NAT技術基本原理與應用

1 概述

1.1 簡介

1.1.1 名詞解釋

公有IP地址：也叫全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（網絡信息中心）或者ISP(網絡服務提供商)分配的地址，對外表明一個或多個內部局部地址，是全球統一的可尋 址的地址。

私有IP地址：也叫內部地址，屬於非註冊地址，專門爲組織機構內部使用。因特網分配編號委員會（IANA）保留了3塊IP地址作爲私有IP地址：

10.0.0.0 ——— 10.255.255.255

172.16.0.0——— 172.16.255.255

192.168.0.0———192.168.255.255

地址池：地址池是有一些外部地址（全球惟一的IP地址）組合而成，咱們稱這樣的一個地址集合爲地址池。在內部網絡的數據包經過地址轉換到達外部網絡時，將會在地址池中選擇某個IP地址做爲數據包的源IP地址，這樣能夠有效的利用用戶的外部地址，提升訪問外部網絡的能力。

1.1.2關於NAT

NAT英文全稱是「Network Address Translation」，中文意思是「網絡地址轉換」，它是一個IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任務組)標準，容許一個總體機構以一個公用IP（Internet Protocol）地址出如今Internet上。顧名思義，它是一種把內部私有網絡地址（IP地址）翻譯成合法網絡IP地址的技術，以下圖所示。所以咱們能夠認爲，NAT在必定程度上，可以有效的解決公網地址不足的問題。

簡單地說，NAT就是在局域網內部網絡中使用內部地址，而當內部節點要與外部網絡進行通信時，就在網關（能夠理解爲出口，打個比方就像院子的門同樣）處，將內部地址替換成公用地址，從而在外部公網（internet）上正常使用，NAT可使多臺計算機共享Internet鏈接，這一功能很好地解決了公共 IP地址緊缺的問題。經過這種方法，能夠只申請一個合法IP地址，就把整個局域網中的計算機接入Internet中。這時，NAT屏蔽了內部網絡，全部內部網計算機對於公共網絡來講是不可見的，而內部網計算機用戶一般不會意識到NAT的存在。以下圖所示。這裏提到的內部地址，是指在內部網絡中分配給節點的私有IP地址，這個地址只能在內部網絡中使用，不能被路由轉發。

NAT 功能一般被集成到路由器、防火牆、ISDN路由器或者單獨的NAT設備中。好比Cisco路由器中已經加入這一功能，網絡管理員只需在路由器的IOS中設置NAT功能，就能夠實現對內部網絡的屏蔽。再好比防火牆將WEB Server的內部地址192.168.1.1映射爲外部地址202.96.23.11，外部訪問202.96.23.11地址實際上就是訪問訪問 192.168.1.1。此外，對於資金有限的小型企業來講，如今經過軟件也能夠實現這一功能。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了這一功能。

1.2 分類

NAT有三種類型：靜態NAT(Static NAT)、動態地址NAT(Pooled NAT)、網絡地址端口轉換NAPT（Port-Level NAT）。

1.2.1靜態NAT

經過手動設置，使 Internet 客戶進行的通訊可以映射到某個特定的私有網絡地址和端口。若是想讓鏈接在 Internet 上的計算機可以使用某個私有網絡上的服務器（如網站服務器）以及應用程序（如遊戲），那麼靜態映射是必需的。靜態映射不會從 NAT 轉換表中刪除。
　　若是在 NAT 轉換表中存在某個映射，那麼 NAT 只是單向地從 Internet 向私有網絡傳送數據。這樣，NAT 就爲鏈接到私有網絡部分的計算機提供了某種程度的保護。可是，若是考慮到 Internet 的安全性，NAT 就要配合全功能的防火牆一塊兒使用。

對於以上網絡拓撲圖，當內網主機 10.1.1.1若是要與外網的主機201.0.0.11通訊時，主機（IP：10.1.1.1）的數據包通過路由器時，路由器經過查找NAT table 將IP數據包的源IP地址（10.1.1.1）改爲與之對應的全局IP地址（201.0.0.1），而目標IP地址201.0.0.11保持不變，這樣，數據包就能到達201.0.0.11。而當主機HostB(IP:201.0.0.11) 響應的數據包到達與內網相鏈接的路由器時，路由器一樣查找NAT table，將IP數據包的目的IP 地址改爲10.1.1.1，這樣內網主機就能接收到外網主機發過來的數據包。在靜態NAT方式中，內部的IP地址與公有IP地址是一種一一對應的映射關係，因此，採用這種方式的前提是，機構可以申請到足夠多的全局IP地址。

1.2.2 動態NAT

動態地址NAT只是轉換IP地址，它爲每個內部的IP地址分配一個臨時的外部IP地址，主要應用於撥號，對於頻繁的遠程聯接也能夠採用動態NAT。當遠程用戶聯接上以後，動態地址NAT就會分配給他一個IP地址，用戶斷開時，這個IP地址就會被釋放而留待之後使用。

動態NAT方式適合於 當機構申請到的全局IP地址較少，而內部網絡主機較多的狀況。內網主機IP與全局IP地址是多對一的關係。當數據包進出內網時，具備NAT功能的設備對IP數據包的處理與靜態NAT的同樣，只是NAT table表中的記錄是動態的，若內網主機在必定時間內沒有和外部網絡通訊，有關它的IP地址映射關係將會被刪除，而且會把該全局IP地址分配給新的IP數據包使用，造成新的NAT table映射記錄。

1.2.3網絡地址端口轉換NAPT

網絡地址端口轉換NAPT（Network Address Port Translation）則是把內部地址映射到外部網絡的一個IP地址的不一樣端口上。它能夠將中小型的網絡隱藏在一個合法的IP地址後面。NAPT與 動態地址NAT不一樣，它將內部鏈接映射到外部網絡中的一個單獨的IP地址上，同時在該地址上加上一個由NAT設備選定的端口號。

NAPT是使用最廣泛的一種轉換方式，它又包含兩種轉換方式：SNAT和DNAT。

(1)源NAT（Source NAT，SNAT）：修改數據包的源地址。源NAT改變第一個數據包的來源地址，它永遠會在數據包發送到網絡以前完成，數據包假裝就是一具SNAT的例子。

(2)目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改數據包的目的地址。Destination NAT恰好與SNAT相反，它是改變第一個數據包的目的地地址，如平衡負載、端口轉發和透明代理就是

屬於DNAT。

源NAT舉例：對於以上網絡拓撲圖，內網的主機數量比較多，可是該組織只有一個合法的IP地址，當內網主機（10.1.1.3）往外發送數據包時，則須要修改數據包的IP地址和TCP/UDP端口號，例如將

源IP：10.1.1.3

源port：1493

改爲

源IP：201.0.0.1

源port：1492（注意：源端口號能夠與原來的同樣也能夠不同）

當外網主機（201.0.0.11）響應內網主機（10.1.1.3）時，應將：

目的IP：201.0.0.1

目的port：1492

改爲

目的IP：10.1.1.3

目的port：1493

這樣，經過修改IP地址和端口的方法就可使內網中全部的主機都能訪問外網，此類NAT適用於組織或機構內只有一個合法的IP地址的狀況，也是動態NAT的一種特例。

目的NAT舉例：這種方式適用於內網的某些服務器須要爲外網提供某些服務的狀況。例如以上拓撲結構，內網服務器羣（ip地址分別爲：10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等）須要爲外網提供WEB 服務，當外網主機HostB訪問內網時，所發送的數據包的目的IP地址爲10.1.1.127，端口號爲：80，當該數據包到達內網鏈接的路由器時，路由器查找NAT table，路由器經過修改目的IP地址和端口號，將外網的數據包平均發送到不一樣的主機上（10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等），這樣就實現了負載均衡。

2 NAT原理

2.1 地址轉換

NAT的基本工做原理是，當私有網主機和公共網主機通訊的IP包通過NAT網關時，將IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之間進行轉換。

以下圖所示，NAT網關有2個網絡端口，其中公共網絡端口的IP地址是統一分配的公共 IP，爲202.20.65.5；私有網絡端口的IP地址是保留地址爲192.168.1.1。私有網中的主機192.168.1.2向公共網中的主機202.20.65.4發送了1個IP包(Dst=202.20.65.4,Src=192.168.1.2)。

 當IP包通過NAT網關時，NAT Gateway會將IP包的源IP轉換爲NAT Gateway的公共IP並轉發到公共網，此時IP包（Dst=202.20.65.4，Src=202.20.65.5）中已經不含任何私有網IP的信息。因爲IP包的源IP已經被轉換成NAT Gateway的公共IP，Web Server發出的響應IP包（Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4）將被髮送到NAT Gateway。

這時，NAT Gateway會將IP包的目的IP轉換成私有網中主機的IP，而後將IP包（Des=192.168.1.2，Src=202.20.65.4）轉發到私有網。對於通訊雙方而言，這種地址的轉換過程是徹底透明的。轉換示意圖以下。

若是內網主機發出的請求包未通過NAT，那麼當Web Server收到請求包，回覆的響應包中的目的地址就是私有網絡IP地址，在Internet上沒法正確送達，致使鏈接失敗。

2.2 鏈接跟蹤

在上述過程當中，NAT Gateway在收到響應包後，就須要判斷將數據包轉發給誰。此時若是子網內僅有少許客戶機，能夠用靜態NAT手工指定；但若是內網有多臺客戶機，而且各自訪問不一樣網站，這時候就須要鏈接跟蹤（connection track）。以下圖所示：

在NAT Gateway收到客戶機發來的請求包後，作源地址轉換，而且將該鏈接記錄保存下來，當NAT Gateway收到服務器來的響應包後，查找Track Table，肯定轉發目標，作目的地址轉換，轉發給客戶機。

2.3 端口轉換

以上述客戶機訪問服務器爲例，當僅有一臺客戶機訪問服務器時，NAT Gateway只須更改數據包的源IP或目的IP便可正常通信。可是若是Client A和Client B同時訪問Web Server，那麼當NAT Gateway收到響應包的時候，就沒法判斷將數據包轉發給哪臺客戶機，以下圖所示。

 此時，NAT Gateway會在Connection Track中加入端口信息加以區分。若是兩客戶機訪問同一服務器的源端口不一樣，那麼在Track Table里加入端口信息便可區分，若是源端口正好相同，那麼在實行SNAT和DNAT的同時對源端口也要作相應的轉換，以下圖所示。

3 應用

NAT主要能夠實現如下幾個功能：數據包假裝、平衡負載、端口轉發和透明代理。

數據假裝: 能夠將內網數據包中的地址信息更改爲統一的對外地址信息，不讓內網主機直接暴露在因特網上，保證內網主機的安全。同時，該功能也經常使用來實現共享上網。例如，內網主機訪問外網時，爲了隱藏內網拓撲結構，使用全局地址替換私有地址。

端口轉發: 當內網主機對外提供服務時，因爲使用的是內部私有IP地址，外網沒法直接訪問。所以，須要在網關上進行端口轉發，將特定服務的數據包轉發給內網主機。例如公司小王在本身的服務器上架設了一個Web網站，他的IP地址爲192.168.0.5，使用默認端口80，如今他想讓局域網外的用戶也能直接訪問他的Web站點。利用NAT便可很輕鬆的解決這個問題，服務器的IP地址爲210.59.120.89，那麼爲小王分配一個端口，例如81，即全部訪問210.59.120.89:81的請求都自動轉向192.168.0.5:80，並且這個過程對用戶來講是透明的。

負載平衡:目的地址轉換NAT能夠重定向一些服務器的鏈接到其餘隨機選定的服務器。例如1.2.3所講的目的NAT的例子。

失效終結:目的地址轉換NAT能夠用來提供高可靠性的服務。若是一個系統有一臺經過路由器訪問的關鍵服務器，一旦路由器檢測到該服務器當機，它可使用目的地址轉換NAT透明的把鏈接轉移到一個備份服務器上，提升系統的可靠性。

透明代理:例如本身架設的服務器空間不足，須要將某些連接指向存在另一臺服務器的空間；或者某臺計算機上沒有安裝IIS服務，可是卻想讓網友訪問該臺計算機上的內容，這個時候利用IIS的Web站點重定向便可輕鬆的幫助咱們搞定。

4 NAT的缺陷

NAT在最開始的時候是很是完美的，但隨着網絡的發展，各類新的應用層出不窮，此時NAT也暴露出了缺點。NAT的缺陷主要表如今如下幾方面：

(1) 不能處理嵌入式IP地址或端口

NAT設備不能翻譯那些嵌入到應用數據部分的IP地址或端口信息，它只能翻譯那種正常位於IP首部中的地址信息和位於TCP/UDP首部中的端口信息，以下圖,因爲對方會使用接收到的數據包中嵌入的地址和端口進行通訊，這樣就可能產生鏈接故障，若是通訊雙方都是使用的公網IP，這不會形成什麼問題，但若是那個嵌入式地址和端口是內網的，顯然鏈接就不可能成攻，緣由就如開篇所說的同樣。MSN Messenger的部分功能就使用了這種方式來傳遞IP和端口信息，這樣就致使了NAT設備後的客戶端網絡應用程序出現鏈接故障。

(2) 不能從公網訪問內部網絡服務

因爲內網是私有IP，因此不能直接從公網訪問內部網絡服務，好比WEB服務，對於這個問題，咱們能夠採用創建靜態映射的方法來解決。好比有一條靜態映射，是把218.70.201.185:80與192.168.0.88:80映射起的，當公網用戶要訪問內部WEB服務器時，它就首先鏈接到218.70.201.185:80，而後NAT設備把請求傳給192.168.0.88:80，192.168.0.88把響應返回NAT設備，再由NAT設備傳給公網訪問用戶。

(3) 有一些應用程序雖然是用A端口發送數據的，但卻要用B端口進行接收，不過NAT設備翻譯時殊不知道這一點，它仍然創建一條針對A端口的映射，結果對方響應的數據要傳給B端口時，NAT設備卻找不到相關映射條目而會丟棄數據包。
(4) 一些P2P應用在NAT後沒法進行
對於那些沒有中間服務器的純P2P應用（如電視會議，娛樂等）來講，若是你們都位於NAT設備以後，雙方是沒法創建鏈接的。由於沒有中間服務器的中轉，NAT設備後的P2P程序在NAT設備上是不會有映射條目的，也就是說對方是不能向你發起一個鏈接的。如今已經有一種叫作P2P NAT穿越的技術來解決這個問題。

5.結語

NAT技術無能否認是在ipv4地址資源的短缺時候起到了緩解做用；在減小用戶申請ISP服務的花費和提供比較完善的負載平衡功能等方面帶來了很多好處。可是在ipv4地址在之後幾年將會枯竭，NAT技術不能改變ip地址空間不足的本質。然而在安全機制上也潛在着威脅，在配置和管理上也是一個挑戰。若是要從根本上解決ip地址資源的問題，ipv6纔是最根本之路。在ipv4轉換到ipv6的過程當中，NAT技術確實是一個不錯的選擇，相對其餘的方案優點也很是明顯。