NAT 技术最全详解 : 换个马甲就能上网
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2021-05-07 06:02
上帝视角初识 NAT
IP 地址分为公网地址和私有地址。公网地址有 IANA 统一分配，用于连接互联网；私有地址可以自由分配，用于私有网络内部通信。
随着互联网用户的快速增长，2019 年 11 月 25 日全球的公网 IPv4 地址已耗尽。在 IPv4 地址耗尽前，使用 NAT（ Network Address Translation ）技术解决 IPv4 地址不够用的问题，并持续至今。
NAT 技术的是将私有地址转换成公网地址，使私有网络中的主机可以通过少量公网地址访问互联网。
但 NAT只是一种过渡技术，从根本上解决问题，是采用支持更大地址空间的下一代 IP 技术，即 IPv6 协议，它提供了几乎用不完的地址空间。
NAT 技术
IP 地址中预留了 3 个私有地址网段，在私有网络内，可以任意使用。
其余的 IP 地址可以在互联网上使用，由 IANA 统一管理，称为公网地址。
NAT 解决了 IPv4 地址不够用的问题，另外 NAT 屏蔽了私网用户真实地址，提高了私网用户的安全性。
典型的 NAT 组网模型，网络通常是被划分为私网和公网两部分，各自使用独立的地址空间。私网使用私有地址 10.0.0.0/24 ，而公网使用公网地址。为了让主机 A 和 B 访问互联网上的服务器 Server ，需要在网络边界部署一台 NAT 设备用于执行地址转换。NAT 设备通常是路由器或防火墙。
基本 NAT
基本 NAT 是最简单的一种地址转换方式，它只对数据包的 IP 层参数进行转换，它可分为静态 NAT 和动态 NAT 。
静态 NAT 是公网 IP 地址和私有 IP 地址有一对一的关系，一个公网 IP 地址对应一个私有 IP 地址，建立和维护一张静态地址映射表。
动态 NAT 是公网 IP 地址和私有 IP 地址有一对多的关系，同一个公网 IP 地址分配给不同的私网用户使用，使用时间必须错开。它包含一个公有 IP 地址池和一张动态地址映射表。
举个动态 NAT 栗子
私网主机 A（ 10.0.0.1 ）需要访问公网的服务器 Server（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAT ，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：
A 向 Server 发送报文，网关是 10.0.0.254 ，源地址是 10.0.0.1 ，目的地址是 61.144.249.229 。
A发包 RT 收到 IP 报文后，查找路由表，将 IP 报文转发至出接口，由于出接口上配置了 NAT ，因此 RT 需要将源地址 10.0.0.1 转换为公网地址。
RT收包 RT 从地址池中查找第一个可用的公网地址 219.134.180.11 ，用这个地址替换数据包的源地址，转换后的数据包源地址为 219.134.180.11 ，目的地址不变。同时 RT 在自己的 NAT 表中添加一个表项，记录私有地址 10.0.0.1 到 公网地址 219.134.180.11 的映射。RT 再将报文转发给目的地址 61.144.249.229 。
NAT转换 Server 收到报文后做相应处理。
Server 发送回应报文，报文的源地址是 61.144.249.229 ，目的地址是 219.134.180.11 。
Server发回应包 RT 收到报文，发现报文的目的地址 219.134.180.11 在 NAT 地址池内，于是检查 NAT 表，找到对应表项后，使用私有地址 10.0.0.1 替换公网地址 219.134.180.11，转换后的报文源地址不变，目的地址为 10.0.0.1 。RT 在将报文转发给 A 。
NAT转换 A 收到报文，地址转换过程结束。
A收包
如果 B 也要访问 Server ，则 RT 会从地址池中分配另一个可用公网地址 219.134.180.12 ，并在 NAT 表中添加一个相应的表项，记录 B 的私有地址 10.0.0.2 到公网地址 219.134.180.12 的映射关系。
NAPT
在基础 NAT 中，私有地址和公网地址存在一对一地址转换的对应关系，即一个公网地址同时只能分配给一个私有地址。它只解决了公网和私网的通信问题，并没有解决公网地址不足的问题。
NAPT（ Network Address Port Translation ）对数据包的 IP 地址、协议类型、传输层端口号同时进行转换，可以明显提高公网 IP 地址的利用率。
举个栗子
私网主机 A（ 10.0.0.1 ）需要访问公网的服务器 Server 的 WWW 服务（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAPT ，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：
A 向 Server 发送报文，网关是 RT（ 10.0.0.254 ），源地址和端口是 10.0.0.1:1024 ，目的地址和端口是 61.144.249.229:80 。
A发包 RT 收到 IP 报文后，查找路由表，将 IP 报文转发至出接口，由于出接口上配置了 NAPT ，因此 RT 需要将源地址 10.0.0.1:1024 转换为公网地址和端口。
RT 从地址池中查找第一个可用的公网地址 219.134.180.11 ，用这个地址替换数据包的源地址，并查找这个公网地址的一个可用端口，例如 2001 ，用这个端口替换源端口。转换后的数据包源地址为 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不变。同时 RT 在自己的 NAT 表中添加一个表项，记录私有地址 10.0.0.1:1024 到 公网地址 219.134.180.11:2001 的映射。RT 再将报文转发给目的地址 61.144.249.229 。
NAPT转换 Server 收到报文后做相应处理。
Server 发送回应报文，报文的源地址是 61.144.249.229:80 ，目的地址是 219.134.180.11:2001 。
Server发回应包 RT 收到报文，发现报文的目的地址在 NAT 地址池内，于是检查 NAT 表，找到对应表项后，使用私有地址和端口 10.0.0.1:1024 替换公网地址 219.134.180.11:2001，转换后的报文源地址和端口不变，目的地址和端口为 10.0.0.1:1024 。RT 再将报文转发给 A 。
NAPT转换 A 收到报文，地址转换过程结束。
如果 B 也要访问 Server ，则 RT 会从地址池中分配同一个公网地址 219.134.180.11 ，但分配另一个端口 3001 ，并在 NAT 表中添加一个相应的表项，记录 B 的私有地址 10.0.0.2:1024 到公网地址 219.134.180.12:3001 的映射关系。
Easy IP
在标准的 NAPT 配置中需要创建公网地址池，也就是必须先知道公网 IP 地址的范围。而在拨号接入的上网方式中，公网 IP 地址是有运营商动态分配的，无法事先确定，标准的 NAPT 无法做地址转换。要解决这个问题，就要使用 Easy IP 。
Easy IP 又称为基于接口的地址转换。在地址转换时，Easy IP 的工作原理与 NAPT 相同，对数据包的 IP 地址、协议类型、传输层端口号同时进行转换。但 Easy IP 直接使用公网接口的 IP 地址作为转换后的源地址。Easy IP 适用于拨号接入互联网，动态获取公网 IP 地址的场合。
Easy IP 无需配置地址池，只需要配置一个 ACL（访问控制列表），用来指定需要进行 NAT 转换的私有 IP 地址范围。
NAT Server
从基本 NAT 和 NAPT 的工作原理可知，NAT 表项由私网主机主动向公网主机发起访问而生成，公网主机无法主动向私网主机发起连接。因此 NAT 隐藏了内部网络结构，具有屏蔽主机的作用。但是在实际应用中，内网网络可能需要对外提供服务，例如 Web 服务，常规的 NAT 就无法满足需求了。
为了满足公网用户访问私网内部服务器的需求，需要使用 NAT Server 功能，将私网地址和端口静态映射成公网地址和端口，供公网用户访问。
举个栗子
A 的私网地址为 10.0.0.1 ，端口 8080 提供 Web 服务，在对公网提供 Web 服务时，要求端口号为 80 。在 NAT 设备上启动 NAT Server 功能，将私网 IP 地址和端口 10.0.0.1:8080 映射成公网 IP 地址和端口 219.134.180.11:80 ，这样公网主机 C 就可以通过 219.134.180.11:80 访问 A 的 Web 服务。
NAT ALG
基本 NAT 和 NAPT 只能识别并修改 IP 报文中的 IP 地址和端口号信息，无法修改报文内携带的信息，因此对于一些 IP 报文内携带网络信息的协议，例如 FTP 、DNS 、SIP 、H.323 等，是无法正确转换的。
ALG 能够识别应用层协议内的网络信息，在转换 IP 地址和端口号时，也会对应用层数据中的网络信息进行正确的转换。
举个栗子：ALG 处理 FTP 的 Active 模式
FTP 是一种基于 TCP 的协议，用于在客户端和服务器间传输文件。FTP 协议工作时建立 2 个通道：Control 通道和 Data 通道。Control 用于传输 FTP 控制信息，Data 通道用于传输文件数据。
私网 A（ 10.0.0.1 ）访问公网 Server（ 61.144.249.229 ）的 FTP 服务，在 RT 上配置 NAPT，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：
A 发送到 Server 的 FTP Control 通道建立请求，报文源地址和端口为 10.0.0.1:1024 ，目的地址和端口为 61.144.249.229:21 ，携带数据是 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，即告诉 Server 自己使用 TCP 端口 5001 传输 Data。
A发包 RT 收到报文，建立 10.0.0.1:1024 到 219.134.180.11:2001 的映射关系，转换源 IP 地址和 TCP 端口。根据目的端口 21 ，RT 识别出这是一个 FTP 报文，因此还要检查应用层数据，发现原始数据为 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，于是为 Data 通道 10.0.0.1:5001 建立第二个映射关系：10.0.0.1:5001 到 219.134.180.11:2002 ，转换后的报文源地址和端口为 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不变，携带数据为 “ IP = 219.134.180.11 port=2002 ”。
NAT ALG转换 Server 收到报文，向 A 回应 command okay 报文，FTP Control 通道建立成功。同时 Server 根据应用层数据确定 A 的 Data 通道网络参数为 219.134.180.11:2002 。
A 需要从 FTP 服务器下载文件，于是发起文件请求报文。Server 收到请求后，发起 Data 通道建立请求，IP 报文的源地址和端口为 61.144.249.229:20 ，目的地址和端口为 219.134.180.11:2002，并携带 FTP 数据。
Data通道
NAT 实战
基本 NAT 实验
实验拓扑图
实验要求
ENSP 模拟器
PC 通过公网地址访问互联网
实验步骤
根据接口 IP 地址表，配置各个设备的接口地址。
IP地址表
在 RT 上配置 NAT 配置。
配置基本 NAT 只需要一条命令：把私有 IP 地址转换成公网 IP 地址，在接口视图下配置 nat static global global-address inside host-address 命令。默认路由是网关路由器上的常见配置。使用 display nat static 命令查看 RT 上的静态 NAT 配置。
在 PC 上验证联网功能。
抓包查看 NAT 转换效果。分别抓包 RT 的内网口 G0/0/0 和外网口 G0/0/1 的报文，看出发送的 Echo Request 报文和接收的 Echo Reply 报文都有进行 NAT 转换。
NAPT 实验
实验拓扑图
实验要求
RT 使用 NAPT 功能
ISP 分配 4 个可用的公网地址：202.0.0.3 ~ 202.0.0.6
VLAN 10 的用户使用两个公网地址
VLAN 20 的用户使用另外两个公网地址
实验步骤
根据接口 IP 地址表，配置各个设备的接口地址。配置命令可参考上一个实验步骤 1 。
在 RT 上配置 NAPT 配置。
在 NAPT 的配置中，使用基本 ACL 来指定私有 IP 地址范围。ACL 2010 指定 VLAN 10 的 IP 地址空间，ACL 2020 指定 VLAN 20 的 IP 地址空间。使用 nat address-group group-index start-address end-address 命令指定公网 IP 地址范围，分别指定了两个 NAT 地址组，编号分别选择了 1 和 2 。在外网接口上，使用 nat outbound acl-number address-group group-index ，绑定 NAT 转换关系。
使用 display nat address-group 命令查看 RT 上的 NAT 地址组配置。命令 display nat outbound 查看出方向 NAT 的转换关系。
分别在 PC10 和 PC 20 上验证上网功能。
抓包查看 NAT 转换效果。分别抓包 RT 的内网口 G0/0/1 和外网口 G0/0/0 的报文，查看 VLAN 10 的用户出发送的 Echo Request 报文和接收的 Echo Reply 报文都有进行 NAT 转换。
其它常用 NAT 命令
NAT Server 是在接口视图下配置，命令格式为：nat server protocol { tcp | udp } global global-address global-port inside host-address host-port 。
检查 NAT Server 配置信息命令：display nat server 。
检查 NAT 会话命令：display nat session all 。
启动 NAT ALG 功能命令：nat alg all enable 。
查看 NAT ALG 功能命令：display nat alg 。
参考资料：
高级网络技术 - 田果
华为防火墙技术漫谈 - 徐慧洋
HCNA网络技术学习指南 - 华为技术有限公司
路由交换技术 - 杭州华三通信技术有限公司
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