NAT và PAT

NAT và PAT
WEDNESDAY, 7. OCTOBER 2009, 08:21:38
NAT là kiến thức hết sức căn bản đối với những sinh viên học chuyên
nghành về công nghệ thông tin, tuy nhiên để hiểu cặn kẽ và kỹ lưỡng về kỹ
thuật này thì không nhiều bạn có thể trình bày một cách hoàn chỉnh.
Network Address Translation: NAT là kỹ thuật thay đổi các địa chỉ mạng
(Network Address) trong một gói tin (packet) để gây ảnh hưởng trong quá
trình định hướng đi của packet cho một mục đích cụ thể. Địa chỉ mạng ở
đây muốn nói đến địa chỉ IP WAN (Internet Protocol) ở layer 3, ngoài ra còn
có thể thay đổi số port ở layer 4 theo mô hình phân lớp OSI. Bên cạnh đó
địa chỉ mạng còn được phân biệt địa chỉ nguồn (source) và địa chỉ đích
(destination). Tùy theo mục đích dùng NAT mà ta thay đổi một số hoặc tất
cả các loại địa chỉ trên, trên cùng một packet.
Đây là loại hình NAT phổ biến nhất, ta còn hay gọi là Des NAT, hay NAT
Inbound. NAT theo kiểu này chỉ thay đổi địa chỉ IP đích của gói tin mà
không đụng đến các thành phần khác. Đây cũng là kiểu được sử dụng mặc
định trong các ROUTER ( thiết bị định tuyến nói chung ) theo cách sau:
•Khi client gửi packet request i tới ROUTER, i sẽ có dest IP là Virtual IP của
ROUTER (141.149.65.3), source IP là IP của client (188.1.1.10). Do ROUTER
đại diện cho tất cả những server thực đằng sau, nên IP của ROUTER cũng
là địa chỉ đại diện, client sẽ chỉ liên hệ với ROUTER mà không biết được
địa chỉ thật của các server là gì ( trước khi biết VIP của router nó phải nhờ
DNS server dịch từ tên miền sang địa chỉ IP ). Địa chỉ IP đại diện của
ROUTER còn là địa chỉ IP ảo (Virtual IP - VIP)
•ROUTER sẽ gửi repquest i đến server để xử lý nên nó thực hiện thay dest
IP trong i thành IP của server (10.10.10.20), source IP vẫn giữ nguyên
(188.1.1.10). Thao tác này gọi là Destination NAT ( dịch chuyển IP đích ).
•Nhờ có dest IP là IP của server nên request i sẽ được định tuyến tiếp đến
server xử lý.
•Khi server trả lời, packet reply sẽ đi qua lại ROUTER. Tại đây packet được
un-NAT, nghĩa là thay lại địa chỉ IP của server (lúc này trở thành source IP)

bằng VIP của ROUTER.
Reverse NAT
Trong cơ chế của ROUTER, các server thật chỉ được cấp địa chỉ IP private
(vì nhiều lý do, trong đó có sự hạn chế về số lượng IP public và tính bảo
mật, ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt cho server kết nối thẳng IP
public), nghĩa là không thể đi ra Internet được. ROUTER được publish ra
Internet để nhận request cho các server bên trong, nên nó thường có một,
hoặc nhiều địa chỉ IP public để các client kết nối từ bên ngoài vào, và địa
chỉ này cũng là VIP. Khi client muốn sử dụng dịch vụ của server bên trong,
ROUTER thực hiện việc chuyển đổi địa chỉ dest IP từ public sang private
để đến được server, đó là kiểu NAT ta xét ở trên. Trong trường hợp ngược
lại, khi server bên trong muốn khởi tạo kết nối với bên ngoài Internet,
ROUTER phải thực hiện việc chuyển địa chỉ source IP của packet đi ra từ
private sang public để có thể lưu thông trên Internet. Do cách hoạt động
như vậy nên kiểu NAT này còn được gọi là SourceNAT, hay NAT outbound.
Port-Address Translation (PAT)
Hai trường hợp trên ta đã xem xét hai kiểu thay đổi địa chỉ IP, trường hợp
thứ ba này còn được gọi là “NAT port”, nghĩa là số port TCP/UDP ở trong
packet sẽ bị thay đổi (ở đây ta không xét đến các protocol khác cũng có
dùng port). PAT cũng là một phần tất yếu trong các chức năng chính của
ROUTER. Cách hoạt động của nó cũng rất đơn giản: Khi ta liên kết (bind)
port 80 của VIP trên ROUTER đến port 1000 trên server thật, load balancer
sẽ thực hiện việc chuyển đổi và đẩy toàn bộ yêu cầu port 80 (dest port) đến
port 1000 trên server.
Những lợi ích khi ta thực hiện PAT:
- Bảo mật là ích lợi đầu tiên mà ta thấy ngay. Bằng cách không mở những
cổng mặc định trên server, ta có thể gây khó khăn hơn cho việc tấn công
ác ý. Chẳng hạn, ta có thể chạy một Web server trên port 4000, và liên kết
port 80 của VIP trên ROUTER đến port 4000 của server thật. Lúc bấy giờ, kẻ
tấn công không thể khai thác trực tiếp lên port 80 của server thật được, vì

nó không được mở.
- Khả năng co dãn (scalability) PAT cho phép ta chạy cùng một ứng dụng
trên nhiều port. Tùy theo cách thiết kế ứng dụng, có thể việc chạy nhiều
bản sao của nó sẽ làm tăng hiệu suất phục vụ lên. Chẳng hạn ta có thể
chạy máy chủ web IIS trên các port 80, 81, 82 của mỗi server thật. Sau đó
chỉ cần liên kết port 80 của VIP với mỗi port chạy IIS của server thật. Load
balancer sẽ phân bổ lưu thông không chỉ cho các server mà còn giữa các
port trên từng server.
- Khả năng quản trị (manageability) chẳng hạn khi host nhiều website trên
một bộ các server thật, ta có thể chỉ cần dùng một VIP để đại diện cho tất
cả các domain của các website. Lúc này ROUTER sẽ nhận tất cả các
request đến port 80 ở cùng một VIP. Web server của ta có thể chạy mỗi
domain trên một port khác nhau, chẳng hạn www.abc.com trên port 81,
www.xyz.com trên port 82. ROUTER có thể gửi lưu thông đến port phù hợp
dựa trên domain trong URL của mỗi HTTP request.
Full NAT
Như vậy ta đã xét kỹ thuật NAT thay đổi lần lượt địa chỉ đích, địa chỉ
nguồn, rồi thay đổi port khi định tuyến. Mỗi sự thay đổi là một loại hình
NAT có ứng dụng trong từng trường hợp riêng. Kết hợp các kiểu thay đổi
này lại, ta có một kiểu NAT khác phức tạp hơn là Full NAT. Kiểu NAT này
có tên gọi như vậy vì nó bao gồm các thay đổi sau đây trên gói tin request:
•Địa chỉ IP nguồn (source IP)
•Địa chỉ IP đích (dest IP)
•Port nguồn (source port)
Lưu ý source port ở đây là port của client, còn dest port là port được
request trên server, chẳng hạn port 80 ở ví dụ trên.
Kiểu NAT này khác với những kiểu NAT trên ở chỗ, packet từ server reply
có thể bỏ qua ROUTER mà đi thẳng đến client ở ngoài Internet. Vấn đề ở
chỗ địa chỉ IP của server vẫn là private IP, do đó đương nhiên packet reply
mang địa chỉ source là IP nội bộ sẽ chẳng bao giờ đến được client.

Vậy thì bằng cách nào để buộc server phải trả lời thông qua ROUTER để
được NAT địa chỉ IP đi ra Internet? Cách đơn giản nhất là ta có thể khai
báo cho ROUTER là default gateway của các server. Nhưng cách này yêu
cầu ROUTER phải ở cùng subnet với các server (cùng Layer 2 broadcast
domain). Nếu không thể nằm cùng subnet thì sao? Đây là chỗ Full NAT
khác biệt
FULL NAT được sử dụng.
Khi được thiết lập để thực hiện Full NAT, ROUTER sẽ thay source IP của
tất cả các request packet bằng một địa chỉ được khai báo trên ROUTER,
xem như là source IP, rồi thay dest IP (lúc này đang là VIP) thành IP của
server (10.10.10.20), trước khi gửi đến server . Source IP này có thể giống
hoặc khác VIP, tùy vào từng sản phẩm ROUTER. Như vậy tương tự như
proxy, lúc này server thật sẽ xem ROUTER như là client yêu cầu mình, và
không quan tâm đến client thực sự nữa. Vì thế server sẽ reply lại cho
ROUTER và ROUTER sẽ đổi lại dest IP thành IP của client thực sự
(188.1.1.100) để gửi đi.
Như vậy source port được thay đổi ở chỗ nào? Mỗi lần thay đổi một source
IP của client thành source IP của ROUTER, gọi là một session, thì ROUTER
thực hiện lưu lại những thông tin của client trong session đó bằng cách
đổi source port trong cùng packet (lúc này đang là source port của client).
Source port lúc này có ý nghĩa như là một session ID không hơn không
kém. Khi server reply về cho ROUTER, source port cũng được gửi trả về
theo packet reply. Dựa vào source port này, ROUTER xác định được
session của client trong bảng lưu để thay lại source IP, source port của
client như cũ.
Ưu điểm của kiểu NAT này là cho phép bạn thực hiện việc thay đổi địa chỉ
thông qua ROUTER trên mọi topology mạng. Nhược điểm là không lấy
được các thông tin về IP, port từ phía client. Những ứng dụng như Web có
sử dụng thông tin từ source IP của client thì không nên dùng mô hình này.
Đa số các sản phẩm ROUTER đều cung cấp chức năng log và report

source IP của các request.
Enhanced NAT
Những kỹ thuật NAT vừa trình bày ở trên đều xoay quanh việc thay đổi địa
chỉ IP, cũng như port trong packet header. Tuy nhiên có những protocol
đặc biệt chứa thông tin địa chỉ hay port nhúng trong packet payload, cũng
cần phải được thay đổi cùng với packet header.
Điều này đòi hỏi ROUTER phải hiểu biết theo từng protocol cụ thể. Khái
niệm enhanced NAT nói đến kiểu NAT phức tạp được thực hiện với những
hiểu biết theo từng protocol cụ thể để làm cho những protocol đó hoạt
động được với việc định tuyến gói tin.
Trong số các protocol đặc biệt đó, thông dụng nhất là các protocol
streaming media (ví dụ RTSP - Real Time Streaming Protocol). Đây cũng là
các protocol sử dụng cân bằng tải phổ biến nhất, vì chúng cực kì ngốn tài
nguyên mạng và tính toán khi phải phục vụ đồng thời cho hàng trăm đến
hàng ngàn người sử dụng.
Các protocol streaming thường gồm có hai kết nối, một kết nối điều khiển
xây dựng trên TCP và một kết nối dữ liệu dựa trên UDP. Để khởi đầu, client
khởi tạo một kênh điều khiển đến một well-known port trên server. Client
và server sẽ thoả thuận các điều khoản cho kênh điều khiển. Sự thoả thuận
gồm có IP của server và số port của server mà client sẽ gửi dữ liệu đến
trên kết nối dữ liệu.
Nếu các server có địa chỉ IP private, ROUTER sẽ thực hiện Destination NAT
cho kết nối điều khiển. Nhưng đồng thời ROUTER cũng phải xem các
thông tin thoả thuận và thay đổi mọi thông tin về địa chỉ IP hay port mà
server và client trao đổi sao cho client sẽ gửi dữ liệu đến VIP public chứ
không phải IP private của server (những thông tin này nằm trong payload
của packet).
Hơn nữa, dest port được chọn trong quá trình thoả thuận lại không biết
trước được nên phải xử lý request ngay cả khi port chưa được liên kết đến
bất kỳ server nào.

Tuy nhiên, nhiều doanh nghiệp lại có những chính sách bảo mật trên
tường lửa làm cho những kết nối dữ liệu trên nền tảng UDP có thể không
thành công. Do đó nhiều hệ thống streaming media cho phép stream trên
nền HTTP, nghĩa là toàn bộ dòng dữ liệu sẽ được gửi đi bằng kết nối được
thiết lập bởi giao tiếp HTTP. Điều này làm cho việc NAT trở nên nhẹ nhàng
hơn.
Direct Server Return (DSR)