VPC 中 NAT 的那点事

下图 是EC2实例通过IGW(Internet网关) 接入到Internet的示意图。熟悉AWS的读者会知道，这里EC2实例和Internet通信的两个方向上，实际上发生了如下的转换：
* 从EC2实例发出的前往Internet的IP包，其源地址10.0.0.10在经过IGW时，会被转换为与实例关联的公网地址 54.232.0.1；* 从Internet发给54.232.0.1的IP包，经过IGW时其目的地址会转换为ENI对应的内网地址10.0.0.10并被送到 EC2实例；
可以看到，这里Internet网关就是起到实例的内网地址和公网地址一对一的基本 NAT（网络地址转换）的功能。
![](https://s3.cn-north-1.amazonaws.com.cn/images-bjs/1017-01.png)
相比于没有NAT的场景，大部分的应用、软件不需要任何改变就能在基本NAT的场景下继续工作，例如基于HTTP协议的Web应用等；但是对于某些应用，例如FTP、VoIP等，网络地址转换会给应用带来一些意想不到的挑战。今天我们以历史悠久的FTP协议为例，来和大家探讨一下NAT给FTP这样的应用带来什么样的挑战，以及FTP应用和协议又是如何演进去适应它。
### 被动模式下的FTP
我们重温一下FTP的工作过程。客户端连接服务端TCP 21端口建立命令通道后，输入用户名密码完成登录；随后的每一次数据传输都需要另外建立数据通道进行； 如果数据通道由客户端发起，服务端接受，我们称之为被动模式；反之，如果数据通道由服务端发起，客户端接受，则称之为主动模式。
为简化讨论，我们以被动模式为例。
**同一个私网内**
我们在EC2实例10.0.0.10上搭建了一台FTP服务器，它监听在21端口。现在我们从同一个VPC里的另外一台EC2上运行FTP客户端；那么整个过程会很顺利。  ![](https://s3.cn-north-1.amazonaws.com.cn/images-bjs/1017-2.PNG)
**从Internet访问**
现在我们从位于Internet某处的一台PC上运行FTP客户端。  ![](https://s3.cn-north-1.amazonaws.com.cn/images-bjs/1017-3.PNG)
这里连接超时的原因显而易见，FTP服务端发送给客户端的IP地址是服务端的私有地址。位于Internet上的客户端无法建立与位于VPC内部的私有地址10.0.0.10直接通讯。
解决这个问题有多种方法，我们由简单到复杂分别叙述。
### 增强协议适配NAT
FTP协议针对NAT和其他因素，对协议进行了增强，提供了增强版的被动模式EPSV命令[1]。
下面的例子里，服务端不再显式指定IP地址，只提供数据通道的端口号。客户端默认与控制通道相同的IP地址建立数据通道。
![](https://s3.cn-north-1.amazonaws.com.cn/images-bjs/1017-4.PNG)
可以看到，解决方案很优雅。实际上如果你在阅读本文的时候，绝大部分FTP服务端和客户端都已经实现了EPSV，而且优先使用它，所以FTP应用目前在EC2上是可以称之为开箱即用的。当然这需要客户端和服务端都支持增强的协议才能达成；如果我们不修改协议，能否解决这个问题呢。
### 放开那协议！我来！
有些时候，修改协议和实现需要多方协调和很长的时间才能完成。在RFC2428标准化之前，一些FTP实现就已经通过修改实现来适配基本NAT，而非修改协议。
以vsftpd为例，它允许通过配置文件vsftpd.conf中的配置项 pasv_address=54.232.0.1 告知服务端，在PASV被动模式下，应当指示客户端连接到配置项指定的IP（而不是服务端的私有IP）来适配基本NAT。
其他的一些常见应用例如VoIP类应用，也有类似的机制去适配基本NAT；例如引入STUN/TURN/ICE等方式［2］适配各种更加复杂的NAT穿越场景；但是针对部署在EC2上的基本NAT环境，也有通过实现上的简单调整，例如开源VoIP应用Asterisk就支持通过在配置文件/etc/asterisk/sip.conf里指定本机的公网地址和本地网段的方式来适配基本NAT。
nat=yes
externaddr=54.223.0.1
localnet=10.0.0.0/16
### 协议和实现我都不想动！
作为一枚任性的读者，如果您既不想动协议也不想动实现，这里笔者给读者介绍一种剑走偏锋的方式，读者若有兴趣，可以轻松愉快的在AWS上试一试，看看能否解决你的应用适配基本NAT。下面是一段shell脚本，当然是运行在Linux操作系统上的。
_\#从EC2 实例元数据服务获取本实例的公网IP(如有)、私网IP_
_public_ipv4=`curl -s http://169.254.169.254/latest/meta-data/public-ipv4`_
_local_ipv4=`curl -s http://169.254.169.254/latest/meta-data/local-ipv4`_
_\#配置私网地址段，这里应为EC2实例所在VPC的地址范围_
_local_net=10.0.0.0/16_
_if [ “x${public_ipv4}” == “x” ]_
_then_
_echo “No public IPv4 address available for this instance, abort.”_
_exit 1_
_else_
_\#如果EC2实例的公网IP不为空,则将该公网地址添加到eth0上_
_ip address add ${public_ipv4}/32 dev eth0_
_\#本地接受的连接，如果来源不是本VPC，那么将IP包的目的地址改写为公网IP_
_iptables -t nat -A PREROUTING ! -s ${local_net} -d ${local_ipv4} -i eth0 -j DNAT –to ${public_ipv4}_
_\#本地发起的连接，如果出方向流量的源IP地址是公网地址，那么需要改写为私网IP_
_iptables -t nat -A POSTROUTING -s ${public_ipv4} -o eth0 -j SNAT –to ${local_ipv4}_
_fi_
正常情况下，脚本执行完毕后，可以通过如下方式验证效果。
### 首先检查本实例的公网IP是否已经正确配置到eth0上。
~ # ip addr show dev eth0
eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 9001 qdisc pfifo_fast state UP group default qlen 1000
link/ether 02:c7:6b:9b:d2:b6 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
inet 10.0.0.10/24 brd 10.0.0.255 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet 54.232.0.1/32 scope global eth0
valid_lft forever preferred_lft forever
inet6 fe80::c7:6bff:fe9b:d2b6/64 scope link
valid_lft forever preferred_lft forever
可以看到，公有IP地址(54.232.0.1/32)已经成功添加到eth0接口。
### 然后检查iptables的NAT规则是否正确配置
~ # iptables -t nat -nvL


Chain PREROUTING (policy ACCEPT 0 packets, 0 bytes)
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
0    0  DNAT       all  —  eth0   *       ! 10.0.0.0/16        10.0.0.10            to:54.223.74.106
Chain INPUT (policy ACCEPT 1 packets, 64 bytes)
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination


Chain OUTPUT (policy ACCEPT 3 packets, 222 bytes)
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination


Chain POSTROUTING (policy ACCEPT 3 packets, 222 bytes)
pkts bytes target     prot opt in     out     source               destination
0     0 SNAT       all  —  *      eth0    54.223.74.106        0.0.0.0/0            to:10.0.0.1
从上面可以看到传入、传出数据包的数量以及IP地址在传入前，传出后的地址改写情况。
### 最后分别从VPC内部和Internet连接到服务，验证结果
~ $ ss -nt
State       Recv-Q Send-Q            Local Address:Port                       Peer Address:Port
ESTAB        0          72                   54.223.74.106:21                            119.xx.x.xx:52425
ESTAB        0      1272                   54.223.74.106:12081                      119.xx.x.xx:23710
ESTAB        0          72                   10.0.0.10:21                                     10.xx.x.xx:48361
ESTAB        0      1272                   10.0.0.10:12090                               10.xx.x.xx:32115
笔者在没有修改任何vsftpd的配置文件的前提下，通过上述脚本的运行和配置，同一个VPC内部的客户端和Internet客户端都能完成FTP被动模式的文件传输全流程。
值得一提的是，本方法仅供参考，不建议在生产环境中大规模使用，推荐的解决方案请参考前文关于协议适配和实现适配。
[1] FTP Extensions for IPv6 and NATs  https://tools.ietf.org/html/rfc2428  [2] NAT Traversal Practices for Client-Server https://tools.ietf.org/html/rfc6314  **作者介绍：**
![](https://s3.cn-north-1.amazonaws.com.cn/images-bjs/Ding+Chandler.jpg)
丁成银
AWS 解决方案架构师，获得AWS解决方案架构师专业级认证和DevOps工程师专业级认证。负责基于AWS的云计算方案架构的咨询和设计，同时致力于AWS云 服务在国内的应用和推广，在数字媒体、电信、互联网和游戏、企业混合IT等方面有着丰富的实践和设计经验。在加入AWS之前，历任数字媒体娱乐系统工程 师、宽带业务架构师、云解决方案架构师，负责数字媒体娱乐系统、云计算解决方案等服务的咨询和架构设计工作。