(jù)交互過程。
[0025]如圖2所示，在DHCP中，地址參數(shù)分配過程如下:
[0026]步驟(I)，用戶端接入網(wǎng)絡(luò)向DHCP服務(wù)器發(fā)起DHCPDISC0VER報文請求地址；
[0027]步驟⑵，DHCP服務(wù)器接收到用戶端發(fā)送的DHCPDISC0VER報文，并在地址池中選擇一個租約，包括公網(wǎng)IPv4地址及其對應(yīng)的端口段區(qū)間，一起添加到DHCPOFFER報文中回復(fù)；
[0028]步驟(3)，用戶端收到DHCPOFFER報文后，進(jìn)行解析，將其中的IPv4地址及端口段區(qū)間進(jìn)行配置，并向DHCP服務(wù)器發(fā)送DHCPREQUEST報文，將自己網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址作為client-1D添加到報文中；
[0029]步驟⑷，DHCP服務(wù)器接收到DHCPREQUEST報文后，回復(fù)DHCPACK報文，將用戶端的IPv4地址、端口段及MAC地址信息進(jìn)行綁定，并通知用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)。
[0030]如圖3所示，數(shù)據(jù)交互過程如下:
[0031]步驟(I)，網(wǎng)關(guān)收到DHCP服務(wù)器發(fā)來的綁定信息后為用戶建立IPv4地址、端口段及MAC地址的映射表；
[0032]步驟(2)，當(dāng)用戶對外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起訪問時，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層封裝，其源地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為對應(yīng)網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址；
[0033]步驟(3)，用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解封裝，從而得到原始數(shù)據(jù)包，并根據(jù)包頭信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；
[0034]步驟(4)，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的端后，目的端進(jìn)行回復(fù)；回復(fù)的報文到達(dá)用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，其源地址為網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址；
[0035]步驟(5)，用戶收到數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行解封裝從而得到原始數(shù)據(jù)包。
[0036]一個具體的共享公網(wǎng)地址方法如下:
[0037]地址參數(shù)配置具體實施過程如下:
[0038](I)用戶接入到IPv4網(wǎng)絡(luò)中，向服務(wù)器發(fā)出DHCPDISC0VER報文請求分配地址；
[0039](2)服務(wù)器收到請求后，查找一個空閑租約，如:1.2.3.4，端口區(qū)間為2048-4096，將其添加到DHCPOFFER報文中進(jìn)行回復(fù)；
[0040](3)用戶收到回復(fù)后，獲取其中的配置參數(shù)信息，進(jìn)行配置，同時將此配置信息添加到DHCPREQUEST報文中發(fā)送給服務(wù)器，該報文中同時攜帶了用戶的MAC地址，11:22:33:44:55:00 作為 client-1D ；
[0041](4)服務(wù)器收到后，回復(fù)DHCPACK報文，并將分配給用戶的IP地址、端口段及用戶的MAC地址三者進(jìn)行綁定后發(fā)送給用戶對應(yīng)網(wǎng)關(guān)。
[0042]用戶與外網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的具體實施過程如下:
[0043](I)網(wǎng)關(guān)收到服務(wù)器發(fā)送的用戶IP地址、端口段及用戶的MAC地址綁定信息，并將其添加到地址映射表中；
[0044](2)用戶發(fā)起數(shù)據(jù)通信請求時，請求報文的源地址為1.2.3.4，源端口為2049 (2048-4096端口段中的一個)，目的地址為目的端的IPv4地址，如:8.8.8.8，下一跳MAC地址為網(wǎng)關(guān)的MAC地址，如:00:11:22:33:44:55，該地址可以通過DHCP交互過程獲得，或通過ARP協(xié)議獲得；
[0045](3)網(wǎng)關(guān)收到用戶發(fā)出的請求報文后，進(jìn)行正常處理，根據(jù)報文目的地址8.8.8.8轉(zhuǎn)發(fā)該報文；
[0046](4)報文到達(dá)目的端后，目的端進(jìn)行回復(fù)，回復(fù)報文的目的地址為1.2.3.4，目的端口為2049 ；
[0047](5)網(wǎng)關(guān)收到8.8.8.8回復(fù)的報文后，根據(jù)該報文的目的地址及端口查看地址映射表，從而獲得該報文對應(yīng)用戶的MAC地址，并將其作為報文的下一跳MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；
[0048](6)用戶收到回復(fù)報文，通信結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，其特征在于，利用地址分配服務(wù)器為終端用戶分配包括公網(wǎng)IPv4地址及端口段的地址參數(shù)，將所述地址參數(shù)與用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址進(jìn)行綁定并通知用戶上聯(lián)的網(wǎng)關(guān)；終端用戶與網(wǎng)關(guān)之間根據(jù)二層地址信息進(jìn)行通信，報文封裝使用各自網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，用戶記錄網(wǎng)關(guān)的下行接口的MAC地址，網(wǎng)關(guān)維護(hù)用戶IPv4地址、端口段及MAC地址的對應(yīng)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IPv4網(wǎng)絡(luò)中通過劃分端口段共享公網(wǎng)地址的方法，其特征在于，在DHCP中，地址參數(shù)分配過程如下: 步驟(I)，用戶端接入網(wǎng)絡(luò)向DHCP服務(wù)器發(fā)起DHCPDISCOVER報文請求地址；步驟(2)，DHCP服務(wù)器接收到用戶端發(fā)送的DHCPDISC0VER報文，并在地址池中選擇一個租約，包括公網(wǎng)IPv4地址及其對應(yīng)的端口段區(qū)間，一起添加到DHCP0FFER報文中回復(fù)；步驟(3)，用戶端收到DHCP0FFER報文后，進(jìn)行解析，將其中的IPv4地址及端口段區(qū)間進(jìn)行配置，并向DHCP服務(wù)器發(fā)送DHCPREQUEST報文，將自己網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址作為client-1D添加到報文中； 步驟(4)，DHCP服務(wù)器接收到DHCPREQUEST報文后，回復(fù)DHCPACK報文，將用戶端的IPv4地址、端口段及MAC地址信息進(jìn)行綁定，并通知用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)； 數(shù)據(jù)交互過程如下: 步驟(I)，網(wǎng)關(guān)收到DHCP服務(wù)器發(fā)來的綁定信息后為用戶建立IPv4地址、端口段及MAC地址的映射表； 步驟(2)，當(dāng)用戶對外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起訪問時，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層封裝，其源地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為對應(yīng)網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址； 步驟(3)，所述用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行解封裝，從而得到原始數(shù)據(jù)包，并根據(jù)包頭信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)； 步驟(4)，數(shù)據(jù)包到達(dá)目的端后，目的端進(jìn)行回復(fù)；回復(fù)的報文到達(dá)所述用戶端對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝，其源地址為網(wǎng)關(guān)下行網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址，目的地址為用戶網(wǎng)絡(luò)接口的MAC地址； 步驟(5)，用戶收到數(shù)據(jù)包之后進(jìn)行解封裝從而得到原始數(shù)據(jù)包。
【文檔編號】H04L29/12GK104135545SQ201410356666
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】崔勇, 王鈺琪, 張彬 申請人:清華大學(xué)