初識(shí) NATIP 地址分為公網(wǎng)地址和私有地址。公網(wǎng)地址有 IANA 統(tǒng)一分配，用于連接互聯(lián)網(wǎng)；私有地址可以自由分配，用于私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信。

私網(wǎng)和公網(wǎng)

隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的快速增長(zhǎng)，2019 年 11 月 25 日全球的公網(wǎng) IPv4 地址已耗盡。在 IPv4 地址耗盡前，使用 NAT（ Network Address Translation ）技術(shù)解決 IPv4 地址不夠用的問(wèn)題，并持續(xù)至今。

NAT 技術(shù)的是將私有地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址，使私有網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)可以通過(guò)少量公網(wǎng)地址訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。

但 NAT只是一種過(guò)渡技術(shù)，從根本上解決問(wèn)題，是采用支持更大地址空間的下一代 IP 技術(shù)，即 IPv6 協(xié)議，它提供了幾乎用不完的地址空間。

NAT技術(shù)

NAT 技術(shù)IP 地址中預(yù)留了 3 個(gè)私有地址網(wǎng)段，在私有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以任意使用。

私有地址范圍

其余的 IP 地址可以在互聯(lián)網(wǎng)上使用，由 IANA 統(tǒng)一管理，稱(chēng)為公網(wǎng)地址。

公網(wǎng)地址范圍

NAT 解決了 IPv4 地址不夠用的問(wèn)題，另外 NAT 屏蔽了私網(wǎng)用戶真實(shí)地址，提高了私網(wǎng)用戶的安全性。

典型的 NAT 組網(wǎng)模型，網(wǎng)絡(luò)通常是被劃分為私網(wǎng)和公網(wǎng)兩部分，各自使用獨(dú)立的地址空間。私網(wǎng)使用私有地址 10.0.0.0/24 ，而公網(wǎng)使用公網(wǎng)地址。為了讓主機(jī) A 和 B 訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器 Server ，需要在網(wǎng)絡(luò)邊界部署一臺(tái) NAT 設(shè)備用于執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換。NAT 設(shè)備通常是路由器或防火墻。

典型NAT組網(wǎng)

基本 NAT

基本 NAT 是最簡(jiǎn)單的一種地址轉(zhuǎn)換方式，它只對(duì)數(shù)據(jù)包的 IP 層參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，它可分為靜態(tài) NAT 和動(dòng)態(tài) NAT 。

靜態(tài) NAT 是公網(wǎng) IP 地址和私有 IP 地址有一對(duì)一的關(guān)系，一個(gè)公網(wǎng) IP 地址對(duì)應(yīng)一個(gè)私有 IP 地址，建立和維護(hù)一張靜態(tài)地址映射表。

動(dòng)態(tài) NAT 是公網(wǎng) IP 地址和私有 IP 地址有一對(duì)多的關(guān)系，同一個(gè)公網(wǎng) IP 地址分配給不同的私網(wǎng)用戶使用，使用時(shí)間必須錯(cuò)開(kāi)。它包含一個(gè)公有 IP 地址池和一張動(dòng)態(tài)地址映射表。

舉個(gè)動(dòng)態(tài) NAT 栗子

私網(wǎng)主機(jī) A（ 10.0.0.1 ）需要訪問(wèn)公網(wǎng)的服務(wù)器 Server（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAT ，地址池為 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

基本NAT

A 向 Server 發(fā)送報(bào)文，網(wǎng)關(guān)是 10.0.0.254 ，源地址是 10.0.0.1 ，目的地址是 61.144.249.229 。

A發(fā)包

RT 收到 IP 報(bào)文后，查找路由表，將 IP 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至出接口，由于出接口上配置了 NAT ，因此 RT 需要將源地址 10.0.0.1 轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)地址。

RT收包

RT 從地址池中查找第一個(gè)可用的公網(wǎng)地址 219.134.180.11 ，用這個(gè)地址替換數(shù)據(jù)包的源地址，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包源地址為 219.134.180.11 ，目的地址不變。同時(shí) RT 在自己的 NAT 表中添加一個(gè)表項(xiàng)，記錄私有地址 10.0.0.1 到 公網(wǎng)地址 219.134.180.11 的映射。RT 再將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給目的地址 61.144.249.229 。

NAT轉(zhuǎn)換

Server 收到報(bào)文后做相應(yīng)處理。

Server 發(fā)送回應(yīng)報(bào)文，報(bào)文的源地址是 61.144.249.229 ，目的地址是 219.134.180.11 。

Server發(fā)回應(yīng)包

RT 收到報(bào)文，發(fā)現(xiàn)報(bào)文的目的地址 219.134.180.11 在 NAT 地址池內(nèi)，于是檢查 NAT 表，找到對(duì)應(yīng)表項(xiàng)后，使用私有地址 10.0.0.1 替換公網(wǎng)地址 219.134.180.11，轉(zhuǎn)換后的報(bào)文源地址不變，目的地址為 10.0.0.1 。RT 在將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給 A 。

NAT轉(zhuǎn)換

A 收到報(bào)文，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。

A收包

如果 B 也要訪問(wèn) Server ，則 RT 會(huì)從地址池中分配另一個(gè)可用公網(wǎng)地址 219.134.180.12 ，并在 NAT 表中添加一個(gè)相應(yīng)的表項(xiàng)，記錄 B 的私有地址 10.0.0.2 到公網(wǎng)地址 219.134.180.12 的映射關(guān)系。

B的NAT轉(zhuǎn)換

NAPT

在基礎(chǔ) NAT 中，私有地址和公網(wǎng)地址存在一對(duì)一地址轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即一個(gè)公網(wǎng)地址同時(shí)只能分配給一個(gè)私有地址。它只解決了公網(wǎng)和私網(wǎng)的通信問(wèn)題，并沒(méi)有解決公網(wǎng)地址不足的問(wèn)題。

NAT表

NAPT（ Network Address Port Translation ）對(duì)數(shù)據(jù)包的 IP 地址、協(xié)議類(lèi)型、傳輸層端口號(hào)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可以明顯提高公網(wǎng) IP 地址的利用率。

NAPT的NAT表

舉個(gè)栗子

私網(wǎng)主機(jī) A（ 10.0.0.1 ）需要訪問(wèn)公網(wǎng)的服務(wù)器 Server 的 WWW 服務(wù)（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAPT ，地址池為 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

A 向 Server 發(fā)送報(bào)文，網(wǎng)關(guān)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發(fā)包

RT 收到 IP 報(bào)文后，查找路由表，將 IP 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至出接口，由于出接口上配置了 NAPT ，因此 RT 需要將源地址 10.0.0.1:1024 轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)地址和端口。

RT 從地址池中查找第一個(gè)可用的公網(wǎng)地址 219.134.180.11 ，用這個(gè)地址替換數(shù)據(jù)包的源地址，并查找這個(gè)公網(wǎng)地址的一個(gè)可用端口，例如 2001 ，用這個(gè)端口替換源端口。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)包源地址為 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不變。同時(shí) RT 在自己的 NAT 表中添加一個(gè)表項(xiàng)，記錄私有地址 10.0.0.1:1024 到 公網(wǎng)地址 219.134.180.11:2001 的映射。RT 再將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給目的地址 61.144.249.229 。

NAPT轉(zhuǎn)換

Server 收到報(bào)文后做相應(yīng)處理。

Server 發(fā)送回應(yīng)報(bào)文，報(bào)文的源地址是 61.144.249.229:80 ，目的地址是 219.134.180.11:2001 。

Server發(fā)回應(yīng)包

RT 收到報(bào)文，發(fā)現(xiàn)報(bào)文的目的地址在 NAT 地址池內(nèi)，于是檢查 NAT 表，找到對(duì)應(yīng)表項(xiàng)后，使用私有地址和端口 10.0.0.1:1024 替換公網(wǎng)地址 219.134.180.11:2001，轉(zhuǎn)換后的報(bào)文源地址和端口不變，目的地址和端口為 10.0.0.1:1024 。RT 再將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給 A 。

NAPT轉(zhuǎn)換

A 收到報(bào)文，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束。

如果 B 也要訪問(wèn) Server ，則 RT 會(huì)從地址池中分配同一個(gè)公網(wǎng)地址 219.134.180.11 ，但分配另一個(gè)端口 3001 ，并在 NAT 表中添加一個(gè)相應(yīng)的表項(xiàng)，記錄 B 的私有地址 10.0.0.2:1024 到公網(wǎng)地址 219.134.180.12:3001 的映射關(guān)系。

B的NAPT轉(zhuǎn)換

Easy IP

在標(biāo)準(zhǔn)的 NAPT 配置中需要?jiǎng)?chuàng)建公網(wǎng)地址池，也就是必須先知道公網(wǎng) IP 地址的范圍。而在撥號(hào)接入的上網(wǎng)方式中，公網(wǎng) IP 地址是有運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的，無(wú)法事先確定，標(biāo)準(zhǔn)的 NAPT 無(wú)法做地址轉(zhuǎn)換。要解決這個(gè)問(wèn)題，就要使用 Easy IP 。

Easy IP 又稱(chēng)為基于接口的地址轉(zhuǎn)換。在地址轉(zhuǎn)換時(shí)，Easy IP 的工作原理與 NAPT 相同，對(duì)數(shù)據(jù)包的 IP 地址、協(xié)議類(lèi)型、傳輸層端口號(hào)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但 Easy IP 直接使用公網(wǎng)接口的 IP 地址作為轉(zhuǎn)換后的源地址。Easy IP 適用于撥號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)，動(dòng)態(tài)獲取公網(wǎng) IP 地址的場(chǎng)合。

Easy IP

Easy IP 無(wú)需配置地址池，只需要配置一個(gè) ACL（訪問(wèn)控制列表），用來(lái)指定需要進(jìn)行 NAT 轉(zhuǎn)換的私有 IP 地址范圍。

NAT Server

從基本 NAT 和 NAPT 的工作原理可知，NAT 表項(xiàng)由私網(wǎng)主機(jī)主動(dòng)向公網(wǎng)主機(jī)發(fā)起訪問(wèn)而生成，公網(wǎng)主機(jī)無(wú)法主動(dòng)向私網(wǎng)主機(jī)發(fā)起連接。因此 NAT 隱藏了內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有屏蔽主機(jī)的作用。但是在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可能需要對(duì)外提供服務(wù)，例如 Web 服務(wù)，常規(guī)的 NAT 就無(wú)法滿足需求了。

為了滿足公網(wǎng)用戶訪問(wèn)私網(wǎng)內(nèi)部服務(wù)器的需求，需要使用 NAT Server 功能，將私網(wǎng)地址和端口靜態(tài)映射成公網(wǎng)地址和端口，供公網(wǎng)用戶訪問(wèn)。

NAT Server

舉個(gè)栗子

A 的私網(wǎng)地址為 10.0.0.1 ，端口 8080 提供 Web 服務(wù)，在對(duì)公網(wǎng)提供 Web 服務(wù)時(shí)，要求端口號(hào)為 80 。在 NAT 設(shè)備上啟動(dòng) NAT Server 功能，將私網(wǎng) IP 地址和端口 10.0.0.1:8080 映射成公網(wǎng) IP 地址和端口 219.134.180.11:80 ，這樣公網(wǎng)主機(jī) C 就可以通過(guò) 219.134.180.11:80 訪問(wèn) A 的 Web 服務(wù)。

NAT ALG

基本 NAT 和 NAPT 只能識(shí)別并修改 IP 報(bào)文中的 IP 地址和端口號(hào)信息，無(wú)法修改報(bào)文內(nèi)攜帶的信息，因此對(duì)于一些 IP 報(bào)文內(nèi)攜帶網(wǎng)絡(luò)信息的協(xié)議，例如 FTP 、DNS 、SIP 、H.323 等，是無(wú)法正確轉(zhuǎn)換的。

ALG 能夠識(shí)別應(yīng)用層協(xié)議內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息，在轉(zhuǎn)換 IP 地址和端口號(hào)時(shí)，也會(huì)對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)中的網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)換。

舉個(gè)栗子：ALG 處理 FTP 的 Active 模式

FTP 是一種基于 TCP 的協(xié)議，用于在客戶端和服務(wù)器間傳輸文件。FTP 協(xié)議工作時(shí)建立 2 個(gè)通道：Control 通道和 Data 通道。Control 用于傳輸 FTP 控制信息，Data 通道用于傳輸文件數(shù)據(jù)。

私網(wǎng) A（ 10.0.0.1 ）訪問(wèn)公網(wǎng) Server（ 61.144.249.229 ）的 FTP 服務(wù)，在 RT 上配置 NAPT，地址池為 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

NAT ALG

A 發(fā)送到 Server 的 FTP Control 通道建立請(qǐng)求，報(bào)文源地址和端口為 10.0.0.1:1024 ，目的地址和端口為 61.144.249.229:21 ，攜帶數(shù)據(jù)是 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，即告訴 Server 自己使用 TCP 端口 5001 傳輸 Data。

A發(fā)包

RT 收到報(bào)文，建立 10.0.0.1:1024 到 219.134.180.11:2001 的映射關(guān)系，轉(zhuǎn)換源 IP 地址和 TCP 端口。根據(jù)目的端口 21 ，RT 識(shí)別出這是一個(gè) FTP 報(bào)文，因此還要檢查應(yīng)用層數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)為 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，于是為 Data 通道 10.0.0.1:5001 建立第二個(gè)映射關(guān)系：10.0.0.1:5001 到 219.134.180.11:2002 ，轉(zhuǎn)換后的報(bào)文源地址和端口為 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不變，攜帶數(shù)據(jù)為 “ IP = 219.134.180.11 port=2002 ”。

NAT ALG轉(zhuǎn)換

Server 收到報(bào)文，向 A 回應(yīng) command okay 報(bào)文，F(xiàn)TP Control 通道建立成功。同時(shí) Server 根據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)確定 A 的 Data 通道網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為 219.134.180.11:2002 。

A 需要從 FTP 服務(wù)器下載文件，于是發(fā)起文件請(qǐng)求報(bào)文。Server 收到請(qǐng)求后，發(fā)起 Data 通道建立請(qǐng)求，IP 報(bào)文的源地址和端口為 61.144.249.229:20 ，目的地址和端口為 219.134.180.11:2002，并攜帶 FTP 數(shù)據(jù)。

Data通道

NAT 實(shí)戰(zhàn)基本 NAT 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)要求

ENSP 模擬器

PC 通過(guò)公網(wǎng)地址訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)

實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)接口 IP 地址表，配置各個(gè)設(shè)備的接口地址。

IP地址表

PC配置

RT配置

ISP配置

在 RT 上配置 NAT 配置。

NAT配置

配置基本 NAT 只需要一條命令：把私有 IP 地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng) IP 地址，在接口視圖下配置 nat static global global-address inside host-address 命令。默認(rèn)路由是網(wǎng)關(guān)路由器上的常見(jiàn)配置。使用 display nat static 命令查看 RT 上的靜態(tài) NAT 配置。

在 PC 上驗(yàn)證聯(lián)網(wǎng)功能。

PC驗(yàn)證結(jié)果

抓包查看 NAT 轉(zhuǎn)換效果。分別抓包 RT 的內(nèi)網(wǎng)口 G0/0/0 和外網(wǎng)口 G0/0/1 的報(bào)文，看出發(fā)送的 Echo Request 報(bào)文和接收的 Echo Reply 報(bào)文都有進(jìn)行 NAT 轉(zhuǎn)換。

RT內(nèi)網(wǎng)口抓包

RT外網(wǎng)口抓包

NAPT 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)要求

RT 使用 NAPT 功能

ISP 分配 4 個(gè)可用的公網(wǎng)地址：202.0.0.3 ~ 202.0.0.6

VLAN 10 的用戶使用兩個(gè)公網(wǎng)地址

VLAN 20 的用戶使用另外兩個(gè)公網(wǎng)地址

實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)接口 IP 地址表，配置各個(gè)設(shè)備的接口地址。配置命令可參考上一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟 1 。

IP地址表

在 RT 上配置 NAPT 配置。

NAPT配置

在 NAPT 的配置中，使用基本 ACL 來(lái)指定私有 IP 地址范圍。ACL 2010 指定 VLAN 10 的 IP 地址空間，ACL 2020 指定 VLAN 20 的 IP 地址空間。使用 nat address-group group-index start-address end-address 命令指定公網(wǎng) IP 地址范圍，分別指定了兩個(gè) NAT 地址組，編號(hào)分別選擇了 1 和 2 。在外網(wǎng)接口上，使用 nat outbound acl-number address-group group-index ，綁定 NAT 轉(zhuǎn)換關(guān)系。

使用 display nat address-group 命令查看 RT 上的 NAT 地址組配置。命令 display nat outbound 查看出方向 NAT 的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

分別在 PC10 和 PC 20 上驗(yàn)證上網(wǎng)功能。

PC10驗(yàn)證結(jié)果

PC20驗(yàn)證結(jié)果

抓包查看 NAT 轉(zhuǎn)換效果。分別抓包 RT 的內(nèi)網(wǎng)口 G0/0/1 和外網(wǎng)口 G0/0/0 的報(bào)文，查看 VLAN 10 的用戶出發(fā)送的 Echo Request 報(bào)文和接收的 Echo Reply 報(bào)文都有進(jìn)行 NAT 轉(zhuǎn)換。

RT內(nèi)網(wǎng)口VLAN10抓包

RT外網(wǎng)口抓包

其它常用 NAT 命令

NAT Server 是在接口視圖下配置，命令格式為：nat server protocol { tcp | udp } global global-address global-port inside host-address host-port 。

檢查 NAT Server 配置信息命令：display nat server 。

檢查 NAT 會(huì)話命令：display nat session all 。

啟動(dòng) NAT ALG 功能命令：nat alg all enable 。

查看 NAT ALG 功能命令：display nat alg 。

原文標(biāo)題：42張圖詳解 NAT ： 換個(gè)馬甲就能上網(wǎng)

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