网络数据包发送过程 含NAT 穿越，路由

此文转载自： 芷菁博客 http://www.stars625.com/nat.html
感谢人家的贡献，我转发到自己博客是为了以后温习方便。

这是做路由器的时候，学习网络地址转换Network Address Translation后的一些理解整理，主要通过实例和图表的方式展示了NAT的工作原理和每个阶段的状态。本文的NAT是基本于Linux下的iptables命令实现。

1 概述

1.1 简介

NAT英文全称是“Network Address Translation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（Internet Protocol）地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术。因此我们可以认为，NAT在一定程度上，能够有效的解决公网地址不足的问题。

1.2 分类

NAT有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（Port-Level NAT）。

其中，网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT与 动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的端口号。

NAPT是使用最普遍的一种转换方式，在HomeGW中也主要使用该方式。它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。

(1)源NAT（Source NAT，SNAT）：修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址，它永远会在数据包发送到网络之前完成，数据包伪装就是一具SNAT的例子。

(2)目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改数据包的目的地址。Destination NAT刚好与SNAT相反，它是改变第一个数据懈的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是属于DNAT。



1.3 应用

NAT主要可以实现以下几个功能：数据包伪装、平衡负载、端口转发和透明代理。

数据伪装: 可以将内网数据包中的地址信息更改成统一的对外地址信息，不让内网主机直接暴露在因特网上，保证内网主机的安全。同时，该功能也常用来实现共享上网。

端口转发: 当内网主机对外提供服务时，由于使用的是内部私有IP地址，外网无法直接访问。因此，需要在网关上进行端口转发，将特定服务的数据包转发给内网主机。

负载平衡: 目的地址转换NAT可以重定向一些服务器的连接到其他随机选定的服务器。

失效终结: 目的地址转换NAT可以用来提供高可靠性的服务。如果一个系统有一台通过路由器访问的关键服务器，一旦路由器检测到该服务器当机，它可以使用目的地址转换NAT透明的把连接转移到一个备份服务器上。

透明代理: NAT可以把连接到因特网的HTTP连接重定向到一个指定的HTTP代理服务器以缓存数据和过滤请求。一些因特网服务提供商就使用这种技术来减少带宽的使用而不用让他们的客户配置他们的浏览器支持代理连接。

2 原理

2.1 地址转换

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。

如下图所示，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202.20.65.5；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202.20.65.4发送了1个IP包(Dst=202.20.65.4,Src=192.168.1.2)。



当IP包经过NAT网关时，NAT Gateway会将IP包的源IP转换为NAT Gateway的公共IP并转发到公共网，此时IP包（Dst=202.20.65.4，Src=202.20.65.5）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 Gateway的公共IP，Web Server发出的响应IP包（Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4）将被发送到NAT Gateway。

这时，NAT Gateway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=202.20.65.4）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。转换示意图如下。



如果内网主机发出的请求包未经过NAT，那么当Web Server收到请求包，回复的响应包中的目的地址就是私网IP地址，在Internet上无法正确送达，导致连接失败。

2.2 连接跟踪

在上述过程中，NAT Gateway在收到响应包后，就需要判断将数据包转发给谁。此时如果子网内仅有少量客户机，可以用静态NAT手工指定；但如果内网有多台客户机，并且各自访问不同网站，这时候就需要连接跟踪（connection track）。如下图所示：



在NAT Gateway收到客户机发来的请求包后，做源地址转换，并且将该连接记录保存下来，当NAT Gateway收到服务器来的响应包后，查找Track Table，确定转发目标，做目的地址转换，转发给客户机。

2.3 端口转换

以上述客户机访问服务器为例，当仅有一台客户机访问服务器时，NAT Gateway只须更改数据包的源IP或目的IP即可正常通讯。但是如果Client A和Client B同时访问Web Server，那么当NAT Gateway收到响应包的时候，就无法判断将数据包转发给哪台客户机，如下图所示。



此时，NAT Gateway会在Connection Track中加入端口信息加以区分。如果两客户机访问同一服务器的源端口不同，那么在Track Table里加入端口信息即可区分，如果源端口正好相同，那么在时行SNAT和DNAT的同时对源端口也要做相应的转换，如下图所示。



3 Linux下NAT实现

3.1 netfilter/iptables模块

netfilter/iptables（IP信息包过滤系统）是一种功能强大的工具，根据数据包过滤规则，对经过的网络数据包进行丢弃、改造、转发等处理。

netfilter组件也称为内核空间（kernelspace），是内核的一部分，由一些数据包过滤表组成，这些表包含内核用来控制信息包过滤处理的规则集。

iptables组件是一种工具，也称为用户空间（userspace），它主要用来向用户提供添加、修改、删除内核中数据过滤表的接口。

3.2 基于netfilter/iptables的NAT

netfilter/iptables中的数据包过滤表有三种：filter、nat和mangle。

filter 表用于一般的信息包过滤，它包含 INPUT 、 OUTPUT 和 FORWARD 链。

nat 表用于要转发的信息包，它包含 PREROUTING 、 OUTPUT 和 POSTROUTING 链。

如果信息包及其头内进行了任何更改，则使用 mangle 表。该表包含一些规则来标记用于高级路由的信息包，该表包含 PREROUTING 和 OUTPUT 链。

filter 表用来过滤数据包，我们可以在任何时候匹配包并过滤它们。Mangle不经常使用还在开发当中。我们下面主要介绍Nat表来实现NAT功能。

(1)用户使用iptables命令在用户空间设置NAT规则。通过使用用户空间iptables命令，可以构建用户自己的定制NAT规则。所有规则存储在内核空间的nat表中。根据规则所处理的信息包类型，将规则分组在链中。要做SNAT的信息包被添加到POSTROUTING链中。要做DNAT的信息包被添加到PREROUTING链中。直接从本地出站的信息包的规则被添加到OUTPUT 链中。

(2)内核空间接管NAT工作.做过NAT操作的数据包的地址就被改变了，当然这种改变是根据我们的规则进行的。属于一个流的包只会经过这个表一次。如果第一个包被允许做NAT或 Masqueraded，那么余下的包都会自动地被做相同的操作。也就是说，余下的包不会再通过这个表，一个一个的被NAT，而是自动地完成。这就是我们为什么不应该在这个表中做任何过滤的主要原因。PREROUTING 链的作用是在包刚刚到达防火墙时改变它的目的地址，如果需要的话。OUTPUT链改变本地产生的包的目的地址。下图是数据包穿越整个netfilter/iptables的流程图。



（3）NAT工作步骤：

DNAT：若包是被送往PREROUTING链的，并且匹配了规则，则执行DNAT或REDIRECT目标。为了使数据包得到正确路由，必须在路由之前进行DNAT。

路由：内核检查信息包的头信息，尤其是信息包的目的地。

处理本地进程产生的包：对nat表OUTPUT链中的规则实施规则检查，对匹配的包执行目标动作。

SNAT：若包是被送往POSTROUTING链的，并且匹配了规则，则执行SNAT或MASQUERADE目标。系统在决定了数据包的路由之后才执行该链中的规则。

下面内容同样来自互联网，解释，数据包IP改写为公网IP后，到达目的IP的过程

主机A与主机B通信,A Ping B,图:A-交换机-B,AB同一子网

(1)ping数据包用的是ICMP协议，IP协议的一个子协议，位于三层，包含A的IP，B的IP,三层进行IP封装成包,进入二层

(2)A,B处于相同子网,查看缓存中对与目的对应得B第2层mac地址,如果存在，直接进行第2层封装成帧，经物理层信号编码，以0101010010这样的bits流传输在网络介质上。

(3)如果不存在B的MAC，则发送ARP广播请求B的MAC，ARP数据包经物理层进入交换机端口，需要进行源端口号学习，目的端口查找，B响应ARP请求，交换机又可以学习一目的MAC地址与哪个端口对应，在下次传送数据时就不再需要对所有端口进行广播了。B通过ARP单播把B的MAC响应给A,此时再返回(2)的处理过程。

(4)当再进行A与B之间数据包转发，将直接用B的MAC地址封装，数据转发得以高速交换

主机A与主机C通信，A Ping C,图:A-交换机-路由器M-路由器N-交换机-C，AC不同子网

(1)两个机器不在同一子网内，A要与目的C通信，A要向“缺省网关”发出ARP包，而“缺省网关”的IP地址已经在A系统软件中设置。这个IP地址实际上对应路由器M的E0的IP地址。所以A对“缺省网关”的IP地址广播出一个ARP请求时，路由器M的E0口的MAC回复给A，此时A数据包的目的MAC替换为M的E0口MAC。

(2)MAC替换后，经物理层，传输到交换机物理层，再传到交换机数据链路层，再经数据数据链路层到物理层。

(3)经bit流传到路由器M的物理层，然后传到数据链路层，二层解封装，目的IP与路由器M三层IP路由表比较，若匹配正确，交给上层处理，否则会缓存数据包内容，然后根据目标地址查找路由表找到相关表项，得到NEXT HOP及出接口的MAC地址，用这两个地址作为新的目的及源MAC地址封装事先缓存的数据包，然后转发，这个过程称为帧的重写（REWRITE）。

(4)重复进行MAC替换后， 在路由器N中，找到与目的IP匹配表项，若N中存在C对应的MAC表项，则数据传输到C网络层，否则N发送ARP广播请求C的MAC。

(5)当C收到A的数据包后，再从A到C进行一次反向MAC替换过程。反向过程中，每一步省略掉ARP请求NEXT HOP的MAC，因为MAC表已经建立起来。

总结：

IP报文传输过程包括：

　　1. Host sends packet to default gateway（主机将数据包发送到默认网关）

　　2. Packet placed in frame（数据包被封装入帧）

　　3. Router receives frame（路由器接到帧）

　　4. Router finds destination network in route table（路由器在路由表中发现目标网络）

　　5. Router chooses next hop toward destination（路由器选择一个更接近目标的下一跳）

　　6. MAC address of next hop determined（下一跳的MAC地址被确定）

　　7. Packet placed in frame（数据包被封装入帧）

　　8. Repeats steps 2 through 7 as necessary（如果需要的话，重复步骤2～7）

　　9. Router receives frame（路由器接到帧）

　　10. Router finds network directly connected（路由器发现直连网络）

　　11. MAC address of end host determined（最终主机的MAC地址被确定）

　　12. Packet placed in frame to final destination（帧中的数据包被发送到最终主机）

IP报文传输整个过程的示意如图3所示。



　　　　　　　　　　　　　　　图3　 IP报文传输过程

在数据包端到端的传输过程中，逻辑地址始终不会发生改变，而MAC地址则随着具体链路的不同而不同。

　　路由器在某一个入接口上接收到数据帧后，先检测目的地是否是自己。若是，则交给上层处理，否则会缓存数据包内容，然后根据目标地址查找路由表找到相关表项，得到NEXT HOP及出接口的MAC地址，用这两个地址作为新的目的及源MAC地址封装事先缓存的数据包，然后转发，这个过程称为帧的重写（REWRITE）。

ARP（Address Resolution Protocol，地址解析协议）有以下特点：

　　ARP由ARP Request(广播)与ARP Reply（单播）组成。

　　只有当发送方认为目标主机与自己位于同一逻辑网络（同一网段），ARP Request才会发出。

　　属于本地的MAP（不同于FR MAP）IP地址与MAC地址均属于同一个设备（接口）。

　　其工作过程示意如图4所示。



　　　　　　　　　　　　　图4　 ARP工作过程示意图

封装

　　所谓封装是指在发送方发生的自上而下的过程——在每一层为应用数据添加上特定的头部/尾部信息（PDU，Protocol Data Unit，协议数据单元）

　　Application（应用程序）→segment（数据段）→packet（数据包）→frame（数据帧）→bit（比特，二进制位）

解封装

　　所谓解封装是指在接收方发生的自下而上的过程——逐层的去掉头部以及尾部信息

更细微的过程，设计系统内部：

网络设备接口部分主要负责从物理介质接收和发送数据，实现的文件在linu/driver/net目录下面。

　　网络接口核心部分是整个网络接口的关键部位，它为网络协议提供统一的发送接口，屏蔽各种各样的物理介质，同时有负责把来自下层的包向合适的协议配送。它是网络接口的中枢部份。它的主要实现文件在linux/net/core目录下，其中linux/net/core/dev.c为主要管理文件。

　　网络协议族部分是各种具体协议实现的部份。Linux支持TCP/IP，IPX，X.25，AppleTalk等的协议，各种具体协议实现的源码在 linux/net/目录下相应的名称。在这里主要讨论TCP/IP(IPv4)协议，实现的源码在linux/net/ipv4,其中linux/net/ipv4/af_inet.c是主要的管理文件。

　　网络接口Socket层为用户提供的网络服务的编程接口，主要的源码在linux/net/socket.c

发送：

应用程序调用系统调用，将数据发送给socket

socket检查数据类型，调用相应的send函数

send函数检查socket状态、协议类型，传给传输层

tcp/udp（传输层协议）为这些数据创建数据结构，加入协议头部，比如端口号、检验和，传给下层（网络层）

ip（网络层协议）添加ip头，比如ip地址、检验和

如果数据包大小超过了mtu（最大数据包大小），则分片；ip将这些数据包传给链路层

链路层写到网卡队列

网卡调用响应中断驱动程序，发送到网络

接收：

数据包从网络到达网卡，网卡接收帧，放入网卡buffer，在向系统发送中断请求

cpu调用相应中断函数，这些中断处理程序在网卡驱动中

中断处理函数从网卡读入内存，交给链路层

链路层将包放入自己的队列，置软中断标志位

进程调度器看到了标志位，调度相应进程

该进程将包从队列取出，与相应协议匹配，一般为ip协议，再将包传递给该协议接收函数

ip层对包进行错误检测，无错，路由

路由结果，packet被转发或者继续向上层传递

如果发往本机，进入链路层

链路层再进行错误侦测，查找相应端口关联socket，包被放入相应socket接收队列

socket唤醒拥有该socket的进程，进程从系统调用read中返回，将数据拷贝到自己的buffer，返回用户态。