【计算机网络笔记】网络地址转换(NAT)

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法
TCP的拥塞控制机制
网络层服务与核心功能
网络层服务模型——虚电路网络
网络层服务模型——数据报网络
Internet网络的网络层——IP协议之IP数据报的结构
IP分片
IP编址与有类IP地址
IP子网划分与子网掩码
CIDR与路由聚合
DHCP协议

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NAT是什么？

要想让使用私有地址的主机在公共互联网上进行通信，就需要网络地址转换(NAT)。

如下图所示，路由器左边是互联网，右边是内部网络比如家庭网络。在路由器把内部网络的数据报转发到互联网上之前，必须要进行地址替换。为此，这个路由器必须实现NAT功能，并且至少有一个公共IP地址，就是俗称的合法IP。

在这种情况下，内部网络中的主机之间相互通信使用自己的地址作为源IP和目的IP是没有问题的，但是如果这些主机要发送或接收来自互联网的数据报的时候，就必须进行地址转换。比如发送给互联网的数据报的源地址要替换为公共IP地址。

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为什么要使用NAT？

• 一个网络只需/能从ISP申请一个IP地址。这样能够缓解地址短缺问题
• 内部网络设备全部使用私有地址，内部网络设备IP地址的变更，无需通告外界网络
• 同理，变更ISP时（比如原先通过联通接入，现在改为电信接入），也无需修改内部网络设备IP地址
• 内部网络设备对外界网络不可见，即不可直接寻址(安全)

NAT带来的最主要的好处之一就是能够在IPv4地址匮乏的情况下仍然保证网络健康地发展和运行，尤其让众多使用私有地址的网络设备可以成功的在网络上通信。

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如何实现NAT？

概括地来说，NAT最典型的实现方法是通过一次替换、一次记录、再来一次替换来完成。

• 替换：利用(NAT IP地址,新端口号)替换每个外出IP数据报 的(源IP地址,源端口号)
• 记录 ：将每对(NAT IP地址, 新端口号) 与(源IP地址, 源端 口号)的替换关系信息存储到NAT转换表中
• 替换 ：根据NAT转换表，利用(源IP地址, 源端口号)替换每 个进入内网IP数据报的(目的IP地址,目的端口号)， 即(NAT IP地址, 新端口号)

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NAT存在的问题

在NAT实现的基本方法中，要利用端口号。端口号是16比特的字段。一个公共IP同时支持60,000多并行连接。

但NAT带来了诸多方便的同时也有很多争议，比如：

• NAT通常嵌入到路由器中来实现。但路由器是一个标准的第三层（网络层）设备，应该只处理第3层功能。所以违背了层次关系
• 违背了端到端通信原则。因为端口号是传输层使用的，而传输层是端到端的通信，那么原则上来说，那么中间的路由器设备不应该对端口号进行修改。同时，NAT的存在也使一些端到端通行的网络应用开发者必须考虑到NAT的存在，比如P2P应用
• 地址短缺问题应该由IPv6来解决

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NAT穿透技术

NAT的一些问题通常利用一些技术穿透NAT来完成。

比如这样一个例子：

客户期望连接内网地址为 10.0.0.1的服务器。但不能直接利用地址 10.0.0.1直接访问服务器。对外部用户来说，能看到的就是路由器拥有的公共IP地址，即NAT地址，比如这里的138.76.29.7。解决NAT的穿透/穿越主要有三种方法：

• 解决方案1：静态配置NAT。配置NAT转换表，让对外的、公共的IP地址以及一个端口映射为内部的私有IP地址以及对应的端口。比如配置(138.76.29.7, 2500) 总是转发给(10.0.0.1, 25000)

• 解决方案2：利用UPnP (Universal Plug and Play) 互联网网关设备协议 (IGD-Internet Gateway Device ) 自动配置。与解决方案1达到的目的是一样的。在这种情况下，内部的主机和路由需要实现UPnP协议，这样之后，内部的主机服务器能够自己学习到NAT公共IP地址 (138.76.29.7)，并且完成在NAT转换表中，增删端口映射

• 解决方案3：中继(如Skype)。

  • 在公共网络上设置若干个中继服务器，然后让NAT内部网络中的客户与中继服务器建立连接
  • 外部客户也与中继服务器建立连接
  • 中继服务器桥接两个连接的分组
  • 这样能够支持外部客户主动发起通信