NAT在NDIS中间层驱动中的实现

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

NTSTATUS
DriverEntry(
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
INT
PtReceivePacket(
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" http://www.xfocus.net/articles/200605/865.html
Jesús O "开发Windows 2000/XP下的防火墙" http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1067

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