计算机网络——NAT的妙用（网络地址转换协议）

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本文将针对以下问题逐条进行解答：

01 IPV4有何实际意义？

02 为什么需要进行NAT(网络地址转换)？

03 如何进行网络地址转换？

01 IPV4的用途

IPV4地址是网络上唯一的地址，通过这些公网IPV4地址，我们能够准确定位到某一台主机。

那我们知道了地址之后，是不是一定能够找到对方呢？ 并不是的，比如，你知道你要去的地方是动物园，那你就一定知道去的路嘛？不一定吧，通常情况下我们还得通过地图导航软件来辅助我们到达目的地。

而在网络上充当这个地图角色的就是路由器们，路由器再知道了公网IPV4地址之后，就会告诉相邻的邻居，邻居再告诉邻居，就这样，一传十，十传百，一张网络的地图就这么产生了。

具体来说，如果小明拥有一个公网IP为：1.1.1.1，那么路由器A因为是直连肯定知道要找小明怎么走。而路由器A不仅自己知道怎么找A，还会告诉路由器B如果你想找小明的话，你就把IP包发给我就好了。以此类推，最后，路由器D如果想要和小明通信的话，那他把IP包丢给路由器C，路由器C把IP包丢给路由器B，最后路由器B丢给路由器A。

以上，A -> D 是路由扩散的过程，这个过程有路由器上的路由协议完成
D -> A 是用户IP包接力的过程，像多米诺骨牌一样，最终找到小明

现在假设连接在路由器A上的小明 1.1.1.1 要和 连接在路由器D上的小美 2.2.2.2 进行通信，过程是怎么样的呢？

首先小明发送IP包的时候，IP报头里面添加了源IP地址 1.1.1.1 和 目的IP地址 2.2.2.2

这个IP包，以路由器A为起点开始了寻路，A查路由器，要找2.2.2.2 下一跳是路由器B，于是发给了B，B发给了C，C发给了D。最终IP包被小美接收到了，小美发现对方的IP是 1.1.1.1 ，于是发一个IP包回应对方，这个IP包的地址是这样的：

目的IP 1.1.1.1
源IP 2.2.2.2

这里要注意一点，IP包途径的路由器必须都得有小明、小美的路由，只要有一跳出现 路由表缺失或者不正确，就会造成通信的障碍，或IP包无法到达对方，或者IP回包无法回来

当通信出现故障的时候，先要排除是不是路由问题造成的，要保住去向路由、回向路由都要正确无误。我们可以使用Ping、Traceroute这两个中举协同工作，准确找出到底是那台路由器造成的。

02 网络地址转换由来

我们知道，公网IP地址可以帮我们与他人通信。但是现在有一个问题出现：

小明是有一个公网IP地址，1.1.1.1，但是小明家里的智能终端很多啊，有IPAD、手机、电脑，每台设备都需要一个IP地址才能工作，这该怎么分呢？

有办法，专门负责IP地址分配的国际机构IANA预留了几段地址，专门用于局域网使用，这三段地址分别为:

10.0.0.0 - 10.255.255.255
172.16.0.0 - 172.31.255.255
192.168.0.0 - 192.168.255.255

假设小明家选择了 10.1.1.0/24这个私有网段，在路由器的局域网配置了DHCP服务器，专门用于给终端分配这个网段的地址，其中10.1.1.1为路由器局域网接口的IP，10.1.1.254为广播地址，那么剩下的10.1.1.2 -254这253个地址就可以分配给局域网的终端了。

03 网络地址转换具体流程

那么这种情况下，如果小明的手机 10.1.1.2 想要访问 小美的网页 http:// 2.2.2.2 ，该如何通信呢？

1、小明的电脑使用TCP协议来传输HTTP应用，他发出IP报文，其中目的IP为 2.2.2.2 源IP为10.1.1.2，目的端口号为 80，源端口号位 1520

这里的目的端口号可以让小美的TCP找到服务器进程，这里的服务器进程就是网页服务器程序

这里的源端口号可以让小明的TCP找到对应的浏览器进程，把小美的回复消息转交给该进程



2、路由器接收到小明发来的IP报文，路由器发现源IP地址10.1.1.2是私有地址，做地址转换，动态生成地址转换表：

其中目的IP为 2.2.2.2 源IP从10.1.1.2映射为1.1.1.1，目的端口号为 80，源端口号位 1520

端口号占两个字节，取值范围是1-65535，端口号1520在路由器上没有被任何本地经常占用，所以小明电脑可以原封不动地使用1520这个端口号。



3、经过各个路由器的配合，这个IP报文经过了25跳到达了小美的电脑。

但是到达了电脑还没有完呐，因为电脑上的进程特别多，如何知道发给那个进程呢？

举个例子，福建省福州市长乐区XXX37号，这个IP地址告诉你对方在福建省福州市长乐区XXXX，而端口号告诉你对方在37号

简单来说，IP地址准确定位电脑，端口号用于准确定位电脑上特定进程，即 IP地址+端口号 ，定位了某一台电脑的某一个进程



4、小美的网页服务收到小明的访问网页请求后，回复小明的手机，她打包了一个IP报文，只要把接收到的IP报文，源/目的IP位置调换，源/目的端口互换位置即可

其中目的IP为 1.1.1.1， 源IP 2.2.2.2，目的端口号为 1520，源端口号为 80



5、IP报文到达小明路由器，查NAT映射表，匹配到后做地址替换，替换后的IP报文为：

目的IP为10.1.1.2， 源IP 1.1.1.1，目的端口号为 1520，源端口号为 80



6、最后IP报文到达小明电脑指定端口完成通信

补充：
如果这个时候小明的电脑也要访问小美的网页，恰巧也想将1520作为源端口会发生什么呢？

小明电脑发生IP包后，小明路由器接收到该IP报文，发现1520端口已经被占用，于是在端口号空间 1025-65535挑选了一个空闲端口号1521给电脑使用，动态生成NAT表

如
公网IP 私网IP 路由器端口号 主机端口号 存活时间
1.1.1.1 10.1.1.2 1520 1520 237
1.1.1.1 10.1.1.3 1521 1520 300

这样子，最终呈现在小美电脑上的IP报文格式为：
目的IP为2.2.2.2， 源IP 1.1.1.1，目的端口号为 80，源端口号为 1521

此报文最终可以找到小美的服务器进程，返程的回复报文，小明的路由器也可以查NAT表，做地址转换，最终达到小明的手机

总结一下就是，小明的路由器为了辨别不同用户（IP地址不同）的流量，或者同一个用户的不同流量（端口号不同），使用路由器上唯一的端口号来分辨他们

本文完，感谢你的阅读！！！

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