NAT技术详解

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是将IP数据报头中的IP地址转换为另一个IP地址的过程。在实际应用中，NAT主要用于实现私有网络访问公共网络的功能。这种通过使用少量的公网IP地址代表较多的私网IP地址的方式，将有助于减缓可用IP地址空间的枯竭。
私网IP地址是指内部网络或主机的IP地址，公网IP地址是指在因特网上全球唯一的IP地址。
RFC 1918为私有网络预留出了三个IP地址块，如下：
A类：10.0.0.0～10.255.255.255
B类：172.16.0.0～172.31.255.255
C类：192.168.0.0～192.168.255.255
（上述三个范围内的地址不会在因特网上被分配，因此可以不必向ISP或注册中心申请而在公司或企业内部自由使用。）
NAT最初的设计目的是用于实现私有网络访问公共网络的功能，后扩展到实现任意两个网络间进行访问时的地址转换应用，本文中将这两个网络分别称为内部网络（内网）和外部网络（外网），通常私网为内部网络，公网为外部网络。
 

内网用户主机PC（192.168.1.3）向外网服务器（1.1.1.2）发送的IP报文通过NAT设备。
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NAT设备查看报头内容，发现该报文是发往外网的，将其源IP地址字段的私网地址192.168.1.3转换成一个可在Internet上选路的公网地址20.1.1.1，并将该报文发送给外网服务器，同时在NAT设备的网络地址转换表中记录这一映射。
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外网服务器给内网用户发送的应答报文（其初始目的IP地址为20.1.1.1）到达NAT设备后，NAT设备再次查看报头内容，然后查找当前网络地址转换表的记录，用内网私有地址192.168.1.3替换初始的目的IP地址。
上述的NAT过程对终端（如图中的Host和Server）来说是透明的。对外网服务器而言，它认为内网用户主机的IP地址就是20.1.1.1，并不知道有192.168.1.3这个地址。因此，NAT“隐藏”了企业的私有网络。
地址转换的优点在于，在为内部网络主机提供了“隐私”保护的前提下，实现了内部网络的主机通过该功能访问外部网络的资源。但它也有一些缺点：
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由于需要对数据报文进行IP地址的转换，涉及IP地址的数据报报文的报头不能被加密。在应用协议中，如果报文中有地址或端口需要转换，则报文不能被加密。例如，不能使用加密的FTP连接，否则FTP协议的port命令不能被正确转换。
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网络调试变得更加困难。比如，某一台内部网络的主机试图攻击其它网络，则很难指出究竟哪一台主机是恶意的，因为主机的IP地址被屏蔽了。
地址转换控制
在实际应用中，我们可能希望某些内部网络的主机可以访问外部网络，而某些主机不允许访问，即当NAT设备查看IP数据报文的报头内容时，如果发现源IP地址属于禁止访问外部网络的内部主机，它将不进行地址转换。另外，也希望只有指定的公网地址才可用于地址转换。
设备可以利用ACL（Access Control Limit，访问控制列表）和地址池来对地址转换进行控制。
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访问控制列表可以有效地控制地址转换的使用范围，只有满足访问控制列表规则的数据报文才可以进行地址转换。
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地址池是用于地址转换的一些连续的公网IP地址的集合，它可以有效地控制公网地址的使用。用户可根据自己拥有的合法IP地址数目、内部网络主机数目以及实际应用情况，定义合适的地址池。在地址转换的过程中，NAT设备将会从地址池中挑选一个IP地址作为数据报文转换后的源IP地址。
NAT实现
基本地址转换
从的地址转换过程可见，当内部网络访问外部网络时，地址转换将会选择一个合适的外部地址，来替代内部网络数据报文的源地址。中是选择NAT设备出接口的IP地址（公网IP地址）。这样所有内部网络的主机访问外部网络时，只能拥有一个外部网络的IP地址，因此，这种情况同时只允许最多有一台内部网络主机访问外部网络。
当内部网络的多台主机并发的要求访问外部网络时，NAT也可实现对并发性请求的响应，允许NAT设备拥有多个公有IP地址。当第一个内网主机访问外网时，NAT选择一个公有地址IP1，在地址转换表中添加记录并发送数据报；当另一内网主机访问外网时，NAT选择另一个公有地址IP2，以此类推，从而满足了多台内网主机访问外网的请求。
NAT设备拥有的公有IP地址数目要远少于内部网络的主机数目，因为所有内网主机并不会同时访问外网。公有IP地址数目的确定，应根据网络高峰期可能访问外网的内网主机数目的统计值来确定
NAPT
NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换）是基本地址转换的一种变形，它允许多个内部地址映射到同一个公有地址上，也可称之为“多对一地址转换”。
NAPT同时映射IP地址和端口号：来自不同内部地址的数据报的源地址可以映射到同一外部地址，但它们的端口号被转换为该地址的不同端口号，因而仍然能够共享同一地址，也就是“私有地址＋端口号”与“公网IP地址＋端口号”之间的转换
 
三个带有内部地址的数据报文到达NAT设备，其中报文1和报文2来自同一个内部地址但有不同的源端口号，报文1和报文3来自不同的内部地址但具有相同的源端口号。通过NAPT映射，四个数据报的源IP地址都被转换到同一个外部地址，但每个数据报都被赋予了不同的源端口号，因而仍保留了报文之间的区别。当各报文的回应报文到达时，NAT设备网关仍能够根据回应报文的目的地址和端口号来区别该报文应转发到的内部主机。
采用NAPT可以更加充分地利用IP地址资源，实现更多内部网络主机对外部网络的同时访问。

3. 内部服务器NAT隐藏了内部网络的结构，具有“屏蔽”内部主机的作用，但是在实际应用中，可能需要给外部网络提供一个访问内网主机的机会，如给外部网络提供一台Web服务器，或是一台FTP服务器。
NAT设备提供的内部服务器功能，就是通过静态配置“公网IP地址＋端口号”与“私网IP地址＋端口号”间的映射关系，实现公网IP地址到私网IP地址的“反向”转换。例如，可以将20.1.1.1:8080配置为内网某Web服务器的外部网络地址和端口号供外部网络访问。外部网络用户访问内部网络服务器的数据报文经过NAT设备时，NAT设备根据报文的目的地址查找地址转换表项，将访问内部服务器的请求报文的目的IP地址和端口号转换成内部服务器的私有IP地址和端口号。当内部服务器回应该报文时，NAT设备再根据已有的地址映射关系将回应报文的源IP地址和端口号转换成公网IP地址和端口号。
 

4. DNS mapping一般情况下，DNS服务器和访问私网服务器的用户都在公网，通过在NAT设备的公网接口上配置内部服务器，可以将公网地址、端口等信息映射到私网内的服务器上，使得公网用户可以通过内部服务器的域名或公网地址来访问内部服务器。但是，如果DNS服务器在公网，私网用户希望通过域名来访问私网的Web服务器，则会由于DNS服务器向私网用户发送的响应报文中包含的是私网服务器的公网地址，而导致收到响应报文的私网用户无法利用域名访问私网服务器。通过在设备上配置DNS mapping可以解决该问题。
 

DNS mapping功能是指，通过配置“域名+公网IP地址+公网端口号+协议类型”的映射表，建立内部服务器域名与内部服务器公网信息的对应关系。在配置了NAT的接口上，设备检查接收到的DNS响应报文，根据报文中的域名查找用户配置的DNS mapping映射表，并根据表项内的“公网地址+公网端口+协议类型”信息查找内部服务器地址映射表中该信息对应的私网地址，替换DNS查询结果中的公网地址。这样，私网用户收到的DNS响应报文中就包含了要访问的内部服务器的私网地址，也就能够使用内部服务器域名访问同一私网内的内部服务器。
5. Easy IPEasy IP功能是指进行地址转换时，直接使用接口的外网IP地址作为转换后的源地址，能够最大程度的节省IP地址资源。它也可以利用访问控制列表控制哪些内部地址可以进行地址转换。
6. NAT支持的特殊协议NAT不仅实现了一般的地址转换功能，同时提供了完善的地址转换ALG （Application Layer Gateway，应用级网关）机制，使其可以支持一些特殊的应用协议，而不需要对NAT平台进行任何的修改，具有良好的可扩充性。这些特殊协议的报文载荷里携带了地址或端口信息，该信息也可能需要进行地址转换。
可支持的特殊协议包括：FTP（File Transfer Protocol，文件传输协议）、ICMP（Internet Control Message Protocol，因特网控制消息协议）、DNS（Domain Name System，域名系统）、ILS（Internet Locator Service，Internet定位服务）、H.323、SIP（Session Initiation Protocol，会话发起协议）、NetMeeting 3.01、NBT（NetBIOS over TCP/IP，基于TCP/IP的网络基本输入输出系统）等。