NAT和内网穿透技术详解

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NAT和内网穿透技术详解

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随着互联网的快速发展，IPv4地址资源日益紧张，NAT（网络地址转换）技术应运而生，它不仅解决了地址短缺问题，还增强了网络安全性。然而，NAT也带来了内网设备无法被外部直接访问的困扰，内网穿透技术则巧妙地解决了这一难题。本文将为您详细解析NAT的工作原理及其衍生的内网穿透技术。

1. 地址划分

在IPv4地址分类中，实际上有公有IP地址和私有IP地址之分。私有IP地址主要用于内部网络，不能直接访问互联网，而公有IP地址则可以在全球互联网上路由。

2. NAT技术详解

当一个私有网络中的设备需要访问互联网时，NAT设备（通常是路由器）会将其私有IP地址和端口号转换为一个公有IP地址和一个新的端口号；对于进入私有网络的数据包，NAT设备会根据其维护的转换表，将数据包的目的地址和端口转换回对应的私有IP地址和端口。

NAT类型

静态NAT：一对一的转换，一个私有IP地址永久映射到一个固定的公有IP地址。适用于需要从外部直接访问内部服务器的情况。
动态NAT：临时分配一个公有IP地址给私有IP地址，当私有IP不再需要访问互联网时，这个公有IP可以被释放并分配给其他设备。
NAPT（网络地址端口转换）：最常用的NAT形式，不仅转换IP地址，还转换端口号，使得多个私有IP地址可以共享一个公有IP地址。这是解决IPv4地址短缺问题的关键技术。

NAPT工作原理总结：通过路由器把局域网的私有地址和端口转化为公有地址和端口（修改IP首部中的源IP），并记录在转换表中；同时根据转换表把进入局域网的公有地址和端口转换回去（修改IP首部中的目的IP）。

主要问题

由于NAT/NAPT都依赖于自己的转换表，因此会有以下问题：

外部无法主动与NAT内部服务器建立连接，因为NAPT转换表没有转换记录。
转换表的生成与转换操作都会产生性能开销。
通信过程中，如果NAT路由器重启了，所有的TCP连接都将被重置。

3. 内网穿透技术

内网穿透，也叫NAT穿透或NAT打洞，是一种网络通信技术，旨在解决私有网络（内网）中的设备与互联网上的其他设备直接通信的问题。由于大多数家庭和企业网络都配置在私有IP地址空间内，并通过NAT设备（如家庭路由器）连接到互联网，这些内网设备通常无法从外部网络直接访问。内网穿透技术就是为了克服这一限制的。

内网穿透基本原理：内网中设备通过客户端和中继服务器（穿透服务器）建立连接，中继服务器提供一个公网地址，并将外部请求转发到内网中的设备。

实现方式

内网穿透的核心在于如何让外部网络的数据包能够穿越NAT设备，准确地找到并到达内网中的目标设备。主要有以下几种实现方式：

UDP打洞：利用UDP协议的无连接特性，两台位于不同内网的设备先通过一个有公有IP的中继服务器建立初步连接。一旦双方知道了对方的公有IP地址和端口号，它们尝试直接发送UDP数据包给对方。如果NAT设备允许外部未建立连接的UDP数据包进入，并且记录了之前的外出连接信息，那么数据包就能成功穿透NAT到达对端。
TCP中继/反向代理：对于TCP连接，由于其面向连接的特性，直接打洞较为困难。此时可以通过一个具有公有IP的服务器作为中继，内网设备先与中继服务器建立连接，之后外部设备通过连接该中继服务器间接与内网设备通信。这种方式牺牲了一定的通信效率，但适用性更广。
STUN/TURN/ICE协议：这些是VoIP和P2P应用中常用的协议，用来帮助实现NAT穿越。STUN（Session Traversal Utilities for NAT）帮助客户端发现自己的公网地址和NAT类型；TURN（Traversal Using Relays around NAT）作为一种备份方案，提供中继服务；而ICE（Interactive Connectivity Establishment）则是结合STUN和TURN，自动选择最优的通信路径。
第三方服务和软件：如Ngrok、花生壳、FRP、ZeroTier等，提供了易于使用的内网穿透服务，用户只需简单配置即可将自己的内网服务暴露给互联网访问，无需深入了解底层技术细节。