基于py的网络地址转换(NAT)

川长思鸟来 2024-04-06 10:24 55阅读 0赞

## 基于 py 的网络地址转换(NAT) ##

### 实验内容 ###

#### 实验内容一 ####

SNAT 实验

*  运行给定网络拓扑(nat\_topo.py)
 *  在 n1, h1, h2, h3 上运行相应脚本
    
     *  n1: disable\_arp.sh, disable\_icmp.sh, disable\_ip\_forward.sh, disable\_ipv6.sh
     *  h1-h3: disable\_offloading.sh, disable\_ipv6.sh
 *  在 n1 上运行 nat 程序： n1\# ./nat exp1.conf
 *  在 h3 上运行 HTTP 服务：h3\# python ./http\_server.py
 *  在 h1, h2 上分别访问 h3 的 HTTP 服务
    
     *  h1\# wget [http://159.226.39.123][http_159.226.39.123]
     *  h2\# wget [http://159.226.39.123][http_159.226.39.123]

#### 实验内容二 ####

DNAT 实验

*  运行给定网络拓扑(nat\_topo.py)
 *  在 n1, h1, h2, h3 上运行相应脚本
    
     *  n1: disable\_arp.sh, disable\_icmp.sh, disable\_ip\_forward.sh, disable\_ipv6.sh
     *  h1-h3: disable\_offloading.sh, disable\_ipv6.sh
 *  在 n1 上运行 nat 程序： n1\# ./nat exp2.conf
 *  在 h1, h2 上分别运行 HTTP Server： h1/h2\# python ./http\_server.py
 *  在 h3 上分别请求 h1, h2 页面
    
     *  h3\# wget [http://159.226.39.43][http_159.226.39.43]
     *  h3\# wget [http://159.226.39.43][http_159.226.39.43 1]

#### 实验内容三 ####

*  手动构造一个包含两个 nat 的拓扑
    
     *  h1 <-> n1 <-> n2 <-> h2
 *  节点 n1 作为 SNAT， n2 作为 DNAT，主机 h2 提供 HTTP 服务，主机 h1 穿过两个 nat 连接到 h2 并获取相应页面

### 设计思路 ###

#### 配置 config 文件 ####

##### `int parse_config(const char *filename)` 函数 #####

负责根据 config 文件中读取的每一行字符串，分别配置 `external-iface`,`internal-iface` 以及 `DNAT Rules`。 具体实现如下：

int parse_config(const char *filename) {
        
    	FILE * fd = fopen(filename, "r");
    	if (fd == NULL) {
        
    		return 0;
    	}
    	char * line = (char *)malloc(MAX_LINE);
    	while (fgets(line, MAX_LINE, fd) != NULL) {
        
    		if (strstr(line, internal_iface_des)) {
        
    			parse_internal_iface(line);
    		} else if (strstr(line, external_iface_des)) {
        
    			parse_external_iface(line);
    		} else if (strstr(line, dnat_rules_des)) {
        
    			parse_dnat_rules(line);
    		}
    	}
    	return 0;
    }

其中调用了三个自己编写的 parse 函数，负责具体条目的配置。

#### 区分数据包方向 ####

##### `static int get_packet_direction(char *packet)` 函数 #####

负责返回数据包方向：

当源地址为内部地址，且目的地址为外部地址时，方向为 DIR\_OUT

当源地址为外部地址，且目的地址为 external\_iface 地址时，方向为 DIR\_IN

具体设计时，可以根据源地址进行判断。具体实现如下：

static int get_packet_direction(char *packet)
    {
        
    	struct iphdr * ip = packet_to_ip_hdr(packet);
    	rt_entry_t * rt = longest_prefix_match(ntohl(ip->saddr));
    	if (rt->iface->index == nat.internal_iface->index) {
        
    		return DIR_OUT;
    	} else if (rt->iface->index == nat.external_iface->index) {
        
    		return DIR_IN;
    	}
    	return DIR_INVALID;
    }

### 结果验证 ###

#### 实验一结果 ####

实验结果如下：

![在这里插入图片描述][53b90e1e75c84895b80ef479323ee224.png]

上图可知，H1 和 H2 作为客户端向服务器端 H3 请求了两个网页。请求结果如下：

H3->H1:

![在这里插入图片描述][8772afd0e51d411ca5e9f71a355f6819.png]

H3->H2:

![在这里插入图片描述][9bc11e49681c4367a715a51d90c001d7.png]

由上述结果可知，SNAT 转换实验成功。

#### 实验二结果 ####

实验结果如下：

![在这里插入图片描述][d336907c8340409fa7cf8b6f8d376157.png]

上图可知，H1 和 H2 作为服务器端，H3 作为客户端分别向 H1 和 H2 请求了两个网页。请求结果如下：

H1 -> H3:

![在这里插入图片描述][fff350da32be449e9f5e0601acfffcb7.png]

H2 -> H3:  
![在这里插入图片描述][5fe26a2806c84fa5a621758656e318d4.png]

由上述结果可知，DNAT 转换实验成功。

#### 实验三结果 ####

自建的网络拓扑文件如下：

h1.cmd('ifconfig h1-eth0 10.21.0.1/16')
        h1.cmd('route add default gw 10.21.0.254')
    
        h2.cmd('ifconfig h2-eth0 10.22.0.1/16')
        h2.cmd('route add default gw 10.22.0.254')
    
        n1.cmd('ifconfig n1-eth0 10.21.0.254/16')
        n1.cmd('ifconfig n1-eth1 159.226.39.43/24')
    
        n2.cmd('ifconfig n2-eth0 10.22.0.254/16')
        n2.cmd('ifconfig n2-eth1 159.226.39.123/24')

即 `H1 <-> N1 <-> N2 <-> H2`

节点 N1 作为 SNAT， N2 作为 DNAT，主机 H2 提供 HTTP 服务，主机 H1 穿过两个 nat 连接到 h2 并获取相应页面。

实验结果如下：  
![在这里插入图片描述][e2f69ee2c04544e192f800ae9d1cc5e2.png]

上图可知，H1 和 H2 作为客户端向服务器端 H3 请求了两个网页。请求结果如下：

H2 -> H1:

![在这里插入图片描述][28ed81b6c05c4dd5849fac0b5c526bd1.png]

由上述结果可知，实验三成功。

### 调研 NAT 系统如何支持 ICMP 协议 ###

ICMP 的报文格式如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">类型（Type)</th> 
   <th align="center">代码（Code）</th> 
   <th align="center">检验和（Checksum）</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">标识符（Identifier）</td> 
   <td align="center">序列号（Sequence number）</td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">选项（Option）</td> 
   <td align="center"></td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

当主机发送 ICMP 报文的时候，会根据 Type+Code 的值，来生成源端口号，根据 Identifier 的值生成目的端口号，即发送到路由器的报文如下：

源报文:

在路由器上进行 SNAT，源 IP 更改后 ICMP 报文中的 Identifier 会改变，记作 IDENTIFIER。

此时报文如下：

对应的 NAT 表:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">源 IP</th> 
   <th align="center">源端口</th> 
   <th align="center">协议</th> 
   <th align="center">目的 IP</th> 
   <th align="center">目的端口</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">192.168.0.2</td> 
   <td align="center">(Type+Code)</td> 
   <td align="center">ICMP</td> 
   <td align="center">188.10.1.2</td> 
   <td align="center">IDENTIFIER</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在服务器收到 ICMP 请求后，生成 ICMP 响应报文，响应报文中的（Type+Code）会作为源端口，IDENTIFIER 作为目的端口。

源报文

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">源 IP</th> 
   <th align="center">源端口</th> 
   <th align="center">目的 IP</th> 
   <th align="center">目的端口</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">200.10.2.1</td> 
   <td align="center">(Type+Code)</td> 
   <td align="center">188.10.1.2</td> 
   <td align="center">IDENTIFIER</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">报文到达路由器后，根据 NAT 表中，查询目的 IP 和目的端口为 188.10.1.2 和 IDENTIFIER 的信息。将目的 IP 和目的端口换为 192.168.0.2 和（Type+Code）,报文就可以成功的到达客户端了。</td> 
   <td align="center"></td> 
   <td align="center"></td> 
   <td align="center"></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[http_159.226.39.123]: http://159.226.39.123:8000
[http_159.226.39.43]: http://159.226.39.43:8000
[http_159.226.39.43 1]: http://159.226.39.43:8001
[53b90e1e75c84895b80ef479323ee224.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/22b038cee2144b7e93d7e721b3ba7d1f.png
[8772afd0e51d411ca5e9f71a355f6819.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/f5ca972ca6874776a32e879281a0378c.png
[9bc11e49681c4367a715a51d90c001d7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/38b883e3a5ff452fae25efff044a2048.png
[d336907c8340409fa7cf8b6f8d376157.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/05edfebd94904be2a2478b6f21ae9547.png
[fff350da32be449e9f5e0601acfffcb7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/67973de1df5846b3a8337b5c7a6e1a67.png
[5fe26a2806c84fa5a621758656e318d4.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/2f7ad2d84c7e438486e63d6cee58468b.png
[e2f69ee2c04544e192f800ae9d1cc5e2.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/88f753dff7274c07b50ed2f6be19e47a.png
[28ed81b6c05c4dd5849fac0b5c526bd1.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/536fde8b0b5544b38ae799fe567540b0.png