NAT网络地址转换简介

概述

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NAT(Network address translation)，网络地址转换，是指在数据通过路由设备传输时，通过修改ip报文头部中网络地址信息，把一个ip地址重定向为另一个ip地址。

当一个网络迁移时，需要为每台主机重新分配ip地址，但使用了NAT后，就不需要了。各个主机可以仍然保持原有ip地址不变，改变的工作已经由NAT完成了。

NAT的使用还可以避免Ipv4地址分配消耗怠尽的问题。一个私有网络中的所有主机可以只使用一个具有公网ip地址网关设备。

装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，只要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，就能和因特网连接。

NAT技术具有如下两个功能：

• 宽带分享，一个私有网络的若干主机共享一个宽带与Internet连接
• 安全防护，私有网络中的主机与外界通信时，使用的是NAT后的公网ip地址，外界网络并不知悉该通信主机的真实地址，在一定程序上保护了主机的安全

原理及应用

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借助于NAT，私有地址的内部网络通过路由器发送数据时，私有地址被转换成合法的IP地址，一个局域网只需使用少量IP地址（甚至是1个）即可实现私有地址网络内所有计算机与Internet的通信需求。

NAT将自动修改IP报文的源IP地址和目的IP地址，Ip地址校验则在NAT处理过程中自动完成。

类似于代理，NAT部署在主机（192.168.0.2）与Internet之间。主机与Internet的通信由以下三步骤完成：

1. 主机发送数据到NAT，此时ip数据包中源ip为192.168.0.2
2. NAT接收到数据后，把源ip修改为自己的ip（此ip为公网ip）发送出去，同时在内部维护一个列表，记录此数据是从192.168.0.2发送过来的
3. 对方响应的数据由NAT接收，接收后它根据记录的列表，把目的ip地址从自己修改为192.168.0.2，最后把数据转发给真实主机，通信完成

基本NAT

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client与server通信时，NAT仅仅转换源ip地址，不对port作变动。

如私有主机192.168.0.2：4000与公网6.7.8.9：80通信时，NAT把主机地址转换为公网ip：1.2.3.4：4000，仍使用原端口。

这样会导致一个问题：当私有主机192.168.0.3：4000与外部通信时，NAT主机可能就无法区分是哪个主机发送的数据了。

NAPT(Network Address/Port Translators)

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NAPT的特点是会使用网关的 IP，但端口会选择一个和临时会话对应的临时端口。如：

• 在客户机时 192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000
• 在网关时 1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000

网关上建立保持了一个1.2.3.4:62000的会话，用于192.168.0.8:4000与6.7.8.9:8000之间的通信。

对于NAPT，又分了两个大的类型，差别在于，当两个内网用户同时与8000端口通信的处理方式不同。

1. Symmetric NAT型 (对称型)

一个客户机与两个server通信时：

• 在客户机时 192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000
  192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

• 在网关时，两个不同session的端口号不同
  1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000
  1.2.3.4:62001——6.7.8.10:8000

  1. Cone NAT型（圆锥型）

• 在客户机时 192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000
  192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

• 在网关时，两个不同session但端口号相同
  1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000
  1.2.3.4:62000——6.7.8.10:8000

目前绝大多数属于这种。Cone NAT又分了3种类型：

1. Full Cone NAT（完全圆锥型）
   从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000 ，192.168.0.8可以收到任意外部主机发到1.2.3.4:62000的数据报。

2. Address Restricted Cone NAT （地址限制圆锥型）
   从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先给服务器C 6.7.8.9发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9发送到1.2.3.4:62000的数据报。

3. Port Restricted Cone NAT（端口限制圆锥型）
   从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先向外部主机地址端口6.7.8.9：8000发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9：8000发送到1.2.3.4:62000的数据报。

总结

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在不同的应用场景中，使用不同的NAT技术。

当前使用较多的是NAPT，即同时转换网络地址和端口。

在开发代理的时候，使用NAT可以把接收的数据重定向到应用层处理。应用层处理完毕后通过逆NAT再转换成真实ip和port地址发送出去。