华为Basic NAT和NAPT实现原理

NAT是路由器的一项非常重要，且应用非常广泛的技术，但许多读者对NAT的各种实现方式的工作功能原理一直没有搞清楚，其实很简单。本篇先介绍两种NAT实现方式的工作原理，下篇再介绍另两种实现方式的工作原理。

6.1.2 Basic NAT实现原理

Basic NAT方式属于一对一的地址转换，但要注意它不是静态的一对一转换，而是动态的。

在这种转换方式下，在内网用户向公网发起连起请求时，请求报文中的私网IP地址就会通过事先准备好的公网IP地址池动态地建立私网IP地址与公网IP地址的NAT映射表项，并利用所映射的公网IP地址将报文中的源IP地址（也就是内网用户主机的私网IP地址）进行替换（但只转换IP地址，而不处理TCP/UDP协议的端口号，且一个公网IP地址不能同时被多个私网IP地址映射），然后再送达给外网的目的主机。而当外网主机收到请求报文后进行响应时，响应报文到达NAT设备后，又将依据前面请求报文所建立的私网IP地址与公网IP地址的映射关系反向将报文中的目的IP地址（为内部主机私网IP地址映射后的公网IP地址）替换成对应的私网IP地址，然后再送达给内部源主机。

图6-1描述了Basic NAT的基本原理，实现过程如下（需先要在Router上创建公网地址池）：

（1）当内网侧Host主机要访问公网侧Server服务器时，向Router发送请求报文（即Outbound方向），此时报文中的源IP地址为Host自己的10.1.1.100，目的IP地址为Server的IP地址211.100.7.34。

（2）Router在收到来自Host主机的请求报文后，会从事先配置好的公网地址池中选取一个空闲的公网IP地址，建立与内网侧报文源IP地址间的NAT转换映射表项，包括正（Outbound）、反（Inbound）两个方向，然后依据查找正向NAT表项的结果将报文中的源IP地址转换成对应的公网IP地址后向公网侧发送。此时发送的报文的源IP地址已是转换后的公网IP地址162.105.178.65（不再是原来的Host主机IP地址10.1.1.100），目的IP地址不变，仍为Server服务器的IP地址211.100.7.34。

（3）当Server服务器收到请求报文后，需要向Router发送响应报文（即Inbound方向），此时只需要将收到的请求报文中的源IP地址和目的IP地址对调即可，即报文的源IP地址就是Server服务器自己的IP地址211.100.7.34，目的IP地址是Host主机私网IP地址转换后的公网IP地址162.105.178.65。

（4）当Router收到来自公网侧Server服务器发送的响应报文后，会根据报文中的目的IP地址查找反向NAT映射表项，并根据查找结果将报文中的目的IP地址转换成Host主机对应的私网IP地址（源地址不变）后向私网侧发送，即此时报文中的源IP地址仍是Server服务器的IP地址211.100.7.34，目的IP地址已转换成了Host主机的私网IP地址10.1.1.100。

【经验之谈】从以上Basic NAT实现原理分析可以看出，Basic NAT中的请求报文转换的仅是其中的源IP地址（目的IP地址不变），即仅需关心源IP地址；而响应报文转换的仅是其中的目的IP地址（源IP地址不变），即仅需关心目的IP地址。两个方向所转换的IP地址是相反的。

6.1.3 NAPT实现原理

由于Basic NAT这种一对一的转换方式并未实现公网地址的复用，不能有效解决IP地址短缺的问题，因此在实际应用中并不常用。而这里要介绍的NAPT可以实现并发的地址转换，允许多个内部地址映射到同一个公有地址上，因此也可以称为“多对一地址转换”或地址复用。

NAPT使用“IP地址＋端口号”的形式进行转换，相当于增加了一个变量，最终可以实现使多个私网用户可共用一个公网IP地址访问外网。图6-2描述了NAPT的实现原理，具体过程如下（需先在Router上创建好公网地址池）：

（1）假设先是私网侧HostA主机要访问公网侧Server服务器，向Router发送请求报文（即Outbound方向），此时报文中的源地址是HostA主机的IP地址10.1.1.100，源端口号1025。

（2）Router在收到来自HostA发来的请求报文后，从事先配置好的公网地址池中选取一对空闲的“公网IP地址:端口号”，建立与内网侧HostA主机发送的请求报文中的“源IP地址:源端口号”间的NAPT转换表项（同样包括正、反两个方向），然后依据正向NAPT表项查找结果将请求报文中的“源IP地址:源端口号”（10.1.1.100:1025）转换成对应的“公网IP地址:端口号”（162.105.178.65:16384）后向公网侧发送。即此时经过Router的NAPT转换后，发送的请求报文中的源IP地址为162.105.178.65，源端口号16384，目的IP地址和目的端口号不变。

（3）公网侧Server服务器在收到由Router转发的请求报文后，此时需要向Router发送响应报文（即Inbound方向），只需要将收到的请求报文中的源IP地址、源端口和目的IP地址、目的端口对调即可，即此时报文中的目的IP地址和目的端口号就是收到的请求报文中的源IP地址和源端口（162.105.178.65:16384）。

（4）当Router收到来自Server服务器的响应报文后，根据其中的“目的IP地址:目的端口号”查找反向NAPT表项，并依据查找结果将报文转换后向私网侧发送。此时报文中的目的IP地址和目的端口又将转换成请求报文在到达Router前的源IP地址和源端口，即（10.1.1.100:1025）。

此时，如果HostB主机也要访问公网中的Server服务器，当请求报文到达Router时，报文中的源IP地址和源端口号也将进行转换，且它仍然可以使用HostA主机原来使用过的公网IP地址，但所用的端口号一定要不同，假设由原来的（10.1.1.200:1028）转换为（162.105.178.65:16400）。Server服务器发给HostB的响应报文在Router上目的IP地址和目的端口也要经过转换，利用前面形成的NATP转换映射表进行逆向转换，即由原来的（162.105.178.65:16400）转换为（10.1.1.200:1028）。

【经验之谈】从以上NAPT实现原理分析可以看出，请求报文中转换的仅是源IP地址和源端口号（目的IP地址和目的端口号不变），即仅需关心源IP地址和源端口号；而响应报文中转换的是目的IP地址和目的端口号（源IP地址和源端口号不变），即仅需关心目的IP地址和目的端口号。不同私网主机可以转换成同一个公网IP地址，但转换后的端口号必须不一样。

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