ARP-NAT(MAC Address Translation)的原理

本文部分图片来自：

http://wiki.deliberant.com/faq/wireless-bridge-routing-arpnat/

https://wiki.openwrt.org/doc/howto/clientmode

MAT的原理

MAT(MAC Address Translation)也叫做ARP-NAT，和IP网络中的NAT原理是差不多的。下面简称MAT。

NAT的存在就是为了让内网的多台机器共享一个公网的IP地址。类似的，MAT可以让Ethernet中多台机器共享一个MAC地址。但是这个共享是一个结果，而不是目的。

为什么要使用MAT

这是WiFi网络中仅有的现象。WiFi网络最常见的AP的设计就是为了透传Ethernet包。它在Ethernet的(DA,SA)基础上加入了WiFi专用的MAC地址，也就是WiFi的MAC地址包裹在Ethernet地址之外。

对于AP来说，包裹了AP的MAC地址BSSID，也就是在无线网络中的AP收发的802.11包是(DA,SA,BSSID)的形式。

对于WDS来说，包裹了两个WDS设备的MAC地址(TA,RA)，也就是形成了(DA,SA,TA,RA)的形式。

那么对于WiFi网络中STA的包，只是加入了BSSID而已，并没有加入它自身的WiFi设备地址，最终结果来看它并没有WiFi的MAC地址，而是将自己的Ethernet地址拿来使用做为WiFi的地址了。

所以为了透传Ethernet包，在仅有链路层工作的情况下（不使用NAT），下面的组网方式就行不通了，而需要MAT的帮助。

MAT的原理

MAT的基本原理：

l  不影响IP层，也就是数据包的IP地址不会变化

l  MAT对于内部设备在MAC层上的通讯是透明的。也就是是否有MAT设备存在，内部设备所收发的数据包的地址没有什么不同。

l  MAT对于外部设备来说，屏蔽了所有内部设备，以它自身来替代。也就是内部设备发出的包的源MAC会被替代成MAT设备的MAC。随之而来的，就是MAT收到的数据包的目标MAC会被替换成对应内部设备的MAC。

MAT的主要问题：

l  ARP-NAT缓存可能超时，这样会导致网络连接立刻被中断

l  ARP-NAT缓存可能会溢出，这样会导致网络连接出现问题

l  其他未知问题

MAT的工作流程

如图设备A作为STA，连接到AP，电脑连接到设备A。设备A内部对STA接口Ethernet接口做驱动级别的处理转发。实际上如果设备A再放出一个WiFi AP，电脑的无线网卡连上它，原理也是一样的。

DHCP流程

电脑发出DHCP discover，设备A更改SA，AP返回offer包之后，设备A更改DA返回给电脑。这里MAT可能要在DHCP包出去之前将broadcast flag给置上，不然AP可能会根据帧体的MAC地址直接单播数据包给电脑，这样会行不通，因为电脑没有和AP连接。所以这里AP回复的是广播的DHCP offer，MAT只要转发广播，没有必要修改DA。

因为DHCP流程中电脑还没有IP地址，所以在设备A端的MAT依据是DHCP包内部的MAC地址信息来转发。MAT不会修改DHCP包帧体里面的数据。

DHCP结束之后，MAT的驱动应该已经记住了IP-MAC的对应关系。

ARP流程

ARP的包体里面会携带IP地址和MAC地址，MAT除了在发送的时候改变SA，接收的时候改变DA之外，

它同时会在发送的时候改变ARP帧体的SA，接收的时候改变ARP帧体的DA。对于MAT设备来说，根据ARP帧体的IP地址来判断哪个设备就可以了。

另外抓包发现电脑还会广播“免费”ARP，告诉别人自己的MAC地址和IP地址的对应关系。MAT也毫不犹豫地将它的SA和帧体的SA替换成自己的MAC地址。

所以这最终的效果就是MAT设备拥有多个IP地址，虽然这不是真的。

数据包流程

数据包的流程很简单，就是MAT设备修改电脑数据包包的SA发出去给AP，AP回来的发修改DA再转发给电脑。

基本流程如下图所示，其中MAT将SA替换成SA1，将DA替换回DA1.