第1章 NAT

1.1 NAT概述

1990年代中期，NAT是作为一种解决IPv4地址短缺以避免保留IP地址困难的方案而流行起来的。网络地址转换在很多国家都有很广泛的使用。所以NAT就成了家庭和小型办公室网络连接上的路由器的一个标准特征，因为对他们来说，申请独立的IP地址的代价要高于所带来的效益。

在一个典型的配置中，一个本地网络使用一个专有网络的指定子网（比如192.168.x.x或10.x.x.x）和连在这个网络上的一个路由器。这个路由器占有这个网络地址空间的一个专有地址（比如192.168.0.1），同时它还通过一个或多个因特网服务提供商提供的公有的IP地址（叫做“过载”NAT）连接到因特网上。当信息由本地网络向因特网传递时，源地址被立即从专有地址转换为公用地址。由路由器跟踪每个连接上的基本数据，主要是目的地址和端口。当有回复返回路由器时，它通过输出阶段记录的连接跟踪数据来决定该转发给内部网的哪个主机；如果有多个公用地址可用，当数据包返回时，TCP或UDP客户机的端口号可以用来分解数据包。对于因特网上的一个系统，路由器本身充当通信的源和目的地址。

流行在网络上的一种看法认为，IPv6的广泛采用将使得NAT不再需要，因为NAT只是一个处理IPv4的地址空间不足的方法。

1.2 NAT简单介绍

NAT英文全称是“Network Address Translation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（Internet Protocol）地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术。简单的说，NAT就是在局域网内部网络中使用内部地址，而当内部节点要与外部网络进行通讯时，就在网关（可以理解为出口，打个比方就像院子的门一样）处，将内部地址替换成公用地址，从而在外部公网（internet）上正常使用，NAT可以使多台计算机共享Internet连接，这一功能很好地解决了公共IP地址紧缺的问题。通过这种方法，您可以只申请一个合法IP地址，就把整个局域网中的计算机接入Internet中。这时，NAT屏蔽了内部网络，所有内部网计算机对于公共网络来说是不可见的，而内部网计算机用户通常不会意识到NAT的存在。这里提到的内部地址，是指在内部网络中分配给节点的私有IP地址，这个地址只能在内部网络中使用，不能被路由（一种网络技术，可以实现不同路径转发）。虽然内部地址可以随机挑选，但是通常使用的是下面的地址：10.0.0.0~10.255.255.255，172.16.0.0~172.16.255.255，192.168.0.0~192.168.255.255。NAT将这些无法在互联网上使用的保留IP地址翻译成可以在互联网上使用的合法IP地址。而全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（网络信息中心）或者ISP(网络服务提供商)分配的地址，对外代表一个或多个内部局部地址，是全球统一的可寻址的地址。

1.3 NAT功能

NAT功能通常被集成到路由器、防火墙、ISDN路由器或者单独的NAT设备中。比如Cisco路由器中已经加入这一功能，网络管理员只需在路由器的IOS中设置NAT功能，就可以实现对内部网络的屏蔽。再比如防火墙将WEB Server的内部地址192.168.1.1映射为外部地址202.96.23.11，外部访问202.96.23.11地址实际上就是访问访问192.168.1.1。另外资金有限的小型企业来说，现在通过软件也可以实现这一功能。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了这一功能。

1.4 NAT技术类型

NAT有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（Port－Level NAT）。

其中静态NAT设置起来最为简单和最容易实现的一种，内部网络中的每个主机都被永久映射成外部网络中的某个合法的地址。而动态地址NAT则是在外部网络中定义了一系列的合法地址，采用动态分配的方法映射到内部网络。NAPT则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。根据不同的需要，三种NAT方案各有利弊。

动态地址NAT只是转换IP地址，它为每一个内部的IP地址分配一个临时的外部IP地址，主要应用于拨号，对于频繁的远程联接也可以采用动态NAT。当远程用户联接上之后，动态地址NAT就会分配给他一个IP地址，用户断开时，这个IP地址就会被释放而留待以后使用。

网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）是人们比较熟悉的一种转换方式。NAPT普遍应用于接入设备中，它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT与动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的TCP端口号。

在Internet中使用NAPT时，所有不同的信息流看起来好像来源于同一个IP地址。这个优点在小型办公室内非常实用，通过从ISP处申请的一个IP地址，将多个连接通过NAPT接入Internet。实际上，许多SOHO远程访问设备支持基于PPP的动态IP地址。这样，ISP甚至不需要支持NAPT，就可以做到多个内部IP地址共用一个外部IP地址上Internet，虽然这样会导致信道的一定拥塞，但考虑到节省的ISP上网费用和易管理的特点，用NAPT还是很值得的。

1.5 HAPT

NAPT(Network Address Port Translation)，即网络端口地址转换，是人们比较熟悉的一种转换方式，将多个内部地址映射为一个合法公网地址，但以不同的协议端口号与不同的内部地址相对应，也就是<内部地址+内部端口>与<外部地址+外部端口>之间的转换。NAPT普遍用于接入设备中，它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT也被称为"多对一"的NAT，或者叫PAT(Port Address Translations，端口地址转换)、地址超载(address overloading)。

NAPT与动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的TCP端口号。NAPT算得上是一种较流行的NAT变体，通过转换TCP或UDP协议端口号以及地址来提供并发性。除了一对源和目的IP地址以外，这个表还包括一对源和目的协议端口号，以及NAT盒使用的一个协议端口号。

NAPT的主要优势在于，能够使用一个全球有效IP地址获得通用性。主要缺点在于其通信仅限于TCP或UDP。当所有通信都采用TCP或UDP，NAPT允许一台内部计算机访问多台外部计算机，并允许多台内部主机访问同一台外部计算机，相互之间不会发生冲突。

NAPT使得一组主机可以共享唯一的外部地址，当位于内部网络中的主机通过NAT设备向外部主机发起会话请求时，NAT设备就会查询NAT表，看是否有相关会话记录，如果有相关记录，就会将内部IP地址及端口同时进行转换，再转发出去;如果没有相关记录，进行IP地址和端口转换的同时，还会在NAT表增加一条该会话的记录。外部主机接收到数据包后，用接受到的合法公网地址及端口作为目的IP地址及端口来响应，NAT设备接收到外部回来的数据包，再根据NAT表中的记录把目的地址及端口转换成对应的内部IP地址及端口，转发给该内部主机。

1.6 NAT的缺点

在一个具有NAT功能的路由器下的主机并没有创建真正的IP地址，并且不能参与一些因特网协议。一些需要初始化从外部网络创建的TCP连接和无状态协议（比如UDP）无法实现。除非NAT路由器管理者预先设置了规则，否则送来的数据包将不能到达正确的目的地址。一些协议有时可以在应用层网关（见下）的辅助下，在参与NAT的主机之间容纳一个NAT的实例，比如FTP。NAT也会使安全协议变的复杂，比如IPsec。

端对端连接是被IAB委员会（Internet Architecture Board）支持的核心因特网协议之一，因此有些人据此认为NAT是对公用因特网的一个破坏。一些因特网服务提供商只向他们的客户提供本地IP地址，所以他们必须通过NAT来访问ISP网络以外的服务，并且这些公司能不能算的上真正的提供了因特网服务的话题也被谈起。

NAT除了带来方便和代价之外，对全双工连接支持的缺少在一些情况下可以看作是一个有好处的特征而不是一个限制。在一定程度上，NAT依赖于本地网络上的一台机器来初始化和路由器另一边的主机的任何连接，它可以阻止外部网络上的主机的恶意活动。这样就可以阻止网络蠕虫病毒来提高本地系统的可靠性，阻挡恶意浏览来提高本地系统的私密性。很多具有NAT功能的防火墙都是使用这种功能来提供核心保护的。另外，它也为UDP的跨局域网的传输提供了方便。

第2章基本NAT和端口转换

2.1 基本网络地址转换（Basic NAT）

这一种也可称作NAT或“静态NAT”。它在技术上比较简单一点，仅支持地址转换，不支持端口映射。Basic NAT要求对每一个当前连接都要对应一个公网IP地址，因此要维护一个公网的地址池。宽带（broadband）路由器通常使用这种方式来允许一台指定的设备去管理所有的外部链接，甚至当路由器本身只有一个可用外部IP时也如此，这台路由器有时也被标记为DMZ主机。

基本NAT要维护一个无端口号NAT表，结构如下。

内网IP	外网IP
192.168.1.55	219.152.168.222
192.168.1.59	219.152.168.223
192.168.1.155	219.152.168.224

2.2 网络地址端口转换（NAPT）

这种方式支持端口的映射，并允许多台主机共享一个公网IP地址。

支持端口转换的NAT又可以分为两类：源地址转换和目的地址转换。前一种情形下发起连接的计算机的IP地址将会被重写，使得内网主机发出的数据包能够到达外网主机。后一种情况下被连接计算机的IP地址将被重写，使得外网主机发出的数据包能够到达内网主机。实际上，以上两种方式通常会一起被使用以支持双向通信。

NAPT维护一个带有IP以及端口号的NAT表，结构如下。

内网IP	外网IP
192.168.1.55:5566	219.152.168.222:9200
192.168.1.59:80	219.152.168.222:9201
192.168.1.59:4465	219.152.168.222:9202

2.2.1 受到NAT影响的应用程序

一些高层协议（比如FTP，Quake，SIP）在IP包的有效数据内发送网络层（第三层）信息。比如，主动模式的FTP使用单独的端口分别来控制命令传输和数据传输。当请求一个文件传输时，主机在发送请求的同时也通知对方自己想要在哪个端口接受数据。但是，如果主机是在一个简单的NAT防火墙后发送的请求，那么由于端口的映射，将会使对方接收到的信息无效。

一个应用层网关（Application Layer Gateway，ALG）可以修正这个问题。运行在NAT防火墙设备上的ALG软件模块可以更新任何由地址转换而导致无效的信息。显然，ALG需要明白它所要修正的上层协议，所以每个有这种问题的协议都需要有一个单独的ALG。

但是，除FTP外的大多数传统的客户机－服务器协议不需要发送网络层（第三层）信息，也就不需要ALG。

这个问题的另一个可能的解决方法是使用像STUN这样的技术，但是这只针对创建在UDP上的高层协议，并且需要它内建这种技术。这种技术对于对称NAT也是无效的。还有一种可能的方案是UPnP，但它需要和NAT设备配合起来使用