NAT穿越技術(shù)在IPSec VPN中的意義與實(shí)現(xiàn)

張韜

摘要：網(wǎng)絡(luò)中使用NAT技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)和Internet連接是一種非常普遍的應(yīng)用，此時(shí)通過NAT的數(shù)據(jù)包報(bào)頭都將會(huì)被改寫，而一旦企業(yè)內(nèi)又有IPSec VPN系統(tǒng)部署的需求，由于IPSec從安全性方面不允許改變數(shù)據(jù)包內(nèi)容，所以數(shù)據(jù)包在穿越NAT網(wǎng)絡(luò)時(shí)，就會(huì)存在著困難。實(shí)踐證明，在網(wǎng)絡(luò)出口設(shè)備上使用NAT穿越技術(shù)可以很好解決以上問題。

關(guān)鍵詞：NAT;IPSec VPN;NAT穿越;udp;esp

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）31-0017-02

1概述

在企業(yè)VPN網(wǎng)絡(luò)的部署實(shí)施中，NAT和IPSec兩種技術(shù)經(jīng)常存在著矛盾。主要原因是NAT進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換的時(shí)候，需要修改數(shù)據(jù)包報(bào)頭中的源lP地址和源端口號(hào)部分，此時(shí)數(shù)據(jù)包將被改寫。而經(jīng)過IPSec保護(hù)后的數(shù)據(jù)包在中途傳輸時(shí)，如果使用傳輸模式，因?yàn)镮PSec會(huì)將IP包頭進(jìn)行加密保護(hù)起來，并生成hash值，要更改IP包頭是不可行的，如果隨意改動(dòng)IP包頭，將使該數(shù)據(jù)包作廢，所以普通IPSec數(shù)據(jù)包無法穿越NAT設(shè)備，這勢必就會(huì)影響到企業(yè)IPSec VPN之間的正常通信。而使用隧道模式時(shí)，可以避免這樣共存的問題，后面涉及的IPSec VPN場景都是基于隧道模式。

2解決方案

目前，為了解決NAT和IPSec VPN之間的共存問題，已形成了較為成熟的解決方案，主要有以下幾種。

（1）基于特定域IP（Realm Specific IP，RSIP）的穿越技術(shù)嘲

因?yàn)樵谧畛踉O(shè)計(jì)的時(shí)候就沒有考慮到NAT與IPSec兩種技術(shù)之間的兼容性，對于IPSec可以更改其協(xié)議設(shè)計(jì)從而在根源上解決沖突或者對于NAT則可以使用替代的RSIP協(xié)議，這種解決方案雖然能夠全面解決兼容問題，但是實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜，需要對原有設(shè)備做較大改動(dòng)。

（2）基于NAT-T的穿越技術(shù)

路由器探測網(wǎng)絡(luò)路徑中是否存在NAT的功能，稱為NATTraversal（NAT穿越），簡稱NAT-T。它使用UDP協(xié)議封裝ESP載荷，在ESP頭部之前插入8個(gè)字節(jié)的UDP報(bào)頭，由于這個(gè)新的傳輸層頭部擁有未被加密的端口信息且被存放在PAT表中，因而可以成功地進(jìn)行PAT轉(zhuǎn)換。這種方式不需要對Internet密鑰交換協(xié)議或者IPSec協(xié)議做修改，實(shí)現(xiàn)最為方便。

（3）基于NAT前置的穿越技術(shù)

對于在Site-to-Site中建立IPSec VPN的場景，可以在同一設(shè)備中實(shí)現(xiàn)IPSec和NAT，并且先進(jìn)行NAT處理，后實(shí)現(xiàn)IPSec，就可以避免它們兩者之間的矛盾。但是，這種解決方案有它的局限性，如果超出了它的適用范圍，則這種方案就不再適用了。

在上述現(xiàn)有三種主流IPSec VPN的NAT穿越技術(shù)中，NAT-T技術(shù)由于實(shí)現(xiàn)相對簡單因而得到廣泛應(yīng)用。本文基于NAT-T方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

2.1 NAT-T穿越技術(shù)原理概述

NAT-T技術(shù)首先在VPN中IKE協(xié)商的第一階段時(shí)就通過雙方發(fā)送Vendor ID載荷探測是否支持NAT穿越，通過檢測雙方地址和端口的變化探測網(wǎng)絡(luò)路徑中是否存在NAT，檢測的方法是發(fā)送測試數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包做Hash，如果收到的數(shù)據(jù)包的Hash沒變化，就認(rèn)為路徑中沒有NAT。測試時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)包稱為NAT discovery（NAT-D）包，源地址和端口與目標(biāo)地址和端口是分開的，如果有多個(gè)，那么數(shù)據(jù)包也就有多個(gè)包。

當(dāng)?shù)谝浑A段發(fā)現(xiàn)存在NAT之后，IKE的第二階段才會(huì)采用NAT-T，在ISAKMP中使用目的端口號(hào)為UDP4500來協(xié)商N(yùn)AT-T，而源端口則使用下一個(gè)可用更高的端口號(hào)，如4501，在選擇端口時(shí)，如果端口已經(jīng)被占用了，則使用4501，4502，一直到可用為止。此時(shí)IPSec的數(shù)據(jù)包會(huì)被作為數(shù)據(jù)部分，再次封裝在UDP包中進(jìn)行傳輸，NAT技術(shù)也就影響不到IPSec數(shù)據(jù)包。

NAT-T只能使用ESP協(xié)議封裝來穿越NAT，不能使用AH協(xié)議封裝，因?yàn)锳H頭部不允許發(fā)生一點(diǎn)變化，不允許出現(xiàn)檢驗(yàn)錯(cuò)誤。當(dāng)NAT-T將ESP協(xié)議頭封裝到UDP包中時(shí)，在ESP協(xié)議的IP報(bào)頭外不僅會(huì)添加新的IP報(bào)頭，還要添加新的UDP頭部（源端口和目的端口均為UDP500），使之可以在NAT環(huán)境下被使用，NAT-T隧道封裝格式見圖1所示。

2.2 NAT-T技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)企業(yè)某個(gè)分支機(jī)構(gòu)只有一個(gè)或很少的公網(wǎng)IP時(shí)，同時(shí)又要考慮安全性，會(huì)將VPN路由器放置在內(nèi)網(wǎng)中，配置內(nèi)網(wǎng)IP地址后，再通過出口路由器或防火墻等設(shè)備進(jìn)行NAT地址轉(zhuǎn)換后和總部建立VPN連接，如圖2所示。但是建立VPN必須使用公網(wǎng)IP地址才可以和遠(yuǎn)端設(shè)備建立VPN隧道，這時(shí)就需要使用到NAT-T技術(shù)，使得IPSec數(shù)據(jù)包能夠穿越NAT環(huán)境。

這里在GNS3模擬器上來進(jìn)行驗(yàn)證。在以上所有路由器上配置好接口地址和到達(dá)Internet的默認(rèn)路由，并在NAT路由器上開啟NAT功能，將分部內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)包源地址192.168.1.2轉(zhuǎn)換為NAT路由器公網(wǎng)fa0/0口lP地址后，此時(shí)VPN設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)互連，但無法訪問對方的內(nèi)網(wǎng)環(huán)回口地址，需要在路由器上配置IPSec VPN來保證內(nèi)網(wǎng)環(huán)回口之間數(shù)據(jù)的安全傳輸，并驗(yàn)證NAT-T的效果。在當(dāng)前大部分路由器中，NAT-T功能默認(rèn)自動(dòng)開啟。

此時(shí)發(fā)現(xiàn)從NAT端本地路由器VPN-2的環(huán)回口可以ping通VPN-1的環(huán)回口，VPN連接建立成功。但如果首先從NAT遠(yuǎn)端路由器VPN-1上的環(huán)回口發(fā)起連接，測試到達(dá)VPN-2路由器環(huán)回口IP地址，卻發(fā)現(xiàn)無法ping通。

2.2.3 NAT穿越實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

當(dāng)在VPN設(shè)備支持NAT-T時(shí)，如果IPSec VPN連接是從NAT本端設(shè)備發(fā)起的，不需要做任何配置，但如果IPSec VPN連接是從NAT遠(yuǎn)端設(shè)備發(fā)起的，由于VPN使用UDP端口500在對等體之間協(xié)商交換IKE信息，在連接一個(gè)安全網(wǎng)關(guān)對等體所涉及的所有IP接口上都必須允許UDP端口500的報(bào)文通過，就需要在NAT路由器上增加相關(guān)配置，將公網(wǎng)接口lP地址的UDP500和4500端口映射到內(nèi)網(wǎng)VPN地址的500和4500端口，否則IPSec VPN無法通信，例如在上面的應(yīng)用場景中，在NAT路由器上增加如下命令：

雖然IPSec不能穿越PAT，但靜態(tài)地址NAT映射是可以的。此時(shí)可以看到路由器之間VPN連接已經(jīng)建立成功，使用UDP500和4500端口來協(xié)商IKE的建立和NAT-T，如圖3和圖4所示。NAT遠(yuǎn)端路由器VPN-1上的環(huán)回口也可以ping通VPN-2路由器環(huán)回口lP地址。

3結(jié)論

NAT穿越技術(shù)解決了IPSec和NAT技術(shù)共存的問題，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)路由器和遠(yuǎn)端公網(wǎng)設(shè)備之間在穿越NAT的環(huán)境中建立VPN的要求，使得符合感興趣流的數(shù)據(jù)包使用IPSec機(jī)制進(jìn)行VPN隧道安全傳輸，不符合感興趣流的只做NAT，從而滿足更多的實(shí)際場景需求。