运营商级 NAT (CGN) 及其对 IPv4 枯竭的影响

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@小白创作中心

运营商级 NAT (CGN) 及其对 IPv4 枯竭的影响

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https://interlir.com/zh/2024/11/06/%E8%BF%90%E8%90%A5%E5%95%86%E7%BA%A7-nat-cgn-%E5%8F%8A%E5%85%B6%E5%AF%B9-ipv4-%E6%9E%AF%E7%AB%AD%E7%9A%84%E5%BD%B1%E5%93%8D/

随着全球连接互联网的设备不断激增，IPv4地址池也在迅速枯竭。尽管IPv6的采用率越来越高，但许多网络仍然依赖于IPv4基础设施。运营商级NAT（又称CGNAT）允许多个用户共享一个公共IPv4地址，是缓解IPv4枯竭的临时解决方案。然而，CGN也有其自身的影响和挑战。

什么是运营商级NAT（CGN）？

运营商级NAT（CGN），又称大规模NAT（LSN），是互联网服务提供商（ISP）为延长IPv4地址池寿命而部署的一种网络地址转换（NAT）技术。通过使用CGN，互联网服务提供商可以为多个客户分配相同的公共IPv4地址，从而将大量私有IP地址映射到单个公共IP地址。

CGN在ISP层面运行，通常在客户的专用网络和公共互联网之间，为大量终端用户处理IP地址的转换。

CGN如何工作

CGN的工作原理与传统NAT相似，但规模更大。在传统的NAT中，路由器或网关将单个公共IP地址分配给专用网络上的多个设备。在CGN中，互联网服务提供商使用公共IPv4地址池为众多客户提供服务，将私人地址转换为公共地址，反之亦然。

CGN通过以下方式实现这一目标：

将多个专用地址映射到一个公用IP地址：CGN允许使用不同的端口号将多个私有IP地址（通常来自RFC 1918空间）映射到一个公共IPv4地址。
端口地址转换（PAT）：CGN分配唯一的端口号，以区分来自使用相同公共IP地址的不同设备的会话。

运营商级NAT为何重要？

CGN是为解决IPv4地址枯竭问题而开发的短期解决方案。IPv4地址总数约为43亿个，随着数十亿设备连接到互联网，地址供应已经枯竭。虽然IPv6的采用率正在稳步增长，但对于许多尚未完全过渡到IPv6的网络、设备和服务来说，IPv4仍然是必不可少的。

实施CGN的主要原因包括：

推迟IPv6迁移：CGN使ISP能够继续使用IPv4运行，同时为全面过渡到IPv6做好准备。
缓解IPv4短缺问题：CGN允许多个客户共享一个公共IPv4地址，从而减少了对大型IPv4地址池的需求。
可扩展性：CGN允许互联网服务提供商为越来越多的客户提供服务，而无需获取新的IPv4地址，因为获取IPv4地址越来越难，成本也越来越高。

传统NAT与运营商级NAT的比较

特点	传统NAT	运营商级NAT（CGN）
部署地点	通常是在客户的路由器上	在互联网服务提供商层面
公共IP共享	每个专用网络一个公共IP	许多客户共享一个公共IP
范围	小型网络（家庭/办公室）	大型网络（互联网服务提供商）
地址转换	私人对公共的单一映射	多个私人到公共映射
管理层	由最终用户管理（如在家中）	由互联网服务提供商管理
使用案例	家庭或小型企业网络	为数百万客户提供服务的互联网服务提供商

CGN对IPv4枯竭的影响

CGN在一定程度上缓解了IPv4地址枯竭的问题，但也并非没有缺点。CGN的广泛使用给互联网服务提供商和最终用户都带来了一些挑战，包括：

网络透明度降低：CGN增加了网络透明度的复杂性。由于多个用户共享同一个公共IP地址，因此很难将特定流量追溯到单个用户。这种缺乏透明度的情况会给银行和安全登录等需要准确识别用户的服务带来问题。
对性能的潜在影响：由于专用IP地址和公用IP地址之间的转换过程非常复杂，CGN会带来额外的延迟。这会对性能产生负面影响，特别是对于在线游戏和视频会议等对延迟敏感的应用。
端口转发问题：由于多个用户共享同一个公共IP地址，端口转发（允许外部设备访问网络内的服务）变得复杂甚至不可能。使用CGN时，依赖特定端口进行通信的应用程序可能会遇到问题。
与某些应用程序不兼容：某些应用，特别是点对点（P2P）服务和虚拟专用网络（VPN），依赖于与唯一的公共IP地址直接通信的能力。CGN会给这些应用带来困难，导致连接问题。
安全问题：CGN的架构可能使用户面临潜在的安全风险。共享公共IP地址模式使得应用特定用户安全策略变得更加困难，一个用户的恶意活动可能会影响到共享相同公共IP的其他用户。

IPv4枯竭的替代解决方案

尽管CGN为IPv4枯竭提供了一个短期解决方案，但目前正在探索其他技术和战略，以更可持续地解决这一问题：

采用IPv6：解决IPv4枯竭最有效的长期方案是过渡到IPv6。IPv6的地址空间大得惊人（3.4 x 10^38个地址），无需使用CGN或类似的变通方法。然而，由于与传统系统和设备的兼容性问题，过渡速度一直很慢。
双协议栈网络：双协议栈网络同时运行IPv4和IPv6，允许逐步过渡到IPv6，同时保持与IPv4的兼容性。这种解决方案使网络能够利用IPv6的优势，而无需立即放弃IPv4基础设施。
IPv4地址市场：随着IPv4地址的稀缺，出现了一个买卖IPv4块的市场。企业可以从其他不再需要IPv4地址的实体那里购买额外的IPv4地址，但价格可能会很昂贵。

IPv4枯竭的解决方案

解决方案	优势	挑战
运营商级NAT（CGN）	延长IPv4的使用寿命，具有成本效益	延迟、应用问题、缺乏透明度
采用IPv6	无限地址空间，面向未来	采用缓慢，兼容性问题
双协议栈网络	逐步过渡到IPv6	更复杂的网络管理
IPv4地址市场	提供额外的IPv4地址	成本高，供应有限

使用CGN管理IPv4枯竭的最佳实践

虽然CGN可以缓解IPv4枯竭带来的直接压力，但互联网服务提供商和企业在部署CGN时必须实施最佳实践，以尽量减少其弊端：

监控延迟和性能：定期监控网络延迟，确保CGN不会对用户体验产生负面影响。可以使用工具来优化端口转换，减少CGN带来的额外开销。
计划采用IPv6：虽然CGN可以争取时间，但互联网服务提供商应优先采用IPv6，以确保其网络面向未来。这可以通过双协议栈配置逐步实现，让IPv4和IPv6共存。
教育最终用户：由于CGN可能会影响特定应用，互联网服务提供商应为使用P2P、游戏或VPN等服务的客户提供明确的指导和故障排除支持。
确保安全：应采取适当的安全措施来降低共享IP地址的风险。防火墙配置、入侵检测系统和日志记录机制应适合CGN环境。