NAT地址转换基本过程

越来越多的设备连接到网络上，这导致了IPv4地址资源日益紧张。

IPv4地址的有限性成为了网络扩展的一大障碍。NAT不仅有效缓解了IPv4地址耗尽的压力，而且还提供了额外的安全层，使得内部网络中的设备能够共享一个或少数几个公网IP地址进行对外通信。

无论是构建家庭网络还是设计复杂的企业级网络架构，NAT都是确保网络高效运作的关键工具之一。

然而，由于NAT涉及的技术细节较多，很多网工朋友可能会对此感到有些困惑。

所以今天就来讲讲NAT，帮助大家全面理解NAT的基本概念、工作原理及其在网络管理中的实际应用。

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01 NAT概念解析

NAT（Network Address Translation）是一种用于重新映射IP地址的技术。

在使用NAT的情况下，一个或多个内部网络设备使用私有IP地址，而这些设备通过一个公共IP地址与外部网络进行通信。NAT的主要目的是节省公网IP地址，同时为内部网络提供一定程度的安全防护。

01  私有IP地址 vs 公共IP地址

私有IP地址是在内部网络中使用的，不会在全球范围内路由。这些地址通常是从一个保留的地址池中分配出来的，例如：

• 10.0.0.0 到 10.255.255.255
• 172.16.0.0 到 172.31.255.255
• 192.168.0.0 到 192.168.255.255

这些地址段内可以自由分配而不必担心与其他网络冲突。与此相反，公共IP地址是唯一的，并且可以在全球范围内路由，用于直接在互联网上标识设备。

02  NAT解决的问题

由于IPv4地址空间的限制，NAT成为一种有效的解决方案。

它允许内部网络中的多台设备共享同一个公网IP地址，从而减少了对公网IP地址的需求。此外，NAT还可以隐藏内部网络的拓扑结构，提高网络安全，因为外部网络无法直接访问内部网络设备的真实地址。

02 NAT类型介绍

01  静态NAT（Static NAT）

静态NAT是一种简单的地址转换方式，其中内部网络中的一个或多个设备被永久映射到一个或多个公共IP地址上。

这种类型的NAT常用于需要持续暴露于互联网的服务，如Web服务器、邮件服务器等。静态NAT的好处在于它的稳定性和可预测性，因为内部地址和外部地址之间的映射关系是固定的。

特点：

• 内部地址与外部地址一对一映射。
• 映射关系固定不变，适合需要长期公开访问的服务。
• 提供较高的可用性和稳定性。

02  动态NAT（Dynamic NAT）

动态NAT则是指内部网络中的设备使用一组预先定义的公共IP地址池。

当内部设备需要与外部网络通信时，NAT设备会从这个池中选择一个可用的公共IP地址进行转换。一旦会话结束，这个公共IP地址就会被释放，以供其他内部设备使用。

特点：

• 内部地址与外部地址的映射不是固定的，而是根据需要动态分配。
• 节省公共IP地址资源，适用于大量设备间歇性访问外部网络的情况。
• 提高了灵活性，但可能带来一定的管理复杂度。

03  PAT（Port Address Translation）

PAT，即端口地址转换，是最常见的一种NAT形式。

PAT允许多个内部主机共享同一个公共IP地址，通过附加不同的传输层端口号（TCP或UDP）来区分不同的内部主机。这种方法极大地提高了公共IP地址的利用率。

特点：

• 多个内部IP地址映射到单个外部IP地址，通过端口号区分不同的内部主机。
• 极大地节约了公网IP地址资源。
• 适用于用户数量庞大且每个用户可能只短暂连接外网的场景。
• 可能会对某些需要固定端口的应用程序造成兼容性问题。

03 NAT的工作流程

NAT的工作流程可以分为两个主要阶段：

地址转换和数据包处理。

下面我们将详细探讨这两个阶段是如何运作的。

01  地址转换

当内部网络中的设备试图与外部网络上的另一台设备建立通信时，NAT设备会执行以下操作：

1. 内部设备发送请求：内部设备向NAT设备发送数据包，数据包包含源IP地址（内部私有地址）和目标IP地址（外部公网地址）。
2. 地址转换发生：NAT设备检查数据包的源IP地址，然后查找NAT表。如果不存在相应的条目，则创建一个新的条目，并将内部设备的私有IP地址替换为NAT设备的公共IP地址。同时，如果使用PAT，则还会将源端口号添加到NAT表中，以便后续的流量识别。
3. 转发数据包：修改后的数据包被发送到外部网络。

02  数据包处理

当响应数据包从外部网络返回到内部网络时，NAT设备执行反向转换过程：

1. 接收响应数据包：NAT设备接收到从外部发来的响应数据包，数据包包含源IP地址（外部公网地址）和目标IP地址（NAT设备的公共IP地址）。
2. 查找NAT表项：NAT设备根据数据包的目标IP地址（自己的公共IP地址）和源端口号（如果是PAT的话），查找NAT表中的对应条目。
3. 恢复原始地址：找到对应的条目后，NAT设备将数据包的目标IP地址恢复为内部设备的私有IP地址，并将数据包转发给正确的内部设备。

03  示例

假设内部网络中有一台计算机A（IP: 192.168.1.2），它尝试访问外部网络中的服务器B（IP: 8.8.8.8）。以下是地址转换的具体步骤：

1. 计算机A发送请求：数据包包含源IP地址192.168.1.2，目标IP地址8.8.8.8。
2. NAT设备处理请求：NAT设备将源IP地址192.168.1.2替换为其自身的公共IP地址203.0.113.1，并记录转换信息。
3. 数据包转发：修改后的数据包被发送到外部网络中的服务器B。

当服务器B响应时：

1. 响应到达NAT设备：响应数据包包含源IP地址8.8.8.8，目标IP地址203.0.113.1。
2. NAT设备恢复地址：NAT设备查找NAT表，恢复数据包的目标IP地址为192.168.1.2，并将数据包转发给计算机A。