计算机网络中的网络地址转换

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前言

在计算机网络的广阔和互联的环境中，有一位幕后英雄在设备如何跨数字领域进行通信方面发挥着关键作用。您可能在科技圈子里听说过它的首字母缩略词，或者在路由器的设置中遇到过它——NAT 或网络地址转换。

尽管NAT的名称看似技术性，但它掌握着为现代互联网和本地网络提供动力的基本概念的关键。

把互联网想象成一个拥有数百万居民的繁华城市，每个居民都有其独特的地址。现在，想象一下自己在这个城市中舒适的住所中，周围环绕着渴望信息的设备，您希望它们都与城市的资源进行交互。这就是NAT的用武之地，它充当了您的私人绿洲和互联网广阔街道之间的桥梁。

在这篇文章中，让我们了解有关网络地址转换的所有信息，包括其含义、类型、工作原理、用途、优缺点等。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、什么是网络地址转换 （NAT）？

网络地址转换（NAT）是一种用于将私有网络中的 IP 地址转换为公共 IP 地址的技术。在一个局域网中，每个设备都有一个私有 IP 地址，但这些私有 IP 地址无法直接在公共互联网中进行通信。NAT 技术允许路由器或防火墙将多个私有 IP 地址映射到单个公共 IP 地址上，从而实现了对外部网络的访问。

NAT 技术有助于解决 IPv4 地址短缺的问题，因为它允许多个设备共享一个公共 IP 地址。此外，NAT 还可以增加网络安全性，因为它隐藏了内部网络的详细拓扑结构，使得外部网络无法直接访问内部网络中的设备。

二、NAT 如何工作？

1. 内部主机发送数据包到 NAT 设备。
2. NAT 设备检查数据包的源 IP 地址和端口，并将其替换为 NAT 设备的公共 IP 地址和端口。
3. NAT 设备将更改后的数据包发送到公共网络。
4. 当公共网络上的响应数据包返回时，NAPT 设备将目标 IP 地址和端口转换回原始的内部 IP 地址和端口，然后将其发送到内部主机。

这样，NAT 允许多个内部设备共享同一个公共 IP 地址，同时可以隐藏内部网络的真实 IP 地址，提高网络安全性。

NAT协议的主要用途

计算机网络中的 NAT 有几个重要用途：

1. IP 地址保护
   借助 NAT，您可以在家庭网络中使用专用 IP 地址拥有许多设备，但它们都共享一个公共 IP 地址。这有助于弥补可用公共 IP 地址的短缺。

2. 安全
   由于家庭网络中的设备使用专用 IP 地址，因此它们无法从互联网直接访问。传入流量必须通过路由器，路由器充当屏障，有助于保护您的设备免受未经授权的访问。

3. 隔离
   NAT 在专用网络和公共 Internet 之间创建了一定程度的隔离，使外部威胁更难直接针对您的设备。

4. 多个设备
   网络地址转换允许您在家庭或办公室网络中拥有多个设备，这些设备都可以使用相同的公共 IP 地址与外界通信。

NAT 内部和外部地址

在 RFC 1631 中描述，NAT 功能允许从外部出现的组织的 IP 网络使用与使用不可路由的专用 IP 地址地址不同的 IP 地址空间全局可路由。

NAT 允许组织通过转换具有全局可路由地址空间的地址来连接到具有非全局可路由地址的 Internet。下面给出了一些在 IP 地址转换中起关键作用的 NAT 术语

• 内部本地地址
  这是公司控制的私人地址。此 IP 地址分配给内部网络上的终端主机。公司提供 IP 地址，不需要从 IP 地址颁发机构或服务提供商处获取。此地址是 RFC 1918 专用地址。

• 内部全局地址
  这是公司可以控制的公共地址。例如，ISP 向组织提供的 IP 地址，是服务提供商分配的全局可路由 IP 地址。Inside global向外界描绘了一个或多个内部本地IP地址，即从内部本地地址转换并在互联网上被外界看到。

• 本地地址之外
  这是内部主机用来引用外部主机的地址。外部本地地址可以是外部主机，也可以是来自不同专用地址块的另一个转换的专用地址。内部网络上的 IP 地址对主机是已知的。

• 外部全球地址
  这些公共地址不在公司控制范围内。这些是全局可路由地址，是分配给其他网络上的终端设备以通过 Internet 进行通信的公共 IP 地址。主机的所有者提供此地址。

网络中的 NAT 类型

NAT 有 3 种类型，是我们配置 NAT 的方法。类型如下：

1. 静态NAT
   静态 NAT 是最基本的 NAT。
   它是一个本地 IP 地址与全局 IP 地址的一对一映射。
   不使用这种类型的 NAT 配置。
   这种类型的 NAT 没有任何用途，因为您无法保留任何内容。
   仅当建筑物中一次只有一个人访问 Internet 时，此 NAT 才适用。这不是一个现实生活中的案例。

2. 动态NAT
   这是一个 NAT 配置过程，在该过程中，NAT 将公开注册或公开可用的 IP 地址动态分配给首先向 NAT 发送请求的主机。
   动态 NAT 的缺点是，在特定时间段内，只有固定数量的公共 IP 地址可用。
   例如，如果 20 名数据工程师在您的公司工作第一个 5 小时轮班，则第 21 名数据工程师的请求将被放弃！

3. NAT 过载或端口地址转换 （PAT）
   在 NAT 重载配置方法中，我们根据端口使用公司公开保留的 IP 地址。

网络地址转换问题

1. 双向通信问题：由于NAT将内部IP地址转换为公共IP地址，可能导致来自公共网络的响应包无法正确路由到内部网络的主机。为解决这一问题，需要配置NAT设备以进行端口映射或会话追踪，以确保双向通信正常进行。

2. 资源限制：NAT设备通常会限制同时处理的连接数和带宽，可能导致网络拥塞和性能下降。需要合理规划和配置NAT设备，以满足网络流量需求。

3. 服务访问问题：一些应用程序或服务可能需要从公共网络访问内部网络的主机或服务，NAT会导致访问受阻。需要进行端口映射或设置虚拟专用网络（VPN）等方式来解决服务访问问题。

4. IP地址冲突：当多个内部网络使用相同的私有IP地址范围时，NAT设备无法正确转换这些重复的IP地址。需要对内部网络进行合理划分和规划，避免IP地址冲突。

5. 端口映射错误：在NAT路由器上配置端口映射时，可能会出现配置错误导致端口无法正确映射到内部设备上。

6. NAT表溢出：当NAT路由器的NAT表（用于记录内部IP地址与外部IP地址的映射关系）超出容量时，会导致通信中断或性能下降。

7. 双重NAT：当存在多层NAT时，可能会导致通信延迟、连接失败或无法访问特定服务。

8. 对称NAT：某些NAT设备会采用对称NAT，即相同的内部地址和端口映射到不同的外部地址和端口，这可能会导致通信问题。

9. NAT类型限制：在一些网络环境中，特定类型的NAT（如对称NAT）可能会限制某些类型的网络通信，如P2P连接或VoIP通话。

10.安全性问题：NAT的使用可能会影响网络安全性，尤其是在没有正确配置或者保护的情况下。这可能会导致安全漏洞或者未经授权的访问。

网络地址转换 （NAT） 的优点

1. NAT 使用较少数量的公共或外部 IP 地址将各种主机连接到全球互联网，从而节省 IP 地址空间。

2. NAT 将内部地址隐藏在外部网络中，并提高了专用网络的安全性。

3. 网络地址转换提供专用 IPv4 寻址方案，并避免在服务提供商更改时修改内部地址。

4. 使用 NAT 将新客户端添加到本地网络环境更简单，因为本地设备是私有寻址的。

5. 在设置任何网络方面，NAT 提供了网络灵活性。

6. NAT 的使用大大减少了地址重叠的情况。

网络地址转换的缺点

1. NAT 使用大量内存，因为它转换本地和全局 IP 地址并将结果存储在内存中。

2. NAT 的可扩展性不高，因此在较大规模上性能较差。

3. 某些应用程序存在与 NAT 的兼容性问题。

4. 由于 NAT 会转换 IP 地址，因此此转换可能很耗时。

5. NAT 使 IPsec 等隧道协议复杂化。

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总结