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- 麻妤 夏
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1 NAT
2 Abstract Due to the fast improvement of Internet, vast varieties of application arose. Currently, the Internet is an important platform that cannot be missing in life. However problems do follow. The huge amount of usage of the Internet cause the IP address quickly being used up, the enormous amount of the file flow cause the cable to be obstructed, and the internet media transmission will soon to be used more frequently. Therefore, how to solve these problems is worth a study. This project targeted on an easy-to-use embedded QoS controler. Using low-priced PC, NICx, and free Linux operation system, one can design a low-cost edge router for small offices. The technigues, such as Network Address Translator (NAT), Quality of Service, Traffic Meter, and Port Forwardetc, are used to effectively solve the situation of not enough IPv4 addresses. Unfortunately, the use of NAT causes a lot of new troubles in practice. For examples, many internet-games cannot run behind a NAT. In this project, we solve most of these troubles by using application gateways and the port forward technique. We also strengthen the functionality of the IP sharing routers on the market. Most of IP sharing routers do not have the quality of service, flow meter, direct multimedia connection programs through NAT. And lastly, combined as a full set of web-based window, allowing any type of user can easily operate without any advanced skills. This system is packed and compressed its core into the DiskOnChip. Combining with the embedded system, we design a professional product.
3 III V Internet Protocol (IP) IPv IPv Network Address Translation (NAT) NAT NAT NAT NAT Masquerading(NAPT) NAT Virtual Server(Load Balancing) Multiple Router per Destination Linux NAT ipchains NAT 23 Quality of Service (QoS) QoS Linux QoS QoS 30 I
4 NAT (pdf) Class Based Queuing(CBQ) CBQ MRTG IPFM Web NAT 63 Linux Floopy Linux DiskOnChip II
5 1-1 V 2-1IP (1).3 2-2IP (2) NAT(IP-msaquerade) Proxy Server NAT. 10 NAT IP NAT IP 12 Masquerading (NAPT) IP Virtual Servers(Load Balancing) Multiple Routes per Destination Linux Traffic Control Framework for developing "intserv"&"diffserv" MRTG 45 IPFM III
6 NAT (pdf) NAT (TCP echo Port).. 66 NAT (TCP echo Port) Linux DiskOnChip 2000 (M-system) DiskOnChip (Technology Diagram).. 75 IV
7 IP (PC) (NICx) Linux (Network Address Translation) (Quality of Service) (Flow Meter) (Port Forward) IPv4 IP web based DiskOnChip (Embedded System) V
8 1.1 ADSL 1 IP Linux IP Masquerading QoS Linux Webmin 2 (Network Address Translation) (Quality of Service) (Flow Meter) (Port Forward) (DiskOnChip) (Embedded System) IP IP ADSLAsymmetric Digital Subscriber Line ISP HiNetSeedNet ADSL IP 2 Webmin Unix ApacheDNS 3 IP IP 1
9 NAT (pdf) (Load Balancing) 1.3 Perl Shell Script HTML Linux RedHat (kernel ) ADSL ( 1536kbps/ 384kbps) PPPoE ADSL ( 512kbps/ 64kbps) 46 Iwill DiskOnChip(32MB) 2
10 Internet Protocol (IP) Internet Protocol (IP) 2.1 IPv4 IP(Internet Protocol) IPv4(IP version 4) Domain Name IP IP. (ex: ) 8-bit ( ) 8-bit 32-bit IPv4 IPv6 32 NetID HostID IP NetID HostID (HostID) 04(NetID) IP (NetID+HostID) (lo interface) IP IPv4 32 ABC IP IP (1) 3
11 NAT (pdf) IP Class A Class IP Net ID Host ID B Class IP Net ID Host ID C Class IP Net ID Host ID Class IP A ,777,214 1.x.x.x ~ 126.x.x.x B 10 16,384 16, x.x.x ~ 191.x.x.x C 110 2,097, x.x.x ~ 223.x.x.x D ~ E ~ IP (2) 2.2 IPv4 IPv4 B B B C 2.3 CIDR B IPv4 4
12 Internet Protocol (IP) BGP-4 IPv4 CIDR CIDR(Classless Inter-Domain Routing) IP 650 IP B Class 3C Class 3C Class Net ID (router) CIDR CIDR IP Netmask C Class mask Supernet Subnet IP IP (Private IP Address) RFC1918 IP IANA (Internet Assigned Number Authority) IP
13 NAT (pdf) IP IP Internet 3. (ex:dns) IPv4 IP Internet IP IP IP IP Intetnet IP (ex: NAT Server) IP IPv4 IP IP ( NAT Router NAT Server) IP IP IP IP IP (Masqerading) 6
14 Internet Protocol (IP) Proxy Server Proxy Server Proxy Server 1. Clinet Proxy 2. Proxy Internet Telnet, NFS 3. Server Proxy Server 7
15 NAT (pdf) Proxy NAT ( ) Proxy NAT Proxy NAT NAT IP (Masquerading) NAT IP-Masquerade Proxy Server 8
16 Network Address Translation(NAT) Network Address Translation 3.1 NAT NAT (Network Address Translation) RFC 1631 Server( Router) IP Header IP IP IP IP IP NAT IP IP NAT ISP (Internet Service Provider) IP (Address Block) ISP IP NAT NAT IP NAT (IP ) NAT IP (Linux FTP ICMP masq. module ) IP 9
17 NAT (pdf) 3.2 NAT mn m: IP IP n : IP IP NAT m NAT Server n NAT m,n1and m =n (m,n is N) NAT m,n1 and mn (m,n is N) IP masquerading m,n1 and n=1 (m,n is N) NAT NAT Server entry connection entry connection IP network, NAT (Static NAT) NAT mn-translationm, n1 and m =n (m, n is N) IP IP NAT new-ip-addr = new-network-id OR (old-ip-addr AND (NOT netmask) ) 10
18 Network Address Translation(NAT) NAT IP IP IP IP *old network *new network NAT IP NAT NAT NAT mapping table entry redirect NAT mapping table entry Private IP network connection NAT (Dynamic NAT) NAT mn-translationm, n1 and m n (m,n is N) 11
19 NAT (pdf) IP IP NAT IP IP IP host unreachable ICMP NAT NAT IP IP NAT NAT Server B IP C IP NAT Server IP 12
20 Network Address Translation(NAT) IP m = n NAT NAT IP IP Masquerading (NAPT) NAPT mn-translationm, n 1 and n = 1 (m, n is N) m1 IP 1 IP IP -Masquerade Linux IP-Masquerade SNAT (Source NAT) Source address NAT Linux Masquerading TCP ports (Linux ports port port /linux/include/net/ip_masq.h ) 13
21 NAT (pdf) Masquerading IP Internet IP Masquerading UDP based (Port forward Application level gateway) 3.3 NAT NAT IP NAT Virtual Servers(Load Balancing) 14
22 Network Address Translation(NAT) NAT Rule Virtual ServerIP IP Virtual Server Real Server Client Virtual Server NAT Server Real Server NAT Server Virtual Server Real server NAT Server IP Real Server (ex: NAT Server Real Server ) Server Load Balancing Load Balancing DNS Support for Load Balancing (RFC 1794)Squid Cache Server Server 15
23 NAT (pdf) Multiple Routes per Destination NAT Server Router( NAT Server) NAT ISP ( ) IPv6 IPv4 NAT 3.4 Linux NAT ipchains Linux IP-Masquerade kernel kernel 2.0.x ipfwadm kernel 2.1.x/2.2.x ipchains kernel 2.3.x/2.4.x iptables netfilter kernel 2.4 netfilter netfilter 1. ipchains ( ) 16
24 Network Address Translation(NAT) 2. Source NAT Destination NAT 3. PID 4. Routing Table MAC address kernel release netfilter 2.4 netfilter ( module) kernel ipchains ipchains RedHat Linux v6.0 masquerade (policy) (rule) port (chain) (input) (output) (forward) (redirect) (accept) (deny) (reject) (forward) (masquerade) s q 17
25 NAT (pdf) ipchains : ipchains -[ADC] chain rule-specification [options] ipchains -[RI] chain rulenum rule-specification [options] ipchains -D chain rulenum [options] ipchains -[LFZNX] [chain] [options] ipchains -P chain target [options] ipchains -M [ -L -S ] [options] ipchains -h [icmp] (print this help information, or ICMP list) ipchains --add A --delete D --inser I ipchains ipchains ipchains ipchains 1 --replace R --list -L --flush -F --zero -Z ipchains ipchains ( :inputoutputforward) -L, --list (list) 18
26 Network Address Translation(NAT) --check -C --new -N --delete-chain X --policy -P --masquerade -M --set -S --help -h -s ( ), -d ( ), -p( ), -i ( ) (user-defined) input,forward,output ( -L ) kernel (-S ) ipchains! not! -s! localhost localhost --proto -p [!] protocol tcpicmpudp all telnet (port 23) 19
27 NAT (pdf) -- source -s [!] --source-port [!] port --destination -d [!] --destination-port [!] --icmp-type [!] --interface -i [!] port port ICMP loeth0eth1 -- jump -j --numeric -n DNS IP -- log -l ipchains /var/log/messages -- verbose -v TOS -L [!] --syn -y SYN TCP --TOS -t Type of Service [!] --version V ipchains --bidirectional -b ipchains ipchains ipchains ipchains L inputforwardoutput 20
28 Network Address Translation(NAT) input chains forward chain IP (masq.) ~ IP output chain (input ) input ( ) IP ICMP ICMP ( ) DENY -A (-A) input ( -s ) ( -p ICMP ) ( -j DENY ) icmp -D (-A) (-D) 21
29 NAT (pdf) -F -D -F input ( ) -Z -Z -p TCPUDPICMP ALL ( /etc/protocols ) IP (-s) (-d) IP IP / / /0 IP -s IP UDP TCP port port 80 ( www ) 22
30 Network Address Translation(NAT) TCP port www port! www port log /var/log/message -l ipchains /var/log/message Linux kernel klogd(kernel logging daemon) ipchains ipchains Telnet Telnet IP 23
31 NAT (pdf) DENY ACCEPT DENY IP (Masquerade) IP /24 IP timeout ( entry 900 ) ping ipchains ping Request timed out. icmp icmp ping ping 24
32 Network Address Translation(NAT) REJECT port ( ) 3.5 NAT NAT IP Internet (Netmeeting) (ex: SIP,H.323) IP NAT IP Header ipchains SYN FTP NAT Server Can't create data connection: Connection refused. ipchains module ip_masq_ftpip_masq_cuseemeip_masq_irc ip_masq_mfwip_masq_pptpip_masq_quake ip_masq_raudioip_masq_userip_masq_vdolive ip_masq_h323(sofia) (port forward) port IP IP ( ) application gateway 25
33 NAT (pdf) module ipchains FTP FTP (active mode) (passive mode) FTP (active mode) 1. FTP client 1024 port FTP server port client port serverclient 1024 port 3. server port 20 client port ( server client TCP SYN ) 4. client ACK (hand shack) 5. (passive mode) 1. FTP client 1024 port FTP server port client PASV server passive 3. server port client 4. client 1024 port server port SYN 26
34 Network Address Translation(NAT) 5. server ACK 6. ipchains Firewall client SYN ipchains # ipchains -A input -p TCP -i $EXT_IF! -y -s $ALL -j ACCEPT "! " NOT "! -y " NOT syn TCP FTP client ( 3 ) FTPserver login FTP server ls FTP ls FTP server ls FTP server Can't create data connection: Connection refused. Passive 3 4 SYN FTP server client NAT Server ip_masq_ftp NAT FTP # modprobe ip_masq_ftp 27
35 NAT (pdf) # modprobe ip_masq_quake # modprobe ip_masq_ kernel 2.4 netfilter module ftpirc module kernel 2.2 netfilter (port forward) kernel 2.2.x ipchains port forward port forward ipmasqadm ipmasqadm kernel ipmasqadm port NAT Server IP server ipmasqadm NAT Server http port(80) server port ipmasqadm NAT Server port(25) server port 25. (IP: ) netmeeting shell script 28
36 Network Address Translation(NAT) # Shell script for Microsoft NetMeeting 3.0 # NetMeeting Client IP address HI="1024:65535" NM_HOST=" " # port forward kernel 2.2.x CoRiTeL consortium module: ip_masq_h323 kernel 2.4.x OpenH323Proxy 29
37 NAT (pdf) Quality of Service (QoS) 4.1 QoS Quality of Service (QoS) QoS IP(Internet Protocol) OSI TCP Best Effort FTP ( VoIP VoD ) QoS 30
38 Quality of Service(QoS) TCP/IP QoS TOS 4 TOS 8bit IP TOS 0 TOS bits Telnet: "Minimum delay" bit FTP-control: "Minimum Delay" bit FTP-data: "Maximum Throughput" bit 4 Type of Service IP 31
39 NAT (pdf) 4.2 Linux QoS Linux kernel QoS TOS iproute2 tc Qos Linux Traffic Control
40 Quality of Service(QoS) (Traffic Control) IP (Queueing discipline, Classes and Filter) fwmark u32fwmark Linux netfilter u32 (header) Class Based Queue CBQ super-queue ( CBQs) (queueing) Linux Class Based Queue, Token Bucket Flow, CSZ, First In First Outm Priority, TEQL, SFL, ATM, RED CBQ(Class Based Queue) (Route) (queueing) 3 'FIFO queuing' (First IN First Out ) Internet Internet TCP/IP TCP/IP 33
41 NAT (pdf) ( ) Class Based Queuing(CBQ) Class-based Queuing(CBQ) Class Traffic Queuing TCP Rate Shaping TCP TCP Non-TCP (Packet Level) CBQ TCP Rate Shaping CBQ Class Class (Traffic Flow) (High Priority) Class Class CBQWFQ (weighted fair queuing ) WFQ 4.3 CBQ 1. diff-serv patch linux source ( 2. /usr/src/linux make xconfig 34
42 Quality of Service(QoS) make menuconfig make config 3. EXPERIMENTAL_OPTIONS Y (kernel ) 4. [Network Options] [QoS Option] Y 5. make dep; make clean; make bzilo 6. linux (TC) (TC) 1. (ex:eth0) CBQ
43 NAT (pdf) (eth0) IP CBQ 1000bytes 8bytes 20bytes : (1) 1 IP Mbit 2 (2) 2 IP Mbit 1 (3) Mbit cbq eth0 1:0 eth0 36
44 Quality of Service(QoS) 10 Mbit 1000 bytes 8 bytes 64 (1) 1:1 10Mbit 8 10Mbit 20bytes MAC bytes 8 bytes 1Mbit (2) 1:2 1:1 8Mbit 2 10Mbit 8Mbit 20bytes MAC 1514bytes bytes 8bytes 800Kbit 1:0bounded 37
45 NAT (pdf) (3) 1:3 1:1 1Mbit 1 10Mbit 1Mbit 20bytes MAC 1514bytes bytes 8bytes 100Kbit 1:0 (4) 1:4 1:1 1Mbit 6 10Mbit 64Kbit 20bytes MAC 1514bytes bytes 8bytes 100Kbit 1:0 (1) cbq 1:0 ip 100 (2) 1:2, 1:3, 1:4 38
46 Quality of Service(QoS) (1) ( 2 8Mbit) (2) ( 3 1Mbit) (3) /24 4 ( 4 1Mbit) IP 39
47 NAT (pdf) (1) (ex: eth0) (ex:eth0) bytes 0 (2) (ex:eth0) (ex:eth0) 40
48 Quality of Service(QoS) (class cbq 1:0) eth0 class cbq 1: bytes 0 0 (3) flowid 1:2 class cbq 1:2to 2 2 (4) 41
49 NAT (pdf) 0 realm " " " " (1) (2) tc class add tc class change bounded 42
50 Quality of Service(QoS) shell (3) tc filter add tc filter change tc filter del (4) ip route add ip route change ip route del qdisc/class/filter sch_fifo, sch_prio sch_cbqfilter route u32 filter qdisc/filter qdisc/filter/class 43
51 NAT (pdf) ( ) CPU ( Squid ) ( ) CPU MRTG IPFMMRTG IPFM NAT Server 5.1 MRTG MRTG Server Server log MRTG SNMP Server MRTG 2~4 5 MRTG UNIX like Windows Microsoft 1. CPU Server MailNewsDNSWebBBSIRC 44
52 MUD RouterSwitch ATM Modem Login... MRTG SNMP router( SNMP switch server) MRTG routerswitch 5-1MRTG MRTG MRTG Perl zlibgdpng zlib gd MRTG SNMP HTTP rpm qa 45
53 NAT (pdf) Linux perl-5.0 zlib gd-1.3 libpngapache MRTG MRTG 46
54 MRTG MRTG 5.2 IPFM MRTG IPFM libpcap host host name lookup sort by in/out/total bytes 47
55 NAT (pdf) 48 ##IP,,, ( bytes) 5-2IPFM IPFM ipfm tgz make install /etc/ipfm.conf
56 49
57 NAT (pdf) 50 Web 6.1 Web-BrowserHTML GateRouter
58 Web root guest START root root guest END
59 NAT (pdf) GateRouter ISP WAN port IP PPPoE IP IP Load-balencing ( round-robin) checkbox html Form POST Server CGI 52
60 Web START END
61 NAT (pdf) IP ( /24) IP ( ~ ) IP (MAC Address) IP Qos IP 54
62 Web ( / IP ) checkbox IP Java Script IP ( ) PCxx (xx IP ) IP html Form POST Server CGI Perl 55
63 NAT (pdf) START END
64 Web
65 NAT (pdf) NAT Server ipmasqadm portfw autofw netmeeting application gateway QoS 58
66 Web (filter) IP IP ( ftp) START ipchains END
67 NAT (pdf) IP ipchains Static ARP IP/MAC ARP Table (kernel 2.4 iptables + mac ) tc 60
68 Web START (.conf) network restart / ipchains / tc? END
69 NAT (pdf)
70 Web IP Flow Meter IPFM START /var/log/ipfm/*.flow END
71 NAT (pdf) uptime 2. ifconfig 3. ipchains -L -n 4. ARP Table, arp -n 5. (configured classes) tc -s class show dev eth0 6. (queueing disciplines) tc -s class show dev eth0 7. ipmasqadm portfw -l 64
72 Web NAT TCP echo Port 65
73 NAT (pdf) Echo Test (kb/s) Total (kb/s) Local BSD Linux Local BSD Linux NAT (TCP echo Port) 6-16NAT (TCP echo Port) 66
74 Linux Linux Linux kernel FreePaduCLinux PDA Linux SetTop Box embedded linux embedded embedded LINUX LINUX embedded loader lilo, syslinux embedded syslinux angleboot (gcc, glibc, binutils)gui x86 GNU StrongARM, ARM7, mips, SuperH Binutls, Gcc, Glibc embedded x86, IA64, Assbet GUI QPE, GtrFB, tinyx GUI embedded x86 x86 Iwill LAN v1.2 x86 DiskOnChip 19 Red Hat Red Hat Embedded Linux Developer Suite 7.2 glibc
75 NAT (pdf) 7.1 Floopy Linux Floopy Linux Floppy Linux BIOS 0 0 BIOS MBR (Master Boot Record) MBR (Boot Loader) loader ( Linux LILO linux loader ) Linux Kernel Kernel (protected mode) Kernel BIOS Kernel (mount) root filesystemroot filesystem / filesystemkernel root filesystem root filesystem ramdisk (image) (halt) root filesystem init init /etc/inittab sysinit script redhat rc.sysinit rc.sysinit rc.sysinit init runlevel 3 init /sbin/mingetty virtual console login : shell Linux 68
76 Linux runlevel 5 virtual console init xdm X window system xdm BIOS SYSLINUX KERNEL INIT SHELL Floopy Linux source package kernel sourcesyslinuxbusybox Floppy Linux LILO syslinux shell Floppy Linux kernel driver make make kernel BusyBox Open Source tool lineo, Inc LRP(Linux 69
77 NAT (pdf) Router Project Debian boot floppies BusyBox 60 Linux k BusyBox initlscpcat mountumountmorepssh BusyBox Floppy Linux glibc BusyBox root filesystem root filesystem root mknod root filesystem floppy-linux root filesystem /dev 70
78 Linux VGA Display RAM disk floppy null mknod tar shell srcipt /etc/inittab script BusyBox init init /etc/init.d/rcs /etc/rc.d/rc.sysinit Floppy Linux redhat BusyBox init.c /floppy-linux/etc/rc.d inittab 71
79 NAT (pdf) inittab rc.sysinit /floppy-linux/etc/rc.d/rc.sysinit /floppy-linux/etc/fstab proc /proc proc defaults 0 0 fstab BusyBox /floppy-linux/bin floppy-linux root filesystem 72
80 Linux floppy-linux root filesystem ram disk ram disk /tmp image.gz ram disk sysliunux syslinux syslinux.cfg syslinux.cfg syslinux.cfg kernel Image.gz 73
81 NAT (pdf) Floppy Linux k shell 7.2 DiskOnChip DiskOnChip 32-pin DIP TSOP-I DiskOnChip DiskOnKey DiskOnChip ( set-top-boxes) M-system DiskOnChip 2000 TrueFFSR (True Flash File System) DiskOnChip DOS, Windows Embedded NT/CE/2000, Linux, psos+, VxWorks, QNX EDC/ECC( ) (Wear leveling) 74
82 Linux DiskOnChip DiskOnChip Software Utilities - User Manual DiskOnChip FORMAT DFORMAT DiskOnChip M-system DINFO DiskOnChip Partitions, the memory window address, software versions, high-level, low-level geometry 75
83 NAT (pdf) / DiskOnChip GETIMAGE PUTIMAGE DiskOnChip Image. Image DiskOnChip. 76
84 Linux Linux TrueFFS Driver (, m-sys )..... DiskOnChip... 77
85 NAT (pdf) 8.1 Linux Router Project Linuxopen source (ipchains) 78
86 8.2 56k Modem ADSL/Cable Modem PC (backbone) Network Processor 79
87 NAT (pdf) [1] K. Egevang, P. Francis, RFC 1631, The IP Network Address Translator(NAT) (1994) [2] Michael Hasenstein, IP Address Translation (1997) [3] Werner Almesberger, EPFL ICA, Linux Traffic Control Implementation Overview (1998) [4] The University of Kansas, Linux Advanced Networking Overview Version 1 (1999) [5] Paul Russell, Linux IPCHAINS-HOWTO (1999) [6] Jiann-Ching Liu, Computer of NCU, Private IP & NAT (1999) [7] Gray B. Shelly, Thomas J. Cashman, Harry J. Rosenblatt, SYSTEM ANALYSIS and DESIGN (1999) [8] Lee Nevo., MASQ. APPS, (1999) [9] Study-Area, (2000) [10] RedFox, How to build a floopy-linux (2000) [11] M-system.com (2000) 80
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