NAT技术介绍

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NAT（Network Address Translation，网络地址转换） 是一种用于在不同网络之间传输数据时转换IP地址的技术。它主要用于 私有网络（如局域网）与 公共互联网 之间的通信，允许多个设备共享一个公网IP地址访问外部网络。

NAT的基本原理是：将内部网络（私有网络）中多个设备的私有IP地址转换成一个公网IP地址，并将响应的流量转换回来，从而使得多个设备能够通过一个公网IP与外界进行通信。

NAT的基本工作原理

私有IP和公网IP：
- 在局域网内，设备使用 私有IP地址，例如 192.168.x.x、10.x.x.x 或 172.16.x.x 等，这些IP地址是不能直接在互联网上使用的。
- 局域网内的设备通过 路由器 使用一个 公网IP地址 访问互联网。
地址转换过程：
- 当局域网内的设备发出互联网请求时，路由器会替换请求包中的 源IP地址，将其替换为路由器的 公网IP地址，并为该请求分配一个 端口号（如果是TCP/UDP协议的话）。这个端口号帮助路由器区分来自同一公网IP的多个不同连接。
- 当响应包返回时，路由器检查数据包中的目的端口号，并根据先前的转换记录，将数据包的目标地址重新映射回对应的私有IP地址和端口号，最终将数据包送达发起请求的设备。

NAT的类型

NAT技术有几种不同的实现方式，主要根据如何进行地址映射来分类：

静态NAT（Static NAT）：
- 静态NAT将 内部设备的私有IP地址 映射到 公网IP地址 的一个固定映射关系上。即每个私有IP地址总是对应一个固定的公网IP地址。
- 这种方式通常用于需要公开访问的设备，比如Web服务器或邮件服务器。静态NAT保证了外部网络始终能够通过固定的公网IP访问到特定的内部设备。
例子：设备A（IP：192.168.1.2）通过静态NAT映射为公网IP 203.0.113.5，外部世界访问 203.0.113.5 时，流量会被转发到设备A。
动态NAT（Dynamic NAT）：
- 动态NAT将 内部设备的私有IP地址 映射到一个可用的 公网IP地址池 中的一个公网IP地址，映射关系是动态分配的。
- 当设备发起通信时，NAT会从公网IP地址池中选择一个公网IP，动态地为该设备分配一个公网IP进行通信。
- 一旦设备与外部网络的连接结束，这个公网IP就会被释放回池中，供其他设备使用。
例子：设备A（IP：192.168.1.2）和设备B（IP：192.168.1.3）通过动态NAT共享公网IP池中的一个IP（203.0.113.5）。设备A和B分别通过不同的端口与外部通信，但都使用公网IP 203.0.113.5。
端口地址转换（PAT，Port Address Translation，也称为NAPT，Network Address Port Translation）：
- PAT 是一种特殊的NAT技术，又叫 端口地址转换，它允许多个内部设备共享同一个公网IP地址。通过为每个连接分配一个不同的 端口号，PAT可以区分来自同一公网IP的多个不同连接。
- PAT是最常用的NAT方式，通常应用于家庭网络或小型办公室网络中，多个内部设备通过一个公网IP访问互联网，NAT会通过端口号来区分不同的设备和连接。
例子：
- 内部网络的设备A（192.168.1.2）通过端口 5001 和外部通信，设备B（192.168.1.3）通过端口 5002 和外部通信。
- 在外部看来，所有请求都来自于同一个公网IP（203.0.113.5），但是路由器根据端口号将数据包送到正确的设备。

NAT的工作流程

假设你在家庭网络中有一个路由器，内网设备通过它共享一个公网IP地址访问互联网，具体流程如下：

设备A发起请求：
- 设备A的私有IP地址是 192.168.1.2，它想访问一个外部网站（如 www.example.com）。
- 设备A通过路由器发起HTTP请求，请求的源IP地址是 192.168.1.2，源端口号是 12345。
NAT转换：
- 路由器看到请求来自设备A，源IP是 192.168.1.2，源端口号是 12345，它会将源IP替换为自己的公网IP（如 203.0.113.5），并将源端口号更改为一个新的端口（例如 10001）。
- 路由器会将这种映射关系记录下来（例如：192.168.1.2:12345 → 203.0.113.5:10001）。
请求发送到外部：
- 请求通过路由器的公网IP 203.0.113.5 被发送到目标网站 www.example.com，并通过端口 10001 进行标识。
外部网站响应：
- 当 www.example.com 服务器响应请求时，它会把响应发送到 203.0.113.5:10001。
- 路由器收到响应后，查找它的NAT转换表，发现这个端口号 10001 对应的是 192.168.1.2:12345。
- 路由器将数据包的目标IP地址重新修改为 192.168.1.2，并将数据包发回到设备A。
设备A收到响应：
- 设备A收到从 www.example.com 返回的响应，它会看到目标是自己原始的IP地址和端口号，完成数据的接收。

NAT的优缺点

优点：

节省IP地址：
- 由于NAT允许多个设备共享一个公网IP，它能够有效地节省公网IP地址，特别是在IPv4地址枯竭的情况下，NAT是非常重要的技术。
增强网络安全：
- NAT使得内网的设备不能直接被外部网络访问，从而增加了内网的安全性。外部攻击者无法直接通过公网IP访问到内网的设备，只有路由器的公网IP可以公开，内部设备的IP是隐藏的。
简化网络管理：
- 对于企业或家庭网络来说，使用私网IP地址可以简化内部网络的管理和配置，因为私网IP地址范围是固定的，不需要频繁更改。

缺点：

增加了连接复杂性：
- 对于某些应用程序，尤其是需要端到端连接的应用（如某些P2P应用、VoIP通信等），NAT可能导致连接问题。这些应用可能需要额外的技术（如UPnP、STUN、ICE等）来穿透NAT。
难以进行端到端通信：
- 由于NAT隐藏了内部设备的真实IP地址，外部网络无法直接与内网设备建立连接，因此需要借助一些技术（如端口转发或VPN）来实现外部对内部设备的访问。
可能影响性能：
- NAT需要进行地址转换和端口映射，处理这些操作可能会增加路由器的计算负担，尤其是在流量较大的网络中。

总结

NAT（网络地址转换）是一种在多个设备通过一个公网IP地址访问互联网时对IP地址进行转换的技术。它的作用主要是将私有IP地址转换为公网IP地址，使得多个设备能够共享一个公网IP地址，节省IP资源，同时提供一定的网络安全性。根据NAT的工作方式，它可以分为静态NAT、动态NAT和端口地址转换（PAT），每种方式适用于不同的场景和需求。