在VxWorks下实现NAT/NAPT的方法 01 Internet, 解决方案, Network, IP协议, IP地址

samwalton

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。

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。