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網，因此在IPv4的設計當中，IP地址僅使用了32bit來標識網絡中的一個節點設備，雖然這很好地解決了IP數據報的對齊問題，但隨著Internet的迅猛發展，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。

為了節約IP地址資源，IETF拋棄了傳統的地址分類方式(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是把一個網絡中使用的IP地址翻譯成能被另一個網絡識別的IP地址。一個網絡被指定為內部網絡，另一個為外部網絡。通常，一個公司把自己的本地內部網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。網絡管理員創建一個NAT表，用它來實現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可以靜態定義，也可以根據IP地址池動態進行。

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，路由器并不會對轉發的數據包進行修改，比如對于以太網接口，路由器除了將源MAC 地址換成自己的MAC 地址以外，路由器不會對轉發的數據包做任何修改。NAT(Network Address Translate，網絡地址翻譯)恰恰是出于某種特殊需要而對數據包的源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就是改變轉發數據包的源地址，所謂DNAT就是改變轉發數據包的目的地址。

3　NAT 的VxWorks 實現

3.1　VxWorks的底層接口概況

3.1.1　VxWorks MUX 接口層

在VxWorks中，TCP/IP協議棧使用MUX接口去和數據鏈路層通信，MUX接口的目的是隔離數據鏈路層和網絡層。MUX接口之上是網絡協議層，比如TCP/IP、 MUX_PROTO_OUTPUT、 MUX_PROTO_SNARF等協議，在MUX之下為網絡硬件的驅動程序。MUX接口層提供一套接口去完成協議和驅動注冊，協議和驅動之間數據接收、發送，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數據包的截獲

要在VxWorks中實現NAT，必須實現兩個基本操作：IP數據包的截獲與IP數據包的偽裝處理。

對于VxWorks協議棧來講，NAT的存在是透明的。所以，要實現NAT的功能，必須在VxWorks網絡協議棧處理數據包之前截獲數據。要實現這一點，VxWorks為我們提供了兩類鉤子函數，截獲以太幀的EtherHook和截獲IP數據包的IpFilterHook。

其中EtherHook又包括EtherInputHook和EtherOutputHook，分別用來截獲接收和發送的以太幀。用戶可以通過EtherInputHookAdd和EtherOutputHookAdd來分別進行安裝。

而IpFilterHook提供對IP數據包的截獲，它只對應一個鉤子函數，用IpFilterHookAdd來進行安裝。當收到一個IP數據包的時候，IpFilterHook會被自動調用，從而達到對IP數據包截獲的目的。

對比兩種接口，EtherInputHookAdd將調用MuxBind去添加一個MUX_PROTO_SNARF協議，這樣可以得到進入MUX接口層的所有數據包。而由IpFilterHookAdd安裝的IpFilterHook，不屬于MUX接口層，僅僅用來截獲IP數據包，而不會接收到非IP數據包。

鑒于以上的區別，我們使用IpFilterHookAdd函數安裝的IpFilterHook來截獲IP數據包比較合適，參見圖2。

3.2　NAT偽裝策略

3.2.1　網絡接口

網絡接口是VxWorks的一個內核對象，它是由網絡驅動程序注冊的。它在內核中用于標識網絡設備的驅動程序，包含著該網絡設備特有的屬性、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數據被保存在一個mBlk的結構當中。該結構除保存數據內容外，還保存了管理數據內容的信息結構以及接口信息。

3.2.2　哪些IP數據包需要偽裝

在做NAT地址映射時，我們需要判斷對哪些IP包進行偽裝(NAT變換)。我們通過下面這個實例來進行講解(見圖3)。

在這個實例中，網關通過網絡接口If0連接到局域網中，并通過If1連接到Internet上，同時，網關啟用NAT功能。此時，位于局域網中的主機A如果想訪問Internet上10.2.4.0/24網段的主機B，最好的方法是通過網關上的NAT。

那么，具體哪些包需要進行NAT變換呢?我們先根據源地址和目的地址來劃分網關可能收到的包的類型。

(1)接口If0收到的IP數據包，目的地址為網關If0接口的IP地址。

(2)接口If0收到的IP數據包，目的地址為網關If1接口的IP地址。

(3)接口If0收到的IP數據包，目的地址非網關任一接口的地址的私網IP地址。

(4)接口If0收到的IP數據包，目的地址非網關任一接口的地址的公網IP地址。

(5)接口If1收到的IP數據包，目的地址為If1接口的IP地址。

(6)接口If1收到的IP數據包，目的地址非If1接口的IP地址。

對于前面3種情況，NAT不進行任何處理，直接交給VxWorks網絡協議棧，由協議棧來做進一步的處理。

對于第4種情況，符合NAT變換的需求，NAT將改變原IP包的源地址為網關的外出口地址，同時選擇網關該接口未分配的端口來修改原IP包中的源端口，并添加該記錄到NAT映射表內。最后把IP包送到If1接口，然后發送到目的主機。

對于第5種情況，我們將收到的IP數據包送到NAT處理。通過查找NAT映射表，決定是否將其目標地址轉換為LAN中的某一個地址，還是不做任何處理，直接歸還給協議棧。對于第6種情況，我們這里也簡單地直接歸還給協議棧進行處理。