详解：NAT原理及在VxWorks上的实现

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。