IPv6的NAT原理以及MAP66

Posted 2021-02-09 ksiwnhiwhs

1.引

IPv6的标准中不建议使用NAT，个中缘由何在？这是一个问题，正如我很早之前解释的那样，IPv4的NAT打破了互联网本身的“互联”特性，使得一部分IP地址不再双向可达，NAT为无方向的IP协议增加了一个方向，特别是stateful的NAT类型。然而IPv4的NAT旨在节约IP地址，而非所谓的增加IP的方向性以及隐藏私有IP，这些只是一种难以摆脱的副作用罢了。
        IPv6的时代已经到来，只要不扩展到外太空，地球上的蚂蚁都可以使用IP设备了。IPv4的一些修补手段将不再需要，为了保持协议本身以及相关标准的纯洁性，IPv6几乎不再提起NAT。虽然不再提起，并不是说“你已不是你”，实现IPv6的NAT还是可能的，并且在某些情形下还是必要的。

2.相关的RFC

RFC6296的标题是IPv6-to-IPv6 Network Prefix Translation，描述了IPv6下的NAT的实现要点，给出了一个合理的建议，既保持了IP的无方向性，又可以满足NAT的语义，这就是IPv6之NAT stateless的缘由，你不能再指望像IPv4的NAT那样只需要配置一条rule，然后反方向的rule动态生成，IPv6情况下，两个方向的rule都需要你自己手工来配置。

3.IPv6子网和NAT的关系

IP地址可以划分为几个段，包括网络前缀，子网标识，主机标识，这在IPv4和IPv6中没有什么不同。IPv4的NAT为了节约IP地址，也就是说，可供映射的IP地址pool中的地址小于或者远远小于其内部主机的数量，因此很有可能多个内部主机被映射成了同一个外部IP地址，这如何来区分它们，因此不得不引入诸如第四层协议，端口等信息了，也就是我们熟知的五元组信息，因此IPv4的NAT实现大多数都是基于五元组流的，这样就保证了内核保持的NAT信息项的唯一性，同时也引入了很多副作用。
        IPv6地址持有将近128位可随意调配的位，鉴于地址空间的庞大，一般的单位都会被分配到一个拥有很大量地址的网段，此网段拥有足够多的地址来和内网主机进行一一映射，也就是说可用于映射的IP地址pool容量巨大无比，关键是这个一一映射如何来保持，既然不想再使用非IP层的信息来保持信息，那就要用纯IP层的信息了，这样对上层影响最小。对于IPv4，经典NAT使用了五元组来保持流标识信息，而对于IPv6，则更加绝妙，它利用(而不是使用)了checksum的算法，丝毫不管这个checksum是谁的checksum，因为它根本就不改变数据包的checksum...

4.IPv6和链路层的关系

IP标识一台主机，而MAC标识一个网络接口，它们其实是一对多的关系，然而现实中，一个IP往往会和一块网卡相关联，其中一个缘由就是可以自动生成链路层的路由信息。这是很方便的，然而对于IPv4，地址是自己配置或者通过DHCP来分配的，管理过程十分复杂，一不小心就会有地址冲突，不得不依靠ARP广播/RARP等技术来检测，之所以出现这种状况，一则因为分层理念太教条，谁说IP和链路层就不能有关联，谁说IP标示主机就不能关联网卡；二则因为IPv4地址空间太小，而MAC地址长度一般都会超过IP地址，虽然满足了RFC标准上的一对多的关系，但是使用起来很不方便。
        IPv6解决了这个问题，使得地址冲突问题减缓以致几乎消失。我们知道，MAC地址标示了一块物理设备，是看得见摸得着的，有时你摸一下还会碰到静电，MAC地址和你的身份证号码一样不会重复，IPv6将MAC地址映射到IPv6地址解决了IP地址冲突的大问题，同时这对于NAT也是有益的，这会影响到地址的自动转换，每一个不会重复的内部地址转换为一个不会重复的外部地址，这一切都要归功于IPv6的地址空间的巨大，可以随意杂耍。

5.checksum无关性和自动转换

这个很好解释，小学毕业就应该能理解。考虑
a+b+c+d=X
其中X就是checksum，我们把a，b当成源IP地址的两部分，c，d当成目的IP地址的两部分，我们作源地址转换，将a和b都改变，比如a改变成了A，试问将b改成多少才能保持checksum的值X不变，这其实很简单，就是一个简单的一元一次方程求解的问题。IPv6的建议NAT实现也是这个原理，只不过上面的一元一次方程是实数域的，而这个是计算机布尔数域。既然可以不触动第四层的checksum值，那么NAT对第四层协议的影响也就减小了，虽然它还是解决不了诸如ESP/AH等穿越NAT的问题。
        基于以上算法，IPv6在做NAT的时候，在给定的子网网段内，可以自动生成一个新的IP地址供映射之用，从算法本身来看，冲突的可能性非常之小致于0，上述的做法对于IPv4几乎是不可能的，因为IPv4地址空间太小了，每个单位保有的地址池容量也有限，你不能指望一个算法为你生成一个IP地址，因为这种生成的地址要不根本就不属于自己，地址冲突，要么就是重复，和其它的映射冲突。
        既然IPv6的NAT机制“自动”为一个连接选择了一个IP地址，那么当返回包到来的时候，如何来把地址转换回原来的呢？我们知道，IPv6的NAT已经不再使用五元组来维护NAT映射信息，也不在内核维护这种信息，那么“转换回去”这件事就要完全靠算法本身了，恰恰就是算法本身能将转换后的地址再转回原来的，其依据就是本小节最开始处给出的一元一次方程解的唯一性，在IPv6的NAT实现中，算法只针对IP地址中16位的地址信息进行自动生成，而其它的则需要手工显式配置，由于内网IPv6地址可以使用MAC地址映射成唯一的地址，由于一元一次方程解的唯一性，那么转换后的地址也是唯一的，将这一切反过来，最后还是能映射回原始的IP地址的。
        如果抛开地址转换这一说，仅仅考虑算法本身，那还是可以给出一个实际可以运行的代码的，该代码使用了计算checksum的算法：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//以下2个函数就是计算校验码的，具体的原理请参见RFC1071/RFC1624/RFC1141
static inline u_int16_t add16(
    u_int16_t a,
    u_int16_t b)
{
    a += b;
    return a + (a < b);
}

static inline u_int16_t csum16(const u_int16_t *buf, int len)
{
    u_int16_t csum = 0;
    while(len--) csum = add16(csum, *buf++);
    return csum;
}


int main(int argc, char **argv)
{

    u_int16_t buf[18] = {0};
    int i = 0;
    memcpy(buf, "efghhijk", 8);
    memcpy(buf+4, "12345678", 8);
    memcpy(buf+8, "xxyywert", 8);
    memcpy(buf+12, "zxcvkljh", 8);
    //正确做法是打印16进制数据，此处为了简单，打印了字符串
    printf("原始数据：%s  长度：%d
", (char*)buf, strlen((char*)buf));    
    printf("原始数据的校验码：%X
", csum16(buf, 16));    
    
    u_int16_t tip[3] = {0};
    memcpy(tip, "#$!%", 4);
    u_int16_t tip_sum = csum16(tip, 2);
    printf("
NAT规则： efghhijk1234/12 -〉efghhijk#$!%/12

");
    printf("固定从第9个字节开始修改4个字节为：%s 其校验码为：%X
", (char*)tip, tip_sum);
    
    //定位固定修改后的动态修改的初始地址，注意，我们仅仅修改16位信息
    u_int16_t* pcsum = buf + 4+2;  
    
    //计算动态修改的值
    *pcsum = ~add16(
        add16(
            ~(*pcsum),
            ~csum16(buf+4, 2)
        ),
        tip_sum
    );
    printf("动态修改的值为：%X
", *pcsum);
    memcpy(buf+4, tip, 4); //完成修改
    
    printf("当前数据：%s  长度：%d
", buf, strlen((char*)buf));    
    printf("当前校验码：%X
", csum16(buf, 16));    
    printf("-------------以下是还原操作-------------
");
    printf("
反向NAT规则： efghhijk#$!%/12 -〉efghhijk1234/12

");

    u_int16_t tip2[3] = {0};
        memcpy(tip2, "1234", 4);
    printf("我们只需要记住原始数据被固定修改前的：%s
", tip2);

    u_int16_t tip_sum2 = csum16(tip2, 2);
    
    u_int16_t* pcsum2 = buf+6;

    *pcsum2 = ~add16(
        add16(
            ~(*pcsum2),
            ~csum16(buf+4, 2)
        ),
        tip_sum2
    );
    //还原
    memcpy(buf+4, tip2, 4);
    
    printf("原始数据：%s
", (char *)buf);
    printf("原始校验码：%X
", csum16(buf, 16));    
    
}

运行结果如下：

结果斐然。把以上的原理套用在IPv6的NAT上，就是一种实现。

6.Linux上的MAP66

如果有一个点子，总会有人实现它，何况如果不仅仅是一个点子而是一个标准，那么实现它就更是情理之中了。Linux是一个大熔炉，更是一个实验场，一些草案的最新进展总是会体现了Linux上，IPv6的NAT也不例外。MAP66是一个基本遵循RFC6296建议的Linux实现，编译安装很简单，详见其README，想试一下吗？很简单，和IPv4的iptables一样：
1.配置正向的转换规则，将源地址fdca:ffee:babe::/64网段的地址转换为2008:db8:1::/64网段的地址
ip6tables -t mangle -A POSTROUTING -s fdca:ffee:babe::/64 -o eth2 -j MAP66--src-to 2008:db8:1::/64
可以看出，没有显式指定任何具体地址，类似IPv4的MASQUERADE和IPv4的IP Pool，原理详见第5节。
2.配置反向包的转换规则，将正向包被转换过的地址再转换回去
ip6tables -t mangle -A PREROUTING -d 2008:db8:1::/64 -i eth2 -j MAP66 --dst-to fdca:ffee:babe::/64
可以看出，也没有显式指定任何具体的地址，更值得一提的是，内核并不维护任何关于NAT映射的信息，因此MAP66也不再依赖ip(6)_conntrack。

    如果使能上述两条规则，ping一下对端地址，tcpdump抓包的结果如下：

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