專利名稱：IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法屬于計算機互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為全世界最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，但目前互聯(lián)網(wǎng)廣泛使用的第四版 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv4的地址的尋址范圍只有232，即43億地址，根據(jù)目前IPv4地址的分配速度， 預(yù)計在2011年之后，IPv4地址即將分配完畢。 目前中國網(wǎng)民人口的絕對數(shù)已經(jīng)成為世界第一，但互聯(lián)網(wǎng)的普及率只有25% ，遠(yuǎn) 低于世界發(fā)達(dá)國家的水平(70%)。同時，平均每個中國網(wǎng)民僅有0.6個IPv4地址。因此， 對于中國來說，IPv4地址是無法滿足需求的。這個問題對于印度等其它發(fā)展中國家來說， 都是非常嚴(yán)重的。 解決上述問題目前基本上有兩種技術(shù)路線，即采用下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(IPv6) 和采用地址轉(zhuǎn)換端口映射技術(shù)(NAPT)。 國際互聯(lián)網(wǎng)工程組(IETF)設(shè)計的第六版網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IPv6，它的地址尋址范圍有 2128，能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)長期發(fā)展的需求。但由于種種原因，IPv6協(xié)議于IPv4協(xié)議是不兼容 的，不能互聯(lián)互通。IETF建議的方法是同時運行IPv4和IPv4協(xié)議，即雙棧方法。但I(xiàn)Pv4 地址的缺乏使雙棧實施發(fā)生困難。同時雙棧的建設(shè)成本和運行成本也大于單獨運行IPv4 或IPv6單棧的成本。 目前工業(yè)界大量使用的是地址轉(zhuǎn)換端口映射技術(shù)(NAPT)，其基本原理是基于互聯(lián) 網(wǎng)通信的五元組概念，即"協(xié)議、原地址、原端口 、目的地址、目的端口 "唯一地確定一個通信 的進(jìn)程。端口的尋址范圍為216，即65，536個。因此，如果每個計算機的通信進(jìn)程只有l(wèi)個， 則從理論上講1個IPv4地址通過地址轉(zhuǎn)換端口映射可以同時支持6萬個以上的計算機通 信。在NAPT中，這個映射關(guān)系由轉(zhuǎn)換設(shè)備維護(hù)。 因此，NAPT可以解決近期的IPv4地址短缺的問題，IPv6可以從根本上解決IPv4 地址短缺的問題。目前缺乏的是把NAPT和IPv6有效地結(jié)合起來的技術(shù)。
本發(fā)明的基本原理是在無狀態(tài)、不需要使用信令的條件下，地址轉(zhuǎn)換端口映射技 術(shù)由計算機系統(tǒng)或家庭網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)，而不是像NAPT那樣由轉(zhuǎn)換設(shè)備維護(hù)。本發(fā)明的基本特 征包括1)采用余數(shù)的方法定義每一個計算機能夠使用的端口范圍；2)利用16位2進(jìn)制編 碼，構(gòu)成了擴展的IPv4地址表示方法；3)用擴展的前綴長度來定義IPv4地址為多個計算 機共享的程度；4)定義擴展的IPv4地址嵌入IPv6地址的編碼方法，并包含所允許的端口 范圍，因此能夠使多個計算機在無狀態(tài)，不需要信令的模式下共享單個IPv4地址，因此可 以有效地解決IPv4地址的短缺問題，促進(jìn)向IPv6的過渡。

發(fā)明內(nèi)容
IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法，其特征在于構(gòu)造包含端口信息的48 位的擴展IPv4地址，在保持IPv6第71位u-bit的意義不變的情況下，該48位擴展IPv4地址可以在跳過64至71位的情況下，分段嵌入到IPv6地址中，因此任意一個復(fù)用端口的 IPv4地址可以用不同的IPv6地址表示，并且這些IPv6地址包含所允許的端口范圍，因此能 夠使多個計算機在無狀態(tài)的模式下共享單個IPv4地址，有效地解決IPv4地址的短缺問題， 促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)從IPv4向IPv6的過渡； 當(dāng)R臺計算機(R必須為2的整數(shù)次方)共享一個IPv4地址時，采用余數(shù)的方法 定義第i個計算機能夠使用的端口 P，其公式為i = P% R，其中^為模運算符；
利用16位2進(jìn)制編碼，規(guī)定計算機可以使用的傳輸層端口范圍，其中最高位的 4bit表示復(fù)用比參數(shù)，其余的12bit表示標(biāo)識偏置值，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了擴展的IPv4地址 表示方法，a. b. c. d. e. f ，其中a. b. c. d為原有IPv4地址，e. f為端口復(fù)用編碼方法，具體描 述如下 (14)當(dāng)復(fù)用比為1時，e.f的范圍為0.0，使用同一個IPv4地址的計算機可以支 持65， 536個并發(fā)通信進(jìn)程，這是非共享IPv4地址的情況； (15)當(dāng)復(fù)用比為2時，e. f的范圍為16.0至IJ 16. l，共享同一個IPv4地址的2臺 計算機每臺均可以支持32， 786個并發(fā)通信進(jìn)程； (16)當(dāng)復(fù)用比為4時，e. f的范圍為32.0到32. 3，共享同一個IPv4地址的4臺 計算機每臺均可以支持16， 384個并發(fā)通信進(jìn)程； (17)當(dāng)復(fù)用比為8時，e. f的范圍為48.0到48. 7，共享同一個IPv4地址的8臺 計算機每臺均可以支持8， 192個并發(fā)通信進(jìn)程； (18)當(dāng)復(fù)用比為16時，e. f的范圍為64. 0到64. 15，共享同一個IPv4地址的16 臺計算機每臺均可以支持4， 096個并發(fā)通信進(jìn)程； (19)當(dāng)復(fù)用比為32時，e. f的范圍為80. 0至lj80. 31，共享同一個IPv4地址的32 臺計算機每臺均可以支持2， 048個并發(fā)通信進(jìn)程； (20)當(dāng)復(fù)用比為64時，e. f的范圍為96. 0到96. 63，共享同一個IPv4地址的64 臺計算機每v均可以支持1， 024個并發(fā)通信進(jìn)程； (21)當(dāng)復(fù)用比為128時，e.f的范圍為112. 0到112. 127，共享同一個IPv4地址 的128臺計算機每臺均可以支持512個并發(fā)通信進(jìn)程； (22)當(dāng)復(fù)用比為256時，e. f的范圍為128. 0到128. 255，共享同一個IPv4地址 的256臺計算機每臺均可以支持256個并發(fā)通信進(jìn)程； (23)當(dāng)復(fù)用比為512時，e. f的范圍為144. 0到144. 255和145. 0到145. 255，共
享同一個IPv4地址的512臺計算機每臺均可以支持128個并發(fā)通信進(jìn)程； (24)當(dāng)復(fù)用比為1， 024時，e. f的范圍為160. 0到160. 255、 161. 0到161. 255、和
163. 0到163. 255，共享同一個IPv4地址的1024臺計算機每臺均可以支持64個并發(fā)通信
進(jìn)程； (25)當(dāng)復(fù)用比為2， 048時，e. f的范圍為176. 0到176. 255、 177. 0到177. 255、和 183. 0到183. 255、共享同一個IPv4地址的2048臺計算機每臺均可以支持32個并發(fā)通信 進(jìn)程； (26)當(dāng)復(fù)用比為4， 096時，e. f的范圍為192. 0到192. 255、 193. 0到193. 255、和 207. 0到207. 255、共享同一個IPv4地址的4096臺計算機每臺均可以支持32個并發(fā)通信 進(jìn)程；
因此，擴展的IPv4地址表示方法用以小數(shù)點分開的6段10進(jìn)制數(shù)字來表示IPv4 地址，其中前4段與現(xiàn)有的IPv4地址表示方法一致，后2段為上述共16位表示分為2個8 位2進(jìn)制的10進(jìn)制表示方法，因此可以唯一地描述IPv4地址和端口復(fù)用的地址；
用擴展的前綴長度來定義該IPv4地址為多個計算機共享的程度，表示方法為
a. b. c. d/p 其中p的計算方法為(32+復(fù)用比)，其范圍為32-44,32表示1臺計算機使用該 IPv4地址，33表示2臺計算機共享使用該IPv4地址，34表示4臺計算機共享使用該IPv4 地址，...，44表示4， 096臺計算機共享使用該IPv4地址。


圖1 :IPv4地址和端口復(fù)用表示及編的定義格式；
圖2 :擴展的IPv4地址嵌入IPv6地址的定義格式；
具體實施方式
和方法案例 按照以上定義方法，方別給出余數(shù)表示方法，擴展的IPv4地址表示方法，前綴長 度表示方法和擴展的IPv4地址嵌入IPv6地址的表示方法的案例。
(1)余數(shù)表示方法 根據(jù)公式i = P % R，如R = 128 ，則第i臺計算機所能夠使用的端口范圍為
nX128+i，艮卩i， 128+i，256+i，384+i，512+i，640+i，768+i，896+i， 1024+i，......，其中n的
取值范圍為0-511， i的取值范圍為0-127。注意這個端口的范圍對于目標(biāo)端口和原端口都 是適用的。對于目標(biāo)端口的情況，其他IPv4計算機連接到同一 IPv4目標(biāo)地址，不同目標(biāo)端 口的請求將被送到根據(jù)上述公式定義的不同的計算機。對于原端口的情況，使用同一 IPv4 地址的不同的計算機必須嚴(yán)格遵守上述公式定義的端口，否則網(wǎng)絡(luò)將會把不符合規(guī)定的分 組丟棄。計算機主機或家庭網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換原端口以符合上述公式的定義。
(2)擴展的IPv4地址表示方法 擴展的IPv4地址表示方法如圖1所示。注意其最大的復(fù)用率定義為4096，每個計 算機可以同時使用的端口數(shù)為16。根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)上的統(tǒng)計，每個計算機的最大并發(fā)進(jìn)程的數(shù) 量一般小于500個，因此選擇復(fù)用率大于256是會影響使用的。 如原始的IPv4地址為166. 111. 8. 10，復(fù)用率為256，第8臺計算機(從0開始計 算)，則擴展的IPv4地址表示為
166. 111. 8. 10. 128. 8 即這臺計算機與其它255臺計算機共享166. 111. 8. 10，這臺計算機僅能夠使用該 166. 111. 8. 10的256分之一的端口范圍，即8， 264， 392， 520， 648， 776， 904， 1032，. . 等等。
(3)前綴長度表示方法 如原始的IPv4地址為166. 111. 8. IO，復(fù)用率為256，則前綴長度表示方法為
166. 111. 8. 10. 128. 8/40 當(dāng)僅表示服用比，不需表示具體到哪臺計算機是，也可以表示為
166.111.8.10/40 此表示方法當(dāng)前綴長度小于等于32，則與目前的IPv4地址表示方法完全一致，當(dāng) 前綴長度大于32，則意味著多個計算機共享這個IPv4地址。其復(fù)用率可以由前綴長度計算出來。即40-32 = 8，復(fù)用率為28 = 256。 (4)擴展的IPv4地址嵌入IPv6地址的表示方法 擴展的IPv4地址嵌入IPv6地址的表示方法如圖2所示。 注意到為了保證IPv6地址的第71位，即u-bit的意義不變，需要按圖2的編碼方式確定分段的位置。 如IPv6前綴為2001:da8:ff00: :/40，原始的IPv4地址為166. 111.8. IO，復(fù)用率為256，第8臺計算機，則對應(yīng)的IPv6地址為
2001:da8:ffa6:6f08:OOOa:80:8::/96 注意IPv4地址的10進(jìn)制表示方法已經(jīng)轉(zhuǎn)換成為IPv6地址的16進(jìn)制表示方法。
利用本發(fā)明定義的方法，可以唯一表示多個計算機共享單個IPv4地址的規(guī)則，當(dāng)把使用這個規(guī)則的IPv4地址嵌入到IPv6地址中，能夠使多個計算機在無狀態(tài)，不需要信令的模式下共享單個IPv4地址，因此可以有效地解決IPv4地址的短缺問題，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)從IPv4向IPv6的過渡。
權(quán)利要求
IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法，其特征在于構(gòu)造包含端口信息的48位的擴展IPv4地址，在保持IPv6第71位u-bit的意義不變的情況下，該48位擴展IPv4地址可以在跳過64至71位的情況下，分段嵌入到IPv6地址中，因此任意一個復(fù)用端口的IPv4地址可以用不同的IPv6地址表示，并且這些IPv6地址包含所允許的端口范圍，因此能夠使多個計算機在無狀態(tài)的模式下共享單個IPv4地址，有效地解決IPv4地址的短缺問題，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)從IPv4向IPv6的過渡；
2. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法，其特征在于， 當(dāng)R臺計算機(R必須為2的整數(shù)次方)共享一個IPv4地址時，采用余數(shù)的方法定義第i 個計算機能夠使用的端口 P，其公式為i = P% R，其中^為模運算符；
3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法，其特征在于， 利用16位2進(jìn)制編碼，規(guī)定計算機可以使用的傳輸層端口范圍，其中最高位的4bit表示復(fù) 用比參數(shù)，其余的12bit表示標(biāo)識偏置值，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成了擴展的IPv4地址表示方法， a. b. c. d. e. f，其中a. b. c. d為原有IPv4地址，e. f為端口復(fù)用編碼方法，具體描述如下(1) 當(dāng)復(fù)用比為1時，e.f的范圍為0.0，使用同一個IPv4地址的計算機可以支持 65， 536個并發(fā)通信進(jìn)程，這是非共享IPv4地址的情況；(2) 當(dāng)復(fù)用比為2時，e. f的范圍為16. 0到16. l，共享同一個IPv4地址的2臺計算機 每臺均可以支持32， 786個并發(fā)通信進(jìn)程；(3) 當(dāng)復(fù)用比為4時，e. f的范圍為32. 0到32. 3，共享同一個IPv4地址的4臺計算機 每臺均可以支持16， 384個并發(fā)通信進(jìn)程；(4) 當(dāng)復(fù)用比為8時，e. f的范圍為48. 0到48. 7，共享同一個IPv4地址的8臺計算機 每臺均可以支持8， 192個并發(fā)通信進(jìn)程；(5) 當(dāng)復(fù)用比為16時，e. f的范圍為64. 0到64. 15，共享同一個IPv4地址的16臺計 算機每臺均可以支持4， 096個并發(fā)通信進(jìn)程；(6) 當(dāng)復(fù)用比為32時，e. f的范圍為80. 0到80. 31，共享同一個IPv4地址的32臺計 算機每臺均可以支持2， 048個并發(fā)通信進(jìn)程；(7) 當(dāng)復(fù)用比為64時，e. f的范圍為96. 0到96. 63，共享同一個IPv4地址的64臺計 算機每v均可以支持1， 024個并發(fā)通信進(jìn)程；(8) 當(dāng)復(fù)用比為128時，e. f的范圍為112. 0到112. 127，共享同一個IPv4地址的128 臺計算機每臺均可以支持512個并發(fā)通信進(jìn)程；(9) 當(dāng)復(fù)用比為256時，e. f的范圍為128. 0到128. 255，共享同一個IPv4地址的256 臺計算機每臺均可以支持256個并發(fā)通信進(jìn)程；(10) 當(dāng)復(fù)用比為512時，e. f的范圍為144. 0到144. 255和145. 0到145. 255，共享同 一個IPv4地址的512臺計算機每臺均可以支持128個并發(fā)通信進(jìn)程；(11) 當(dāng)復(fù)用比為1， 024時，e. f的范圍為160. 0到160. 255、 161. 0到161. 255、和163. 0 到163. 255，共享同一個IPv4地址的1024臺計算機每臺均可以支持64個并發(fā)通信進(jìn)程；(12) 當(dāng)復(fù)用比為2， 048時，e. f的范圍為176. 0到176. 255、 177. 0到177. 255、和183. 0 到183. 255、共享同一個IPv4地址的2048臺計算機每臺均可以支持32個并發(fā)通信進(jìn)程；(13) 當(dāng)復(fù)用比為4， 096時，e. f的范圍為192. 0到192. 255、 193. 0到193. 255、和207. 0 到207. 255、共享同一個IPv4地址的4096臺計算機每臺均可以支持32個并發(fā)通信進(jìn)程；因此，擴展的IPv4地址表示方法用以小數(shù)點分開的6段10進(jìn)制數(shù)字來表示IPv4地 址，其中前4段與現(xiàn)有的IPv4地址表示方法一致，后2段為上述共16位表示分為2個8位 2進(jìn)制的10進(jìn)制表示方法，因此可以唯一地描述IPv4地址和端口復(fù)用的地址；
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法，其特征在于， 用擴展的前綴長度來定義該IPv4地址為多個計算機共享的程度，表示方法為a. b. c. d/p其中P的計算方法為(32+復(fù)用比)，其范圍為32-44,32表示1臺計算機使用該IPv4 地址，33表示2臺計算機共享使用該IPv4地址，34表示4臺計算機共享使用該IPv4地 址，...，44表示4， 096臺計算機共享使用該IPv4地址。
全文摘要
IPv4地址和端口復(fù)用的IPv6地址構(gòu)造方法屬于計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，采用余數(shù)的方法定義每一個計算機能夠使用的端口范圍，并利用16位2進(jìn)制編碼來表示，構(gòu)成了擴展的IPv4地址表示方法。當(dāng)把使用這個表示方法的IPv4地址嵌入到IPv6地址中，能夠使多個計算機在無狀態(tài)，不需要信令的模式下共享單個IPv4地址，因此可以有效地解決IPv4地址的短缺問題，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)從IPv4向IPv6的過渡。
文檔編號H04L29/12GK101783818SQ20101010161
公開日2010年7月21日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者包叢笑, 李星 申請人:清華大學(xué)