NAT原理以及在VxWorks上的實現(xiàn)

Internet的最初設(shè)計，并沒有考慮到需要支持目前這樣龐大的互聯(lián)網(wǎng)，因此在IPv4的設(shè)計當(dāng)中，IP地址僅使用了32bit來標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點設(shè)備，雖然這很好地解決了IP數(shù)據(jù)報的對齊問題，但隨著Internet的迅猛發(fā)展，加上一些不合理的地址分配方式，目前IP地址已嚴(yán)重缺乏，IP地址短缺已成為目前Internet所面臨的最大問題之一。

為了節(jié)約IP地址資源，IETF拋棄了傳統(tǒng)的地址分類方式(把IP地址空間人為地劃分為A、B、C、D類地址的方式)。開始使用在RFC 1918中指定的CIDR(Classless Inter-Domain Routing)。同時為了解決IP地址耗損的問題，在RFC 1631中提出了使用NAT來解決共用IP地址訪問Internet的問題。

1　NAT 概況

NAT是把一個網(wǎng)絡(luò)中使用的IP地址翻譯成能被另一個網(wǎng)絡(luò)識別的IP地址。一個網(wǎng)絡(luò)被指定為內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，另一個為外部網(wǎng)絡(luò)。通常，一個公司把自己的本地內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址映射到一個或多個全局外部IP地址，并把收到的包中的全局IP地址解釋成本地IP地址。這也有助于安全，因為每個出去和進來的請求都必須經(jīng)過一個翻譯過程，這是一個認(rèn)證請求或把它與以前請求匹配的過程。

NAT包含在路由器中，通常也是防火墻的一部分。網(wǎng)絡(luò)管理員創(chuàng)建一個NAT表，用它來實現(xiàn)全局到本地和本地到全局地址的映射。NAT也可以和策略利用路由一起使用。NAT可以靜態(tài)定義，也可以根據(jù)IP地址池動態(tài)進行。

NAT的描述詳見RFC 1631。它討論了NAT與CIDR的關(guān)系，這是一個解決IP地址耗盡的方法。NAT通過區(qū)別公共IP地址和私有IP地址而減少了對公共IP地址的需求。CIDR把公共IP地址聚集在一起，減少了IP地址的浪費。

2　NAT 原理

在傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信過程中，所有的路由器僅僅是充當(dāng)一個中間人的角色，也就是通常所說的存儲轉(zhuǎn)發(fā)，路由器并不會對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包進行修改，比如對于以太網(wǎng)接口，路由器除了將源MAC 地址換成自己的MAC 地址以外，路由器不會對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包做任何修改。NAT(Network Address Translate，網(wǎng)絡(luò)地址翻譯)恰恰是出于某種特殊需要而對數(shù)據(jù)包的源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口進行改寫的操作。

從原理的角度可以將NAT分成了兩種類型，即源NAT(SNAT)和目的NAT(DNAT)，顧名思義，所謂SNAT就是改變轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的源地址，所謂DNAT就是改變轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的目的地址。

3　NAT 的VxWorks 實現(xiàn)

3.1　VxWorks的底層接口概況

3.1.1　VxWorks MUX 接口層

在VxWorks中，TCP/IP協(xié)議棧使用MUX接口去和數(shù)據(jù)鏈路層通信，MUX接口的目的是隔離數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。MUX接口之上是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，比如TCP/IP、 MUX_PROTO_OUTPUT、 MUX_PROTO_SNARF等協(xié)議，在MUX之下為網(wǎng)絡(luò)硬件的驅(qū)動程序。MUX接口層提供一套接口去完成協(xié)議和驅(qū)動注冊，協(xié)議和驅(qū)動之間數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，Multicast地址訪問，MUX ioctl等工作。整個層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1.2　VxWorks 中對IP數(shù)據(jù)包的截獲

要在VxWorks中實現(xiàn)NAT，必須實現(xiàn)兩個基本操作：IP數(shù)據(jù)包的截獲與IP數(shù)據(jù)包的偽裝處理。

對于VxWorks協(xié)議棧來講，NAT的存在是透明的。所以，要實現(xiàn)NAT的功能，必須在VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧處理數(shù)據(jù)包之前截獲數(shù)據(jù)。要實現(xiàn)這一點，VxWorks為我們提供了兩類鉤子函數(shù)，截獲以太幀的EtherHook和截獲IP數(shù)據(jù)包的IpFilterHook。

其中EtherHook又包括EtherInputHook和EtherOutputHook，分別用來截獲接收和發(fā)送的以太幀。用戶可以通過EtherInputHookAdd和EtherOutputHookAdd來分別進行安裝。

而IpFilterHook提供對IP數(shù)據(jù)包的截獲，它只對應(yīng)一個鉤子函數(shù)，用IpFilterHookAdd來進行安裝。當(dāng)收到一個IP數(shù)據(jù)包的時候，IpFilterHook會被自動調(diào)用，從而達到對IP數(shù)據(jù)包截獲的目的。

對比兩種接口，EtherInputHookAdd將調(diào)用MuxBind去添加一個MUX_PROTO_SNARF協(xié)議，這樣可以得到進入MUX接口層的所有數(shù)據(jù)包。而由IpFilterHookAdd安裝的IpFilterHook，不屬于MUX接口層，僅僅用來截獲IP數(shù)據(jù)包，而不會接收到非IP數(shù)據(jù)包。

鑒于以上的區(qū)別，我們使用IpFilterHookAdd函數(shù)安裝的IpFilterHook來截獲IP數(shù)據(jù)包比較合適，參見圖2。

3.2　NAT偽裝策略

3.2.1　網(wǎng)絡(luò)接口

網(wǎng)絡(luò)接口是VxWorks的一個內(nèi)核對象，它是由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序注冊的。它在內(nèi)核中用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驅(qū)動程序，包含著該網(wǎng)絡(luò)設(shè)備特有的屬性、配置及操作接口等。而這個驅(qū)動程序可以驅(qū)動一個特定型號的網(wǎng)絡(luò)芯片，比如I82557，RTL 8139等，也可以驅(qū)動一些其他類型的設(shè)備，比如通過Serial Port、CompactPCI Bus、Loopback等。在VxWorks中，接收到的IP數(shù)據(jù)被保存在一個mBlk的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。該結(jié)構(gòu)除保存數(shù)據(jù)內(nèi)容外，還保存了管理數(shù)據(jù)內(nèi)容的信息結(jié)構(gòu)以及接口信息。

3.2.2　哪些IP數(shù)據(jù)包需要偽裝

在做NAT地址映射時，我們需要判斷對哪些IP包進行偽裝(NAT變換)。我們通過下面這個實例來進行講解(見圖3)。

在這個實例中，網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)絡(luò)接口If0連接到局域網(wǎng)中，并通過If1連接到Internet上，同時，網(wǎng)關(guān)啟用NAT功能。此時，位于局域網(wǎng)中的主機A如果想訪問Internet上10.2.4.0/24網(wǎng)段的主機B，最好的方法是通過網(wǎng)關(guān)上的NAT。

那么，具體哪些包需要進行NAT變換呢?我們先根據(jù)源地址和目的地址來劃分網(wǎng)關(guān)可能收到的包的類型。

(1)接口If0收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址為網(wǎng)關(guān)If0接口的IP地址。

(2)接口If0收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址為網(wǎng)關(guān)If1接口的IP地址。

(3)接口If0收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址非網(wǎng)關(guān)任一接口的地址的私網(wǎng)IP地址。

(4)接口If0收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址非網(wǎng)關(guān)任一接口的地址的公網(wǎng)IP地址。

(5)接口If1收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址為If1接口的IP地址。

(6)接口If1收到的IP數(shù)據(jù)包，目的地址非If1接口的IP地址。

對于前面3種情況，NAT不進行任何處理，直接交給VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，由協(xié)議棧來做進一步的處理。

對于第4種情況，符合NAT變換的需求，NAT將改變原IP包的源地址為網(wǎng)關(guān)的外出口地址，同時選擇網(wǎng)關(guān)該接口未分配的端口來修改原IP包中的源端口，并添加該記錄到NAT映射表內(nèi)。最后把IP包送到If1接口，然后發(fā)送到目的主機。

對于第5種情況，我們將收到的IP數(shù)據(jù)包送到NAT處理。通過查找NAT映射表，決定是否將其目標(biāo)地址轉(zhuǎn)換為LAN中的某一個地址，還是不做任何處理，直接歸還給協(xié)議棧。對于第6種情況，我們這里也簡單地直接歸還給協(xié)議棧進行處理。