桥接虚拟局域网和真实局域网到同一网段原理分析

2020-03-15 14:35:19

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供稿：网友

接上一篇文章《虚拟局域网》。
虚拟局域网底层”物理链路“，其实就是建立在真实网卡TCP/UDP协议上，
通过UDP来转发虚拟网卡产生的以太网卡数据包，
而上层的应用程序看到的，就跟在一个真实的网络里通讯一样。
但是虚拟局域网也就只局限于在本网络里通讯，等于是一个封闭的网络一样。
他们要跟真实局域网建立联系，该怎么做呢，上篇文章说道可以借助NAT，
也可以借助路由让不同网段的虚拟网络和真实网络建立联系（至于这个功能暂时还没折腾出来)，
还有就是桥接，让虚拟局域网和真实物理网络处于同一个网段，
熟悉VMWARE虚拟机，就应该明白什么是桥接功能了。
vmware网络设置里首先要绑定到一块真实的网卡，接着才能使用桥接功能。
这种桥接，让vmware虚拟机里的操作系统就跟局域网里的一台真正的机器一样，有独立IP地址，能被其他机器访问到。
看那起来是很神奇的功能，其实明白了原理，相信大部分熟悉程序开发的人都能自己实现
（即使不懂驱动，也能利用现成的抓包开发包比如WinPcap来实现），

这个原理简单的说，就是把这个被绑定的网卡，看作是一个具有多个IP地址的网卡，
每个IP地址分配给不同的虚拟机器。
以vmware举个容易明白的例子，
假设一台电脑，处于网段192.168.100.XX的局域网中，其物理网卡PC-CARD, 它的IP地址是192.168.100.2，
这台电脑上装有vmware，vmware装有另外一个操作系统，设置vmware为桥接模式，并且绑定到物理网卡PC-CARD上，
vmware里装的操作系统IP地址假设是 192.168.100.3，
局域网中的其他机器，比如192.168.100.4是如何访问到192.168.100.3的呢？
局域网绝大部分都是以太网标准，依靠MAC地址来识别以太网数据包的地址，其实所有数据包都被发送到PC-CARD网卡，
vmware在NDIS协议驱动层开发一个驱动程序，截获他所感兴趣的数据包，这里是ip地址192.168.100.3的数据包，
并发送到应用层，并且修改目标MAC地址为虚拟机里操作系统的网卡地址，发送到vmware里，
虚拟机里的操作系统发送回应包给用户程序，修改源MAC地址为PC-CARD的地址，
vmware的协议驱动再发送给网卡，这样，192.168.100.4的机器就能接收到虚拟机里操作系统的数据包。
而192.168.100.4的机器一直以为是在跟PC-CARD的另一个IP地址192.168.100.3通讯。

现在要说的是，在vmware功能基础上，
扩展成来自不同地方的虚拟局域网和物理局域网合并成一个网段，互相无障碍的通讯。
主要的通讯结构还是《虚拟局域网》里所描述的：
一个公网服务器负责转发以太网数据包，其他的虚拟局域网客户端连接到这个公网服务器，
某个想把自己所在的物理局域网的机器都给共享出来，他的桥接驱动客户端也同样连接到这个公网服务器。
同时需要把所有虚拟网卡的网段设置成这个物理局域网的网段，这样才能正常通讯。

首先开发NDIS协议驱动程序，抓取网卡发送和接收的数据包，
如果不懂驱动，完全可以利用现成的WinPcap来截获数据包。
在协议驱动中设置包过滤原则为所有本地包，这样从本网卡发送出去的和接收到的包括广播组播包就会截获到，
再通过一个功能设备，发送给应用程序。协议驱动还应该具备从应用层发送以太网数据包到网卡的接口。
驱动部分基本上就做这么多事情，驱动的功能完全可以利用WinPcap替代，因为WinPcap的底层就是个NDIS协议驱动。

主要的工作在应用层部分，
程序首先绑定到某块网卡，同时获得这块网卡的MAC地址和它的所有IP地址。
在应用层接收到驱动发来的数据包，需要进一步过滤。过滤原则如下：
1），如果是广播包或者组播包，接收，同时不需要修改数据包的目标MAC地址。
2），如果数据包的目标MAC地址不是本网卡的MAC地址，丢弃。
3），如果数据包目标MAC地址等于本网卡的MAC地址，分析数据包类型，保留ARP,RARP和IP类型的数据包，
其他类型的数据包丢弃，
4），在3）的基础上，进一步分析数据包，取出发送的目标IP地址，如果是发给本网卡的，丢弃，否则接收。
5），在4）的基础上，修改数据包的目标MAC地址为真正发送目的地MAC地址
（至于如何修改，可先事先商量好目标IP地址和目标MAC地址的对应关系。
我是采用动态办法：从公网服务器接收的以太网数据包，缓存它的源MAC地址和IP地址对应关系。）
过滤成功的数据包，发送到公网服务器上去转发。

从公网服务器接收数据包，接收到的数据包首先缓存他的源MAC地址和IP地址的对应关系，作为上边第5点的过滤条件。
接着修改数据包的源MAC地址为本网卡的MAC地址，为何要如此做，是因为在这个物理局域网网络中，是靠MAC地址
寻址的，如果不修改，物理局域网的其他机器就不知道该发给谁。

如上所说，整个桥接客户端的核心功能就已经实现。
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