NAT原理以及在VxWorks上的实现

摘 要 NAT（Network Address Translate，网络地址翻译）是目前基于IP报文的交换网络中使用最广泛的技术之一。其最先主要是用于解决IPv4地址空间不足所带来的问题，但目前也常常出于安全方面的原因，和防火墙一起，构成了网络中的一道安全关卡。本文将着眼于NAT的技术原理，结合VxWorks网络协议栈的特点，描述一种在VxWorks上实现NAT的方法。

关键词 NAT　VxWorks　端口转发　IP分片　校验和

Internet的最初设计，并没有考虑到需要支持目前这样庞大的互联网，因此在IPv4的设计当中，IP地址仅使用了32bit来标识网络中的一个节点设备，虽然这很好地解决了IP数据报的对齐问题，但随着Internet的迅猛发展，加上一些不合理的地址分配方式，目前IP地址已严重缺乏，IP地址短缺已成为目前Internet所面临的最大问题之一。

为了节约IP地址资源，IETF抛弃了传统的地址分类方式（把IP地址空间人为地划分为A、B、C、D类地址的方式）。开始使用在RFC 1918中指定的CIDR（Classless Inter-Domain Routing）。同时为了解决IP地址耗损的问题，在RFC 1631中提出了使用NAT来解决共用IP地址访问Internet的问题。

1　NAT 概况

NAT是把一个网络中使用的IP地址翻译成能被另一个网络识别的IP地址。一个网络被指定为内部网络，另一个为外部网络。通常，一个公司把自己的本地内部网络地址映射到一个或多个全局外部IP地址，并把收到的包中的全局IP地址解释成本地IP地址。这也有助于安全，因为每个出去和进来的请求都必须经过一个翻译过程，这是一个认证请求或把它与以前请求匹配的过程。

NAT包含在路由器中，通常也是防火墙的一部分。网络管理员创建一个NAT表，用它来实现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可以静态定义，也可以根据IP地址池动态进行。

NAT的描述详见RFC 1631。它讨论了NAT与CIDR的关系，这是一个解决IP地址耗尽的方法。NAT通过区别公共IP地址和私有IP地址而减少了对公共IP地址的需求。CIDR把公共IP地址聚集在一起，减少了IP地址的浪费。

2　NAT 原理

在传统的标准的TCP/IP通信过程中，所有的路由器仅仅是充当一个中间人的角色，也就是通常所说的存储转发，路由器并不会对转发的数据包进行修改，比如对于以太网接口，路由器除了将源MAC 地址换成自己的MAC 地址以外，路由器不会对转发的数据包做任何修改。NAT（Network Address Translate，网络地址翻译）恰恰是出于某种特殊需要而对数据包的源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口进行改写的操作。

从原理的角度可以将NAT分成了两种类型，即源NAT（SNAT）和目的NAT（DNAT），顾名思义，所谓SNAT就是改变转发数据包的源地址，所谓DNAT就是改变转发数据包的目的地址。

3　NAT 的VxWorks 实现

3.1　VxWorks的底层接口概况

3.1.1　VxWorks MUX 接口层

在VxWorks中，TCP/IP协议栈使用MUX接口去和数据链路层通信，MUX接口的目的是隔离数据链路层和网络层。MUX接口之上是网络协议层，比如TCP/IP、 MUX_PROTO_OUTPUT、 MUX_PROTO_SNARF等协议，在MUX之下为网络硬件的驱动程序。MUX接口层提供一套接口去完成协议和驱动注册，协议和驱动之间数据接收、发送，Multicast地址访问，MUX ioctl等工作。整个层次结构如图1所示。

3.1.2　VxWorks 中对IP数据包的截获

要在VxWorks中实现NAT，必须实现两个基本操作：IP数据包的截获与IP数据包的伪装处理。

对于VxWorks协议栈来讲，NAT的存在是透明的。所以，要实现NAT的功能，必须在VxWorks网络协议栈处理数据包之前截获数据。要实现这一点，VxWorks为我们提供了两类钩子函数，截获以太帧的EtherHook和截获IP数据包的IpFilterHook。

其中EtherHook又包括EtherInputHook和EtherOutputHook，分别用来截获接收和发送的以太帧。用户可以通过EtherInputHookAdd和EtherOutputHookAdd来分别进行安装。

而IpFilterHook提供对IP数据包的截获，它只对应一个钩子函数，用IpFilterHookAdd来进行安装。当收到一个IP数据包的时候，IpFilterHook会被自动调用，从而达到对IP数据包截获的目的。

对比两种接口，EtherInputHookAdd将调用MuxBind去添加一个MUX_PROTO_SNARF协议，这样可以得到进入MUX接口层的所有数据包。而由IpFilterHookAdd安装的IpFilterHook，不属于MUX接口层，仅仅用来截获IP数据包，而不会接收到非IP数据包。

鉴于以上的区别，我们使用IpFilterHookAdd函数安装的IpFilterHook来截获IP数据包比较合适，参见图2。

3.2　NAT伪装策略

3.2.1　网络接口

网络接口是VxWorks的一个内核对象，它是由网络驱动程序注册的。它在内核中用于标识网络设备的驱动程序，包含着该网络设备特有的属性、配置及操作接口等。而这个驱动程序可以驱动一个特定型号的网络芯片，比如I82557，RTL 8139等，也可以驱动一些其他类型的设备，比如通过Serial Port、CompactPCI Bus、Loopback等。在VxWorks中，接收到的IP数据被保存在一个mBlk的结构当中。该结构除保存数据内容外，还保存了管理数据内容的信息结构以及接口信息。

3.2.2　哪些IP数据包需要伪装

在做NAT地址映射时，我们需要判断对哪些IP包进行伪装（NAT变换）。我们通过下面这个实例来进行讲解（见图3）。

在这个实例中，网关通过网络接口If0连接到局域网中，并通过If1连接到Internet上，同时，网关启用NAT功能。此时，位于局域网中的主机A如果想访问Internet上10.2.4.0/24网段的主机B，最好的方法是通过网关上的NAT。

那么，具体哪些包需要进行NAT变换呢？我们先根据源地址和目的地址来划分网关可能收到的包的类型。

（1）接口If0收到的IP数据包，目的地址为网关If0接口的IP地址。

（2）接口If0收到的IP数据包，目的地址为网关If1接口的IP地址。

（3）接口If0收到的IP数据包，目的地址非网关任一接口的地址的私网IP地址。

（4）接口If0收到的IP数据包，目的地址非网关任一接口的地址的公网IP地址。

（5）接口If1收到的IP数据包，目的地址为If1接口的IP地址。

（6）接口If1收到的IP数据包，目的地址非If1接口的IP地址。

对于前面3种情况，NAT不进行任何处理，直接交给VxWorks网络协议栈，由协议栈来做进一步的处理。

对于第4种情况，符合NAT变换的需求，NAT将改变原IP包的源地址为网关的外出口地址，同时选择网关该接口未分配的端口来修改原IP包中的源端口，并添加该记录到NAT映射表内。最后把IP包送到If1接口，然后发送到目的主机。

对于第5种情况，我们将收到的IP数据包送到NAT处理。通过查找NAT映射表，决定是否将其目标地址转换为LAN中的某一个地址，还是不做任何处理，直接归还给协议栈。对于第6种情况，我们这里也简单地直接归还给协议栈进行处理。

3.3　NAT 映射表及timer管理

3.3.1　NAT 映射表

对于每一个需要进行地址翻译的IP数据包，内核必须知道如何翻译它。NAT 映射表就是用来解决这个问题的。NAT 映射表中记录有足够标识一个连接的所有信息:协议类型、源地址、源端口、目的地址、目的端口、NAT地址、NAT端口等。通过IP数据包中携带的信息可以在NAT表中找到最匹配的一项。在实现当中，我们采用表1的结构来表示一个映射表项。

3.3.2　为什么NAT 映射表项需要设置timer

为了避免通过NAT进行通信的主机突然崩溃后，出现残留的映射表项占据系统资源的情况。在每个NAT映射表项中，我们使用了一个软件定时器来指示这个映射表项是否超时。如果在一段时间内这个表项没有被访问过，从而导致定时器超时，NAT将清除这个表项，以减少系统资源消耗。在这个NAT的实现过程中，为了使TCP/IP协议栈能够正常工作，针对不同的协议以及协议的不同阶段，我们使用了不同的默认超时值。如表2所示。

3.4　NAT 映射表管理

3.4.1　NAT 映射表的创建、查找及删除

在NAT的实现过程当中，如何快速地寻找一个IP包在NAT中是否有对应的映射选项，需要一个高效的数据结构和快速的查找算法。

在实现当中，我们选用采用索引查询的散列表来作为存储NAT映射表项的数据结构。使用协议类型值、内部网络地址和端口来计算散列值，并结合映射表项的标志来确定需要做地址翻译的IP数据包。

如果当前的IP数据包是外出的IP数据包，但是没有匹配到一个合适的映射表项，那么NAT将建立一个新的映射表项，添加到散列表中。

如果当前的IP数据包是来自于外部网络的，要么能够匹配到一项合适的映射表项，要么目的端口已经被配置为端口转发（在这种情况下，NAT将依据端口转发配置，在NAT映射表中静态添加一个入口），否则，将不会改变这个IP数据包。

为了避免已经出现异常的连接继续占用系统资源，在每个映射表项的定时器超时后，其回掉函数将删除存储在散列表中的对应的NAT映射表项。

3.4.2　如何互斥地访问NAT映射表

在NAT映射表的处理和映射表项超时处理中，都需要对映射表进行查找、添加和删除操作。为了安全地访问映射表，我们必须同步对NAT映射表的访问。在实现当中，我们使用了VxWorks提供的二进制信号量来保护对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 状态

对于一个TCP连接，如果NAT收到一个带有RST标志的TCP数据包，我们将NAT映射表中对应表项的定时器超时值置1，那么这个映射表很快将被删除。如果收到一个FIN数据包，那么就重新设置对应表项的定时器超时值为120s。否则，我们设置对应映射表项的定时器超时值为5min。

3.5.2　TCP sequence number 调整

NAT的原理就是通过修改过往IP数据包的内容，来达到伪装IP数据包的目的。

在对部分基于TCP的应用协议（如FTP）的数据包进行NAT变换时，如果由于应用程序支持模块改变了TCP数据包的内容，导致数据包的长度发生变化，那么，为了使当前的TCP连接能够继续正常连接，就必须重新调整TCP的序列号（见图4）。

TCP连接的序列号是在两个方向上进行调整的。调整的原则如下：

如果外出的数据包长度减小，那么当前外出的TCP数据包的序列号将减小，反之则增加。

对于收到的来自于外部网络的ACK 序列号，就要相应地增加和减小了。

这里我们需要注意，由于VxWorks没有使用Real Time来初始化TCP连接的初始序列号，而是使用一个固定的值来初始化它，导致每次重启之后VxWorks的第一次TCP连接都会以相同的序列号开始递增。由于VxWorks的TCP/IP协议栈的这种特征，我们在接收到TCP连接的第一个TCP数据包（带有SYN标志，没有ACK标志）时，要重新初始化已经匹配的NAT映射表项，避免因为TCP连接序列号调整出错。

3.6　端口转发功能

3.6.1　为什么需要端口转发功能

如果有某个处在Internet上的主机想访问NAT服务器后的某个主机，这个连接必须已经被记录在NAT映射表中，但由于某些安全原因，NAT仅仅对由内部网络发起的网络连接有效。当外部IP数据包进入允许NAT功能的接口时，如果NAT找不到合适的映射表项，IP数据包将交给VxWorks协议栈来处理。

为了使NAT能够处理这种由外部网络首先发起的网络连接，NAT允许手工配置一些NAT的映射表项。这项功能就叫端口转发。

3.6.2　端口转发实现过程

由外到内的IP包指的是从公网通过NAT发送到私有网络的IP包。它的源IP是公共IP，目的IP是NAT的公共IP。当截获到一个由外到内的IP包时，NAT就以IP包的目的IP和目的Port加上包的协议类型作为NAT映射表项的匹配查询条件进行搜索。如果找到一个对应的表项，就用表项的Real Src IP和Real Src Port来替换IP包的目的IP和目的Port，而保持IP包的源IP和源Port不变。然后，重新计算TCP或UDP的校验和，再计算IP头的校验和，最后把IP包重新归还给VxWorks的网络协议栈。如果在映射表中没有搜索到对应的表项，则对IP包不作任何处理，直接归还给VxWorks网络协议栈。

3.7　NAT配置接口

为了使NAT能够适应某些变化，我们在实现过程当中加入了对NAT的配置接口，主要对以下两方面需要进行配置。

NAT接口配置：配置在那个允许NAT功能的网络接口上。这个接口是和外部网络相连的，有唯一的全局IP地址。

端口转发映射表配置：配置NAT可以对那些由外部网络发起的网络连接进行地址转换，以及如何进行地址转换。

3.8　NAT如何处理IP分片

NAT本身还应该考虑IP数据包的分片。但是在分片的IP数据包中，除了第一个IP数据包带有源、目的端口信息以外，后续的IP分片都没有端口信息。

这样，IP数据包分片的这个特征给我们的NAT处理带来了很多不便。因此，在这次的实现过程中，我们的NAT实现暂时不支持分片的IP数据包。

3.9　NAT的测试

如图3所示，主机A通过NAT访问主机B上的HTTP服务器，主机B通过手工配置在NAT上的映射表项访问主机A上的TFTP服务器。

整个过程非常良好，TCP包和UDP包以及Port-Forward功能也成功得到了验证。

4　NAT的未来

NAT这项技术主要是为了解决IP地址空间不足。在NAT功能的支持下，内部网络可以使用一个公共的IP地址访问外部网络，因此，它很好地隐藏内部网络的网络拓扑结构，也使网络更安全。由于这些特点，NAT也常常是作为Firewall的重要部分一起提供的，但是它并不是Firewall。由于NAT可以带来一定的安全性，相信即使在IPv6的时代，它还是能够继续应用。

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作者：杨万云 张继棠 来源：中国新通信（原《中国数据通信》1月）