NAT和内网穿透

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种广泛应用于计算机网络的技术，其主要目的是为了解决IPv4地址空间的短缺问题，并且增强网络安全。NAT技术允许一个私有网络内的多个设备共享一个或几个全局唯一的公共IP地址访问互联网。

1 地址划分

在 A、B、C 分类地址，实际上有分公有 IP 地址和私有 IP 地址 。

2 NAT

当一个私有网络中的设备需要访问互联网时，NAT设备（通常是路由器）会将其私有IP地址和端口号转换为一个公有IP地址和一个新的端口号；对于进入私有网络的数据包，NAT设备会根据其维护的转换表，将数据包的目的地址和端口转换回对应的私有IP地址和端口。

类型

• 静态NAT：一对一的转换，一个私有IP地址永久映射到一个固定的公有IP地址。适用于需要从外部直接访问内部服务器的情况。（好像没什么意义？）

• 动态NAT：临时分配一个公有IP地址给私有IP地址，当私有IP不再需要访问互联网时，这个公有IP可以被释放并分配给其他设备。

• NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换）：最常用的NAT形式，不仅转换IP地址，还转换端口号，使得多个私有IP地址可以共享一个公有IP地址。这是解决IPv4地址短缺问题的关键技术。

NAPT白话总结就是：通过路由器把局域网的私有地址和端口转化为公有地址和端口（修改IP首部中的源IP），并记录在转换表中；同时根据转换表把进入局域网的公有地址和端口转换回去（修改IP首部中的目的IP）。

主要问题

由于 NAT/NAPT 都依赖于自己的转换表，因此会有以下的问题：

• 外部无法主动与 NAT 内部服务器建立连接，因为 NAPT 转换表没有转换记录。

• 转换表的生成与转换操作都会产生性能开销。

• 通信过程中，如果 NAT 路由器重启了，所有的 TCP 连接都将被重置。

3 内网穿透

也叫NAT穿透或NAT打洞，是一种网络通信技术，旨在解决私有网络（内网）中的设备与互联网上的其他设备直接通信的问题。由于大多数家庭和企业网络都配置在私有IP地址空间内，并通过NAT设备（如家庭路由器）连接到互联网，这些内网设备通常无法从外部网络直接访问。内网穿透技术就是为了克服这一限制的。

白话就是，内网中设备通过客户端和中继服务器（穿透服务器）建立连接，中继服务器提供一个公网地址，并将外部请求转发到内网中的设备。

基本原理

内网穿透的核心在于如何让外部网络的数据包能够穿越NAT设备，准确地找到并到达内网中的目标设备。主要有以下几种实现方式：

1. UDP打洞：利用UDP协议的无连接特性，两台位于不同内网的设备先通过一个有公有IP的中继服务器建立初步连接。一旦双方知道了对方的公有IP地址和端口号，它们尝试直接发送UDP数据包给对方。如果NAT设备允许外部未建立连接的UDP数据包进入，并且记录了之前的外出连接信息，那么数据包就能成功穿透NAT到达对端。

2. TCP中继/反向代理：对于TCP连接，由于其面向连接的特性，直接打洞较为困难。此时可以通过一个具有公有IP的服务器作为中继，内网设备先与中继服务器建立连接，之后外部设备通过连接该中继服务器间接与内网设备通信。这种方式牺牲了一定的通信效率，但适用性更广。

3. STUN/TURN/ICE协议：这些是VoIP和P2P应用中常用的协议，用来帮助实现NAT穿越。STUN（Session Traversal Utilities for NAT）帮助客户端发现自己的公网地址和NAT类型；TURN（Traversal Using Relays around NAT）作为一种备份方案，提供中继服务；而ICE（Interactive Connectivity Establishment）则是结合STUN和TURN，自动选择最优的通信路径。

4. 第三方服务和软件：如Ngrok、花生壳、FRP、ZeroTier等，提供了易于使用的内网穿透服务，用户只需简单配置即可将自己的内网服务暴露给互联网访问，无需深入了解底层技术细节。

应用场景

• 远程访问：如远程桌面控制、文件共享，允许用户从任意位置安全地访问内网资源。

• 个人服务器：让运行在家庭网络中的Web服务器、游戏服务器等可以被外部用户访问。

• IoT设备管理：便于远程管理和监控物联网设备。

• P2P通信：支持点对点的直接连接，如视频会议、即时通讯软件等。

注意事项

• 安全性：内网穿透增加了潜在的安全风险，需要采取适当的安全措施，如使用加密通信、访问控制等。

• 性能：通过中继或代理的通信可能会增加延迟和减少带宽效率。

• 兼容性：不同的NAT类型（如完全圆锥型、地址限制型、端口限制型等）对内网穿透的支持程度不同，可能会影响技术的实施效果。