网络地址转换NAT

本文详细介绍了网络地址转换(NAT)的概念及其三种类型:静态NAT、动态地址NAT和网络地址端口转换NAPT。解释了NAT如何通过转换内部私有IP地址为合法的公网IP地址来解决公网地址不足的问题,并探讨了NAT的工作原理,包括地址转换、连接跟踪和端口转换等关键步骤。

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网络地址转换,NAT,允许一个整体机构以一个公用IP(Internet Protocol)地址出现在Internet上。顾名思义,它是一种把内部私有网络地址(IP地址)翻译成合法网络IP地址的技术。因此我们可以认为,NAT在一定程度上,能够有效的解决公网地址不足的问题。

NAT的基本思想是ISP(Internet服务提供商)为每个家庭或者公司分配一个IP地址,这个IP地址用作Internet流量的传输,也就是大家常说的外网IP地址或者公网IP地址。在客户网络的内部,每台计算机有唯一一个IP地址,即内网IP地址,这些地址主要用于路由内部流量。当一个数据包离开客户网络发送至其他ISP时,需要进行地址转换,把唯一的内网IP地址转换成外网的IP地址。

NAT将内网外网划分好之后,是如何使内网的设备访问外网的呢?

  如下图,当计算机A在内网(假设IP为10.0.0.1)想去访问一个Internet上的网站S(假设IP地址为54.223.189.245)时,A的数据包需要先经过一个NAT盒子(NAT box),这个盒子先将A的IP源地址转换成外网的真实IP地址(假设IP为121.0.0.2),然后将转换后的数据包发送至Internet。


  于是问题来了,当网站S收到这个数据包后,会处理请求,并发送响应的数据包,然而这个数据包的目标地址是121.0.0.2(外网IP),数据包如何返回内网中的A呢?

假设内网计算机A(IP地址为10.0.0.1)发送的请求包的源端口是45421,目标端口是80,请求访问网站服务器S(IP地址为54.223.189.245)。

  当这个出境数据包经过NAT盒子时,其源地址被修改成公网的真实IP(121.0.0.2),源端口被修改一个索引值(假设为50002),这个索引值指向NAT盒子的地址转化表中的某一项,这一表项保存了计算机A的内网源地址和源端口。最后NAT盒子将重新生成的数据包发送出去。

  当网站S响应的入境数据包到达NAT盒子时,数据包经过处理,目的地址由公网IP(121.0.0.2)还原为计算机A的内网IP(10.0.0.1),目标端口由索引值(50002)还原为计算机A的源端口(45421)。还原后数据包可以正常的在内网路由。

  这个过程基本如下图所示。


  如此一来,NAT解决了数据包在内网公网之间的地址和端口的转换问题,暂时缓解了IP地址的短缺,但是它却有着不少的缺点。

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1.2 分类

NAT有三种类型:静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT(Port-Level NAT)

其中,网络地址端口转换NAPT(Network Address Port Translation)则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT与 动态地址NAT不同,它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上,同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的端口号。

NAPT是使用最普遍的一种转换方式,在HomeGW中也主要使用该方式。它又包含两种转换方式:SNAT和DNAT。

(1)源NAT(Source NAT,SNAT):修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址,它永远会在数据包发送到网络之前完成数据包伪装就是一具SNAT的例子。

(2)目的NAT(Destination NAT,DNAT):修改数据包的目的地址。Destination NAT刚好与SNAT相反,它是改变第一个数据懈的目的地地址,如平衡负载、端口转发和透明代理就是属于DNAT。


2 原理

2.1 地址转换

NAT的基本工作原理是,当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时,将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。

如下图所示,NAT网关有2个网络端口,其中公共网络端口的IP地址是统一分配的公共 IP,为202.20.65.5;私有网络端口的IP地址是保留地址,为192.168.1.1。私有网中的主机192.168.1.2向公共网中的主机202.20.65.4发送了1个IP包(Dst=202.20.65.4,Src=192.168.1.2)。

当IP包经过NAT网关时,NAT Gateway会将IP包的源IP转换为NAT Gateway的公共IP并转发到公共网,此时IP包(Dst=202.20.65.4,Src=202.20.65.5)中已经不含任何私有网IP的信息。由于IP包的源IP已经被转换成NAT Gateway的公共IP,Web Server发出的响应IP包(Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4)将被发送到NAT Gateway。

这时,NAT Gateway会将IP包的目的IP转换成私有网中主机的IP,然后将IP包(Des=192.168.1.2,Src=202.20.65.4)转发到私有网。对于通信双方而言,这种地址的转换过程是完全透明的。转换示意图如下。

如果内网主机发出的请求包未经过NAT,那么当Web Server收到请求包,回复的响应包中的目的地址就是私网IP地址,在Internet上无法正确送达,导致连接失败。

2.2 连接跟踪

在上述过程中,NAT Gateway在收到响应包后,就需要判断将数据包转发给谁。此时如果子网内仅有少量客户机,可以用静态NAT手工指定;但如果内网有多台客户机,并且各自访问不同网站,这时候就需要连接跟踪(connection track)。如下图所示:

在NAT Gateway收到客户机发来的请求包后,做源地址转换,并且将该连接记录保存下来,当NAT Gateway收到服务器来的响应包后,查找Track Table,确定转发目标,做目的地址转换,转发给客户机。

2.3 端口转换

以上述客户机访问服务器为例,当仅有一台客户机访问服务器时,NAT Gateway只须更改数据包的源IP或目的IP即可正常通讯。但是如果Client A和Client B同时访问Web Server,那么当NAT Gateway收到响应包的时候,就无法判断将数据包转发给哪台客户机,如下图所示。

此时,NAT Gateway会在Connection Track中加入端口信息加以区分。如果两客户机访问同一服务器的源端口不同,那么在Track Table里加入端口信息即可区分,如果源端口正好相同,那么在执行SNAT和DNAT的同时对源端口也要做相应的转换,如下图所示。(这里的理解灰常重要)


<think>好的,用户需要查找关于网络地址转换NAT的实验指导或教程。首先,我需要确认用户的具体需求。他们可能是在学习计算机网络,需要实际操作NAT配置的步骤,或者作为网络工程师希望提升技能。根据用户提供的引用内容,有几个关键点需要注意:静态NAT、动态NAT、PAT的区别,配置步骤,以及可能遇到的问题如延迟和应用兼容性。接下来,我需要整理引用中的信息。引用[1]提到了实验指南的下载地址和涵盖的内容,包括静态NAT、动态NAT和PAT。引用[2]详细说明了项目核心功能,区分了不同类型的NAT。引用[3]解释了NAT的分类和配置方法,而引用[4]讨论了NAT的缺点和对应用的影响。用户可能需要一个结构化的实验流程,比如实验目标、环境准备、具体步骤等。此外,考虑到用户可能对NAT的原理不太熟悉,简要的理论部分会有帮助。同时,引用中提到的实验后恢复初始配置也很重要,需要提醒用户注意。需要确保回答符合用户的要求,提供清晰的步骤和资源链接。同时,生成的相关问题应该覆盖NAT的配置细节、优缺点比较以及实际应用场景,帮助用户深入理解。还要注意使用正确的中文表达和LaTeX格式,但根据用户的问题,可能不需要太多数学公式,但如果有涉及方程的地方,比如转换规则,需要正确应用格式。最后,验证所有引用标记是否正确对应,确保信息准确无误。总结出实验指南的结构,并推荐提供的项目地址,方便用户获取详细资料。</think>### 网络地址转换NAT)实验教程 #### 一、实验目标 1. 掌握静态NAT、动态NAT和PAT(端口地址转换)的配置方法[^2]。 2. 理解NAT在私有网络与公网间的地址映射原理[^3]。 3. 分析NAT对网络性能及特定应用的影响[^4]。 --- #### 二、实验环境准备 - **设备**:支持NAT功能的路由器(如Cisco或华为设备)、PC终端、服务器。 - **网络拓扑**:私有局域网(内网)与模拟公网(外网)连接。 - **工具**:网络模拟器(如GNS3、Packet Tracer)或真实物理设备。 --- #### 三、实验步骤 ##### 1. **静态NAT配置** - **原理**:一对一固定映射(如内网服务器需对外提供固定公网IP)。 - **操作**: ```bash # Cisco设备示例 ip nat inside source static 192.168.1.10 203.0.113.5 interface GigabitEthernet0/0 ip nat inside interface GigabitEthernet0/1 ip nat outside ``` - **验证**:通过`show ip nat translations`查看映射表[^3]。 ##### 2. **动态NAT配置** - **原理**:从地址池动态分配公网IP(多对多映射)。 - **操作**: ```bash # 定义地址池 ip nat pool DYNAMIC_POOL 203.0.113.10 203.0.113.20 netmask 255.255.255.0 # 配置ACL允许转换的内网范围 access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255 # 应用动态NAT ip nat inside source list 1 pool DYNAMIC_POOL ``` ##### 3. **PAT(端口复用)配置** - **原理**:多对一映射,通过端口号区分不同会话[^3]。 - **操作**: ```bash ip nat inside source list 1 interface GigabitEthernet0/1 overload ``` --- #### 四、关键问题分析 - **性能影响**:NAT会增加数据包处理延迟,尤其在端口转换时可能导致TCP/UDP校验和重新计算[^4]。 - **应用兼容性**:IP电话、P2P应用可能因NAT破坏端到端通信而异常,需配置ALG(应用层网关)或UPnP辅助[^4]。 --- #### 五、实验资源推荐 - **详细教程**:[网络地址转换NAT实验配置指南](https://gitcode.com/Open-source-documentation-tutorial/2b8ee) 包含静态/动态NAT、PAT的完整配置案例及拓扑图[^1][^2]。 ---
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