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在VxWorks下實(shí)現NAT/NAPT的方法
摘要：介紹NAT、NAPT的基本概念和工作原理；結合VxWorks的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，描述一種利用VxWorks操作系統提供的鉤子函數來(lái)開(kāi)發(fā)實(shí)現NAT和NAPT的方法。引言
近年來(lái)，隨著(zhù)Internet的迅猛發(fā)展，連入Internet的主機數量成倍增長(cháng)。由于最初設計Internet的時(shí)候并沒(méi)有考慮到需要支持這么大的規模，因而Internet使用的Ipv4協(xié)議中IP地址的長(cháng)度選擇了32位，它可以使IP包的格式很好地對齊；但是，目前IP地址的短缺已經(jīng)成為Internet面臨的最大問(wèn)題之一。
為了解決IP地址短缺的問(wèn)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。在眾多的解決方案中，網(wǎng)絡(luò )地址轉換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1個(gè)私有網(wǎng)中的所有主機和公共網(wǎng)中主機的IP通信。NAT技術(shù)可為T(mén)CP、UDP以及ICMP數據包提供透明轉發(fā)。
1.1 NAT工作原理
NAT的基本工作原理是，當私有網(wǎng)主機和公共網(wǎng)主機通信的IP包經(jīng)過(guò)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192.168.1.2向公共網(wǎng)中的主機166.111.80.200發(fā)送了1個(gè)IP包（Des=166.111.80.200,Src=192.168.1.2）。當IP包經(jīng)過(guò)NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，NAT會(huì )將IP包的源IP轉換為NAT的公共IP并轉發(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)被轉換成NAT的公共IP，響應的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轉換成私有網(wǎng)中主機的IP，然后將IP包（Des=192.168.1.2，Src=166.111.80.200）轉發(fā)到私有網(wǎng)。對于通信雙方而言，這種地址的轉換過(guò)程是完全透明的。
1.2 NAPT技術(shù)
由于NAT實(shí)現是私有IP和NAT的公共IP之間的轉換，那么，私有網(wǎng)中同時(shí)與公共網(wǎng)進(jìn)行通信的主機數量就受到NAT的公共IP地址數量的限制。為了克服這種限制，NAT被進(jìn)一步擴展到在進(jìn)行IP地址轉換的同時(shí)進(jìn)行Port的轉換，這就是網(wǎng)絡(luò )地址端口轉換NAPT（Network Address Port Translation）技術(shù)。
NAPT與NAT的區別在于，NAPT不僅轉換IP包中的IP地址，還對IP包中TCP和UDP的Port進(jìn)行轉換。這使得多臺私有網(wǎng)主機利用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192.168.1.2要訪(fǎng)問(wèn)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IP包經(jīng)過(guò)NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，NAT會(huì )將IP包的源IP轉換為NAT的公共IP，同時(shí)將源Port轉換為NAT動(dòng)態(tài)分配的1個(gè)Port。然后，轉發(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)被轉換成NAT的公共IP和Port，響應的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轉換成私有網(wǎng)主機的IP，同時(shí)將目的Port轉換為私有網(wǎng)主機的Port，然后將IP包（Des=192.168.1.2:1010，Src=166.111.80.200:80）轉發(fā)到私網(wǎng)。對于通信雙方而言，這種IP地址和Port的轉換是完全透明的。
2 VxWorks的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧
與VxWorks操作系統捆綁發(fā)行的標準網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，是一個(gè)與BSD4.4兼容、功能齊全并針對嵌入式應用作了大量?jì)?yōu)化的TCP/IP協(xié)議棧。該網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧與VxWorks操作系統、開(kāi)發(fā)工具、設備管理工具以及上層協(xié)議和應用可以集成在一起，有完整的路由功能并可以根據需要進(jìn)行剪裁。VxWorks的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的分層結構如圖3所示。
VxWorks網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧傳輸數據使用的內存，是在系統啟動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )協(xié)議初始化的時(shí)候就申請下來(lái)的，并使用系統提供的netBufLib建立內存字點(diǎn)池來(lái)管理這些內存空間。網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧傳輸數據所需的內存都是從這些內存節點(diǎn)池中申請，使用完畢后再釋放。
NetBufLib通過(guò)3種數據結構處理網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧傳輸的數據：mBlk、clBlk和Cluster。其中，Cluster保存的是實(shí)際的數據，mBlk和clBlk中保存的信息是用來(lái)管理Cluster中保存的數據的。為了滿(mǎn)足傳輸不同大小數據的需要，Cluster是一些大小不同的內存塊；缺省情況下，VxWorks網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧創(chuàng )建了大小從64～2048字節的6個(gè)不同的內存節點(diǎn)池。
由于mBlk中保存的只是指向數據的指針，因此，網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧不同層之間的數據傳輸可以避免數據拷貝。此外，對于分布在多個(gè)Cluster中的數據
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