NAT(Network Address Translation)网络地址转换详解

网络地址转换

前言

由于IPV4地址的数量最大为2的32次方，也就是42亿多个IP地址，目前IPv4地址已经用尽。IPv6虽然可以从根本上解决IP地址不足的问题，但是目前众多的网络设备和网络应用是基于IPv4的，因此在IPv6广泛应用之前，一些过渡技术的使用是解决这个问题的主要技术手段。
网络转换技术(Network Address Translation)主要用于实现内部网络的主机访问外部网络的功能。当局域网内的主机需要访问外部网络时，通过NAT技术可以将其私网地址转换为公网地址，并且多个私网地址可以共用一个公网地址，这样既可保证网络互通，又节省了公网地址。

NAT应用场景

NAT是将IP报文头部的IP地址转换为另一个IP地址的过程。NAT一般部署在连接内网和外网的网关设备上。当收到的报文源地址为私网地址、目的地址为公网地址时，NAT可将源私网地址转换成一个公网地址，并作出相应。网关上还会创建一个NAT映射表，以便判断从公网收到的报文应该发往的私网目的地址。

NAT种类

NAT的实现方式有多种，适用于不同的场景。

静态NAT

静态NAT实现了私有地址和公网地址一对一的映射。如果希望一台主机优先使用某个关联地址，或者想要外部网络使用一个指定的公网地址访问内部服务器时，可以使用静态NAT。但是在大型网络中，这种一对一的IP地址映射无法缓解公用地址短缺的问题。
在示例中，源地址为192.168.1.1的报文需要发往公网地址100.1.1.1。在网关RTA上配置了一个私网地址192.168.1.1到公网地址200.10.10.1的映射，当网关收到主机A发送的数据包后，会首先将报文中的源IP地址转换成200.10.10.1，然后转发报文到目的设备。目的设备恢复的报文目的地址是200.10.10.1。当网关收到回复报文后，也会执行静态地址转换，将200.10.10.1转换成192.168.1.1，然后转发报文到主机A。其他主机访问外部也需地址转换。

动态NAT

动态NAT通过使用地址池来实现。
本示例中，当内部主机A和B需要访问公网IP时，网关RTA会从配置的公网地址池中选取一个未使用的公网ip作为映射。每台主机都会分配到地址池中的一个唯一地址。当不需要此连接时，对应的地址映射会被删除，公网地址也恢复到地址池待用。网关收到回复报文后，也会执行静态地址转换。
动态NAT中的地址池用尽后，只能等待被占用的公用IP被释放后，其他主机才能使用它访问公网。