智匯華云 | VPP全錐型NAT實現(xiàn)

　　本期智匯華云，華云數(shù)據(jù)特別邀請到華云數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)組開發(fā)工程師許猛為大家?guī)?ldquo;VPP全錐型NAT實現(xiàn)”。

　　內(nèi)容介紹

　　在現(xiàn)實Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，大多數(shù)計算機(jī)主機(jī)都位于防火墻或NAT之后，只有少部分主機(jī)能夠直接接入Internet。很多時候，我們希望網(wǎng)絡(luò)中的兩臺主機(jī)能夠直接進(jìn)行通信，即所謂的P2P通信，而不需要其他公共服務(wù)器的中轉(zhuǎn)。由于主機(jī)可能位于防火墻或NAT之后，在進(jìn)行P2P通信之前，我們需要進(jìn)行檢測以確認(rèn)它們之間能否進(jìn)行P2P通信以及如何通信。這種技術(shù)通常稱為NAT穿透(NAT Traversal)。最常見的NAT穿透是基于UDP的技術(shù)，如RFC3489中定義的STUN協(xié)議。

　　RFC5780為了檢測NAT類型，對NAT定義了三種映射規(guī)則Mapping跟Filtering，組合形成9種類型，包含RFC3489種定義的4種類型：Full Cone NAT、Restricted Cone NAT、Port Restricted Cone NAT、Symmetric NAT。

　　根據(jù)NAT實現(xiàn)原理，對稱NAT安全性最高，全錐形NAT安全性最低，這也意味著對稱NAT實現(xiàn)P2P條件最苛刻。VPP作為網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面，VPP默認(rèn)支持對稱型NAT，要實現(xiàn)P2P必須要求對方為全錐形NAT，在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)路徑中幾乎不存在，為了最大程度支持P2P，VPP實現(xiàn)全錐形NAT，這種模式下，很適合類似視頻推流里P2P。

　　NAT類型分類

　　RFC3489NAT的UDP的實現(xiàn)方式有4種類型：

　　Full Cone NAT：

　　完全錐形NAT，所有從同一個內(nèi)網(wǎng)IP和端口號發(fā)送過來的請求都會被映射成同一個外網(wǎng)IP和端口號，并且任何一個外網(wǎng)主機(jī)都可以通過這個映射的外網(wǎng)IP和端口號向這臺內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送包。

　　Restricted Cone NAT：

　　限制錐形NAT，它也是所有從同一個內(nèi)網(wǎng)IP和端口號發(fā)送過來的請求都會被映射成同一個外網(wǎng)IP和端口號。與完全錐形不同的是，外網(wǎng)主機(jī)只能夠向先前已經(jīng)向它發(fā)送過數(shù)據(jù)包的內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送包。

　　Port Restricted Cone NAT：

　　端口限制錐形NAT，與限制錐形NAT很相似，只不過它包括端口號。也就是說，一臺IP地址X和端口P的外網(wǎng)主機(jī)想給內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送包，必須是這臺內(nèi)網(wǎng)主機(jī)先前已經(jīng)給這個IP地址X和端口P發(fā)送過數(shù)據(jù)包。

　　Symmetric NAT：

　　對稱NAT，所有從同一個內(nèi)網(wǎng)IP和端口號發(fā)送到一個特定的目的IP和端口號的請求，都會被映射到同一個IP和端口號。如果同一臺主機(jī)使用相同的源地址和端口號發(fā)送包，但是發(fā)往不同的目的地，NAT將會使用不同的映射。此外，只有收到數(shù)據(jù)的外網(wǎng)主機(jī)才可以反過來向內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送包。

　　RFC5780中9種NAT類型：

　　下面介紹一種Mapping Behavior(映射規(guī)則)和 Fieltering Behavior(過濾規(guī)則)：

　　Mapping Behavior：

　　Endpoint-Independent Mapping：

　　對于一個內(nèi)網(wǎng)的EedpointP，其對應(yīng)的外網(wǎng)EndpointG是基本固定的，不會隨著通訊外部主機(jī)的不同而變化。

　　Filtering Behavior：

　　Endpoint-Independent Filtering：

　　對于這種過濾型，NAT在主機(jī)的一個外網(wǎng)EndpointG1收到包，只要找到與之對應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)EndpointP1，NAT就會轉(zhuǎn)發(fā)這個資料包給相應(yīng)的內(nèi)網(wǎng)EndpointP1，不管這個資料包的來源是哪里。(安全性最低，穿透性最高)

　　VPP Full Cone NAT

　　VPP通過三元組(其實是四元組，fib用來做)記錄內(nèi)網(wǎng)IP跟出口網(wǎng)關(guān)的對應(yīng)關(guān)系以及協(xié)議，而不記錄對端IP以及PORT，所以回程不會檢查過濾源IP及PORT。

　　簡化版NAT報文處理流程如下，文件in2out.c out2in.c：

　　1、 內(nèi)網(wǎng)發(fā)起的對外請求

　　2、 查找user的in2out表，如果不存在則根據(jù)映射算法計算出 NAT轉(zhuǎn)換后的IP、PORT，建立轉(zhuǎn)換關(guān)系in2out以及out2in表

　　3、 根據(jù)映射關(guān)系替換原始包頭的IP、PORT重新計算校驗和

　　4、 發(fā)送報文

　　5、 外網(wǎng)回復(fù)報文，進(jìn)入到out2in流程，查找out2in表，找到對應(yīng)映射關(guān)系

　　6、 根據(jù)映射關(guān)系替換原始包頭的IP、PORT重新計算校驗和

　　7、 接受報文

　　8、 發(fā)送給內(nèi)網(wǎng)地址

　　In2out處理簡化流程：

　　Out2in處理流程：

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