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在VxWorks下實現NAT/NAPT的方法
摘要：介紹NAT、NAPT的基本概念和工作原理；結合VxWorks的網絡協議棧，描述一種利用VxWorks操作系統提供的鉤子函數來開發實現NAT和NAPT的方法。引言
近年來，隨著Internet的迅猛發展，連入Internet的主機數量成倍增長。由于最初設計Internet的時候并沒有考慮到需要支持這么大的規模，因而Internet使用的Ipv4協議中IP地址的長度選擇了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協議Ipv6的出臺。在眾多的解決方案中，網絡地址轉換NAT（Network Address Translation）技術提供了一種完全將私有網和公共網隔離的方法，從而得到了廣泛的應用。
圖1 NAT工作原理示意圖
1 NAT技術
NAT技術的基本功能就是，用1個或幾個IP地址來實現1個私有網中的所有主機和公共網中主機的IP通信。NAT技術可為TCP、UDP以及ICMP數據包提供透明轉發。
1.1 NAT工作原理
NAT的基本工作原理是，當私有網主機和公共網主機通信的IP包經過NAT網關時，將IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之間進行轉換。
如圖1所示，NAT網關有2個網絡端口，其中公共網絡端口的IP地址是統一分配的公共IP，為202.204.65.2；私有網絡端口的IP地址是保留地址，為192.168.1.1。私有網中的主機192.168.1.2向公共網中的主機166.111.80.200發送了1個IP包（Des=166.111.80.200,Src=192.168.1.2）。當IP包經過NAT網關時，NAT會將IP包的源IP轉換為NAT的公共IP并轉發到公共網，此時IP包（Des=166.111.80.200，Src=202.204.65.2）中已經不含任何私有網IP的信息。由于IP包的源IP已經被轉換成NAT的公共IP，響應的IP包（Des=202.204.65.2,Src=166.111.80.200）將被發送到NAT。這時，NAT會將IP包的目的IP轉換成私有網中主機的IP，然后將IP包（Des=192.168.1.2，Src=166.111.80.200）轉發到私有網。對于通信雙方而言，這種地址的轉換過程是完全透明的。
1.2 NAPT技術
由于NAT實現是私有IP和NAT的公共IP之間的轉換，那么，私有網中同時與公共網進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被進一步擴展到在進行IP地址轉換的同時進行Port的轉換，這就是網絡地址端口轉換NAPT（Network Address Port Translation）技術。
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進行轉換。這使得多臺私有網主機利用1個NAT公共IP就可以同時和公共網進行通信。
如圖2所示，私有網主機192.168.1.2要訪問公共網中的Http服務器166.111.80.200。首先，要建立TCP連接，假設分配的TCP Port是1010，發送了1個IP包（Des=166.111.80.200:80,Src=192.168.1.2:1010）,當IP包經過NAT網關時，NAT會將IP包的源IP轉換為NAT的公共IP，同時將源Port轉換為NAT動態分配的1個Port。然后，轉發到公共網，此時IP包（Des=166.111.80.200：80，Src=202.204.65.2:2010）已經不含任何私有網IP和Port的信息。由于IP包的源IP和Port已經被轉換成NAT的公共IP和Port，響應的IP包（Des=202.204.65.2:,Src=2010166.111.80.200:80）將被發送到NAT。這時NAT會將IP包的目的IP轉換成私有網主機的IP，同時將目的Port轉換為私有網主機的Port，然后將IP包（Des=192.168.1.2:1010，Src=166.111.80.200:80）轉發到私網。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的網絡協議棧
與VxWorks操作系統捆綁發行的標準網絡協議棧，是一個與BSD4.4兼容、功能齊全并針對嵌入式應用作了大量優化的TCP/IP協議棧。該網絡協議棧與VxWorks操作系統、開發工具、設備管理工具以及上層協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行剪裁。VxWorks的網絡協議棧的分層結構如圖3所示。
VxWorks網絡協議棧傳輸數據使用的內存，是在系統啟動進行網絡協議初始化的時候就申請下來的，并使用系統提供的netBufLib建立內存字點池來管理這些內存空間。網絡協議棧傳輸數據所需的內存都是從這些內存節點池中申請，使用完畢后再釋放。
NetBufLib通過3種數據結構處理網絡協議棧傳輸的數據：mBlk、clBlk和Cluster。其中，Cluster保存的是實際的數據，mBlk和clBlk中保存的信息是用來管理Cluster中保存的數據的。為了滿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網絡協議棧創建了大小從64～2048字節的6個不同的內存節點池。
由于mBlk中保存的只是指向數據的指針，因此，網絡協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Cluster中的數據
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