实现一个做双向NAT的虚拟网卡

问题描写叙述与解决方式

还是老问题。Linux系统中通过iptables配置的NAT无法在双向通信环境中使用，你无法配置一条NAT规则实现对两个方向主动发起的流量做NAT，解决问题的方案有好几种：

1.配置两条NAT规则

iptables的NAT配置本身就是先match再运行一个target，因此一条规则仅仅能表示一种转换策略，要想实现“来自x的数据包的源地址转换为y，去往y的数据包的目标地址转为x”这种逻辑，必须使用两条规则。那么为何不使用两条规则呢？由于iptables的nat配置是基于数据流的，它仅仅对一个创建ip_conntrack结构体的那个数据包进行规则查找。因此在一个流已经创建并在传输数据的时候。加入一条nat配置是无效的。
xtables-addons中有一个RAWNAT，不再基于ip_conntrack了，也就是它是基于数据包而不是数据流的NAT。即时生效问题攻克了，可是由于它还是一个match-target规则，因此要想实现双向的NAT，还是要配置两条规则。

2.编写一个Netfilter HOOK

编写一个Netfilter HOOK模块不是什么难事，我自己写过好几个，可是，Netfilter框架是在协议栈的处理路径上拦截数据包进行检查-匹配/动作的。它对每个经过协议栈的数据包都要进行检查，也就是说每个数据包都要经过HOOK函数的过滤。在Netfilter HOOK过多的时候，大大减少了效率。

3.使用专门的虚拟设备

这是一种全新的理念。实现一个虚拟网卡，其xmit函数是这种：

static netdev_tx_t sdnat_net_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    struct sdnat_struct *sdnat = netdev_priv(dev);
    unsigned int flags = sdnat->flags;
    struct nat_entry *entry;
 
    entry = find_sdnat_policy(skb, flags);
    if (unlikely(!entry)) {
        goto xmit;
    }
    if (flags & SNAT) {
        do_trans_src(entry, skb);
    } else if (flags & DNAT) {
        do_trans_dst(entry, skb);
    }
    // 此时skb的dst为将数据包导入NAT设备的dst_entry，
    // 为了防止循环路由，将其drop，NAT已经完毕。已经没实用了
    skb_dst_drop(skb);
    // 清除mark，由于一般通过mark策略路由将数据包导入NAT设备
    // 这也是为了防止循环路由
    skb->mark = 0;
xmit:
    netif_rx_ni(skb);
drop:
    kfree_skb(skb);
    return NETDEV_TX_OK;
}

do_trans_src/dst全然能够通过一个函数实现，此处是为了使接口更加清晰。详细的转换就不多说了，非常easy，改动掉IP报头的源地址或者目标地址，然后又一次计算L3，L4的校验码。
关键是怎样组织nat规则。

我使用一个nat_entry来保存每一条规则：

struct nat_entry {
    struct hlist_node hash_list;
    __be32 key1;  //对于SNAT即原始IP地址。对于DNAT即要转换到的IP地址
    __be32 key2;  //对于SNAT即要转换到的IP地址，对于DNAT即原始IP地址
    __be32 hash;  /数据包源IP或者目标IP的jhash_2words值
    int flags;
};

hash的计算例如以下：

static u32 keys_get_hash(__be32 key)
{
    return jhash_2words(key, 0x01, 0x0);
}

模块载入的时候，会创建两个虚拟网卡。一个负责SNAT。一个负责DNAT，同一时候系统中也会有两个sdnat_struct结构体，一个负责SNAT，一个负责DNAT：

struct sdnat_struct {
    int flags;
    struct net_device   *dev;
    struct hlist_head entrys[1024];
};

Linux上要配置就是两条策略路由：
a.从内网口进入往外发的数据包导入到SNAT网卡设备进行SANT；
b.从外网口进入到内网口的数据包导入到DNAT网卡设备进行DNAT。
这样就能够双向自己主动转换了。无论数据是从哪个首先发起的。实现了“来自x的数据包的源地址转换为y，去往y的数据包的目标地址转为x”。是不是和Cisco的static NAT有些相似呢？定义出入设备而不是靠iptables的match来过滤数据包。

我比較喜欢使用procfs作为用户接口，由于它方便shell操作：
echo +192.168.1.1 9.24.100.1 >/proc/net/nat
上面的命令运行后，将会在两块网卡共享的hash表中加入一个nat_entry，key1为192.168.1.1。key2为9.24.100.1。在SNAT网卡设备中，将会用skb的iph->saddr做hash后查表匹配其key1，取出key2作为要转换的IP地址，在DNAT网卡设备中，将会用skb的iph->daddr做hash后查表匹配key2，取出key1作为要转换到的IP地址。

假设想删除一条规则，那么就运行：
echo -192.168.1.1 9.24.100.1 >/proc/net/nat
策略路由规则例如以下：
ip rule add iif $内网口 table snat
ip rule add iif $外网口 table dnat
ip route add 0.0.0.0/0 dev snat0 table snat
ip route add 0.0.0.0/0 dev dnat0 table dnat
依靠路由来做是否要进行NAT的推断，是不是更加高效些呢？而不再须要通过Netfilter模块去匹配每个数据包了。也不须要折腾低效率的ip_conntrack了。值得注意的是，sdnat设备的xmit函数终于运行了一个netif_rx_ni这相当于将数据包又一次注入其本身，此时数据包的iif将不再是内网口或者外网口了，而是实实在在的sdant虚拟网卡设备，因此数据包再次到达路由模块的时候将不会再次进入sdnat设备。

引申出来的思想和含义

除了Netfilter框架之外，我们也能够使用Linux的网卡设备模型来构建还有一套数据包过滤系统。是的。其思想就是上面展示的。

我以前写过几篇关于在路由项中保存信息。然后通过查路由表的方式获取信息的技巧。当中使用了自定义的“路由表”。查询方式依旧是最长前缀匹配法，仅仅是路由项中保存的东西变了。在本文中，我给出的是使用Linux原生的路由表(不是自定义的)+自定义的虚拟网卡设备实现数据包过滤的思想，依照这种思想，iptables的每个target就是一个虚拟网卡设备，每一系列的matches就是一条路由。该路由的路由项就是将数据包导入相应的虚拟网卡设备，路由的方式来匹配数据包将比Netfilter的方式高效，由于它使用了hash/trie这类高效的数据结构。而不是像Netfilter那样遍历好几层的链表。
其实，这种思想非常新吗？不！

路由项不是有unreachable或者blackhole吗？它们不正是iptables的REJECT和DROP么？