NAT技术讲解-优快云博客

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概述

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是将IP数据报文头中的IP地址转换为另一个IP地址的过程。在实际应用中，NAT主要应用在连接两个网络的边缘设备上，用于实现允许内部网络用户访问外部公共网络以及允许外部公共网络访问部分内部网络资源（例如内部服务器）的目的。

1.1 NAT配置限制和指导

全局NAT的优先级高于接口NAT。若同时存在全局NAT策略和接口NAT的配置，当流量与全局NAT策略中任意一条过滤规则匹配，那么接口NAT中的源地址转换和目的转换的配置均不生效。建议不要同时配置接口NAT和全局NAT。

设备上经过NAT转换的报文不会再进行AFT转换。

1.2 NAT基本概念

NAT基本概念如下：

· NAT设备：配置了NAT功能的连接内部网络和外部网络的边缘设备。

· NAT接口：NAT设备上应用了NAT相关配置的接口。

· NAT规则：用于进行地址转换的NAT配置称为NAT规则。NAT规则的位置决定了匹配的优先级，位置越靠前的NAT规则，其匹配优先级越高。

· NAT地址：用于进行地址转换的公网IP地址，与外部网络路由可达，可静态指定或动态分配。

· NAT表项：NAT设备上用于记录网络地址转换映射关系的表项。关于NAT表项的详细介绍请参见“1.6 NAT表项”。

· Easy IP功能：NAT转换时直接使用设备上接口的IP地址作为NAT地址。设备上接口的地址可静态指定或通过DHCP等协议动态获取。

· 全局NAT：NAT规则的应用范围为全局。对于全局NAT，所有经过NAT设备的流量都会进行匹配，并对匹配NAT规则的流量进行地址转换。

· 接口NAT：NAT规则的应用范围为接口。对于接口NAT，只有经过应用NAT规则的接口的流量才会进行匹配，并对匹配NAT规则的流量进行地址转换。

1.3 NAT工作机制

图1-1 NAT基本工作过程示意图

如图1-1所示，一台NAT设备连接内网和外网，当有报文经过NAT设备时，NAT的基本工作过程如下：

(1) 当内网用户主机（192.168.1.3）向外网服务器（1.1.1.2）发送的IP报文通过NAT设备时，NAT设备查看报文的IP头内容，发现该报文是发往外网的，则将其源IP地址字段的内网地址192.168.1.3转换成一个可路由的外网地址20.1.1.1，并将该报文发送给外网服务器，同时在NAT设备上建立表项记录这一映射关系。

(2) 外网服务器给内网用户发送的应答报文到达NAT设备后，NAT设备使用报文信息匹配建立的表项，然后查找匹配到的表项记录，用内网私有地址192.168.1.3替换初始的目的IP地址20.1.1.1。

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，并不知道存在192.168.1.3这个地址。因此，NAT“隐藏”了企业的私有网络。

1.4 NAT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；或者希望某些外部网络的主机可以访问内部网络，而某些主机不允许访问。即NAT设备只对符合要求的报文进行地址转换。

NAT设备可以利用ACL（Access Control List，访问控制列表）来对地址转换的使用范围进行控制，通过定义ACL规则，并将其与NAT配置相关联，实现只对匹配指定的ACL permit规则的报文才进行地址转换的目的。而且，NAT仅使用规则中定义的源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号、传输层协议类型和VPN实例这几个元素进行报文匹配，忽略其它元素。

1.5 NAT转换方式

1.5.1 静态IP地址转换

静态地址转换是指外部网络和内部网络之间的地址映射关系由配置确定，该方式适用于内部网络与外部网络之间存在固定访问需求的组网环境。静态地址转换支持双向互访：内网用户可以主动访问外网，外网用户也可以主动访问内网。

1.5.2 源IP地址转换

源IP地址转换方式是一种动态地址转换方式，动态地址转换是指内部网络和外部网络之间的地址映射关系在建立连接的时候动态产生。该方式通常适用于内部网络有大量用户需要访问外部网络的组网环境。

源IP地址转换包括NO-PAT模式的地址转换、基于端口的PAT模式的地址转换和基于端口块的PAT模式的地址转换。

1. NO-PAT模式

NO-PAT（Not Port Address Translation）模式下，一个外网地址同一时间只能分配给一个内网地址进行地址转换，不能同时被多个内网地址共用。当使用某外网地址的内网用户停止访问外网时，NAT会将其占用的外网地址释放并分配给其他内网用户使用。

该模式下，NAT设备只对报文的IP地址进行NAT转换，同时会建立一个NO-PAT表项用于记录IP地址映射关系，并可支持所有IP协议的报文。

2. 基于端口的PAT模式

PAT（Port Address Translation）模式下，一个NAT地址可以同时分配给多个内网地址共用。该模式下，NAT设备需要对报文的IP地址和传输层端口同时进行转换，且只支持TCP、UDP和ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）查询报文。

图1-2 PAT基本原理示意图

如图1-2所示，三个带有内网地址的报文到达NAT设备，其中报文1和报文2来自同一个内网地址但有不同的源端口号，报文1和报文3来自不同的内网地址但具有相同的源端口号。通过PAT映射，三个报文的源IP地址都被转换为同一个外网地址，但每个报文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设备仍能够根据回应报文的目的IP地址和目的端口号来区别该报文应转发到的内部主机。

采用PAT方式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。

目前，PAT支持两种不同的地址转换模式：

· Endpoint-Independent Mapping（不关心对端地址和端口转换模式）：只要是来自相同源地址和源端口号的报文，不论其目的地址是否相同，通过PAT映射后，其源地址和源端口号都被转换为同一个外部地址和端口号，该映射关系会被记录下来并生成一个EIM表项；并且NAT设备允许所有外部网络的主机通过该转换后的地址和端口来访问这些内部网络的主机。这种模式可以很好的支持位于不同NAT网关之后的主机进行互访。

· Address and Port-Dependent Mapping（关心对端地址和端口转换模式）：对于来自相同源地址和源端口号的报文，相同的源地址和源端口号并不要求被转换为相同的外部地址和端口号，若其目的地址或目的端口号不同，通过PAT映射后，相同的源地址和源端口号通常会被转换成不同的外部地址和端口号。与Endpoint-Independent Mapping模式不同的是，NAT设备只允许这些目的地址对应的外部网络的主机可以通过该转换后的地址和端口来访问这些内部网络的主机。这种模式安全性好，但由于同一个内网主机地址转换后的外部地址不唯一，因此不便于位于不同NAT网关之后的主机使用内网主机转换后的地址进行互访。

3. 基于端口块的PAT模式

基于端口块的PAT模式是一种基于端口范围的PAT动态地址转换，即一个私网IP地址在一个时间段内独占一个公网IP地址的某个端口块。例如：假设私网IP地址10.1.1.1独占公网IP地址202.1.1.1的一个端口块10001～10256，则该私网IP向公网发起的所有连接，源IP地址都将被转换为同一个公网IP地址202.1.1.1，而源端口将被转换为端口块10001～10256之内的一个端口。

基于端口块的PAT模式包括端口块方式包括静态映射和动态映射两种，主要应用在NAT444或DS-Lite网络中。

· 端口块静态映射

端口块静态映射是指，NAT网关设备根据配置自动计算私网IP地址到公网IP地址、端口块的静态映射关系，并创建静态端口块表项。当私网IP地址成员中的某个私网IP地址向公网发起新建连接时，根据私网IP地址匹配静态端口块表项，获取对应的公网IP地址和端口块，并从端口块中动态为其分配一个公网端口，对报文进行地址转换。

配置端口块静态映射时，需要创建一个端口块组，并在端口块组中配置私网IP地址成员、公网IP地址成员、端口范围和端口块大小。假设端口块组中每个公网IP地址的可用端口块数为m（即端口范围除以端口块大小），则端口块静态映射的算法如下：按照从小到大的顺序对私网IP地址成员中的所有IP地址进行排列，最小的m个私网IP地址对应最小的公网IP地址及其端口块，端口块按照起始端口号从小到大的顺序分配；次小的m个私网IP地址对应次小的公网IP地址及其端口块，端口块的分配顺序相同；依次类推。

· 端口块动态映射

当内网用户向公网发起连接时，首先根据动态地址转换中的ACL规则进行过滤，决定是否需要进行源地址转换。对于需要进行源地址转换的连接，当该连接为该用户的首次连接时，从所匹配的动态地址转换配置引用的NAT地址组中获取一个公网IP地址，从该公网IP地址中动态分配一个端口块，创建动态端口块表项，然后从端口块表项中动态分配一个公网端口，进行地址转换。对该用户后续连接的转换，均从生成的动态端口块表项中分配公网端口。当该用户的所有连接都断开时，回收为其分配的端口块资源，删除相应的动态端口块表项。

端口块动态映射支持增量端口块分配。当为某私网IP地址分配的端口块资源耗尽（端口块中的所有端口都被使用）时，如果该私网IP地址向公网发起新的连接，则无法再从端口块中获取端口，无法进行地址转换。此时，如果预先在相应的NAT地址组中配置了增量端口块数，则可以为该私网IP地址分配额外的端口块，进行地址转换。

1.5.3 目的IP地址转换

在实际应用中，内网中的服务器可能需要对外部网络提供一些服务，例如给外部网络提供Web服务，或是FTP服务。这种情况下，通过定义内部服务器对外提供服务使用的外部IP地址＋端口与内部服务器在内网使用的地址＋端口的映射关系，实现NAT设备允许外网用户通过指定的NAT地址和端口访问这些内部服务器。

如图1-3所示，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设备将报文的目的地址与接口上的NAT内部服务器配置进行匹配，并将匹配上的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外网IP地址和端口号。

图1-3 内部服务器基本原理示意图