路由器中NAT（Network Address Translation）网络地址转换

1. 主机内部的端口

• 在一台主机上，每个网络应用（浏览器、SSH 客户端、游戏等）都会绑定一个“源端口”（通常是 1024–65535 之间的临时端口），操作系统内核借此区分不同的进程／连接。
• 当 A 进程想和 B 服务器通信时，它选一个源端口（如 12345），目标是服务器的 IP+端口（如 180.101.49.11:443）。

Outbound Packet (from PC A):
源 IP:  192.168.1.100  
源端口: 12345            ← A 进程的端口
目  标 IP: 180.101.49.11  
目标端口: 443

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2. NAT 路由器的“重写”动作

1. 接收：路由器收到这个发往互联网的数据包。

2. 修改源地址和源端口：

   • 把源 IP 192.168.1.100 → 换成公网 IP 123.45.67.89
   • 把源端口 12345 → 换成一个路由器随机／预分配的外网端口，比如 60001

3. 记录映射表：

   内网 (IP:Port)       ↔ 外网 (IP:Port)
   192.168.1.100:12345  ↔ 123.45.67.89:60001
   

4. 转发：把修改后的包发到互联网。

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3. 流量返回时的处理

当互联网服务器把响应发回 123.45.67.89:60001，路由器：

1. 查表：发现这条记录对应内网 192.168.1.100:12345
2. 还原包头：把目的 IP/端口从 123.45.67.89:60001 改回 192.168.1.100:12345
3. 转发到主机：内核看到目标端口 12345，就交给发起请求的进程。

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4. 为什么要改端口？

• 如果不改端口，多个内网主机同时用同一个源端口（比如都用 12345），路由器就无法区分哪个包给哪台机器／进程。
• 通过改成不同的外网端口，路由器就能一一对应，每个连接都有唯一的外网 (IP, Port)。

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5. 重点回顾

• 路由器并不“为每个连接启动进程”，它只是在内存里维护一张“内网 IP:端口 ↔ 外网 IP:端口” 的映射表。

• 真正的进程端口（如 12345）只在主机内部被使用，路由器只是在转发时改写包头而已。

• 端口始终是“端到端”的概念：

  • 主机看的是“内网 IP + 原端口”，
  • 互联网看的是“公网 IP + 新端口”。

这样就解决了“多台机器共享一个公网 IP 时，如何正确区分不同进程／连接”的问题。希望这个梳理能让你对 NAT 中端口转换的全过程更加清晰！

这种映射表应该会很大，因为一台电脑可能会和不同服务器建立连接，然后局域网中又有多台电脑

在 NAT 路由器中维护的映射表确实可能很大，因为：

• 一台内网电脑可能同时访问多个公网服务器（浏览器开多个标签页、微信、QQ、Steam等）；
• 每一个 TCP/UDP 连接（或“会话”）都需要单独映射一条记录；
• 局域网里有多台设备，每台都在做这些连接。

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✅ 映射表的实际规模举例

假设你有 10 台电脑

每台电脑：

• 浏览器开 10 个网页（10 个连接）
• 正在用微信（5 个连接）
• 正在打游戏（3 个连接）
• 还有系统更新、NTP 校时等后台请求（2 个连接）

总连接数 ≈ 10 × (10 + 5 + 3 + 2) = 200 条连接映射记录

这还只是比较轻量的场景。比如公司网络有 100 台设备，那就成了几千条甚至上万条连接。

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✅ NAT 路由器是怎么应对的？

1. 使用哈希表 / 哈希映射数据结构

• 路由器通常使用高效的数据结构（如哈希表）来维护这张表，查找/插入/删除都在常数时间复杂度完成；
• 映射项按五元组索引：
  源内网IP + 源端口 + 目标IP + 目标端口 + 协议（TCP/UDP）

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2. 端口重用范围大

• 路由器有 65535 个端口（除去保留的一部分），大多数用于 NAT 分配。
• 在一个公网 IP 下，可以同时维护几万个不同的 (公网IP:端口) 映射。

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3. 设置连接超时清理

• 路由器会定期清理长期不活动的连接，释放资源。

  协议	空闲连接超时时间（常见）
  UDP	30～60 秒（无状态协议）
  TCP	300 秒（5 分钟）或更久

所以如果一个连接建立后长时间没数据传输，就会被 NAT 表清理掉。

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4. 大型企业或运营商使用“会话容量更大的设备”

• 普通家用路由器支持几千到几万个 NAT 映射；
• 企业级防火墙/路由器（如 Cisco、华为设备）可支持百万级连接。

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✅ 总结

• NAT 映射表确实会变大，尤其是局域网设备多、访问频繁的时候；
• 但现代路由器通过高效算法和超时清理机制来应对；
• 所以哪怕一台主机同时连接多个服务、局域网中设备众多，只要 NAT 设备容量足够，都能正常运作。