NAT技术详解

宣传部部长

2024-04-18 00:31

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　　NAT（NetworkAddressTranslation，网络地址转换）是1994年提出的。当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密）时，可使用NAT方法。这种方法需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。

　　1.1.1名词解释

　　公有IP地址：也叫全局地址，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。

　　私有IP地址：也叫内部地址，属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。因特网分配编号委员会（IANA）保留了3块IP地址做为私有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）组合而成，我们称这样的一个地址集合为地址池。在内部网络的数据包通过地址转换到达外部网络时，将会在地址池中选择某个IP地址作为数据包的源IP地址，这样可以有效的利用用户的外部地址，提高访问外部网络的能力。

　　1.1.2关于NAT

　　NAT英文全称是“NetworkAddressTranslation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(InternetEngineeringTaskForce,Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（InternetProtocol）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，如下图所示。因此我们可以认为，NAT在一定程度上，能够有效的解决公网地址不足的问题。

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　　简单地说，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，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。如下图所示。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，不能被路由转发。

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　　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WEBServer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。此外，对于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。Windows98SE、Windows2000都包含了这一功能。

　　1.2分类

　　NAT有三种类型：静态NAT(StaticNAT)、动态地址NAT(PooledNAT)、网络地址端口转换NAPT（Port-LevelNAT）。

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　　1.2.1静态NAT

　　通过手动设置，使Internet客户进行的通信能够映射到某个特定的私有网络地址和端口。如果想让连接在Internet上的计算机能够使用某个私有网络上的服务器（如网站服务器）以及应用程序（如游戏），那么静态映射是必需的。静态映射不会从NAT转换表中删除。

　　如果在NAT转换表中存在某个映射，那么NAT只是单向地从Internet向私有网络传送数据。这样，NAT就为连接到私有网络部分的计算机提供了某种程度的保护。但是，如果考虑到Internet的安全性，NAT就要配合全功能的防火墙一起使用。

　　对于以上网络拓扑图，当内网主机10.1.1.1如果要与外网的主机201.0.0.11通信时，主机（IP：10.1.1.1）的数据包经过路由器时，路由器通过查找NATtable将IP数据包的源IP地址（10.1.1.1）改成与之对应的全局IP地址（201.0.0.1），而目标IP地址201.0.0.11保持不变，这样，数据包就能到达201.0.0.11。而当主机HostB(IP:201.0.0.11)响应的数据包到达与内网相连接的路由器时，路由器同样查找NATtable，将IP数据包的目的IP地址改成10.1.1.1，这样内网主机就能接收到外网主机发过来的数据包。在静态NAT方式中，内部的IP地址与公有IP地址是一种一一对应的映射关系，所以，采用这种方式的前提是，机构能够申请到足够多的全局IP地址。

　　1.2.2动态NAT

　　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。

　　动态NAT方式适合于当机构申请到的全局IP地址较少，而内部网络主机较多的情况。内网主机IP与全局IP地址是多对一的关系。当数据包进出内网时，具有NAT功能的设备对IP数据包的处理与静态NAT的一样，只是NATtable表中的记录是动态的，若内网主机在一定时间内没有和外部网络通信，有关它的IP地址映射关系将会被删除，并且会把该全局IP地址分配给新的IP数据包使用，形成新的NATtable映射记录。

　　1.2.3网络地址端口转换NAPT

　　网络地址端口转换NAPT（NetworkAddressPortTranslation）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。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设备选定的端口号。

　　NAPT是使用最普遍的一种转换方式，它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。

　　(1)源NAT（SourceNAT，SNAT）：修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址，它永远会在数据包发送到网络之前完成，数据包伪装就是一具SNAT的例子。

　　(2)目的NAT（DestinationNAT，DNAT）：修改数据包的目的地址。DestinationNAT刚好与SNAT相反，它是改变第一个数据包的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是

　　属于DNAT。

　　源NAT举例：对于以上网络拓扑图，内网的主机数量比较多，但是该组织只有一个合法的IP地址，当内网主机（10.1.1.3）往外发送数据包时，则需要修改数据包的IP地址和TCP/UDP端口号，例如将

　　源IP：10.1.1.3

　　源port：1493

　　改成

　　源IP：201.0.0.1

　　NAT的实现方式有三种，即静态转换StaticNat、动态转换DynamicNat和端口多路复用OverLoad。

　　静态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，IP地址对是一对一的，是一成不变的，某个私有IP地址只转换为某个公有IP地址。借助于静态转换，可以实现外部网络对内部网络中某些特定设备（如服务器）的访问。

　　动态转换是指将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址是不确定的，是随机的，所有被授权访问上Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定的合法IP地址。也就是说，只要指定哪些内部地址可以进行转换，以及用哪些合法地址作为外部地址时，就可以进行动态转换。动态转换可以使用多个合法外部地址集。当ISP提供的合法IP地址略少于网络内部的计算机数量时。可以采用动态转换的方式。

　　端口多路复用（PortaddressTranslation,PAT)是指改变外出数据包的源端口并进行端口转换，即端口地址转换（PAT，PortAddressTranslation).采用端口多路复用方式。内部网络的所有主机均可共享一个合法外部IP地址实现对Internet的访问，从而可以最大限度地节约IP地址资源。同时，又可隐藏网络内部的所有主机，有效避免来自internet的攻击。因此，目前网络中应用最多的就是端口多路复用方式。

　　ALG（ApplicationLevelGateway），即应用程序级网关技术：传统的NAT技术只对IP层和传输层头部进行转换处理，但是一些应用层协议，在协议数据报文中包含了地址信息。为了使得这些应用也能透明地完成NAT转换，NAT使用一种称作ALG的技术，它能对这些应用程序在通信时所包含的地址信息也进行相应的NAT转换。例如：对于FTP协议的PORT/PASV命令、DNS协议的"A"和"PTR"queries命令和部分ICMP消息类型等都需要相应的ALG来支持。

　　如果协议数据报文中不包含地址信息，则很容易利用传统的NAT技术来完成透明的地址转换功能，通常我们使用的如下应用就可以直接利用传统的NAT技术：HTTP、TELNET、FINGER、NTP、NFS、ARCHIE、RLOGIN、RSH、RCP等。

　　源port：1492（注意：源端口号可以与原来的一样也可以不一样）

　　当外网主机（201.0.0.11）响应内网主机（10.1.1.3）时，应将：

　　目的IP：201.0.0.1

　　目的port：1492

　　改成

　　目的IP：10.1.1.3

　　目的port：1493

　　这样，通过修改IP地址和端口的方法就可以使内网中所有的主机都能访问外网，此类NAT适用于组织或机构内只有一个合法的IP地址的情况，也是动态NAT的一种特例。

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　　NAPT（NetworkAddressPortTranslation），即网络端口地址转换，可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（PortAddressTranslations，端口地址转换）、地址超载（addressoverloading）。

　　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。[2]

　　目的NAT举例：这种方式适用于内网的某些服务器需要为外网提供某些服务的情况。例如以上拓扑结构，内网服务器群（ip地址分别为：10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等）需要为外网提供WEB服务，当外网主机HostB访问内网时，所发送的数据包的目的IP地址为10.1.1.127，端口号为：80，当该数据包到达内网连接的路由器时，路由器查找NATtable，路由器通过修改目的IP地址和端口号，将外网的数据包平均发送到不同的主机上（10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等），这样就实现了负载均衡。

　　2NAT原理

　　2.1地址转换

　　NAT的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。

　　如下图所示，NAT网关有2个网络端口，其中公共网络端口的IP地址是统一分配的公共IP，为202.20.65.5；私有网络端口的IP地址是保留地址为192.168.1.1。私有网中的主机192.168.1.2向公共网中的主机202.20.65.4发送了1个IP包(Dst=202.20.65.4,class="lazy" data-src=192.168.1.2)。

　　clip_image011当IP包经过NAT网关时，NATGateway会将IP包的源IP转换为NATGateway的公共IP并转发到公共网，此时IP包（Dst=202.20.65.4，class="lazy" data-src=202.20.65.5）中已经不含任何私有网IP的信息。由于IP包的源IP已经被转换成NATGateway的公共IP，WebServer发出的响应IP包（Dst=202.20.65.5,class="lazy" data-src=202.20.65.4）将被发送到NATGateway。

　　这时，NATGateway会将IP包的目的IP转换成私有网中主机的IP，然后将IP包（Des=192.168.1.2，class="lazy" data-src=202.20.65.4）转发到私有网。对于通信双方而言，这种地址的转换过程是完全透明的。转换示意图如下。

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　　如果内网主机发出的请求包未经过NAT，那么当WebServer收到请求包，回复的响应包中的目的地址就是私有网络IP地址，在Internet上无法正确送达，导致连接失败。

　　1.从IPsec的角度上说，IPsec要保证数据的安全，因此它会加密和校验数据。

　　2.从NAT的观点来看，为了完成地址转换，势必会修改IP地址。

　　IPSec提供了端到端的IP通信的安全性，但在NAT环境下对IPSec的支持有限，AH协议是肯定不能进行NAT的了，这和AH设计的理念是相违背的；ESP协议在NAT环境下最多只能有一个VPN主机能建立VPN通道，无法实现多台机器同时在NAT环境下进行ESP通信。关于IPSec在NAT环境下的需求问题在RFC3715中进行了描述。

　　NAT穿越(NATTraversal，NAT-T)就是为解决这个问题而提出的，RFC3947，3948中定义，在RFC4306中也加入了NAT-T的说明，但并没废除RFC3947，3948，只是不区分阶段1和阶段2。该方法将ESP协议包封装到UDP包中（在原ESP协议的IP包头外添加新的IP头和UDP头），使之可以在NAT环境下使用的一种方法，这样在NAT的内部网中可以有多个IPSec主机建立VPN通道进行通信。

　　AH封装：AH封装的校验从IP头开始，如果NAT将IP的头部改动，AH的校验就会失败，因此我们得出结论，AH是无法与NAT共存的。ESP封装的传输模式：对于NAT来说，ESP封装比AH的优势在于，无论是加密还是完整性的校验，IP头部都没有被包括进去。但是还是有新的问题，对于ESP的传输模式，NAT无法更新上层校验和。TCP和UDP报头包含一个校验和，它整合了源和目标IP地址和端口号的值。

　　当NAT改变了某个包的IP地址和（或）端口号时，它通常要更新TCP或UDP校验和。当TCP或UDP校验和使用了ESP来加密时，它就无法更新这个校验和。由于地址或端口已经被NAT更改，目的地的校验和检验就会失败。虽然UDP校验和是可选的，但是TCP校验和却是必需的。

　　ESP封装的隧道模式：从ESP隧道模式的封装中，我们可以发现，ESP隧道模式将整个原始的IP包整个进行了加密，且在ESP的头部外面新加了一层IP头部，所以NAT如果只改变最前面的IP地址对后面受到保护的部分是不会有影响的。因此，IPsec只有采用ESP的隧道模式来封装数据时才能与NAT共存。

　　由于完整性校验牵涉到IP头部，所以NAT无法对其修改，不兼容。

　　ESP的传输模式，因为TCP部分被加密，NAT无法对TCP校验和进行修改，不兼容。

　　ESP的隧道模式，由于NAT改动外部的IP而不能改动被加密的原始IP，使得只有这种情况下才能与NAT共存。

　　NAT穿越(NATTraversal，NAT-T)

　　CiscoIOS的版本在12.2(13)T以后，可以支持NAT-T技术。以前NAT和IPsec只能以1对1的形式共存，NAT-T打破了这种形式。而且NAT-T支持ESP的传输模式。NAT-T的基本思想：

　　将ESP协议包封装到UDP包中（在原ESP协议的IP包头外添加新的IP头和UDP头）。使得NAT对待它就像对待一个普通的UDP包一样。而且支持ESP的传输模式。NAT-T的基本原理和执行步骤

　　1.检测通信中是否存在NAT设备和对方是否支持NAT-TNC

　　2.检测对方是否支持NAT-T是通过交换vendorID载荷来实现的，如果自身支持NAT-T，在IKE开始交互就要发送这种载荷，载荷内容是“RFC3947”的MD5值，也就是十六进制的“4a131c81070358455c5728f20e95452f”

　　配置方法

　　1.ipsecovertcp

　　该方法导致双方使用TCP端口通信，缺省端口是10000，只支持client方式。缺省被禁用，打开方法：

　　cryptoisakmpipsec-over-tcp

　　当实际环境中不常规VPN通信或NAT-T,IPSECOVERUDP的时候使用。

　　2.NAT-T

　　该方法导致双方最终使用udp4500端口通信，支持client,L2L两种方式。缺省是被禁用的。打开方法：

　　cryptoisakmpnat-traversal20,缺省keepalives时间20秒

　　3.ipsecoverudp

　　导致双方使用UDP通信，缺省端口10000，只支持client方式。缺省被禁用。打开方法

　　在组策略中配置

　　hostname(config-group-policy)#ipsec-udp{enable|disable}

　　hostname(config-group-policy)#ipsec-udp-port10000

　　上述三种方法都启用时候的优先级别：overtcp>NAT-T>overudp

　　2.2连接跟踪

　　在上述过程中，NATGateway在收到响应包后，就需要判断将数据包转发给谁。此时如果子网内仅有少量客户机，可以用静态NAT手工指定；但如果内网有多台客户机，并且各自访问不同网站，这时候就需要连接跟踪（connectiontrack）。如下图所示：

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　　在NATGateway收到客户机发来的请求包后，做源地址转换，并且将该连接记录保存下来，当NATGateway收到服务器来的响应包后，查找TrackTable，确定转发目标，做目的地址转换，转发给客户机。

　　2.3端口转换

　　以上述客户机访问服务器为例，当仅有一台客户机访问服务器时，NATGateway只须更改数据包的源IP或目的IP即可正常通讯。但是如果ClientA和ClientB同时访问WebServer，那么当NATGateway收到响应包的时候，就无法判断将数据包转发给哪台客户机，如下图所示。

　　clip_image017此时，NATGateway会在ConnectionTrack中加入端口信息加以区分。如果两客户机访问同一服务器的源端口不同，那么在TrackTable里加入端口信息即可区分，如果源端口正好相同，那么在实行SNAT和DNAT的同时对源端口也要做相应的转换，如下图所示。

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　　3应用

　　NAT主要可以实现以下几个功能：数据包伪装、平衡负载、端口转发和透明代理。

　　数据伪装:可以将内网数据包中的地址信息更改成统一的对外地址信息，不让内网主机直接暴露在因特网上，保证内网主机的安全。同时，该功能也常用来实现共享上网。例如，内网主机访问外网时，为了隐藏内网拓扑结构，使用全局地址替换私有地址。

　　端口转发:当内网主机对外提供服务时，由于使用的是内部私有IP地址，外网无法直接访问。因此，需要在网关上进行端口转发，将特定服务的数据包转发给内网主机。例如公司小王在自己的服务器上架设了一个Web网站，他的IP地址为192.168.0.5，使用默认端口80，现在他想让局域网外的用户也能直接访问他的Web站点。利用NAT即可很轻松的解决这个问题，服务器的IP地址为210.59.120.89，那么为小王分配一个端口，例如81，即所有访问210.59.120.89:81的请求都自动转向192.168.0.5:80，而且这个过程对用户来说是透明的。

　　负载平衡:目的地址转换NAT可以重定向一些服务器的连接到其他随机选定的服务器。例如1.2.3所讲的目的NAT的例子。

　　失效终结:目的地址转换NAT可以用来提供高可靠性的服务。如果一个系统有一台通过路由器访问的关键服务器，一旦路由器检测到该服务器当机，它可以使用目的地址转换NAT透明的把连接转移到一个备份服务器上，提高系统的可靠性。

　　透明代理:例如自己架设的服务器空间不足，需要将某些链接指向存在另外一台服务器的空间；或者某台计算机上没有安装IIS服务，但是却想让网友访问该台计算机上的内容，这个时候利用IIS的Web站点重定向即可轻松的帮助我们搞定。

　　4NAT的缺陷

　　NAT在最开始的时候是非常完美的，但随着网络的发展，各种新的应用层出不穷，此时NAT也暴露出了缺点。NAT的缺陷主要表现在以下几方面：

　　(1)不能处理嵌入式IP地址或端口

　　NAT设备不能翻译那些嵌入到应用数据部分的IP地址或端口信息，它只能翻译那种正常位于IP首部中的地址信息和位于TCP/UDP首部中的端口信息，如下图,由于对方会使用接收到的数据包中嵌入的地址和端口进行通信，这样就可能产生连接故障，如果通信双方都是使用的公网IP，这不会造成什么问题，但如果那个嵌入式地址和端口是内网的，显然连接就不可能成攻，原因就如开篇所说的一样。MSNMessenger的部分功能就使用了这种方式来传递IP和端口信息，这样就导致了NAT设备后的客户端网络应用程序出现连接故障。

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　　(2)不能从公网访问内部网络服务

　　由于内网是私有IP，所以不能直接从公网访问内部网络服务，比如WEB服务，对于这个问题，我们可以采用建立静态映射的方法来解决。比如有一条静态映射，是把218.70.201.185:80与192.168.0.88:80映射起的，当公网用户要访问内部WEB服务器时，它就首先连接到218.70.201.185:80，然后NAT设备把请求传给192.168.0.88:80，192.168.0.88把响应返回NAT设备，再由NAT设备传给公网访问用户。

　　(3)有一些应用程序虽然是用A端口发送数据的，但却要用B端口进行接收，不过NAT设备翻译时却不知道这一点，它仍然建立一条针对A端口的映射，结果对方响应的数据要传给B端口时，NAT设备却找不到相关映射条目而会丢弃数据包。

　　(4)一些P2P应用在NAT后无法进行

　　对于那些没有中间服务器的纯P2P应用（如电视会议，娱乐等）来说，如果大家都位于NAT设备之后，双方是无法建立连接的。因为没有中间服务器的中转，NAT设备后的P2P程序在NAT设备上是不会有映射条目的，也就是说对方是不能向你发起一个连接的。现在已经有一种叫做P2PNAT穿越的技术来解决这个问题。

NAT技术无可否认是在ipv4地址资源的短缺时候起到了缓解作用；在减少用户申请ISP服务的花费和提供比较完善的负载平衡功能等方面带来了不少好处。但是在ipv4地址在以后几年将会枯竭，NAT技术不能改变ip地址空间不足的本质。然而在安全机制上也潜在着威胁，在配置和管理上也是一个挑战。如果要从根本上解决ip地址资源的问题，ipv6才是最根本之路。在ipv4转换到ipv6的过程中，NAT技术确实是一个不错的选择，相对其他的方案优势也非常明显。