NAT Network Address Translation

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1 NAT Network Address Translation

2 O que é o NAT Técnica que altera, em trânsito os endereços do cabeçalho dos datagramas IP De forma a que a origem sob o ponto de vista do destinatário não seja a real De forma a que o destino final seja uma máquina com endereço diferente do originalmente indicado pelo remetente Viola uma regra fundamental assumida na criação do TCP/IP daí criar complicações! ISEL/DEETC/SRT 2

3 Termos usados NATBox Router com funcionalidades de NAT Inbound Sentido do tráfego da Internet para rede atrás da NATBox Outbound Sentido do tráfego da rede atrás da NATBox para a Internet Endereço pré-nat Endereço antes de sofrer a conversão imposta pelo processo de NAT Endereço pós-nat Endereço resultante da aplicação do processo de NAT ISEL/DEETC/SRT 3

4 Porquê NAT Motivação principal Escassez de endereços devido ao desperdício de endereços na atribuição clássica por classes a cada entidade e do consumo desproporcional praticado por muitas entidades A limitação de os ISPs fornecerem aos clientes residenciais apenas um endereço IP por ligação e os clientes terem hoje em dia muitos equipamentos com necessidade de conectividade Múltiplos PCs/MACs, PDAs, Playstations, MediaCenters, telefones IP, etc ISEL/DEETC/SRT 4

5 Outras aplicações de NAT Na distribuição de serviço por diversas máquinas, em processos de balanceamento de carga (SLB) Escalabilidade e disponibilidade Na compatibilização de redes que necessitem de se juntar apesar de terem planos de endereçamento sobrepostos Double NAT Permitir o acesso público a serviços disponibilizados por máquinas com endereçamento privado Mapeamentos estáticos de NAT ISEL/DEETC/SRT 5

6 Variantes de NAT IP estático Estático ao nível do IP Estáticamente é definido um mapeamento entre o endereço IP original (origem ou destino) e o final Quando o tráfego atravessa a NATbox num sentido, o endereço original é substituído pelo final, no sentido contrário é realizada a substituição inversa ISEL/DEETC/SRT 6

7 Variantes de NAT TCP/UDP estático Estático ao nível da camada de transporte Estaticamente é definido um mapeamento entre o par formado pelo endereço IP original e porto original e o IP/porto final (pós NAT) Quando o tráfego atravessa a NATBox num sentido, se o protocolo nível 4, o endereço IP e porto destino são os do mapeamento definido, o endereço e porto destino são substituídos pelos indicados no mapeamento. No sentido contrário é realizada a substituição inversa, aplicada agora ao endereço origem ISEL/DEETC/SRT 7

8 Variantes de NAT IP dinâmico Dinâmico ao nível do IP Processo idêntico ao da vertente estática, com a diferença de o endereço pós- NAT não estar previamente definido, indo sendo dinamicamente alocado a partir de um bloco (pool) de endereços ISEL/DEETC/SRT 8

9 Variantes de NAT TCP/UDP dinâmico Dinâmico ao nível da camada de transporte Processo idêntico ao da vertente estática, com o endereço pós- NAT a ser ou não alocado a partir de um bloco, podendo agora o porto não condicionado pelo mapeamento ser também potencialmente alterado para um valor diferente do original (o sistema escolhe) ISEL/DEETC/SRT 9

10 Necessidade de manter contexto Dependente da variante de NAT usada e da implementação particular de NAT, diferentes níveis de contexto são necessários para fazer a associação do tráfego de retorno ao original Variantes estáticas, dispensam a manutenção de contexto ISEL/DEETC/SRT 10

11 Um só endereço representando muitos, como? A vertente mais comum de NAT é usada na partilha de um único endereço IP exterior por múltiplas máquinas, cada uma com o seu endereço individual interno A informação necessária para realizar o mapeamento do tráfego de volta (inbound) é mantida no porto origem pós-nat que se tem de manter único :80-> : :80-> :5001 NAT Box IP Ext: IP Int: / :80-> : :1024-> : :1024-> : :1025-> :80 NAT Translations Proto InsideIP:Port -> OutsideIP:Port => LocalPubIP:Port -> OutsideIP:Port Expires TCP :1024-> :80 => :1024-> :80 00:01:10 TCP :1024-> :80 => :5001-> :80 00:01:20 TCP :1025-> :80 => :1025-> :80 00:01: ISEL/DEETC/SRT 11

12 Porquê usar endereços privados atrás de NAT? Se se usar uns quaisquer, pode acontecer ter-se necessidade de comunicar com a rede que os usa legalmente e não se consegue, porque todas as máquinas da nossa rede assumem que conseguem falar directamente com as máquinas da sua rede. Usar os blocos de endereços Private Networks (RFC1918) para endereçar as redes internas /8 1 Classe A /12 16 Classes B / Classes C ISEL/DEETC/SRT 12

13 O custo da transparência do NAT Recalculo de checksums Alteração de campos dos cabeçalhos Ajuste das mensagens de erro ICMP Manutenção de tabelas de mapeamento estáticas e dinâmicas ISEL/DEETC/SRT 13

14 Implementação de NAT Campos dos cabeçalhos a alterar Time To Live e Checksum Já anteriormente eram ajustados como parte do processo de encaminhamento Endereços Origem e/ou Destino Segundo a aplicação de NAT pretendida Portos Origem e/ou Destino Dependendo da aplicação pretendida e da própria gestão do sistema Manter quando possível, alterar para outro dentro da mesma gama quando necessário (gamas no NAT Cisco IOS: 0-511, e ) Checksum TCP/UDP Sempre necessário devido à dependência deste dos endereços origem/destino provocada pelo uso de pseudoheaders no cálculo ISEL/DEETC/SRT 14

15 Pseudoheaders TCP/UDP Source Address (from IP Header) Destination Address (from IP Header) Reserved Protocol (from IP TCP Segment Length (computed) or Header) UDP Length (from IP Header) TCP/UDP Pseudoheader O recalculo do checksum é realizado sobre o cabeçalho TCP/UDP, o pseudoheader respectivo e sobre os dados transportados Impensável para volumes de tráfego elevados pela computação necessária e atraso provocado ISEL/DEETC/SRT 15

16 Transparência das mensagens de erro ICMP As mensagens de erro ICMP (unrechables, TTL expired, etc.) são recebidas pela NATBox dirigidas ao endereço pós-nat e contendo a amostra do cabeçalho IP + 8 Bytes do datagrama IP que a provocou Há que fazer a associação desta à tabela de mapeamento NAT para saber para que endereço destino há-de ser alterada Usando os endereços da amostra do cabeçalho original e os portos TCP/UDP ou algo que forneça contexto do protocolo em questão (ex. ICMP identifier/seq.number), contidos nos 8 bytes adicionais Há que alterar a amostra da mensagem de erro, incluindo endereços, portos e checksums para que se mantenha a total transparência ISEL/DEETC/SRT 16

17 Impacto do NAT no funcionamento das aplicações Aplicações que envolvem múltiplas ligações com parâmetros negociados no próprio protocolo não são suportadas sobre NAT directamente As aplicações enviam os parâmetros sob o seu ponto de vista FTP No comando PORT indica ao servidor externo o seu IP pré-nat com o qual ele não tem conectividade Comunicações entre clientes que partilham, a algum nível dentro do domínio privado da rede, um equipamento realizando NAT Algumas aplicações resolvem o problema usando um serviço de relay exterior para resolverem o problema Com sérios problemas de escalabilidade (ex. MSN Messenger) O funcionamento em válvula do NAT impossibilita em muitos casos as comunicações entre clientes atrás de NAT X e Y podem fazer ligações para fora das suas redes (distintas), mas não se conseguem ligar entre si ISEL/DEETC/SRT 17

18 Soluções para os problemas levantados pelo NAT Duas técnicas seguidas para se atingir a total transparência das aplicações numa das situações anteriores A NAT Box intercepta e manipula o protocolo em questão durante o processo de NAT (tipicamente designado de fixup ou mangling) Não é universal, só funciona para os protocolos que a NAT Box saiba manipular Implica mais processamento, envolvendo em alguns casos a gestão adicional dos números de sequência TCP por o processo envolver o encurtar/alongar de segmentos Interpretando o protocolo, são automaticamente inseridas as entradas na tabela de mapeamento NAT para se aceitarem as novas ligações negociadas As aplicações usam técnicas/protocolos adicionais para se aperceberem da existência de NAT pelo meio, da forma como este está a ser realizado, de como as suas ligações são vistas do exterior e manipula na origem os parâmetros Não resolve o problema da abertura dos mapeamentos NAT para as ligações adicionais Mapeamento para aceitar ligações inbound conseguido à custa de datagramas sem conteúdo (keepalives) enviados de dentro (comum para UDP/VoIP) ISEL/DEETC/SRT 18

19 STUN Simple Transversal of UDP over NAT Protocolo usado para identificar a existência de NAT e o modo de funcionamento deste no percurso entre a máquina onde é executado o teste e determinado servidor STUN Definido no RFC3489 Protocolo muito usado como auxiliar do VoIP/SIP Para experiências usar o WinSTUN ISEL/DEETC/SRT 19

20 Classificação de tipos de NAT para UDP (STUN) Dependendo de que parâmetros são usados na NATBox para criar o contexto das ligações, validar e associar o tráfego inbound ao outbound, este terá algumas diferenças de comportamento com significado, especialmente na recepção de pacotes do exterior Identificador completo origin session, origin side, target session, target side origin session parâmetros do lado em que a ligação foi iniciada source IP, source port, dest IP, dest port target session parâmetros vistos na interface de saída (pós-nat) source IP, source port, dest IP, dest port Terminologia comum Symmetric, Port Restricted Cone, Address Restricted Cone, Full Cone ISEL/DEETC/SRT 20

21 Tipos de NAT para UDP - Full Cone NAT Todos os pedidos do mesmo endereço e porto internos são mapeados no mesmo endereço e porto externos. Uma máquina externa pode enviar pacotes para uma interna, enviando-os para o endereço e porto externos mapeados ISEL/DEETC/SRT 21

22 Tipos de NAT para UDP - Address Restricted Cone NAT Todos os pedidos do mesmo endereço e porto internos são mapeados no mesmo endereço e porto externos. Ao contrário do Full Cone NAT, uma máquina externa só pode enviar pacotes até uma interna se foi anteriormente o destino de pacotes enviados esta ISEL/DEETC/SRT 22

23 Tipos de NAT para UDP - Port Restricted Cone NAT Parecido ao Address Restricted Cone NAT, mas a restrição inclui agora também o porto. Uma máquina externa só pode enviar pacotes até uma interna se foi anteriormente o destino dum pacote enviado por esta com o porto origem usado agora como destino ISEL/DEETC/SRT 23

24 Tipos de NAT para UDP - Symmetric NAT Pedidos do mesmo endereço e porto internos para determinado destino são mapeados num único IP e porto externos. Se a mesma máquina interna enviar um pacote com o mesmo endereço e porto para um destino diferente é usado um novo (diferente) mapeamento. Só as máquinas exteriores que recebem pacotes das internas conseguem enviar pacotes de volta á máquina interna ISEL/DEETC/SRT 24

25 Hairpin É definida como uma sessão de NAT com necessidades de Hairpin toda aquela que envolve dois equipamentos que partilham a algum nível um equipamento realizando NAT Se não for suportada esta técnica, não é possível a comunicação directa entre equipamentos nesta situação A NAT Box tem de identificar a situação e realizar virtualmente o duplo processo NAT envolvido, como se se tratasse de dois equipamentos isolados realizando NAT Situação comum quando são encadeados múltiplos equipamentos realizando NAT dentro do domínio privado da rede e se recorre a servidores externos para rendez-vous (ex: Messengers, P2P, STUN/VoIP) ISEL/DEETC/SRT 25

26 Algoritmo STUN ISEL/DEETC/SRT 26

27 Relação entre protocolos comuns e NAT Telnet SSH HTTP SMTP POP DNS SNMP FTP MSN Messenger VoIP/SIP IPSEC edonkey2000 BitTorrent ISEL/DEETC/SRT 27

28 NAT vs Telnet, SSH, HTTP, SMTP ou POP Todos estes protocolos são baseados em transporte TCP sendo suportados por uma única ligação originada do cliente para o servidor Não têm qualquer problema no funcionamento sobre NAT ISEL/DEETC/SRT 28

29 NAT vs DNS Sem problemas de maior Tende a criar muitas entradas de contexto Ajustar expiração para tempos razoáveis (5s a 10s?) Em ambientes com servidores acessíveis através de IPs internos e externos, via mapeamento estáticos Necessário o uso de split views ou de modulo helper que ajuste os endereços dados aos clientes exterior Quando perguntam ao DNS por XPTO.DOMINIO.PT (tipo A ), os clientes internos obtêm o IP interno, os externos obtêm o Pós-NAT seja a diferença feita pelo servidor DNS ou por alteração do conteúdo das mensagens DNS na NATBox ISEL/DEETC/SRT 29

30 NAT vs SNMP O SNMP funciona tipicamente sobre UDP com sequências de pedidos/respostas Pormenores a ter em conta para a coexistência com NAT Não existindo ligação (UDP) o contexto do pacote enviado é mantido durante determinado tempo na tabela de NAT até expirar Ajustar para um valor consistente com os tempos espectáveis entre pedidos e respostas e pedidos seguintes para evitar rejeições indesejadas de respostas e o enchimento da tabela de mapeamento Para aceitar TRAPs (alarmes assíncronos do agente) há que criar um mapeamento estático aceitando o tráfego de volta para o gestor, sendo assim, na maioria dos casos incompatível esta componente com o uso de múltiplos gestores Como os pedidos chegarão aos agentes com o endereço origem pós-nat, estes terão de ter incluído este endereço na lista de gestores autorizados, com o aspecto negativo adicional de esta permissão ser partilhada com todas as máquinas que reutilizem o endereço pós-nat ISEL/DEETC/SRT 30

31 NAT vs FTP FTP modo Activo só suportado com o uso de um módulo especializado (fixup) na NATBox para alterar o endereço e porto enviados no comando PORT, abrindo em simultâneo o canal/mapeamento para a ligação de dados iniciada pelo servidor FTP modo Passivo mais fácil de suportar, não necessita de fixup na NATBox porque ambas as ligações (controlo e dados) são iniciadas pelo cliente Se o fixup for dispensado, para funcionar tem de se aceitar ligações outbound de e para qualquer porto TCP acima de 1024 (inclusive) o que pode implicar abrir acesso a muitas outras aplicações indesejadas Complica-se quando é o servidor que está atrás de NAT ISEL/DEETC/SRT 31

32 FTP modo Activo USER anonymous 331 Guest login ok, send your address as password. PASS 230 Logged in anonymously. PORT 192,168,1,2,7,138 <= Ou o NAT sabe ajustar esta // mensagem e abrir o canal de volta ou não há ligação // O cliente pretende que o servidor se ligue ao seu porto // 1930 (7* ), e endereço PORT command successful. LIST 150 Opening ASCII mode data connection for /bin/ls. // O servidor já fez a ligação 226 Listing completed. QUIT 221 Goodbye ISEL/DEETC/SRT 32

33 FTP modo Passivo USER anonymous 331 Guest login ok, send your address as password. PASS 230 Logged in anonymously. PASV // O cliente diz que quer usar modo passivo e pergunta // para onde deve ligar 227 Entering Passive Mode (192,0,1,4,204,173) // O servidor envia os dados. // Se o servidor está atrás de NAT também são válidos! LIST 150 Data connection accepted from :52397 // O cliente já se ligou ao endereço e porto (52397) // indicados pelo servidor 226 Listing completed. QUIT 221 Goodbye ISEL/DEETC/SRT 33

34 NAT vs MSN Messenger Para a vertente Chat não costumam existir problemas, o cliente inicia uma única ligação para um dos servidores centrais do sistema Usa um protocolo semelhante a STUN (acessível em Tools->Options- >Connection) para perceber que restrições tem cada utilizador (NAT e/ou firewalls) O Chat utiliza sempre o servidor como relay Para a transferência de ficheiros e sessões multimédia usa comunicações directas entre clientes, se não é possível usa o servidor como relay Utilizadores na mesma rede atrás de NAT nem sempre transferem entre si os ficheiros usando o percurso mais eficiente! ISEL/DEETC/SRT 34

35 NAT vs VoIP/SIP (Session Initiation Protocol) Por motivos de escalabilidade e qualidade do serviço o VoIP/SIP foi desenhado com uma estrutura peer-to-peer A sinalização é agregada em softswitchs Os fluxos multimédia podem ser agregados em relays/transcoders designados de mediaproxys ou serem directos entre clientes O facto do protocolo correr na maioria dos casos sobre UDP facilita o atravessamento de NAT Para coexistência pacifica os clientes usam STUN para detectar se têm e que forma têm de NAT entre eles e o servidor de referência ISEL/DEETC/SRT 35

36 NAT vs VoIP/SIP (Session Initiation Protocol) Os clientes usam no corpo das mensagens de sinalização (SIP) os parâmetros pós-nat para serem contactáveis do exterior Após registo dos clientes (terminal VoIP), estes e o softswitch enviam periodicamente mensagens de keepalive para criar e manter os mapeamentos nas NATBox Dado o número de factores envolvidos no processo, ocorrem frequentemente incompatibilidades que são na maioria dos casos solucionáveis com o ajuste de parâmetros É possível a coexistência com todas as formas de NAT identificadas pelo STUN excepto Symmetric NAT devido à dispersão de endereços e portos realizada por esta técnica Para que seja possível o fluxo directo do tráfego multimédia entre terminais atrás de uma NATBox comum é normalmente necessário o suporte de hairipin na NATBox ISEL/DEETC/SRT 36

37 NAT vs IPsec Pouco compatíveis devido a dependências diversas As NATBox não conseguem actualizar os checksums do UDP/TCP Estão cifrados dentro do envelope ESP (modo transporte) Não se conseguem multiplexar fluxos de dados IPsec, não existem cabeçalhos visíveis SPI e o endereço destino não servem pois o contexto é simplex (são usados diferentes SPI em cada um dos sentidos). SPI não pode ser alterado em caso de colisão de valores pois está protegido pelo HMAC à cauda do pacote O porto de IKE (500) usado por algumas implementações não pode ser alterado Algumas implementações descartam estas mensagens se o porto origem não for o standard Os mapeamentos de NAT do IKE/UDP expiram As mensagens de IKE não são frequentes e após o mapeamento expirar deixa-se de se conseguir receber mensagens As mensagens IKE contêm endereços internamente Ao sofrer NAT o endereço do cabeçalho IP fica inconsistente com o do corpo da mensagem sendo rejeitada e abortada a negociação ISEL/DEETC/SRT 37

38 NAT vs IPsec Recentemente definido um modo (NAT-T) Transporta o ESP sobre UDP Flexibiliza regras (ex. portos válidos) Cabeçalho IKE modificado para evitar incompatibilidade O protocolo inclui a detecção de NAT no percurso para coexistência Menos eficiente já que o overhead cresce substancialmente O modo tunnel foi adaptado para ser possível a multiplexagem de diversas ligações sobre NAT ISEL/DEETC/SRT 38

39 NAT vs edonkey2000 Liga-se a um servidor de rendez-vous por TCP ou UDP Por questões de fairness, o sistema limita em muito as funcionalidades disponibilizadas a clientes aos quais não consegue ligar de volta (para o porto indicado pelo cliente) - (LowID!) Tenta promover a simetria produtor/consumidor em cada utilizador para evitar o desequilíbrio que limita a escalabilidade do protocolo Necessário fixup na NATBox (não há pressão dos grandes compradores de equipamentos para que seja suportado!) para abertura automática do porto para recepção das ligações dos outros clientes Usar mapeamento estático de portos para encaminhar os pedidos para a máquina interna Para suporte de múltiplos clientes internos há que usar um porto diferente de entrada para cada com os respectivos mapeamentos estáticos de NAT ISEL/DEETC/SRT 39

40 NAT vs BitTorrent Idêntico ao anterior com a diferença de se complicar o mapeamento de portos pois utiliza uma gama deles (default ) por aplicação/máquina. Ilustração das ligações TCP possíveis quando existe NAT (caixa azul) do lado dos clientes. As ligações a vermelho não conseguem estabelecer-se, as a verde conseguem Situações sem e com mapeamento estático de portos no sentido inbound ISEL/DEETC/SRT 40

41 Referências Operating Principles and General Behavioral Requirements for Network Address Translators (BEH-GEN) B. Ford - M.I.T., P. Srisuresh - Caymas Systems, S. Sivakumar - Cisco Systems - May 2005 Cisco - NAT Frequently Asked Questions, Document ID: NAT Classification Test Results C. Jennings - Cisco Systems - July 16, 2005 RFC FTP Extensions for IPv6 and NATs M. Allman - NASA Lewis/Sterling Software, S. Ostermann - Ohio University, C. Metz - The Inner Net, September ISEL/DEETC/SRT 41

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