【Linux】NAT技术——解决IP地址短缺手段

NAT技术

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术，是解决IP地址不足的主要手段，并且能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

NAT技术背景

在IPv4协议中，IP地址数量不足是一个大问题，而NAT技术就是当前解决IP地址不够用的主要手段，是路由器的一个重要功能。

• 在进行对外通信时，NAT能够将私有IP经过一系列替换操作最终转为全局IP，也就是说，NAT是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法。
• 装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，所有使用私有IP的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其私有IP转换成全局IP。
• 很多学校、家庭、公司内部每个终端设置的IP都是私有IP，而只在路由器或必要的服务器上设置全局IP。
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要，在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的。

NAT IP转换过程

假设某个局域网当中有A、B、C三台主机，在公网当中有一台服务器，以主机A访问公网中的这台服务器为例，我们来看看数据包在传输过程中IP地址的转换过程。

数据包从局域网到公网的过程

主机A向服务器发起数据请求的过程中，数据包中IP地址的转换过程如下：

• 刚开始，该数据包当中的源IP地址就是主机A的私有IP地址，目的IP地址就是服务器的公网IP地址。
• 当数据包经过NAT路由器时，路由器会将该数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址，此时该数据包的源和目的IP地址就都是公网IP了。
• 该数据包在互联网中经过各种路由转发，最终到达服务器主机。

服务器收到主机A的数据请求并处理后，就会对主机A发来的请求进行响应。

数据包从公网到局域网的过程

服务器向主机A进行响应的过程中，数据包中IP地址的转换过程如下：

• 刚开始，该数据包当中的源IP地址就是服务器的公网IP地址，目的IP地址就是路由器的WAN口IP地址。
• 数据包在互联网中经过各种路由转发，到达主机A所在局域网的NAT路由器，此时路由器会将该数据包的目的IP地址替换成主机A的私有IP地址。
• 最终路由器就会将该数据包转发给局域网中的主机A。

需要注意的是，因为主机A向服务器发起数据请求时，该数据包当中的源IP地址被替换成了NAT路由器的WAN口IP地址，相当于是该路由器代替主机A向服务器发起了数据请求，因此服务器发出的响应数据包的目的IP地址应该是NAT路由器的WAN口IP地址。

NAPT

地址转换表

• 当局域网当中的主机要访问外网时，NAT路由器会将这些数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址。
• 当外网发来响应数据时，NAT路由器又会将响应数据包的目的IP地址替换成局域网中对应主机的IP地址。

那NAT路由器是如何判断，应该将从外网收到的响应数据包转发给局域网中的哪一台主机呢？

• 实际在NAT路由器内部，有一张自动生成的，用于地址转换的表。
• 该转换表中维护的就是局域网中主机的私有IP，与其对应访问的外网当中的某个公网IP之间的映射关系。
• 局域网中的主机第一次向外网发起数据请求时，就会生成表中的映射关系。
• 比如在TCP建立连接时，会建立对应的映射关系，在TCP断开连接后，就会删除对应的映射关系。

在刚才的例子中，主机A第一次向服务器发起数据请求时，路由器中就会建立以下映射关系。

当NAT路由器收到服务器向主机A发来的响应数据时，就可以通过查表得知该响应数据是发送给局域网当中的主机A的。

但如果转换表中维护的只是局域网中主机的私有IP，与其对应访问的外网当中的某个公网IP之间的映射关系，那么就会出现某些问题。

如果局域网中的主机A和主机B同时都在访问该服务器，那么此时转换表中就会建立如下两对映射关系：

 

此时这张转换表只能保证从左到右的唯一性，而不能保证从右到左的唯一性，当服务器发来响应数据时，该数据包中的目的IP地址都是路由器的WAN口IP，此时NAT路由器就无法判断该数据包应该转发给主机A还是主机B，此时就需要用到NAPT技术。

NAPT

NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换），可以将多个内部地址映射为一个合法公网地址。

• 当局域网中的主机向外网发送数据时，路由器会将该数据包的源IP地址替换为自己的WAN口IP地址，并建立该主机私有IP与其对应访问的公网IP之间的映射关系。
• 但如果局域网中的多台主机同时访问同一个外网服务，当路由器收到外网发来的响应数据时，路由器无法判断该响应数据应该转发给局域网中的哪台主机，因为该局域网中所有主机的数据包都由路由器代替发送了，因此发来的响应数据包的目的IP地址都是路由器的WAN口IP地址。
• 于是NAPT在建立转换表的映射关系时，除了建立局域网中私有IP与其对应访问的公网IP之间的映射关系外，还会加上一个由NAT路由器选定的端口号。
• 此时当局域网中的多台主机同时访问同一个外网服务时，虽然外网发来的响应数据的目的IP地址都是路由器的WAN口IP，但发给局域网中不同主机的响应数据对应的目的端口号是不同的，此时路由器就能通过IP+Port的方式来区分发给不同主机的数据包。

比如局域网中的主机A和主机B都在访问同一个服务器，并且它们访问服务器时采用的端口号都是1025。

• 假设主机A发送的数据包先到达路由器，此时路由器将数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址，由于路由器用于访问该服务器的1025号端口没有被使用，因此该数据包的源端口号可以不变。
• 当主机B发来的数据包到达路由器时，路由器同样将数据包的源IP地址替换成自己的WAN口IP地址，但此时路由器用于访问该服务器的1025号端口已经被主机A使用了，因此路由器会重新选定一个端口号对数据包的源端口号进行替换。

此时转换表中就会建立如下两队映射关系：

此时这张转换表既能保证从左到右的唯一性，也能保证从右到左的唯一性。

• 当服务器发来的响应数据到达路由器时，虽然服务器发给主机A和主机B的数据包对应的目的IP地址是一样的。
• 但路由器是用自己的1025号端口代替主机A进行数据请求的，而用的是1026号端口代替主机B进行数据请求的。
• 因此现在路由器可以继续根据数据包的源端口号，来判断应该将该数据包转发给主机A还是主机B，进行对数据包中的目的IP地址和目的端口号进行替换，然后转发给局域网内对应的主机。

谈谈路由器

路由器是工作在网络层的一个设备，负载将数据包从一个网络转发到另一个网络，但不能狭义的认为路由器只能工作在网络层。

• NAT路由器在进行数据转发时，不仅有能力替换数据包的源和目的IP地址，而且在必要的情况下还可能会替换数据包的源和目的端口号，而端口号实际是传输层的概念。
• 为了对IP地址进行动态管理，大部分路由器都带有DHCP功能，而DHCP实际是应用层的一个协议。

因此现在的路由器其实并不仅仅提供网络层相关的服务，网络协议栈中的各层路由器可能都有涉及。

NAT技术的缺陷

NAT技术进行私有IP和公网之间的替换，主要就是依赖NAT路由器当中维护的网络地址转换表，但这张转换表也体现出了NAT的一些缺陷：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接，因为外部无法知道内部的私网IP，也就无法主动与内部服务器建立连接。
• 转换表的生成和销毁都需要额外开销。
• 通信过程中一旦NAT设备异常，即使存在热备，所有的TCP连接也都会断开。

NAT和代理服务器

代理服务器（Proxy Server）的功能就是代理网络用户去取得网络信息，代理服务器又分为正向代理和反向代理。

正向代理

正向代理，是一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，客户端并不直接访问目标服务器，而是先访问代理服务器，由代理服务器代替客户端去访问对应的目标服务器，并将目标服务器的响应结果返回给客户端。

比如公司内部一般都会有自己的服务器，当我们使用公司内网上网时。

• 我们对外网发起的数据请求，首先会转发到公司的这台服务器上，然后由公司的这台服务器代替你对外网进行访问。
• 当公司的服务器收到对应外网的响应数据后，再由公司的这台服务器将数据转发给你。

正向代理的好处：

• 正向代理最大的一个好处就是可以加速资源访问。
• 比如公司中大量员工都要访问外网的同一个资源，那么正向代理服务器就可以将对应的资源缓存到本地，此时当其他人要访问该资源时，直接在正向代理服务器就可以获取，而不需要再次进行外网访问。

反向代理

反向代理，也是一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，对于客户端而言，反向代理服务器就相当于目标服务器，用户不需要知道目标服务器的地址，用户只需要访问反向代理服务器就可以获得目标服务器提供的服务。

反向代理，也是一个位于客户端和目标服务器之间的服务器，客户端直接向反向代理服务器发起数据请求，然后再由反向代理服务器将客户端的数据请求转发给真正的目标服务器进行处理，数据处理完毕后反向代理服务器再将数据结果返回给客户端。

比如域名www.baidu.com对应的服务器实际就是一个反向代理服务器。 

• 百度内部实际并不是只有一台服务器，但不同地区的人们都可以通过访问www.baidu.com享受到百度提供的服务，实际我们访问的就是百度的反向代理服务器。
• 当这台反向代理服务器收到客户端的数据请求后，就会将我们的数据请求转发给百度内部的某台服务器进行数据处理，然后再将数据处理的结果返回给客户端。

反向代理的好处：

• 反向代理可以起到负载均衡的作用。比如不设置反向代理服务器，那么用户在访问百度时，就会随机访问到百度内部的某台服务器，此时就可能导致某些服务器压力太大，而某些服务器却处于闲置状态。而设置了反向代理服务器后，我们就能够通过某些方法让用户的数据请求较为平均的落到每台服务器上。
• 反向代理还能起到安全防护的作用。有了方向代理服务器后，我们不需要直接将提供服务的服务器对应的信息暴露出去，此外，当由非法请求发送到反向代理服务器时，反向代理服务器就相当于一层软件屏障，可以在反向代理服务器当中部署一些防护措施，让这些非法请求在反向代理服务器这里就被过滤掉，而不会影响内部实际提供服务的服务器。

需要注意的是，代理服务器的主要工作只是对数据进行转发，因此代理服务器处理数据的压力不会特别大，并且代理服务器也可以有多个，因此不必担心代理服务器过载的情况。

正向代理和反向代理的异同

正向代理和反向代理的相同点：

• 正向代理服务器和反向代理服务器都是位于客户端和服务器之间的。
• 正向代理服务器和反向代理服务器的主要工作，都是把客户端的请求转发给服务器，再把服务器的响应转发给客户端

正向代理和反向代理的不同点：

• 正向代理是客户端的代理，帮助客户端访问其无法访问的服务器资源的，而反向代理则是服务器的代理，帮助服务器做负载均衡、安全防护等工作的。
• 正向代理一般是客户端架设的，比如公司的正向代理服务器是公司作为客户端架设的，而反向代理一般是服务端架设的，比如百度的反向代理服务器是百度作为服务端架设的。
• 正向代理一般是客户端架设的，比如公司的正向代理服务器是公司作为客户端架设的，而反向代理一般是服务端架设的，比如百度的反向代理服务器是百度作为服务端架设的。

NAT和代理服务器的区别

NAT和代理服务器都是代替我们向服务器发起数据请求的，但它们有如下区别：

• 从应用上讲，NAT设备是网络基础设备之一，解决的是IP不足的问题，而代理服务器则是更贴近具体应用，比如通过代理服务器进行，另外像迅游这样的加速器，也是使用的代理服务器。
• 从底层实现上讲，NAT工作在网络层，直接对IP地址进行替换，而代理服务器往往工作在应用层。
• 从使用范围上讲，NAT一般在局域网的出口部署，而代理服务器可以在局域网代理，也可以在广域网代理，也可以跨网代理。
• 从部署位置上看，NAT一般集成在防火墙、路由器等硬件设备上，而代理服务器则是一个软件程序（比如Nginx和Apache），需要部署在服务器上。

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参考文献：

http://t.csdn.cn/1HUnz