网络地址转换NAT（Network Address Translation）

本文引用于《计算机网络》第七版。

NAT常用于已经获得内网IP地址的机器与外界通信，即在一个与外界联通的内网中的机器，若想与外界通信需要额外申请全球通用IP地址，但这种做法在大多数情况不可行，其中一种就是虚拟机的情况。所以在1994年，IEEE提出了网络地址转化NAT协议。

NAT的工作原理

NAT工作原理如下图，图来自《计算机网络》。

如图所示，假设拥有IP地址172.168.1.5，主机A的内网IP地址为182.168.0.3,目的主机IP地址为213.18.2.4。

主机A与目的主机实现通信的过程为

1. 主机A发起请求,请求[源IP,目的IP]为[192.168.0.3,213.18.2.4]
2. 请求经过NAT路由器,请求转化成[172.168.1.5,213.18.2.4]同时NAT路由器维护NAT路由表 [内网IP,对应外网IP]为[192.168.0.3,172.168.1.5]
3. 请求到达目的主机，目的主机处理完请求后，响应为[213.18.2.4,172.168.1.5]
4. 响应到达NAT路由器，路由器根据NAT路由表将目的IP转化为内网IP[213.18.2.4,192.168.0.3]
5. 响应到达主机A

NAT的三种形式

NAT分配地址有三种分配形式：静态NAT，动态地址NAT，端口地址转换NAPT。

静态转化

静态转化是把私有内部网络的私有地址一对一的转化为公有地址，并且不会再发生变化。

动态转化

内部网络转化为公网的时候，内网的IP地址和公网的IP地址是动态的，不确定的。

例如在上图的过程中，NAT维护的路由表有可能会过期，即172.168.1.5不再为主机A所有，过期后若有主机B发起请求，172.168.1.5这个地址便可以分配给主机B。

这样的NAT管理的内网主机不可作为服务器，因为只有在内网主机发起请求的时候，NAT路由器才会为其分配IP地址，同时内网IP对于外网来说不可视，所以外网服务器无法对内网主机发起请求。

端口地址转换NAPT

为了解决IP地址短缺问题，NAT会使用运输层的端口号来进行复用，这样可以使多个内网主机共用一个公网IP地址。利用端口号的NAT叫做网络地址与端口转化NAPT(Network Address Port Translation)。NAPT原理采用下列表格阐述。

如表格所示,192.168.3和192.168.0.4地址被转化为了同一个公网IP172.38.1.5,但端口号被分别转化成了40001和40002,目的主机返回请求时,又根据IP地址和端口号给转发到不同的主机上。

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