TW201616844A

TW201616844A - 解決網路位址轉譯器之連線限制的網路連線系統及其方法

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Publication number: TW201616844A
Application number: TW103137815A
Authority: TW
Inventors: Ming-Ko Wang
Original assignee: Papago Inc
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-01
Also published as: TWI561043B

Abstract

本發明所述一種解決網路位址轉譯器(network address translation,NAT)之連線限制的網路連線系統及其方法，該系統係由多個私有網域與具有網路位址轉譯器使用者資料包協定簡單穿透(Simple Traversal of User Datagram Protocol over NAT,STUN)伺服器的公眾網域建立而成，使各私有網域之間可透過STUN伺服器進行點對點網際網路技術(peer-to-peer,P2P)連線，甚至對於未能利用P2P建立連線的兩私有網域之間，可允許透過鄰近且可與兩私有網域的網路裝置直接建立P2P連線的第三方私有網域以間接方式建立連線，在可節省硬體設備成本的條件下，建立最接近P2P連線效益之最佳替代連線技術的類P2P連線技術。

Description

解決網路位址轉譯器之連線限制的網路連線系統及其方法

本發明係關於一種解決網路位址轉譯器(network address translation,NAT)之連線限制的網路連線系統及其方法；更詳而言之，特別係指一種可建立最接近點對點網際網路技術(peer-to-peer,P2P)連線效益的最佳替代連線技術之網路連線系統及其方法。

在先前技術中，通過直接交換來共享電腦資源和服務的點對點網際網路技術(peer-to-peer，以下簡稱P2P)已被廣泛使用，其使用在各種內容傳遞(content delivery)的應用中，例如：收看即時轉播(live streaming)、視訊點播(video on demand)、即時通訊，或是允許使用者發佈其所擁有的多媒體內容、建立個人頻道等，是一種提供多個網路裝置間的直接網路連線技術，以取得最高網路傳輸速度，且無需額外的伺服器(server)建構成本。

然而，P2P於實際應用上仍會面臨部份問題，主要是由於網際網路(Internet)的快速發展與網路用戶的增加下，造成目前網際網路協定(Internet Protocol，以下簡稱IP)位址即將不敷使用，為了避免前述情況，人們大多會在私有網域和公眾網域的邊界處部署網路位址轉譯器(network address translation，以下簡稱NAT)，來解決網路位址不足的問題；而所謂NAT是定義於RFC 1631的一個Internet標準，主要是對私有網域的網路裝置所發出的封包，進行IP位址轉換的動作，以便讓私有網域中多台網路裝置能夠共用一個公眾網域IP位址連接上網際網路，意即當私有網域發出的私有網域IP資料封包到達NAT時，NAT負責將私有網域IP位址轉換成公眾網域IP位址；當有外部發來的封包到達NAT設備後，NAT透過查閱自身保存的映射表(mapping table)裡的資訊，將公眾網域IP位址轉換成私有網域IP位址，再轉發到私有網域中對應的網路裝置。

而就NAT之類型而言，其大致可分為完全圓錐型(Full Cone)NAT、受限圓錐型(Restricted Cone)NAT、埠受限圓錐型(Port Restricted Cone)NAT與對稱式(Symmetric)NAT四種型態。所述完全圓錐型NAT的特性是當其內部用戶端與其外部用戶端建立連線後，任何外部用戶端皆可依據內部用戶端的NAT對應位址/埠號與此內部用戶端進行通訊；所述受限圓錐型NAT的特性是當其內部用戶端與其外部用戶端建立連線後，僅限於與此內部用戶端建立連線的外部位址可依據內部用戶端的對應位址/埠號與此內部用戶端進行通訊；所述埠受限圓錐型NAT的特性是當其內部用戶端與其外部用戶端建立連線後，僅限於與此內部用戶端建立連線的外部位址/埠號可依據內部用戶端的NAT對應位址/埠號與此內部用戶端進行通訊；而所述對稱式NAT的特性則是其內部用戶端發送至不同目的地端的應用都會被指派一個對應的NAT對應位址/埠號，並且僅對應的目的端的位址/埠號能與所指派的NAT對應位址/埠號通訊。據此，可知前述四種NAT型態各有不同的連線限制，其中又以對稱式(Symmetric)NAT限制最為嚴格。有鑒於此，在大量內部的用戶端使用私有網域IP位址(或虛擬IP位址)的環境中，當位於NAT外部的用戶端(即公眾網域IP位址)想要與位於NAT內部的用戶端以P2P的網路技術相互建立資料傳輸連線時，位於NAT外部的用戶端所送出的請求訊息會被NAT阻擋，因而位於NAT內部的用戶端無法得知有連線建立的請求而造成連線失敗。

為能有效解決前述的問題，NAT的使用者資料包協定簡單穿透(Simple Traversal of User Datagram Protocol through NAT，以下簡稱STUN)、使用轉傳的NAT穿透(Traversal Using Relay NAT，以下簡稱TURN)、互動連接建立(Interactive Connectivity Establishment，以下簡稱ICE)等網路協定陸續被提出。首先就STUN而言，網際網路技術意見書(Request For Comments，RFC)3489所記載的STUN網路協定提出一套方法，以使得位於NAT內部的用戶端可以得知NAT所分配的位址/埠號與NAT的型態，並且藉由將這些資訊提供給位於NAT外部的用戶端，則雙方可因此建立連線，然而，STUN在對稱式NAT(symmetric NAT)型態下是無法成功運作的；續就TURN而言，TURN網路協定是在公眾網域(public domain)中佈建一台TURN伺服器，其中此TURN伺服器會分配的一個位址/埠號來代表位於NAT內部的用戶端，並且使用一映射表來記錄位於 NAT內部的用戶端用來對外溝通的位址/埠號和所分配之位址/埠號的對映關係，之後，進入與流出NAT的資料皆會透過TURN伺服器轉送以達到穿透NAT的目的，儘管TURN可以用於對稱式NAT的穿透，然而由於NAT內部的所有用戶端的資料流都需要經過TURN伺服器，因此TURN伺服器會成為一個效能上的瓶頸；續就ICE而言，ICE網路協定則是提出了一套混合式的NAT穿透方法以利用STUN與TURN的功能來解決問題，其中當用戶端之間需要穿透NAT建立連線時，用戶端會先去搜集本身的候選網路位址(candidate address)資訊，然後藉由彼此交換候選網路位址資訊後，用戶端針對對方的候選網路位址進行連線測試，最後決定一條最佳的連線來進行資料傳輸。

基於上述網路協定，一些NAT穿透方法被提出以使位於NAT外部的用戶端能夠穿透NAT而與位於NAT內部的用戶端建立連線，例如，RFC 5128所提出的打孔(hole punching)方法就是先在公眾網域下佈建一台會合伺服器(Rendezvous Server)，而在NAT底下的所有用戶端都事先與此伺服器建立控制訊息連線。舉例來說，當用戶端A要與用戶端B建立直接的NAT穿透連線時，用戶端A會先送出一個請求建立連線訊息給會合伺服器，會合伺服器收到此請求建立連線訊息後，會合伺服器會將用戶端B的NAT對應位址/埠號傳送給用戶端A，以及將用戶端A的NAT對應位址/埠號傳送給用戶端B，當用戶端A收到用戶端B的位址資訊時，用戶端A會送出一個測試封包到用戶端B的NAT對應位址/埠號，此時此測試封包會被用戶端B的NAT阻擋，但同時用戶端A的NAT映射表會被更改而允許用戶端B的NAT對應位址/埠號可傳送資料給用戶端A，接著用戶端B亦送出測試封包給用戶端A的NAT對應位址/埠號，此時，用戶端B的NAT映射表會被更改而允許用戶端A的NAT對應位址/埠號可傳送資料給用戶端B。據此，雙向的NAT穿透連線可順利地被建立，當然儘管打孔(hole punching)方法可解決部分NAT穿透問題，然而在雙方NAT的類型分別為埠受限圓錐型NAT與對稱式NAT，或者雙方NAT的類型皆為對稱式NAT的例子中，如上所述由於對稱式NAT會根據不同的目的地端指派不同的NAT對應位址/埠號，因此打孔方法將無法被使用，以致使用者多以能完成連線為目的的TURN伺服器作為替代方案，不免增加了硬體設備與頻寬成本，且資料傳輸效能也會因此而受限。

故，如何能在無法直接利用P2P點對點網際網路技術直接連線下，以降低硬體、頻寬資源的成本消耗為前提，建立最接近P2P連線效益的最佳替代連線方式，係為許多網路服務業者刻正努力研發並亟欲達成的一重要目標。

本發明所欲解決的問題係提供一種解決網路位址轉譯器(network address translation,NAT)之連線限制，建立最接近點對點網際網路技術(peer-to-peer,P2P)連線效益之最佳替代連線技術的網路連線系統及其方法。

為解決上述系統問題，本發明係揭露一種解決網路位址轉譯器(network address translation,NAT)之連線限制的網路連線系統，其包括一位於公眾網域的NAT使用者資料包協定簡單穿透(Simple Traversal of User Datagram Protocol over NAT,STUN)伺服器及數個私有網域，各該私有網域係包括有一網路裝置及與該網路裝置電性連結之一網路位址轉譯器，各該網路位址轉譯器係與該STUN伺服器電性連結，使各該網路裝置與網路裝置之間係藉由該STUN伺服器而利用點對點網際網路技術直接建立連線，或者藉由該STUN伺服器透過第三方私有網域的網路裝置而間接建立類點對點網際網路技術連線機制，其中該第三方私有網域之網路裝置係可分別與第一方私有網域的網路裝置及第二方私有網域的網路裝置利用點對點網際網路技術直接建立連線。

為解決上述方法問題，本發明係揭露一種適用前述系統之解決NAT之連線限制的網路連線方法，該方法係依循下列步驟：步驟1：各該網路裝置透過一網路位址轉譯器使用者資料包協定簡單穿透(Simple Traversal of User Datagram Protocol over NAT,STUN)伺服器查找各自的公眾網際網路位址；步驟2：判斷各該網路裝置與網路裝置之間是否能藉由該STUN伺服器利用點對點網際網路技術(peer-to-peer,P2P)直接建立連線，若是，則各該網路裝置與網路裝置之間進行資料傳輸，若否，則尋找可與第一方私有網域的網路裝置及第二方私有網域的網路裝置直接建立連線的第三方私有網域的網路裝置；步驟3：第三方私有網域的網路裝置尋找成功後，則利用第三方私有網域的網路裝置透過STUN伺服器間接建立第一方私有網域的網路裝置與第二方私有網域的網路裝置之間最接近P2P連線效益的類P2P連線機制，並進行資料傳輸。

更進一步的是，本發明所揭露的STUN伺服器係提供各該網路裝置之公眾網際網路協定位址與其網路位址轉譯器之型態，使各該網路位址轉譯器係為高連線限制型態的埠受限圓錐型(Port Restricted Cone)NAT，或者是低連線限制型態的受限圓錐型(Restricted Cone)NAT、完全圓錐型(Full Cone)NAT，其中，當第一方私有網域之網路位址轉譯器為高連線限制型態時，第二方私有網域之網路位址轉譯器則為低連線限制型態；此外，前述類點對點網際網路技術連線機制中，第三方私有網域之網路裝置係鄰近第一方私有網域之網路裝置或第二方私有網域之網路裝置。

本發明之特點係在於本發明除了可將各該私有網域與私有網域中的網路裝置之間藉由該STUN伺服器而利用點對點網際網路技術直接建立連線，藉以提高網路資源的傳輸速度之外，對於未能利用點對點網際網路技術直接建立連線的兩私有網域與私有網域中的網路裝置，則透過鄰近且可與前述兩私有網域與私有網域中的網路裝置直接建立P2P連線的第三方私有網域之網路裝置，以間接建立連線之方式，使得第一方私有網域之網路裝置與第二方私有網域之網路裝置以第三方私有網域之網路裝置為媒介，因而建立最接近P2P連線效益之最佳替代連線技術的類P2P點對點網際網路技術連線機制；據此，所述第三方私有網域之網路裝置係扮演TURN(Traversal Using Relay NAT)伺服器之角色，令使用者不必為了達成連線目的而額外增加硬體設備，大幅解省成本，其中該TURN(Traversal Using Relay NAT)伺服器之運作模式係為網路技術領域具通常知識者所熟知，在此即不贅述。因此，使用者可在一網路攝影機、一網路電話、一網路磁碟機、一網路印表機或設有網路介面之電腦之間，建立P2P連線以及建立最接近P2P連線效益之最佳替代P2P連線技術的類P2P點對點網際網路技術連線機制。

A‧‧‧公眾網域

B‧‧‧私有網域

C‧‧‧私有網域

D‧‧‧私有網域

B1‧‧‧網路裝置

B2‧‧‧網路位址轉譯器

C1‧‧‧網路裝置

C2‧‧‧網路位址轉譯器

D1‧‧‧網路裝置

D2‧‧‧網路位址轉譯器

X‧‧‧STUN伺服器

S1~S221‧‧‧步驟

第1圖繪示本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線系統示意圖(一)；第2圖繪示本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線系統示意圖(二)；以及第3圖繪示本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線方法流程示意圖。

首先，請參閱第1圖，第1圖繪示本發明所述P2P點對點網際網路技術系統示意圖；由第1圖可知，本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線系統，其主要包括：一STUN伺服器X，其係設置於一公眾網域A中；數個私有網域，第1圖中以三個私有網域舉例說明，分別私有網域B、私有網域C及私有網域D；其中，就以私有網域B來說明，該私有網域B係包括有一網路裝置B1及與該網路裝置B1電性連結之一網路位址轉譯器B2，該網路位址轉譯器B2係與該STUN伺服器X電性連結，同理，該私有網域C係包含有網路裝置C1及網路位址轉譯器C2，該私有網域D係包含有網路裝置D1及網路位址轉譯器D2，二者與該STUN伺服器X之連結關係如同私有網域B，特此不另贅述；據此，該網路位址轉譯器B2、該網路位址轉譯器C2及該網路位址轉譯器D2係分別向該STUN伺服器X傳遞測試訊號，使該STUN伺服器X分別提供該網路裝置B1、該網路裝置C1、及該網路裝置D1之公眾網際網路協定位址與其網路位址轉譯器之型態，使網路裝置B1、該網路裝置C1、及該網路裝置D1彼此能透過該STUN伺服器X建立連線，在不考慮該網路位址轉譯器B2、該網路位址轉譯器C2及該網路位址轉譯器D2為高連線限制或低連線限制之網路位址轉譯器(NAT)的條件下，該網路裝置B1、網路裝置C1及網路裝置D1之間係可藉由該STUN伺服器X而利用點對點網際網路技術(P2P)直接建立連線，以取得最高網路傳輸速度。

續，請參閱第2圖並配合參閱第1圖，第2圖繪示本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線系統示意圖(二)；由第2圖可知，本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線系統，若考慮該網路位址轉譯器B2、該網路位址轉譯器C2及該網路位址轉譯器D2為高連線限制或低連線限制型態的條件下(第2圖中係以網路位址轉譯器B2為高連線限制型態的埠受限圓錐型(Port Restricted Cone)NAT，網路位址轉譯器D2為低連線限制型態的受限圓錐型(Restricted Cone)NAT或完全圓錐型(Full Cone)NAT)，則有可能發生該網路裝置B1與該網路位置C1可P2P連線、該網路位置C1與該網路位置D1可P2P連線、以及該網路裝置B1與該網路裝置D1不能直接連線的情況，而為了讓該網路裝置B1與該網路裝置D1也能建立連線傳輸資料，此時可利用鄰近私有網域B之網路裝置B1且與該網路裝置B1可建立連線的網路裝置C1做為該網路裝置D1與該網路裝置B1間接連線的媒介，使得該網路裝置C1係扮演TURN(Traversal Using Relay NAT)伺服器之角色，藉以形成類點對點網際網路技術(P2P)(如L線所示)，令使用者不必為了達成連線目的而額外增加硬體設備，大幅解省成本。

前述網路裝置B1、網路裝置C1及網路裝置D1可分別為一網路攝影機、一網路電話、一網路磁碟機、一網路印表機或設有網路介面之電腦。

末，請參閱第3圖並配合參閱第1圖及第2圖，第3圖繪示本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線方法流程示意圖；由第3圖可知，本發明所述解決NAT之連線限制的網路連線方法，係依循下列步驟：步驟1(S1)：各網路裝置透過STUN伺服器查找各自的公眾網際網路協定位址，並進行步驟2(S2)；步驟2(S2)：判斷各個網路裝置是否能透過STUN伺服器建立P2P連線；若是，則進行步驟21(S21)，各該網路裝置與網路裝置之間可進行資料傳輸，若否，則進行步驟22(S22)，尋找可與第一方私有網域的網路裝置及第二方私有網域的網路裝置直接建立連線的第三方私有網域的網路裝置；步驟3：接續前述步驟22(S22)，當第三方私有網域的網路裝置尋找成功後，則進入步驟221(S221)，利用第三方私有網域的網路裝置透過STUN伺服器間接建立第一方私有網域的網路裝置與第二方私有網域的網路裝置之間最接近P2P連線效益的類P2P連線機制，最後進入步驟222(S222)，進行資料傳輸。

因此，本發明只要配設有網路的硬體設備，皆可利用本發明建立P2P連線以及建立最接近P2P連線效益之最佳替代P2P連線技術的類P2P點對點網際網路技術連線機制，使未能建立P2P連線的兩網路裝置，以第三方網路裝置為媒介，取代額外TURN(Traversal Using Relay NAT)伺服器之架設，達到節省硬體成本之效益，且能快速傳送資料之目的。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。