1 概述

1.1 簡介

1.1.1 名詞解釋

公有IP地址：也叫全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（網(wǎng)絡(luò)信息中心）或者ISP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商)分配的地址，對外代表一個(gè)或多個(gè)內(nèi)部局部地址，是全球統(tǒng)一的可尋 址的地址。

私有IP地址：也叫內(nèi)部地址，屬于非注冊地址，專門為組織機(jī)構(gòu)內(nèi)部使用。因特網(wǎng)分配編號委員會（IANA）保留了3塊IP地址做為私有IP地址：

10.0.0.0 ——— 10.255.255.255

172.16.0.0——— 172.16.255.255

192.168.0.0———192.168.255.255

地址池：地址池是有一些外部地址（全球唯一的IP地址）組合而成，我們稱這樣的一個(gè)地址集合為地址池。在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包通過地址轉(zhuǎn)換到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會在地址池中選擇某個(gè)IP地址作為數(shù)據(jù)包的源IP地址，這樣可以有效的利用用戶的外部地址，提高訪問外部網(wǎng)絡(luò)的能力。

1.1.2關(guān)于NAT

NAT英文全稱是“Network Address Translation”，中文意思是“網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換”，它是一個(gè)IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任務(wù)組)標(biāo)準(zhǔn)，允許一個(gè)整體機(jī)構(gòu)以一個(gè)公用IP（Internet Protocol）地址出現(xiàn)在Internet上。顧名思義，它是一種把內(nèi)部私有網(wǎng)絡(luò)地址（IP地址）翻譯成合法網(wǎng)絡(luò)IP地址的技術(shù)，如下圖所示。因此我們可以認(rèn)為，NAT在一定程度上，能夠有效的解決公網(wǎng)地址不足的問題。

簡單地說，NAT就是在局域網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用內(nèi)部地址，而當(dāng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)要與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊時(shí)，就在網(wǎng)關(guān)（可以理解為出口，打個(gè)比方就像院子的門一樣）處，將內(nèi)部地址替換成公用地址，從而在外部公網(wǎng)（internet）上正常使用，NAT可以使多臺計(jì)算機(jī)共享Internet連接，這一功能很好地解決了公共 IP地址緊缺的問題。通過這種方法，可以只申請一個(gè)合法IP地址，就把整個(gè)局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)接入Internet中。這時(shí)，NAT屏蔽了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)部網(wǎng)計(jì)算機(jī)對于公共網(wǎng)絡(luò)來說是不可見的，而內(nèi)部網(wǎng)計(jì)算機(jī)用戶通常不會意識到NAT的存在。如下圖所示。這里提到的內(nèi)部地址，是指在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中分配給節(jié)點(diǎn)的私有IP地址，這個(gè)地址只能在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中使用，不能被路由轉(zhuǎn)發(fā)。

NAT 功能通常被集成到路由器、防火墻、ISDN路由器或者單獨(dú)的NAT設(shè)備中。比如Cisco路由器中已經(jīng)加入這一功能，網(wǎng)絡(luò)管理員只需在路由器的IOS中設(shè)置NAT功能，就可以實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的屏蔽。再比如防火墻將WEB Server的內(nèi)部地址192.168.1.1映射為外部地址202.96.23.11，外部訪問202.96.23.11地址實(shí)際上就是訪問訪問 192.168.1.1。此外，對于資金有限的小型企業(yè)來說，現(xiàn)在通過軟件也可以實(shí)現(xiàn)這一功能。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了這一功能。

1.2 分類

NAT有三種類型：靜態(tài)NAT(Static NAT)、動態(tài)地址NAT(Pooled NAT)、網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換NAPT（Port-Level NAT）。

1.2.1靜態(tài)NAT

通過手動設(shè)置，使 Internet 客戶進(jìn)行的通信能夠映射到某個(gè)特定的私有網(wǎng)絡(luò)地址和端口。如果想讓連接在 Internet 上的計(jì)算機(jī)能夠使用某個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器（如網(wǎng)站服務(wù)器）以及應(yīng)用程序（如游戲），那么靜態(tài)映射是必需的。靜態(tài)映射不會從 NAT 轉(zhuǎn)換表中刪除。
　　如果在 NAT 轉(zhuǎn)換表中存在某個(gè)映射，那么 NAT 只是單向地從 Internet 向私有網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。這樣，NAT 就為連接到私有網(wǎng)絡(luò)部分的計(jì)算機(jī)提供了某種程度的保護(hù)。但是，如果考慮到 Internet 的安全性，NAT 就要配合全功能的防火墻一起使用。

對于以上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)主機(jī) 10.1.1.1如果要與外網(wǎng)的主機(jī)201.0.0.11通信時(shí)，主機(jī)（IP：10.1.1.1）的數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器時(shí)，路由器通過查找NAT table 將IP數(shù)據(jù)包的源IP地址（10.1.1.1）改成與之對應(yīng)的全局IP地址（201.0.0.1），而目標(biāo)IP地址201.0.0.11保持不變，這樣，數(shù)據(jù)包就能到達(dá)201.0.0.11。而當(dāng)主機(jī)HostB(IP:201.0.0.11) 響應(yīng)的數(shù)據(jù)包到達(dá)與內(nèi)網(wǎng)相連接的路由器時(shí)，路由器同樣查找NAT table，將IP數(shù)據(jù)包的目的IP 地址改成10.1.1.1，這樣內(nèi)網(wǎng)主機(jī)就能接收到外網(wǎng)主機(jī)發(fā)過來的數(shù)據(jù)包。在靜態(tài)NAT方式中，內(nèi)部的IP地址與公有IP地址是一種一一對應(yīng)的映射關(guān)系，所以，采用這種方式的前提是，機(jī)構(gòu)能夠申請到足夠多的全局IP地址。

1.2.2 動態(tài)NAT

動態(tài)地址NAT只是轉(zhuǎn)換IP地址，它為每一個(gè)內(nèi)部的IP地址分配一個(gè)臨時(shí)的外部IP地址，主要應(yīng)用于撥號，對于頻繁的遠(yuǎn)程聯(lián)接也可以采用動態(tài)NAT。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶聯(lián)接上之后，動態(tài)地址NAT就會分配給他一個(gè)IP地址，用戶斷開時(shí)，這個(gè)IP地址就會被釋放而留待以后使用。

動態(tài)NAT方式適合于 當(dāng)機(jī)構(gòu)申請到的全局IP地址較少，而內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)較多的情況。內(nèi)網(wǎng)主機(jī)IP與全局IP地址是多對一的關(guān)系。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)出內(nèi)網(wǎng)時(shí)，具有NAT功能的設(shè)備對IP數(shù)據(jù)包的處理與靜態(tài)NAT的一樣，只是NAT table表中的記錄是動態(tài)的，若內(nèi)網(wǎng)主機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)沒有和外部網(wǎng)絡(luò)通信，有關(guān)它的IP地址映射關(guān)系將會被刪除，并且會把該全局IP地址分配給新的IP數(shù)據(jù)包使用，形成新的NAT table映射記錄。

1.2.3網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換NAPT

網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換NAPT（Network Address Port Translation）則是把內(nèi)部地址映射到外部網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)IP地址的不同端口上。它可以將中小型的網(wǎng)絡(luò)隱藏在一個(gè)合法的IP地址后面。NAPT與 動態(tài)地址NAT不同，它將內(nèi)部連接映射到外部網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)單獨(dú)的IP地址上，同時(shí)在該地址上加上一個(gè)由NAT設(shè)備選定的端口號。

NAPT是使用最普遍的一種轉(zhuǎn)換方式，它又包含兩種轉(zhuǎn)換方式：SNAT和DNAT。

(1)源NAT（Source NAT，SNAT）：修改數(shù)據(jù)包的源地址。源NAT改變第一個(gè)數(shù)據(jù)包的來源地址，它永遠(yuǎn)會在數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)之前完成，數(shù)據(jù)包偽裝就是一具SNAT的例子。

(2)目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改數(shù)據(jù)包的目的地址。Destination NAT剛好與SNAT相反，它是改變第一個(gè)數(shù)據(jù)包的目的地地址，如平衡負(fù)載、端口轉(zhuǎn)發(fā)和透明代理就是

屬于DNAT。

源NAT舉例：對于以上網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)數(shù)量比較多，但是該組織只有一個(gè)合法的IP地址，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)（10.1.1.3）往外發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，則需要修改數(shù)據(jù)包的IP地址和TCP/UDP端口號，例如將

源IP：10.1.1.3

源port：1493

改成

源IP：201.0.0.1

源port：1492（注意：源端口號可以與原來的一樣也可以不一樣）

當(dāng)外網(wǎng)主機(jī)（201.0.0.11）響應(yīng)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)（10.1.1.3）時(shí)，應(yīng)將：

目的IP：201.0.0.1

目的port：1492

改成

目的IP：10.1.1.3

目的port：1493

這樣，通過修改IP地址和端口的方法就可以使內(nèi)網(wǎng)中所有的主機(jī)都能訪問外網(wǎng)，此類NAT適用于組織或機(jī)構(gòu)內(nèi)只有一個(gè)合法的IP地址的情況，也是動態(tài)NAT的一種特例。

目的NAT舉例：這種方式適用于內(nèi)網(wǎng)的某些服務(wù)器需要為外網(wǎng)提供某些服務(wù)的情況。例如以上拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器群（ip地址分別為：10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等）需要為外網(wǎng)提供WEB 服務(wù)，當(dāng)外網(wǎng)主機(jī)HostB訪問內(nèi)網(wǎng)時(shí)，所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的目的IP地址為10.1.1.127，端口號為：80，當(dāng)該數(shù)據(jù)包到達(dá)內(nèi)網(wǎng)連接的路由器時(shí)，路由器查找NAT table，路由器通過修改目的IP地址和端口號，將外網(wǎng)的數(shù)據(jù)包平均發(fā)送到不同的主機(jī)上（10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等），這樣就實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡。

2 NAT原理

2.1 地址轉(zhuǎn)換

NAT的基本工作原理是，當(dāng)私有網(wǎng)主機(jī)和公共網(wǎng)主機(jī)通信的IP包經(jīng)過NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，將IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

如下圖所示，NAT網(wǎng)關(guān)有2個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，其中公共網(wǎng)絡(luò)端口的IP地址是統(tǒng)一分配的公共 IP，為202.20.65.5；私有網(wǎng)絡(luò)端口的IP地址是保留地址為192.168.1.1。私有網(wǎng)中的主機(jī)192.168.1.2向公共網(wǎng)中的主機(jī)202.20.65.4發(fā)送了1個(gè)IP包(Dst=202.20.65.4,Src=192.168.1.2)。

當(dāng)IP包經(jīng)過NAT網(wǎng)關(guān)時(shí)，NAT Gateway會將IP包的源IP轉(zhuǎn)換為NAT Gateway的公共IP并轉(zhuǎn)發(fā)到公共網(wǎng)，此時(shí)IP包（Dst=202.20.65.4，Src=202.20.65.5）中已經(jīng)不含任何私有網(wǎng)IP的信息。由于IP包的源IP已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成NAT Gateway的公共IP，Web Server發(fā)出的響應(yīng)IP包（Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4）將被發(fā)送到NAT Gateway。

這時(shí)，NAT Gateway會將IP包的目的IP轉(zhuǎn)換成私有網(wǎng)中主機(jī)的IP，然后將IP包（Des=192.168.1.2，Src=202.20.65.4）轉(zhuǎn)發(fā)到私有網(wǎng)。對于通信雙方而言，這種地址的轉(zhuǎn)換過程是完全透明的。轉(zhuǎn)換示意圖如下。

如果內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)出的請求包未經(jīng)過NAT，那么當(dāng)Web Server收到請求包，回復(fù)的響應(yīng)包中的目的地址就是私有網(wǎng)絡(luò)IP地址，在Internet上無法正確送達(dá)，導(dǎo)致連接失敗。

2.2 連接跟蹤

在上述過程中，NAT Gateway在收到響應(yīng)包后，就需要判斷將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給誰。此時(shí)如果子網(wǎng)內(nèi)僅有少量客戶機(jī)，可以用靜態(tài)NAT手工指定；但如果內(nèi)網(wǎng)有多臺客戶機(jī)，并且各自訪問不同網(wǎng)站，這時(shí)候就需要連接跟蹤（connection track）。如下圖所示：

在NAT Gateway收到客戶機(jī)發(fā)來的請求包后，做源地址轉(zhuǎn)換，并且將該連接記錄保存下來，當(dāng)NAT Gateway收到服務(wù)器來的響應(yīng)包后，查找Track Table，確定轉(zhuǎn)發(fā)目標(biāo)，做目的地址轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)發(fā)給客戶機(jī)。

2.3 端口轉(zhuǎn)換

以上述客戶機(jī)訪問服務(wù)器為例，當(dāng)僅有一臺客戶機(jī)訪問服務(wù)器時(shí)，NAT Gateway只須更改數(shù)據(jù)包的源IP或目的IP即可正常通訊。但是如果Client A和Client B同時(shí)訪問Web Server，那么當(dāng)NAT Gateway收到響應(yīng)包的時(shí)候，就無法判斷將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給哪臺客戶機(jī)，如下圖所示。

此時(shí)，NAT Gateway會在Connection Track中加入端口信息加以區(qū)分。如果兩客戶機(jī)訪問同一服務(wù)器的源端口不同，那么在Track Table里加入端口信息即可區(qū)分，如果源端口正好相同，那么在實(shí)行SNAT和DNAT的同時(shí)對源端口也要做相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，如下圖所示。

3 應(yīng)用

NAT主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：數(shù)據(jù)包偽裝、平衡負(fù)載、端口轉(zhuǎn)發(fā)和透明代理。

數(shù)據(jù)偽裝: 可以將內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)包中的地址信息更改成統(tǒng)一的對外地址信息，不讓內(nèi)網(wǎng)主機(jī)直接暴露在因特網(wǎng)上，保證內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的安全。同時(shí)，該功能也常用來實(shí)現(xiàn)共享上網(wǎng)。例如，內(nèi)網(wǎng)主機(jī)訪問外網(wǎng)時(shí)，為了隱藏內(nèi)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用全局地址替換私有地址。

端口轉(zhuǎn)發(fā): 當(dāng)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)對外提供服務(wù)時(shí)，由于使用的是內(nèi)部私有IP地址，外網(wǎng)無法直接訪問。因此，需要在網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行端口轉(zhuǎn)發(fā)，將特定服務(wù)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)主機(jī)。例如公司小王在自己的服務(wù)器上架設(shè)了一個(gè)Web網(wǎng)站，他的IP地址為192.168.0.5，使用默認(rèn)端口80，現(xiàn)在他想讓局域網(wǎng)外的用戶也能直接訪問他的Web站點(diǎn)。利用NAT即可很輕松的解決這個(gè)問題，服務(wù)器的IP地址為210.59.120.89，那么為小王分配一個(gè)端口，例如81，即所有訪問210.59.120.89:81的請求都自動轉(zhuǎn)向192.168.0.5:80，而且這個(gè)過程對用戶來說是透明的。

負(fù)載平衡:目的地址轉(zhuǎn)換NAT可以重定向一些服務(wù)器的連接到其他隨機(jī)選定的服務(wù)器。例如1.2.3所講的目的NAT的例子。

失效終結(jié):目的地址轉(zhuǎn)換NAT可以用來提供高可靠性的服務(wù)。如果一個(gè)系統(tǒng)有一臺通過路由器訪問的關(guān)鍵服務(wù)器，一旦路由器檢測到該服務(wù)器當(dāng)機(jī)，它可以使用目的地址轉(zhuǎn)換NAT透明的把連接轉(zhuǎn)移到一個(gè)備份服務(wù)器上，提高系統(tǒng)的可靠性。

透明代理:例如自己架設(shè)的服務(wù)器空間不足，需要將某些鏈接指向存在另外一臺服務(wù)器的空間；或者某臺計(jì)算機(jī)上沒有安裝IIS服務(wù)，但是卻想讓網(wǎng)友訪問該臺計(jì)算機(jī)上的內(nèi)容，這個(gè)時(shí)候利用IIS的Web站點(diǎn)重定向即可輕松的幫助我們搞定。

4 NAT的缺陷

NAT在最開始的時(shí)候是非常完美的，但隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種新的應(yīng)用層出不窮，此時(shí)NAT也暴露出了缺點(diǎn)。NAT的缺陷主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 不能處理嵌入式IP地址或端口

NAT設(shè)備不能翻譯那些嵌入到應(yīng)用數(shù)據(jù)部分的IP地址或端口信息，它只能翻譯那種正常位于IP首部中的地址信息和位于TCP/UDP首部中的端口信息，如下圖,由于對方會使用接收到的數(shù)據(jù)包中嵌入的地址和端口進(jìn)行通信，這樣就可能產(chǎn)生連接故障，如果通信雙方都是使用的公網(wǎng)IP，這不會造成什么問題，但如果那個(gè)嵌入式地址和端口是內(nèi)網(wǎng)的，顯然連接就不可能成攻，原因就如開篇所說的一樣。MSN Messenger的部分功能就使用了這種方式來傳遞IP和端口信息，這樣就導(dǎo)致了NAT設(shè)備后的客戶端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序出現(xiàn)連接故障。

(2) 不能從公網(wǎng)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

由于內(nèi)網(wǎng)是私有IP，所以不能直接從公網(wǎng)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，比如WEB服務(wù)，對于這個(gè)問題，我們可以采用建立靜態(tài)映射的方法來解決。比如有一條靜態(tài)映射，是把218.70.201.185:80與192.168.0.88:80映射起的，當(dāng)公網(wǎng)用戶要訪問內(nèi)部WEB服務(wù)器時(shí)，它就首先連接到218.70.201.185:80，然后NAT設(shè)備把請求傳給192.168.0.88:80，192.168.0.88把響應(yīng)返回NAT設(shè)備，再由NAT設(shè)備傳給公網(wǎng)訪問用戶。

(3) 有一些應(yīng)用程序雖然是用A端口發(fā)送數(shù)據(jù)的，但卻要用B端口進(jìn)行接收，不過NAT設(shè)備翻譯時(shí)卻不知道這一點(diǎn)，它仍然建立一條針對A端口的映射，結(jié)果對方響應(yīng)的數(shù)據(jù)要傳給B端口時(shí)，NAT設(shè)備卻找不到相關(guān)映射條目而會丟棄數(shù)據(jù)包。
(4) 一些P2P應(yīng)用在NAT后無法進(jìn)行
對于那些沒有中間服務(wù)器的純P2P應(yīng)用（如電視會議，娛樂等）來說，如果大家都位于NAT設(shè)備之后，雙方是無法建立連接的。因?yàn)闆]有中間服務(wù)器的中轉(zhuǎn)，NAT設(shè)備后的P2P程序在NAT設(shè)備上是不會有映射條目的，也就是說對方是不能向你發(fā)起一個(gè)連接的?，F(xiàn)在已經(jīng)有一種叫做P2P NAT穿越的技術(shù)來解決這個(gè)問題。

5.結(jié)語

NAT技術(shù)無可否認(rèn)是在ipv4地址資源的短缺時(shí)候起到了緩解作用；在減少用戶申請ISP服務(wù)的花費(fèi)和提供比較完善的負(fù)載平衡功能等方面帶來了不少好處。但是在ipv4地址在以后幾年將會枯竭，NAT技術(shù)不能改變ip地址空間不足的本質(zhì)。然而在安全機(jī)制上也潛在著威脅，在配置和管理上也是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果要從根本上解決ip地址資源的問題，ipv6才是最根本之路。在ipv4轉(zhuǎn)換到ipv6的過程中，NAT技術(shù)確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，相對其他的方案優(yōu)勢也非常明顯。