- 相關(guān)推薦
在VxWorks下實(shí)現(xiàn)NAT/NAPT的方法
摘要：介紹NAT、NAPT的基本概念和工作原理；結(jié)合VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，描述一種利用VxWorks操作系統(tǒng)提供的鉤子函數(shù)來(lái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)NAT和NAPT的方法。引言
近年來(lái)，隨著Internet的迅猛發(fā)展，連入Internet的主機(jī)數(shù)量成倍增長(zhǎng)。由于最初設(shè)計(jì)Internet的時(shí)候并沒有考慮到需要支持這么大的規(guī)模，因而Internet使用的Ipv4協(xié)議中IP地址的長(zhǎng)度選擇了32位，它可以使IP包的格式很好地對(duì)齊；但是，目前IP地址的短缺已經(jīng)成為Internet面臨的最大問題之一。
為了解決IP地址短缺的問題，人們提出了許多解決方案，nternet能夠支持到新一代IP協(xié)議Ipv6的出臺(tái)。在眾多的解決方案中，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT（Network Address Translation）技術(shù)提供了一種完全將私有網(wǎng)和公共網(wǎng)隔離的方法，從而得到了廣泛的應(yīng)用。
圖1 NAT工作原理示意圖
1 NAT技術(shù)
NAT技術(shù)的基本功能就是，用1個(gè)或幾個(gè)IP地址來(lái)實(shí)現(xiàn)1個(gè)私有網(wǎng)中的所有主機(jī)和公共網(wǎng)中主機(jī)的IP通信。NAT技術(shù)可為TCP、UDP以及ICMP數(shù)據(jù)包提供透明轉(zhuǎn)發(fā)。
1.1 NAT工作原理
NAT的基本工作原理是，當(dāng)私有網(wǎng)主機(jī)和公共網(wǎng)主機(jī)通信的IP包經(jīng)過NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，將IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
如圖1所示，NAT網(wǎng)關(guān)有2個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，其中公共網(wǎng)絡(luò)端口的IP地址是統(tǒng)一分配的公共IP，為202.204.65.2；私有網(wǎng)絡(luò)端口的IP地址是保留地址，為192.168.1.1。私有網(wǎng)中的主機(jī)192.168.1.2向公共網(wǎng)中的主機(jī)166.111.80.200發(fā)送了1個(gè)IP包（Des=166.111.80.200,Src=192.168.1.2）。當(dāng)IP包經(jīng)過NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，NAT會(huì)將IP包的源IP轉(zhuǎn)換為NAT的公共IP并轉(zhuǎn)發(fā)到公共網(wǎng)，此時(shí)IP包（Des=166.111.80.200，Src=202.204.65.2）中已經(jīng)不含任何私有網(wǎng)IP的信息。由于IP包的源IP已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成NAT的公共IP，響應(yīng)的IP包（Des=202.204.65.2,Src=166.111.80.200）將被發(fā)送到NAT。這時(shí)，NAT會(huì)將IP包的目的IP轉(zhuǎn)換成私有網(wǎng)中主機(jī)的IP，然后將IP包（Des=192.168.1.2，Src=166.111.80.200）轉(zhuǎn)發(fā)到私有網(wǎng)。對(duì)于通信雙方而言，這種地址的轉(zhuǎn)換過程是完全透明的。
1.2 NAPT技術(shù)
由于NAT實(shí)現(xiàn)是私有IP和NAT的公共IP之間的轉(zhuǎn)換，那么，私有網(wǎng)中同時(shí)與公共網(wǎng)進(jìn)行通信的主機(jī)數(shù)量就受到NAT的公共IP地址數(shù)量的限制。為了克服這種限制，NAT被進(jìn)一步擴(kuò)展到在進(jìn)行IP地址轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行Port的轉(zhuǎn)換，這就是網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換NAPT（Network Address Port Translation）技術(shù)。
NAPT與NAT的區(qū)別在于，NAPT不僅轉(zhuǎn)換IP包中的IP地址，還對(duì)IP包中TCP和UDP的Port進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這使得多臺(tái)私有網(wǎng)主機(jī)利用1個(gè)NAT公共IP就可以同時(shí)和公共網(wǎng)進(jìn)行通信。
如圖2所示，私有網(wǎng)主機(jī)192.168.1.2要訪問公共網(wǎng)中的Http服務(wù)器166.111.80.200。首先，要建立TCP連接，假設(shè)分配的TCP Port是1010，發(fā)送了1個(gè)IP包（Des=166.111.80.200:80,Src=192.168.1.2:1010）,當(dāng)IP包經(jīng)過NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，NAT會(huì)將IP包的源IP轉(zhuǎn)換為NAT的公共IP，同時(shí)將源Port轉(zhuǎn)換為NAT動(dòng)態(tài)分配的1個(gè)Port。然后，轉(zhuǎn)發(fā)到公共網(wǎng)，此時(shí)IP包（Des=166.111.80.200：80，Src=202.204.65.2:2010）已經(jīng)不含任何私有網(wǎng)IP和Port的信息。由于IP包的源IP和Port已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成NAT的公共IP和Port，響應(yīng)的IP包（Des=202.204.65.2:,Src=2010166.111.80.200:80）將被發(fā)送到NAT。這時(shí)NAT會(huì)將IP包的目的IP轉(zhuǎn)換成私有網(wǎng)主機(jī)的IP，同時(shí)將目的Port轉(zhuǎn)換為私有網(wǎng)主機(jī)的Port，然后將IP包（Des=192.168.1.2:1010，Src=166.111.80.200:80）轉(zhuǎn)發(fā)到私網(wǎng)。對(duì)于通信雙方而言，這種IP地址和Port的轉(zhuǎn)換是完全透明的。
2 VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧
與VxWorks操作系統(tǒng)捆綁發(fā)行的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，是一個(gè)與BSD4.4兼容、功能齊全并針對(duì)嵌入式應(yīng)用作了大量?jī)?yōu)化的TCP/IP協(xié)議棧。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與VxWorks操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、設(shè)備管理工具以及上層協(xié)議和應(yīng)用可以集成在一起，有完整的路由功能并可以根據(jù)需要進(jìn)行剪裁。VxWorks的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的分層結(jié)構(gòu)如圖3所示。
VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸數(shù)據(jù)使用的內(nèi)存，是在系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議初始化的時(shí)候就申請(qǐng)下來(lái)的，并使用系統(tǒng)提供的netBufLib建立內(nèi)存字點(diǎn)池來(lái)管理這些內(nèi)存空間。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存都是從這些內(nèi)存節(jié)點(diǎn)池中申請(qǐng)，使用完畢后再釋放。
NetBufLib通過3種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧傳輸?shù)臄?shù)據(jù)：mBlk、clBlk和Cluster。其中，Cluster保存的是實(shí)際的數(shù)據(jù)，mBlk和clBlk中保存的信息是用來(lái)管理Cluster中保存的數(shù)據(jù)的。為了滿足傳輸不同大小數(shù)據(jù)的需要，Cluster是一些大小不同的內(nèi)存塊；缺省情況下，VxWorks網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧創(chuàng)建了大小從64～2048字節(jié)的6個(gè)不同的內(nèi)存節(jié)點(diǎn)池。
由于mBlk中保存的只是指向數(shù)據(jù)的指針，因此，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧不同層之間的數(shù)據(jù)傳輸可以避免數(shù)據(jù)拷貝。此外，對(duì)于分布在多個(gè)Cluster中的數(shù)據(jù)
【在VxWorks下實(shí)現(xiàn)NAT/NAPT的方法】相關(guān)文章：
基于Vxworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的串口通信程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)03-18
實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)錄音通知的另類方法11-22
非現(xiàn)場(chǎng)審計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法研究03-24
基于VxWorks的bootrom代碼改進(jìn)03-18
基于MapObjects控件的鷹眼圖實(shí)現(xiàn)方法03-07
在uClinux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)03-18