HCIA-Datacom笔记之网络地址转换

随着Internet的发展和网络应用的增多，有限的IPv4公有地址已经成为制约网络发展的瓶颈。为解决这个问题，NAT（Network Address Translation，网络地址转换）技术应需而生。

NAT技术主要用于实现内部网络的主机访问外部网络。一方面NAT缓解了IPv4地址短缺的问题，另一方面NAT技术让外网无法直接与使用私有地址的内网进行通信，提升了内网的安全性。

14.1 NAT产生背景

随着互联网用户的增多，IPv4的公有地址资源显得越发短缺。

同时IPv4公有地址资源存在地址分配不均的问题，这导致部分地区的IPv4可用公有地址严重不足。

为解决该问题，使用过渡技术解决IPv4公有地址短缺就显得尤为必要。

14.2 私网IP地址

公有地址：由专门的机构管理、分配，可以在Internet上直接通信的IP地址。

私有地址：组织和个人可以任意使用，无法在Internet上直接通信，只能在内网使用的IP地址。

A、B、C类地址中各预留了一些地址专门作为私有IP地址：

A类：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

B类：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

C类：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

14.3 NAT技术原理

NAT：对IP数据报文中的IP地址进行转换，是一种在现网中被广泛部署的技术，一般部署在网络出口设备，例如路由器或防火墙上。

NAT的典型应用场景：在私有网络内部（园区、家庭）使用私有地址，出口设备部署NAT，对于“从内到外”的流量，网络设备通过NAT将数据包的源地址进行转换（转换成特定的公有地址），而对于“从外到内的”流量，则对数据包的目的地址进行转换。

通过私有地址的使用结合NAT技术，可以有效节约公网IPv4地址。

14.4 静态NAT原理

静态NAT：每个私有地址都有一个与之对应并且固定的公有地址，即私有地址和公有地址之间的关系是一对一映射。

支持双向互访：私有地址访问Internet经过出口设备NAT转换时，会被转换成对应的公有地址。同时，外部网络访问内部网络时，其报文中携带的公有地址（目的地址）也会被NAT设备转换成对应的私有地址。

14.4.1 静态NAT配置示例

[R1]interface GigabitEthernet0/0/1

[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 122.1.2.1 24

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat static global 122.1.2.1 inside 192.168.1.1

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat static global 122.1.2.2 inside 192.168.1.2

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat static global 122.1.2.3 inside 192.168.1.3

14.5 动态NAT原理

动态NAT：静态NAT严格地一对一进行地址映射，这就导致即便内网主机长时间离线或者不发送数据时，与之对应的公有地址也处于使用状态。为了避免地址浪费，动态NAT提出了地址池的概念：所有可用的公有地址组成地址池。

当内部主机访问外部网络时临时分配一个地址池中未使用的地址，并将该地址标记为“In Use”。当该主机不再访问外部网络时回收分配的地址，重新标记为“Not Use”。

14.5.1 动态NAT配置示例

[R1]nat address-group 1 122.1.2.1 122.1.2.3

[R1]acl 2000

[R1-acl-basic-2000]rule 5 permit source 192.168.1.0 0.0.0.255

[R1-acl-basic-2000]quit

[R1]interface GigabitEthernet0/0/1 

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat outbound 2000 address-group 1 no-pat

14.6 NAPT原理

动态NAT选择地址池中的地址进行地址转换时不会转换端口号，即No-PAT（No-Port Address Translation，非端口地址转换），公有地址与私有地址还是1:1的映射关系，无法提高公有地址利用率。

NAPT（Network Address and Port Translation，网络地址端口转换）：从地址池中选择地址进行地址转换时不仅转换IP地址，同时也会对端口号进行转换，从而实现公有地址与私有地址的1:n映射，可以有效提高公有地址利用率。

NAPT借助端口可以实现一个公有地址同时对应多个私有地址。该模式同时对IP地址和传输层端口进行转换，实现不同私有地址（不同的私有地址，不同的源端口）映射到同一个公有地址（相同的公有地址，不同的源端口）。

14.6.1 NAPT配置示例

[R1]nat address-group 1 122.1.2.1 122.1.2.1

[R1]acl 2000

[R1-acl-basic-2000]rule 5 permit source 192.168.1.0 0.0.0.255

[R1-acl-basic-2000]quit

[R1]interface GigabitEthernet0/0/1 

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat outbound 2000 address-group 1

14.7 Easy IP

Easy IP：实现原理和NAPT相同，同时转换IP地址、传输层端口，区别在于Easy IP没有地址池的概念，使用接口地址作为NAT转换的公有地址。

Easy IP适用于不具备固定公网IP地址的场景：如通过DHCP、PPPoE拨号获取地址的私有网络出口，可以直接使用获取到的动态地址进行转换。

14.7.1 Easy IP配置示例

[R1]acl 2000

[R1-acl-basic-2000]rule 5 permit source 192.168.1.0 0.0.0.255

[R1-acl-basic-2000]quit

[R1]interface GigabitEthernet0/0/1 

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat outbound 2000

14.8 NAT Server使用场景

NAT Server：指定[公有地址:端口]与[私有地址:端口]的一对一映射关系，将内网服务器映射到公网，当私有网络中的服务器需要对公网提供服务时使用。

外网主机主动访问[公有地址:端口]实现对内网服务器的访问。

14.8.1 NAT Server配置示例

[R1]interface GigabitEthernet0/0/1 

[R1-GigabitEthernet0/0/1]ip address 122.1.2.1 24

[R1-GigabitEthernet0/0/1]nat server protocol tcp global 202.10.10.1 www inside 192.168.1.1 8080