建议使用以下浏览器,以获得最佳体验。 IE 9.0+以上版本 Chrome 31+ 谷歌浏览器 Firefox 30+ 火狐浏览器
请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版
设置昵称

在此一键设置昵称,即可参与社区互动!

确定
我再想想
选择版块
直达楼层
标签
您还可以添加5个标签
  • 没有搜索到和“关键字”相关的标签
  • 云产品
  • 解决方案
  • 技术领域
  • 通用技术
  • 平台功能
取消

采纳成功

您已采纳当前回复为最佳回复

小小笨比

发帖: 7粉丝: 2

发消息 + 关注

发表于2020年12月03日 14:59:47 5844 2
直达本楼层的链接
楼主
显示全部楼层
[技术干货] NAT技术基本原理与应用

NAT技术基本原理与应用

1.1 简介

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“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,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。

image.png


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。

image.png


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。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。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了这一功能。

1.2 分类

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)。

image.png

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NAT table 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NAT table,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NAT table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NAT table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(Network Address Port Translation)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(Source NAT,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(Destination NAT,DNAT):修改数据包的目的地址。Destination NAT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

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。

image.png

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NAT table,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。

2 NAT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,Src=192.168.1.2)。

image.png
当IP包经过NAT网关时,NAT Gateway会将IP包的源IP转换为NAT Gateway的公共IP并转发到公共网,此时IP包(Dst=202.20.65.4,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NAT Gateway的公共IP,Web Server发出的响应IP包(Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4)将被发送到NAT Gateway。

这时,NAT Gateway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,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。
image.png

如果内网主机发出的请求包未经过NAT,那么当Web Server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。

2.2 连接跟踪

在上述过程中,NAT Gateway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(connection track)。如下图所示:

image.png

在NAT Gateway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NAT Gateway收到服务器来的响应包后,查找Track Table,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,NAT Gateway只须更改数据包的源IP或目的IP即可正常通讯。但是如果Client A和Client B同时访问Web Server,那么当NAT Gateway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。

image.png
此时,NAT Gateway会在Connection Track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Track Table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。

image.png

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。

4 NAT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。MSN Messenger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。

image.png

(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P2P NAT穿越的技术来解决这个问题。

5.结语

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。


举报
分享

分享文章到朋友圈

分享文章到微博

采纳成功

您已采纳当前回复为最佳回复

o0龙龙0o

发帖: 253粉丝: 30

发消息 + 关注

发表于2020年12月03日 18:58:03
直达本楼层的链接
沙发
显示全部楼层

感谢分享

点赞 评论 引用 举报

采纳成功

您已采纳当前回复为最佳回复

柠檬PH=2

发帖: 379粉丝: 48

发消息 + 关注

发表于2020年12月04日 10:08:20
直达本楼层的链接
板凳
显示全部楼层

NAT原来就是“网络地址转换”

点赞 评论 引用 举报

游客

富文本
Markdown
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

结贴

您对问题的回复是否满意?
满意度
非常满意 满意 一般 不满意
我要反馈
0/200