詳解：NAT原理及在VxWorks上的實現(xiàn)

　　Internet的最初設計，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的設計當中，IP地址僅使用了32bit來標識網(wǎng)絡中的一個節(jié)點設備，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)絡中使用的IP地址翻譯成能被另一個網(wǎng)絡識別的IP地址。一個網(wǎng)絡被指定為內部網(wǎng)絡，另一個為外部網(wǎng)絡。通常，一個公司把自己的本地內部網(wǎng)絡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)的標準的TCP/IP通信過程中，所有的路由器僅僅是充當一個中間人的角色，也就是通常所說的存儲轉發(fā)，路由器并不會對轉發(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，路由器不會對轉發(fā)的數(shù)據(jù)包做任何修改。NAT（Network Address Translate，網(wǎng)絡地址翻譯）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就是改變轉發(fā)數(shù)據(jù)包的源地址，所謂DNAT就是改變轉發(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)絡層。MUX接口之上是網(wǎng)絡協(xié)議層，比如TCP/IP、 MUX_PROTO_OUTPUT、 MUX_PROTO_SNARF等協(xié)議，在MUX之下為網(wǎng)絡硬件的驅動程序。MUX接口層提供一套接口去完成協(xié)議和驅動注冊，協(xié)議和驅動之間數(shù)據(jù)接收、發(fā)送，Multicast地址訪問，MUX ioctl等工作。整個層次結構如圖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，它只對應一個鉤子函數(shù)，用IpFilterHookAdd來進行安裝。當收到一個IP數(shù)據(jù)包的時候，IpFilterHook會被自動調用，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)絡接口

　　網(wǎng)絡接口是VxWorks的一個內核對象，它是由網(wǎng)絡驅動程序注冊的。它在內核中用于標識網(wǎng)絡設備的驅動程序，包含著該網(wǎng)絡設備特有的屬性、配置及操作接口等。而這個驅動程序可以驅動一個特定型號的網(wǎng)絡芯片，比如I82557，RTL 8139等，也可以驅動一些其他類型的設備，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的結構當中。該結構除保存數(shù)據(jù)內容外，還保存了管理數(shù)據(jù)內容的信息結構以及接口信息。