网络地址转换（NAT）技术详解：原理、实现与类型

创作时间:

2025-01-22 07:20:22

作者:

@小白创作中心

网络地址转换（NAT）技术详解：原理、实现与类型

随着互联网的快速发展，IP地址资源日益紧张。NAT（网络地址转换）技术应运而生，通过将私有IP地址转换为公共IP地址，有效缓解了IPv4地址短缺的问题。本文将深入浅出地介绍NAT的基本概念、工作原理、实现方式及其不同类型，帮助读者全面理解这一关键技术。

NAT简介

在私网与外网通信的过程中，私网与公网连接的边缘节点被称为路由器。例如，私网内部网络为192.168.1.0的网络，路由器的公网IP为112.93.114.32，服务器的公网IP地址为120.93.24.180。服务器发送数据到路由器的公网IP时，能够将数据映射到私网中的机器；私网内的机器发送数据给服务器时，路由器也能将私网IP映射为公网IP地址，这个过程称为网络地址映射。

NAT（Network Address Translation，网络地址映射）是将公网地址映射为私网地址的技术，而能够进行这种映射的网络设备被称为NAT路由器。

NAT的工作原理

由于全球网络通信设备的不断增加，IPv4地址资源日益紧张，因此提出了NAT技术。通过将公网IP地址与端口映射到私网机器的IP地址与端口，NAT使得少量的公有IP地址能够代表更多的私有IP地址，从而有效缓解了可用IPv4地址的耗尽问题。

私网内机器上的操作系统中的一个网络进程，与公网服务器120.93.24.180通信时，NAT路由器会为每一个网络进程分配一个网络IP地址与端口，用于与公网服务器通信。与此同时，公网服务器与私网内的网络进程通信时，也是通过NAT路由器分配的网络IP地址与端口进入私网到达网络进程。

NAT的实现方式

NAT的实现方案主要有三种：静态转换、动态转换和端口地址映射。

静态转换（Static NAT）：私网IP地址一对一地转换为固定的公网IP地址。这种配置方式虽然简单，但并不节省公网IP地址资源，因此应用较少。
动态转换（Dynamic NAT）：为私网分配多个公网IP地址，组成一个公网IP地址池。当私网内部地址需要转换时，NAT路由器从地址池中取出一个IP地址分配给私网机器。这种方式在公网IP地址数量略少于私网机器数量时较为适用。
端口地址映射（PAT）：改变私网内机器发送到公网数据包的源端口并进行端口转换。私网内部的所有主机可以共享一个公网IP地址，实现对公网的访问，从而最大限度地节省IP地址资源。同时，这种方式还能隐藏私网中的所有主机，有效避免来自公网的攻击。目前，NAT路由器应用最广泛的就是端口地址映射技术。

NAT的类型

从技术实现角度，NAT可以分为三种：静态转换（Static NAT）、动态转换（Dynamic NAT）和端口地址映射（PAT）。从功能角度，NAT又可以分为四种：完全锥型NAT、对称NAT、IP限制锥型NAT和端口限制锥形NAT。

完全锥型NAT

完全锥型NAT（Full Cone NAT）将私网机器的网络进程（iAddr:iPort）映射为公网地址（pAddr:pPort）。后续该网络进程的所有数据报文都会被转换为公网地址（pAddr:pPort），公网任何一台机器发送报文到（pAddr:pPort）都会被转发到私网机器的网络进程（iAddr:iPort）。也就是说，只要知道映射的公网IP和端口，就可以从公网直接穿透到内网。

对称NAT

对称NAT（Symmetric NAT）为私网机器的每一个网络进程分配一个独立的地址与端口，将私网网络进程（iAddr1:iPort1）与公网地址（pAddr1:pPort1）对应起来。后续NAT路由器会把私网机器地址端口（iAddr1:iPort1）与公网地址端口（pAddr1:pPort1）完全相同的报文看作一个连接。私网机器每与一台公网机器通信，NAT路由器都会重新分配一个地址端口，使得每一个通信链路都经过NAT路由器的不同端口。这意味着每增加一个连接，就会多一个端口映射。