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创建时间：2006-06-17文章属性：原创文章提交： (thinkingfh_at_163.com)1.概要 相信在IPv6的时代到来之前,NAT仍然是解决大多数人上网的主要途径,而且它在企业内网Intranet中也扮演着十分重要的角色. NAT的全称是Network Address Translator(网络地址转换),其主要作用是把内网IP地址转换成为全球唯一的可定位的外部IP地址,从而使得局域网内的所有用户可以通过一个或者少数几个IP地址与全球的Internet通信,不仅节约了IP地址,而且在一定程度上保护了内部网络. 由于工作需要,笔者希望编写一个具有NAT功能的软件,将同一个网段内把本机设为网关的拥有私有IP的主机发来的数据包转发到外部网络,并把响应信息返回给对应的主机.这个问题在不同的层次上做就有不同的解决方案,由于笔者也是网络新手,走了不少弯路: 首先,企图在用户层利用原始套接字(Raw Socket)来实现,但是系统拥有对未开放端口的自动复位功能,每当我们转发一个数据包时,需要占用系统的一个端口,但是这点系统并不知道,它接收到对于这个端口的回应信息时,会认为本端口不存在,并发送一个带有复位标志的数据包请求对方断开连接.这就阻拦了所有非本机请求的连接,所以这个方案首先被否定了. 随后,不得不往系统下面走,准备在核心态实现.当然越简单越好,于是笔者选择了Filter-Hook驱动.Filter-Hook Driver, 事实上不是一种新的网络驱动，它只是扩展了IP过滤驱动(IP Filter Driver)的功能,是一种内核模式驱动(Kernel Mode Driver). 在Filter-Hook Driver中我们提供回调函数(callback)，然后使用IP Filter Driver注册回调函数。这样当数据包发送和接收时，IP Filter Driver会调用回调函数。可惜梦想再一次破灭,这个回调函数的返回值只有PF_FORWARD,PF_DROP,PF_PASS三种,并不能把修改后的数据包主动发送出去. 只有在向底层走了,NDIS应该是必经之路.而且经过两次失败,发现闭门造车是不可行的,偶然在网上搜索到了几篇文章,听说在NDIS的中间层驱动中可以实现NAT,新的探索之路就这样开始了......2.NAT简介 NAT(Network Address Translator)的出现并不是偶然的,一方面是由于IPv4的创造者们没有想到,Internet以及TCP/IP发展如此迅速,在他们还们完全享受TCP/IP的成功带来的快感之前,32位的IP地址竟然不够用了;另一方面我们必须保证某些特殊的主机在于局域网络连接的同时,保持对外界直接曝光,但是由需要与外界在受控的情况下通讯.下图是一个典型的NAT示意. \ | / . / +---------------+ WAN . +-----------------+/ |Regional Router|----------------------|Stub Router w/NAT|--- +---------------+ . +-----------------+\ . | \ . | LAN . --------------- Stub border 下面举一个具体的例子说明两个处于内网的主机是如何通过NAT通信的 \ | / +---------------+ |Regional Router| +---------------+ WAN | | WAN | | Stub A .............|.... ....|............ Stub B | | {s=198.76.29.7,^ | | v{s=198.76.29.7, d=198.76.28.4}^ | | v d=198.76.28.4} +-----------------+ +-----------------+ |Stub Router w/NAT| |Stub Router w/NAT| +-----------------+ +-----------------+ | | | LAN LAN | ------------- ------------- | | {s=10.33.96.5, ^ | | v{s=198.76.29.7, d=198.76.28.4}^ +--+ +--+ v d=10.81.13.22} |--| |--| /____\ /____\ 10.33.96.5 10.81.13.22图中有两个残桩网络A和B,现在假设A中的一台主机10.33.96.5需要同B中的10.81.13.22通信,它必须把自己发送的数据报的目的地址设置为B的一个外网地址198.76.28.4,并在NAT中把源地址转换成A的外部地址198.76.29.7,才能使数据包顺利抵达广域网中的路由器,并转到B,在由B网的NAT把数据包发送给10.81.13.22. 随着NAT多年的发展,出现了很多不同风格,应用于不同场合的NAT.笔者实现的是传统NAT中的一种特殊情况NAPT(Network Address Port Translation),它把所有内网的IP地址都转换成同一个外部IP地址,并通过不同的端口来区分各个不同的内部主机.3.中间层驱动NDIS Intermediate Drivers 所谓中间层驱动是指位于微端口和协议之间的驱动,实际上它是微软在网络驱动中留出来的接口,便于用户实现自己对数据包的处理.在协议驱动层看来,它就是微端口;在微端口看来,它又是协议层驱动.因此,如果需要在此层实现自己对数据包的处理函数,不仅要在上边缘注册MiniportXxx Function,还要在下边缘注册ProtocolXxx Function.一般在这个层次做工作的同志都会学习并了解DDK的一个经典Sample:Passthru.如果对它不了解,可以去看看Addylee前几天的文章"基于PassThru的NDIS中间层驱动程序扩展",讲得很清晰.4.NAPT的具体实现 程序整体框架依然是基于PaaThru的,具体要注意的问题有以下几点:4.1 转发表的维护typedef struct _PortNode{ USHORT inport; //内网端口 USHORT export; //转发端口 USHORT report; //远程端口 ULONG inip; //内网IP ULONG reip; //远程IP struct _PortNode * next; //链表指针}PortNode;PortNode * first = NULL; //全局变量,转发表的头结点NTSTATUSDriverEntry( IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath ){ ...... Status = NdisAllocateMemory(&first,sizeof(PortNode), 0,HighestAcceptableMax); if(Status == NDIS_STATUS_SUCCESS) { NdisZeroMemory(first,sizeof(PortNode)); //首结点的inip表示本主机地址 first->;inip = 本主机IP //首结点的reip表示本主机所在的网络地址 first->;reip = first->;inip & 0x00ffffff; } ......}4.2 校验和的计算USHORT CheckSum(USHORT *buffer, int size) { unsigned long cksum=0; while(size >;1) { cksum += * buffer++; size -=sizeof(USHORT); } if(size) { cksum += *(UCHAR*)buffer; } cksum = (cksum >;>; 16) + (cksum & 0xffff); cksum += (cksum >;>;16); return (USHORT)(~cksum);} IP TCP UDP三种包校验和的计算方法是一致的,本文采用的方法是简单地重新计算整个包的校验和,在RFC1631中,作者提出了一种差量计算法以提高计算速度,并且给出了C语言版的源代码.4.3 对收到的数据包的过滤和转发INTPtReceivePacket( IN NDIS_HANDLE ProtocolBindingContext, IN PNDIS_PACKET Packet ){ ...... PUCHAR pPacketContent; PUCHAR pBuf; UINT BufLength; MDL * pNext; UINT i,j; BOOLEAN transflag = FALSE; PNDIS_BUFFER MyBuffer; PIP_Header pIPHeader; ...... NdisDprAllocatePacket(&Status, &MyPacket, pAdapt->;RecvPacketPoolHandle); if(Status == NDIS_STATUS_SUCCESS) { //add by thinking 06.6.3 //把数据包内容从Packet拷贝到pPacketContent Status= NdisAllocateMemory( &pPacketContent, 2000, 0,HighestAcceptableMax); if (Status!=NDIS_STATUS_SUCCESS ) return Status; NdisZeroMemory (pPacketContent, 2000); NdisQueryBufferSafe(Packet->;Private.Head, &pBuf, &BufLength, 32 ); NdisMoveMemory(pPacketContent, pBuf, BufLength); i = BufLength; pNext = Packet->;Private.Head; for(;;) { if(pNext == Packet->;Private.Tail) break; pNext = pNext->;Next; if(pNext == NULL) break; NdisQueryBufferSafe(pNext,&pBuf,&BufLength,32); NdisMoveMemory(pPacketContent+i,pBuf,BufLength); i+=BufLength; } if(pPacketContent[12] == 8 && pPacketContent[13] == 0 ) //is ip packet { ULONG netip; pIPHeader = (PIP_Header)(pPacketContent+14); netip = pIPHeader->;ipSource & 0x00ffffff; //对收到的数据包进行过滤,只转发需要转发的包 if(pIPHeader->;ipDestination == first->;inip && netip != first->;reip) //如果目的地址是本主机,并且源IP不是本网段地址,则转发给内网主机 { DbgPrint("\nTransInPacket...\n"); for(j=0;j<=i;j++) DbgPrint("%x ",pPacketContent[j]); //修改发给内网的数据包头 transflag = TransIn(pPacketContent); } else if(pIPHeader->;ipDestination != 0xffffffff && (pIPHeader->;ipDestination & 0x00ffffff) != first->;reip && netip == first->;reip) //如果目的地址不是广播地址,而且是外网地址,源地址是内网IP,则转发给外网 { DbgPrint("\nTransOutPacket...\n"); for(j=0;j<=i;j++) DbgPrint("%x ",pPacketContent[j]); //修改发给外网的数据包头 transflag = TransOut(pPacketContent); } } if(!transflag) { //按照原来的方式往上提交 ...... } else { //转发的一段关键代码 NdisAllocateBuffer(&Status,&MyBuffer,pAdapt->;SendPacketPoolHandle,pPacketContent,i); NdisChainBufferAtFront(MyPacket, MyBuffer); Resvd =(PRSVD)(MyPacket->;ProtocolReserved); Resvd->;OriginalPkt = MyPacket; MyPacket->;Private.Head->;Next = NULL; MyPacket->;Private.Tail = NULL; NdisSetPacketFlags(MyPacket, NDIS_FLAGS_DONT_LOOPBACK); NdisReturnPackets(&Packet, 1); NdisSend(&Status,pAdapt->;BindingHandle,MyPacket); if(Status != NDIS_STATUS_PENDING) { NdisUnchainBufferAtFront(MyPacket ,&MyBuffer); //从MyPacket中解除buffer NdisQueryBufferSafe(MyBuffer, &pPacketContent, &BufLength,32 ); if(pPacketContent != NULL) NdisFreeMemory(pPacketContent,BufLength, 0); NdisFreeBuffer(MyBuffer); } return 0; } ......}4.4 数据包头的修改 根据具体情况修改数据包的IP包头,TCP包头,或者UDP包头,并且在修改的同时继续维护转发表,下面只给出TransIn的代码,TransOut与其原理相同.BOOLEAN TransIn(PUCHAR pPacketContent) { PortNode * inmap; PIP_Header pIPHeader = (PIP_Header)(pPacketContent+14); USHORT iphdrlen = (pIPHeader->;iphVerLen & 0x0f) * sizeof(ULONG); UCHAR checkbuff[2000] = {0}; if(pIPHeader->;ipProtocol == 6) { PTCP_Header pTCPHeader; USHORT tcphdrlen; pTCPHeader = (PTCP_Header)(pPacketContent+14 + iphdrlen); //tcphdrlen = ((pTCPHeader->;dataoffset & 0xf0) >;>; 4) * sizeof(ULONG); tcphdrlen = htons(pIPHeader->;ipLength) - iphdrlen; inmap = InMapping(pIPHeader->;ipSource,pTCPHeader->;sourcePort, pTCPHeader->;destinationPort); if(inmap == NULL) return FALSE; //修改目的地址和目的端口，校验和 pIPHeader->;ipDestination = inmap->;inip; pTCPHeader->;destinationPort = inmap->;inport; pIPHeader->;ipChecksum = 0; pTCPHeader->;checksum = 0; //填充TCP伪首部 psdhdr.saddr = pIPHeader->;ipSource; psdhdr.daddr = pIPHeader->;ipDestination; psdhdr.len = htons(tcphdrlen); psdhdr.mbz = 0; psdhdr.proto = 6; //计算TCP首部校验和 NdisMoveMemory(checkbuff,&psdhdr,sizeof(psdhdr)); NdisMoveMemory(checkbuff+sizeof(psdhdr),pTCPHeader,tcphdrlen); pTCPHeader->;checksum = CheckSum((USHORT *)checkbuff,sizeof(psdhdr)+tcphdrlen); //计算IP首部校验和 pIPHeader->;ipChecksum = CheckSum((USHORT *)pIPHeader,iphdrlen); return TRUE; } else if(pIPHeader->;ipProtocol == 17) { PUDP_Header pUDPHeader; USHORT udplen; pUDPHeader = (PUDP_Header)(pPacketContent+14 + iphdrlen); udplen = htons(pUDPHeader->;len); inmap = InMapping(pIPHeader->;ipSource,pUDPHeader->;sourcePort, pUDPHeader->;destinationPort); if(inmap == NULL) return FALSE; //修改目的地址和目的端口，校验和 pIPHeader->;ipDestination = inmap->;inip; pUDPHeader->;destinationPort = inmap->;inport; pIPHeader->;ipChecksum = 0; pUDPHeader->;checksum = 0; //填充UDP伪首部 psdhdr.saddr = pIPHeader->;ipSource; psdhdr.daddr = pIPHeader->;ipDestination; psdhdr.len = pUDPHeader->;len; psdhdr.mbz = 0; psdhdr.proto = 17; //计算UDP校验和,包括所有UDP数据 NdisMoveMemory(checkbuff,&psdhdr,sizeof(psdhdr)); NdisMoveMemory(checkbuff+sizeof(psdhdr),pUDPHeader,udplen); pUDPHeader->;checksum = CheckSum((USHORT *)checkbuff,sizeof(psdhdr)+udplen); //计算IP首部校验和 pIPHeader->;ipChecksum = CheckSum((USHORT *)pIPHeader,iphdrlen); return TRUE; } else return FALSE;}5.小结 本文简单介绍了传统NAT在中间层驱动中的实现,很多地方都可以进行改进.例如:校验和的计算可以采用差量计算法以减少计算延迟;转发表的维护可以采用树型结构(而不是本文中的链表)以减少转发表的查找时间;定时对转发表进行清理,释放长时间不用的端口,以节约系统资源;构建ARP机制,并动态维护相关主机的MAC地址;通过共享内存或者修改驱动对象的DispatchTable与用户层进行通信,从而动态调整驱动功能.参考文献: RFC1631: The IP Network Address Translator (NAT) RFC2663: IP Network Address Translator (NAT) Terminology and Considerations Addylee "基于PassThru的NDIS中间层驱动程序扩展" Jesús O "开发Windows 2000/XP下的防火墙"
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