NAT原理以及在VxWorks上的實現(xiàn)

摘 要 NAT（Network Address Translate，網(wǎng)絡(luò)地址翻譯）是目前基于IP報文的交換網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的技術(shù)之一。其最先主要是用于解決IPv4地址空間不足所帶來的問題，但目前也常常出于安全方面的原因，和防火墻一起，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的一道安全關(guān)卡。本文將著眼于NAT的技術(shù)原理，結(jié)合VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的特點，描述一種在VxWorks上實現(xiàn)NAT的方法。

關(guān)鍵詞 NAT　VxWorks　端口轉(zhuǎn)發(fā)　IP分片　校驗和

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(dá)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。

3.3　NAT 映射表及timer管理

3.3.1　NAT 映射表

對于每一個需要進行地址翻譯的IP數(shù)據(jù)包，內(nèi)核必須知道如何翻譯它。NAT 映射表就是用來解決這個問題的。NAT 映射表中記錄有足夠標(biāo)識一個連接的所有信息:協(xié)議類型、源地址、源端口、目的地址、目的端口、NAT地址、NAT端口等。通過IP數(shù)據(jù)包中攜帶的信息可以在NAT表中找到最匹配的一項。在實現(xiàn)當(dāng)中，我們采用表1的結(jié)構(gòu)來表示一個映射表項。

3.3.2　為什么NAT 映射表項需要設(shè)置timer

為了避免通過NAT進行通信的主機突然崩潰后，出現(xiàn)殘留的映射表項占據(jù)系統(tǒng)資源的情況。在每個NAT映射表項中，我們使用了一個軟件定時器來指示這個映射表項是否超時。如果在一段時間內(nèi)這個表項沒有被訪問過，從而導(dǎo)致定時器超時，NAT將清除這個表項，以減少系統(tǒng)資源消耗。在這個NAT的實現(xiàn)過程中，為了使TCP/IP協(xié)議棧能夠正常工作，針對不同的協(xié)議以及協(xié)議的不同階段，我們使用了不同的默認(rèn)超時值。如表2所示。

3.4　NAT 映射表管理

3.4.1　NAT 映射表的創(chuàng)建、查找及刪除

在NAT的實現(xiàn)過程當(dāng)中，如何快速地尋找一個IP包在NAT中是否有對應(yīng)的映射選項，需要一個高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和快速的查找算法。

在實現(xiàn)當(dāng)中，我們選用采用索引查詢的散列表來作為存儲NAT映射表項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用協(xié)議類型值、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址和端口來計算散列值，并結(jié)合映射表項的標(biāo)志來確定需要做地址翻譯的IP數(shù)據(jù)包。

如果當(dāng)前的IP數(shù)據(jù)包是外出的IP數(shù)據(jù)包，但是沒有匹配到一個合適的映射表項，那么NAT將建立一個新的映射表項，添加到散列表中。

如果當(dāng)前的IP數(shù)據(jù)包是來自于外部網(wǎng)絡(luò)的，要么能夠匹配到一項合適的映射表項，要么目的端口已經(jīng)被配置為端口轉(zhuǎn)發(fā)（在這種情況下，NAT將依據(jù)端口轉(zhuǎn)發(fā)配置，在NAT映射表中靜態(tài)添加一個入口），否則，將不會改變這個IP數(shù)據(jù)包。

為了避免已經(jīng)出現(xiàn)異常的連接繼續(xù)占用系統(tǒng)資源，在每個映射表項的定時器超時后，其回掉函數(shù)將刪除存儲在散列表中的對應(yīng)的NAT映射表項。

3.4.2　如何互斥地訪問NAT映射表

在NAT映射表的處理和映射表項超時處理中，都需要對映射表進行查找、添加和刪除操作。為了安全地訪問映射表，我們必須同步對NAT映射表的訪問。在實現(xiàn)當(dāng)中，我們使用了VxWorks提供的二進制信號量來保護對NAT映射表的操作。

3.5　TCP session state和TCP sequence number管理

3.5.1　TCP SYN/FIN/RST 狀態(tài)

對于一個TCP連接，如果NAT收到一個帶有RST標(biāo)志的TCP數(shù)據(jù)包，我們將NAT映射表中對應(yīng)表項的定時器超時值置1，那么這個映射表很快將被刪除。如果收到一個FIN數(shù)據(jù)包，那么就重新設(shè)置對應(yīng)表項的定時器超時值為120s。否則，我們設(shè)置對應(yīng)映射表項的定時器超時值為5min。

3.5.2　TCP sequence number 調(diào)整

NAT的原理就是通過修改過往IP數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，來達(dá)到偽裝IP數(shù)據(jù)包的目的。

在對部分基于TCP的應(yīng)用協(xié)議（如FTP）的數(shù)據(jù)包進行NAT變換時，如果由于應(yīng)用程序支持模塊改變了TCP數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的長度發(fā)生變化，那么，為了使當(dāng)前的TCP連接能夠繼續(xù)正常連接，就必須重新調(diào)整TCP的序列號（見圖4）。

TCP連接的序列號是在兩個方向上進行調(diào)整的。調(diào)整的原則如下：

如果外出的數(shù)據(jù)包長度減小，那么當(dāng)前外出的TCP數(shù)據(jù)包的序列號將減小，反之則增加。

對于收到的來自于外部網(wǎng)絡(luò)的ACK 序列號，就要相應(yīng)地增加和減小了。

這里我們需要注意，由于VxWorks沒有使用Real Time來初始化TCP連接的初始序列號，而是使用一個固定的值來初始化它，導(dǎo)致每次重啟之后VxWorks的第一次TCP連接都會以相同的序列號開始遞增。由于VxWorks的TCP/IP協(xié)議棧的這種特征，我們在接收到TCP連接的第一個TCP數(shù)據(jù)包（帶有SYN標(biāo)志，沒有ACK標(biāo)志）時，要重新初始化已經(jīng)匹配的NAT映射表項，避免因為TCP連接序列號調(diào)整出錯。

3.6　端口轉(zhuǎn)發(fā)功能

3.6.1　為什么需要端口轉(zhuǎn)發(fā)功能

如果有某個處在Internet上的主機想訪問NAT服務(wù)器后的某個主機，這個連接必須已經(jīng)被記錄在NAT映射表中，但由于某些安全原因，NAT僅僅對由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)連接有效。當(dāng)外部IP數(shù)據(jù)包進入允許NAT功能的接口時，如果NAT找不到合適的映射表項，IP數(shù)據(jù)包將交給VxWorks協(xié)議棧來處理。

為了使NAT能夠處理這種由外部網(wǎng)絡(luò)首先發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)連接，NAT允許手工配置一些NAT的映射表項。這項功能就叫端口轉(zhuǎn)發(fā)。

3.6.2　端口轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)過程

由外到內(nèi)的IP包指的是從公網(wǎng)通過NAT發(fā)送到私有網(wǎng)絡(luò)的IP包。它的源IP是公共IP，目的IP是NAT的公共IP。當(dāng)截獲到一個由外到內(nèi)的IP包時，NAT就以IP包的目的IP和目的Port加上包的協(xié)議類型作為NAT映射表項的匹配查詢條件進行搜索。如果找到一個對應(yīng)的表項，就用表項的Real Src IP和Real Src Port來替換IP包的目的IP和目的Port，而保持IP包的源IP和源Port不變。然后，重新計算TCP或UDP的校驗和，再計算IP頭的校驗和，最后把IP包重新歸還給VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。如果在映射表中沒有搜索到對應(yīng)的表項，則對IP包不作任何處理，直接歸還給VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

3.7　NAT配置接口

為了使NAT能夠適應(yīng)某些變化，我們在實現(xiàn)過程當(dāng)中加入了對NAT的配置接口，主要對以下兩方面需要進行配置。

NAT接口配置：配置在那個允許NAT功能的網(wǎng)絡(luò)接口上。這個接口是和外部網(wǎng)絡(luò)相連的，有唯一的全局IP地址。

端口轉(zhuǎn)發(fā)映射表配置：配置NAT可以對那些由外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)連接進行地址轉(zhuǎn)換，以及如何進行地址轉(zhuǎn)換。

3.8　NAT如何處理IP分片

NAT本身還應(yīng)該考慮IP數(shù)據(jù)包的分片。但是在分片的IP數(shù)據(jù)包中，除了第一個IP數(shù)據(jù)包帶有源、目的端口信息以外，后續(xù)的IP分片都沒有端口信息。

這樣，IP數(shù)據(jù)包分片的這個特征給我們的NAT處理帶來了很多不便。因此，在這次的實現(xiàn)過程中，我們的NAT實現(xiàn)暫時不支持分片的IP數(shù)據(jù)包。

3.9　NAT的測試

如圖3所示，主機A通過NAT訪問主機B上的HTTP服務(wù)器，主機B通過手工配置在NAT上的映射表項訪問主機A上的TFTP服務(wù)器。

整個過程非常良好，TCP包和UDP包以及Port-Forward功能也成功得到了驗證。

4　NAT的未來

NAT這項技術(shù)主要是為了解決IP地址空間不足。在NAT功能的支持下，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可以使用一個公共的IP地址訪問外部網(wǎng)絡(luò)，因此，它很好地隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也使網(wǎng)絡(luò)更安全。由于這些特點，NAT也常常是作為Firewall的重要部分一起提供的，但是它并不是Firewall。由于NAT可以帶來一定的安全性，相信即使在IPv6的時代，它還是能夠繼續(xù)應(yīng)用。

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作者：楊萬云 張繼棠 來源：中國新通信（原《中國數(shù)據(jù)通信》1月）