在VxWorks下实现NAT/NAPT的方法

摘要：介绍NAT、NAPT的基本概念和工作原理；结合VxWorks的网络协议栈，描述一种利用VxWorks操作系统提供的钩子函数来开发实现NAT和NAPT的方法。 关键词：NAT NAPT 钩子函数 网络协议栈 截获 转换 校验和 引言 近年来，随着Internet的迅猛发展，连入Internet的主机数量成倍增长。由于最初设计Internet的时候并没有考虑到需要支持这么大的规模，因而Internet使用的Ipv4协议中IP地址的长度选择了32位，它可以使IP包的格式很好地对齐；但是，目前IP地址的短缺已经成为Internet面临的最大问题之一。 为了解决IP地址短缺的问题，人们提出了许多解决方案，nternet能够支持到新一代IP协议Ipv6的出台。在众多的解决方案中，网络地址转换NAT（Network Address Translation）技术提供了一种完全将私有网和公共网隔离的方法，从而得到了广泛的应用。 图1 NAT工作原理示意图 1 NAT技术 NAT技术的基本功能就是，用1个或几个IP地址来实现1个私有网中的所有主机和公共网中主机的IP通信。NAT技术可为TCP、UDP以及ICMP数据包提供透明转发。 1.1 NAT工作原理 NAT的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。 如图1所示，NAT网关有2个网络端口，其中公共网络端口的IP地址是统一分配的公共IP，为202.204.65.2；私有网络端口的IP地址是保留地址，为192.168.1.1。私有网中的主机192.168.1.2向公共网中的主机166.111.80.200发送了1个IP包（Des=166.111.80.200,Src=192.168.1.2）。当IP包经过NAT网关时，NAT会将IP包的源IP转换为NAT的公共IP并转发到公共网，此时IP包（Des=166.111.80.200，Src=202.204.65.2）中已经不含任何私有网IP的信息。由于IP包的源IP已经被转换成NAT的公共IP，响应的IP包（Des=202.204.65.2,Src=166.111.80.200）将被发送到NAT。这时，NAT会将IP包的目的IP转换成私有网中主机的IP，然后将IP包（Des=192.168.1.2，Src=166.111.80.200）转发到私有网。对于通信双方而言，这种地址的转换过程是完全透明的。 1.2 NAPT技术 由于NAT实现是私有IP和NAT的公共IP之间的转换，那么，私有网中同时与公共网进行通信的主机数量就受到NAT的公共IP地址数量的限制。为了克服这种限制，NAT被进一步扩展到在进行IP地址转换的同时进行Port的转换，这就是网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）技术。 NAPT与NAT的区别在于，NAPT不仅转换IP包中的IP地址，还对IP包中TCP和UDP的Port进行转换。这使得多台私有网主机利用1个NAT公共IP就可以同时和公共网进行通信。 如图2所示，私有网主机192.168.1.2要访问公共网中的Http服务器166.111.80.200。首先，要建立TCP连接，假设分配的TCP Port是1010，发送了1个IP包（Des=166.111.80.200:80,Src=192.168.1.2:1010）,当IP包经过NAT网关时，NAT会将IP包的源IP转换为NAT的公共IP，同时将源Port转换为NAT动态分配的1个Port。然后，转发到公共网，此时IP包（Des=166.111.80.200：80，Src=202.204.65.2:2010）已经不含任何私有网IP和Port的信息。由于IP包的源IP和Port已经被转换成NAT的公共IP和Port，响应的IP包（Des=202.204.65.2:,Src=2010166.111.80.200:80）将被发送到NAT。这时NAT会将IP包的目的IP转换成私有网主机的IP，同时将目的Port转换为私有网主机的Port，然后将IP包（Des=192.168.1.2:1010，Src=166.111.80.200:80）转发到私网。对于通信双方而言，这种IP地址和Port的转换是完全透明的。 2 VxWorks的网络协议栈 与VxWorks操作系统捆绑发行的标准网络协议栈，是一个与BSD4.4兼容、功能齐全并针对嵌入式应用作了大量优化的TCP/IP协议栈。该网络协议栈与VxWorks操作系统、开发工具、设备管理工具以及上层协议和应用可以集成在一起，有完整的路由功能并可以根据需要进行剪裁。VxWorks的网络协议栈的分层结构如图3所示。 VxWorks网络协议栈传输数据使用的内存，是在系统启动进行网络协议初始化的时候就申请下来的，并使用系统提供的netBufLib建立内存字点池来管理这些内存空间。网络协议栈传输数据所需的内存都是从这些内存节点池中申请，使用完毕后再释放。 NetBufLib通过3种数据结构处理网络协议栈传输的数据：mBlk、clBlk和Cluster。其中，Cluster保存的是实际的数据，mBlk和clBlk中保存的信息是用来管理Cluster中保存的数据的。为了满足传输不同大小数据的需要，Cluster是一些大小不同的内存块；缺省情况下，VxWorks网络协议栈创建了大小从64～2048字节的6个不同的内存节点池。 由于mBlk中保存的只是指向数据的指针，因此，网络协议栈不同层之间的数据传输可以避免数据拷贝。此外，对于分布在多个Cluster中的数据，可以通过mBlk把它们链在一起，并且只需要传递链首的mBlk就可以了。VxWorks网络协议栈的“零拷贝”技术就是建立在这种机制的基础之上的。图4描述了2个提交给网络协议栈TCP层的包的数据结构。 在mBlk结构中，有2个指向其它mBlk的指针：1个指向同一个包的下一个mBlk；另一个指向下一个包的链首的mBlk。ClBlk指向的就是实际存储数据的Cluster。 3 向VxWorks网络协议栈加入NAT 为了向VxWorks网络协议栈中加入NAT，必须实现2个基本操作：IP包的截获得IP包的处理。 3.1 VxWorks下IP包的截获 VxWorks网络协议栈在物理驱动层和IP层上分别提供了两类钩子函数：EtherHook和IpFilterHook。利用这两类钩子函数，可以实现对IP包的截获。 （1）EtherHook EtherHook提供对以太帧的截获功能。它包括2个钩子函数：以太帧接收钩子函数EtherInputHook和以太帧发送钩子函数EtherOutPutHook。它们分别用函数EtherInputHookAdd和EtherOutputHookAdd安装。安装了这些钩子函数后，每当有以太帧被接收到时，函数EtherInputHook就会在该以太帧被提交给上层处理前被自动调用；每当有以太帧被发送时，函数EtherOutputHook会在该以太帧被发送前被自动调用。通过截获以太帖，可以达到截获IP包的目的。 （2）IpFilterHook IpFilterHook提供对IP包的截获功能。它只对应1个钩子函数，用函数ipFilterHookAdd就可以完成IpFilterHook的安装。安装了IpFilterHook后，每当有IP包被接收到时，函数IpFilterHook就会被自动调用，从而实现对IP包的截获。 3.2 NAT过程中IP包的处理 利用钩子函数完成IP包的截获后，就可以根据需要对IP包进行处理。首先，可以从IP包中剥离出IP头，根据IP头中的“协议”域可以判断出是UDP包还是TCP包。然后，从IP包中剥离出UDP头或TCP头，利用IP头和UDP头或者TCP头中的相关信息，就可以根据需要进行IP地址和Port的转换处理。 NAT一般采用1个映射表来实现IP地址和Port的转换。对于截获到的IP包，通过比较IP包的目的IP、目的Port、源IP、源Port和NAT映射表中的相应表现，对IP包的目的IP、目的Port、源IP、源Port进行转换。 典型的NAT映射表如图5所示。 （1）处理由内到外的IP包 由内到外的IP包指的是私有网主机通过NAT发送到公共网主机的IP包。它的源IP是私有IP，目的IP是公共IP。 当截获到1个由内到外的IP包时，NAT首先以IP包的源IP和源Port作为Real Src IP和Real Src Port的匹配条件，在映射表中进行搜索。如果找到1个对应的表项，就用表项的NAT IP和NAT Port替换IP包的源IP和源Port，而保持IP包的目的IP和目的Port不变。然后，重新计算TCP或UDP的校验和，就可把IP包归还给VxWorks网络协议栈。 如果在映射表中没有搜索到对应的表项，NAT就会向映射表中添加1个新的表现。该表项中的Real Src IP和Real Src Port用IP包的源IP和源Port来填充；NAT Port用NAT分配的1个空闲Port填充。然后，根据新增加的表项，按照上面相同的步骤完成对IP包的处理。后续相同的IP包也都用这个表项来处理。 （2）处理由外到内的IP包 由外到内的IP包指的是从公共网通过NAT发送到私有用的IP包。它的源IP是公共IP，目的IP是NAT的公共IP。 当截获到1个由外到内的IP包时，NAT就以IP包的目的IP和目的Port作为NAT IP和NAT Port的匹配条件，在映射表中进行搜索。如果找到1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，就可把IP包归还给VxWorks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）NAT映射表的配置 作为NAT完成IP包中IP和Port转换的依据，NAT映射表的管理关系到NAT的功能和性能。NAT映射表的配置可以分为2部分：静态配置部分和动态配置部分。 静态配置部分主要用于NAT IP、NAT Port和私有IP、私有Port的映射关系可以预见的应用，例如UDP通信和TCP Server运行在私网中某个主机等情况。NAT映射表静态配置部分可以在NAT运行前根据规划直接完成配置。 动态配置部分主要用于NAT IP、NAT Port和私有IP、私有Port的映射关系不可预见的应用，例如在私有网中某个主机上运行TCP Client来与公共网中某个主机上的TCP Server建立连接进行通信。因这种情况下，私有网主机使用的Port是动态分配的。为了实现需要NAT IP、NAT Port和私有IP、私有Port的转换，必须动态配置NAT映射表。相对于静态配置部分而言，动态配置部分的数据结构、数据组织和搜索算法的设计和实现的难度要大得多，关键是要实现一个高效的搜索算法。