橋接虛擬局域網和真實局域網到同一網段原理分析

2020-03-15 14:35:19

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供稿：網友

接上一篇文章《虛擬局域網》。
虛擬局域網底層”物理鏈路“，其實就是建立在真實網卡TCP/UDP協議上，
通過UDP來轉發虛擬網卡產生的以太網卡數據包，
而上層的應用程序看到的，就跟在一個真實的網絡里通訊一樣。
但是虛擬局域網也就只局限于在本網絡里通訊，等于是一個封閉的網絡一樣。
他們要跟真實局域網建立聯系，該怎么做呢，上篇文章說道可以借助NAT，
也可以借助路由讓不同網段的虛擬網絡和真實網絡建立聯系（至于這個功能暫時還沒折騰出來)，
還有就是橋接，讓虛擬局域網和真實物理網絡處于同一個網段，
熟悉VMWARE虛擬機，就應該明白什么是橋接功能了。
vmware網絡設置里首先要綁定到一塊真實的網卡，接著才能使用橋接功能。
這種橋接，讓vmware虛擬機里的操作系統就跟局域網里的一臺真正的機器一樣，有獨立IP地址，能被其他機器訪問到。
看那起來是很神奇的功能，其實明白了原理，相信大部分熟悉程序開發的人都能自己實現
（即使不懂驅動，也能利用現成的抓包開發包比如WinPcap來實現），

這個原理簡單的說，就是把這個被綁定的網卡，看作是一個具有多個IP地址的網卡，
每個IP地址分配給不同的虛擬機器。
以vmware舉個容易明白的例子，
假設一臺電腦，處于網段192.168.100.XX的局域網中，其物理網卡PC-CARD, 它的IP地址是192.168.100.2，
這臺電腦上裝有vmware，vmware裝有另外一個操作系統，設置vmware為橋接模式，并且綁定到物理網卡PC-CARD上，
vmware里裝的操作系統IP地址假設是 192.168.100.3，
局域網中的其他機器，比如192.168.100.4是如何訪問到192.168.100.3的呢？
局域網絕大部分都是以太網標準，依靠MAC地址來識別以太網數據包的地址，其實所有數據包都被發送到PC-CARD網卡，
vmware在NDIS協議驅動層開發一個驅動程序，截獲他所感興趣的數據包，這里是ip地址192.168.100.3的數據包，
并發送到應用層，并且修改目標MAC地址為虛擬機里操作系統的網卡地址，發送到vmware里，
虛擬機里的操作系統發送回應包給用戶程序，修改源MAC地址為PC-CARD的地址，
vmware的協議驅動再發送給網卡，這樣，192.168.100.4的機器就能接收到虛擬機里操作系統的數據包。
而192.168.100.4的機器一直以為是在跟PC-CARD的另一個IP地址192.168.100.3通訊。

現在要說的是，在vmware功能基礎上，
擴展成來自不同地方的虛擬局域網和物理局域網合并成一個網段，互相無障礙的通訊。
主要的通訊結構還是《虛擬局域網》里所描述的：
一個公網服務器負責轉發以太網數據包，其他的虛擬局域網客戶端連接到這個公網服務器，
某個想把自己所在的物理局域網的機器都給共享出來，他的橋接驅動客戶端也同樣連接到這個公網服務器。
同時需要把所有虛擬網卡的網段設置成這個物理局域網的網段，這樣才能正常通訊。

首先開發NDIS協議驅動程序，抓取網卡發送和接收的數據包，
如果不懂驅動，完全可以利用現成的WinPcap來截獲數據包。
在協議驅動中設置包過濾原則為所有本地包，這樣從本網卡發送出去的和接收到的包括廣播組播包就會截獲到，
再通過一個功能設備，發送給應用程序。協議驅動還應該具備從應用層發送以太網數據包到網卡的接口。
驅動部分基本上就做這么多事情，驅動的功能完全可以利用WinPcap替代，因為WinPcap的底層就是個NDIS協議驅動。

主要的工作在應用層部分，
程序首先綁定到某塊網卡，同時獲得這塊網卡的MAC地址和它的所有IP地址。
在應用層接收到驅動發來的數據包，需要進一步過濾。過濾原則如下：
1），如果是廣播包或者組播包，接收，同時不需要修改數據包的目標MAC地址。
2），如果數據包的目標MAC地址不是本網卡的MAC地址，丟棄。
3），如果數據包目標MAC地址等于本網卡的MAC地址，分析數據包類型，保留ARP,RARP和IP類型的數據包，
其他類型的數據包丟棄，
4），在3）的基礎上，進一步分析數據包，取出發送的目標IP地址，如果是發給本網卡的，丟棄，否則接收。
5），在4）的基礎上，修改數據包的目標MAC地址為真正發送目的地MAC地址
（至于如何修改，可先事先商量好目標IP地址和目標MAC地址的對應關系。
我是采用動態辦法：從公網服務器接收的以太網數據包，緩存它的源MAC地址和IP地址對應關系。）
過濾成功的數據包，發送到公網服務器上去轉發。

從公網服務器接收數據包，接收到的數據包首先緩存他的源MAC地址和IP地址的對應關系，作為上邊第5點的過濾條件。
接著修改數據包的源MAC地址為本網卡的MAC地址，為何要如此做，是因為在這個物理局域網網絡中，是靠MAC地址
尋址的，如果不修改，物理局域網的其他機器就不知道該發給誰。

如上所說，整個橋接客戶端的核心功能就已經實現。
注：相關教程知識閱讀請移步到網絡基礎知識頻道。

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