网络工程师必知！网络地址转换NAT的三种类型

网络工程师必知！网络地址转换NAT的三种类型

引用

51CTO

1.

https://blog.51cto.com/libai/12651931

网络地址转换（Network Address Translation，简称NAT）是一种在网络设备（如路由器、防火墙）上实现的技术，用于在私有网络和公共网络之间转换IP地址。NAT不仅有效节约了IPv4地址资源，还增强了网络的安全性。根据转换方式的不同，NAT主要分为三种类型：静态NAT、动态NAT和端口地址转换（PAT）。

一、静态NAT（Static NAT）

1. 定义

静态NAT是一种一对一的地址映射方式，将内部私有IP地址永久映射到一个公共IP地址。这种映射关系是静态的，不会随时间变化，确保每个内部主机始终使用相同的公共IP地址对外通信。

2. 工作原理

在静态NAT中，路由器或防火墙中配置一张映射表，记录每个内部私有IP地址与一个指定的公共IP地址之间的对应关系。当内部主机发送数据包到外部网络时，设备根据映射表将私有IP地址转换为对应的公共IP地址；反之，当外部主机向指定的公共IP地址发送数据包时，设备将其转换回相应的私有IP地址并转发给内部主机。

3. 优缺点

优点：

• 地址可预测性高：每个内部主机都有固定的公共IP地址，便于外部访问和管理。
• 适用于需要外部访问的服务器：如Web服务器、邮件服务器等，需要固定IP地址对外提供服务。

缺点：

• 公共IP资源消耗大：每个内部主机需要一个唯一的公共IP地址，浪费IPv4地址资源。
• 缺乏灵活性：映射关系固定，无法根据需求动态调整。

4. 应用场景

• 需要外部访问的服务器：如公司的网站服务器、邮件服务器等需要固定IP地址对外提供服务。
• 需要恒定IP地址的应用：一些需要固定IP地址的应用程序或设备，如VPN服务器、远程桌面等。

5. 配置案例

以Cisco路由器为例，配置静态NAT的命令如下：

Router(config)# ip nat inside source static 192.168.1.10 203.0.113.10
Router(config)# interface GigabitEthernet0/0
Router(config-if)# ip nat inside
Router(config-if)# exit
Router(config)# interface GigabitEthernet0/1
Router(config-if)# ip nat outside
Router(config-if)# exit

上述配置将内部私有IP地址192.168.1.10静态映射到公共IP地址203.0.113.10。

二、动态NAT（Dynamic NAT）

1. 定义

动态NAT是一种多对多的地址映射方式，将内部私有IP地址动态地映射到一个公共IP地址池中的可用IP地址。与静态NAT不同，动态NAT没有一对一的永久映射，内部主机每次通信时可能使用不同的公共IP地址。

2. 工作原理

动态NAT通过预先定义的公共IP地址池，当内部主机需要访问外部网络时，NAT设备从池中分配一个可用的公共IP地址进行转换。转换表记录了每次映射关系，通信结束后，分配的公共IP地址可以被其他内部主机重用。

3. 优缺点

优点：

• 节约公共IP地址：通过共享公共IP地址池，提高了IPv4地址的利用率。
• 动态分配：无需为每个内部主机分配固定的公共IP地址，灵活性更高。

缺点：

• 需要充足的公共IP地址：公共IP地址池中的地址数量需要足够大，满足同时访问外部网络的内部主机数量。
• 不适合需要外部访问的内部主机：由于IP地址是动态分配的，外部主机无法准确定位特定内部主机。

4. 应用场景

• 企业网络的互联网访问：多个内部主机需要访问互联网，但不需要外部访问内部主机。
• 需要节约公共IP地址的环境：如学校、科研机构等有大量用户但不需要外部访问的场景。

5. 配置案例

以Cisco路由器为例，配置动态NAT的命令如下：

Router(config)# access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255
Router(config)# ip nat pool NAT_POOL 203.0.113.100 203.0.113.110 netmask 255.255.255.0
Router(config)# ip nat inside source list 1 pool NAT_POOL
Router(config)# interface GigabitEthernet0/0
Router(config-if)# ip nat inside
Router(config-if)# exit
Router(config)# interface GigabitEthernet0/1
Router(config-if)# ip nat outside
Router(config-if)# exit

上述配置定义了一个公共IP地址池203.0.113.100到203.0.113.110，并将内部私有IP地址范围192.168.1.0/24的主机动态映射到该池中的公共IP地址。

三、端口地址转换（PAT，Port Address Translation）

1. 定义

端口地址转换（PAT），也称为“网络地址端口转换”（NAPT），是一种多对一的地址映射方式。它不仅将内部私有IP地址转换为单一或多个公共IP地址，还通过端口号的不同实现多个内部主机共享同一个公共IP地址进行通信。

2. 工作原理

PAT利用TCP/UDP端口号的不同，将多个内部主机的连接映射到同一个公共IP地址，但使用不同的端口号。NAT设备在转换过程中会记录内部IP地址和端口号与外部端口号之间的对应关系，从而实现多个内部主机共享一个公共IP地址对外通信。

3. 优缺点

优点：

• 极大节约公共IP地址：多个内部主机可以共享一个公共IP地址，仅需不同的端口号区分。
• 灵活性高：适用于大多数需要访问互联网的内部主机，无需大量公共IP地址。
• 增强安全性：隐藏内部网络结构，外部主机无法直接访问内部主机。

缺点：

• 端口资源有限：公共IP地址的端口号数量有限（通常为65535个），在高并发场景下可能耗尽端口资源。
• 不适合需要外部访问的内部主机：由于多个内部主机共享一个公共IP地址，外部主机无法直接访问特定的内部主机。

4. 应用场景

• 家庭和小型企业的互联网接入：大多数用户只需要访问互联网，无需外部访问内部主机。
• 需要高效利用公共IP地址的环境：如大型企业、数据中心等有大量内部用户同时访问互联网。

5. 配置案例

以Cisco路由器为例，配置PAT的命令如下：

Router(config)# access-list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255
Router(config)# ip nat inside source list 1 interface GigabitEthernet0/1 overload
Router(config)# interface GigabitEthernet0/0
Router(config-if)# ip nat inside
Router(config-if)# exit
Router(config)# interface GigabitEthernet0/1
Router(config-if)# ip nat outside
Router(config-if)# exit

上述配置将内部私有IP地址范围192.168.1.0/24的主机通过接口GigabitEthernet0/1的公共IP地址进行PAT转换，overload参数表示启用端口重载（PAT）。

四、三种NAT类型的比较

五、实际案例

场景描述

某中型企业拥有以下网络需求：

• 内部网络使用私有IP地址段192.168.10.0/24。
• 企业拥有3台需要外部访问的服务器，分别为Web服务器、邮件服务器和FTP服务器。
• 企业希望内部员工能够访问互联网，同时节约公共IP地址。

配置方案

1. 静态NAT：为需要外部访问的3台服务器配置静态NAT，将它们分别映射到3个公共IP地址。
2. PAT：为内部员工配置PAT，实现互联网访问，同时节约公共IP地址。

配置步骤

1. 配置静态NAT

! 定义静态映射
ip nat inside source static 192.168.10.2 203.0.113.2
ip nat inside source static 192.168.10.3 203.0.113.3
ip nat inside source static 192.168.10.4 203.0.113.4
! 配置接口
interface GigabitEthernet0/0
 ip address 192.168.10.1 255.255.255.0
 ip nat inside
 exit
interface GigabitEthernet0/1
 ip address 203.0.113.1 255.255.255.0
 ip nat outside
 exit

2. 配置PAT

! 定义内部网络访问
access-list 1 permit 192.168.10.0 0.0.0.255
! 配置PAT
ip nat inside source list 1 interface GigabitEthernet0/1 overload
! 确保接口配置正确
interface GigabitEthernet0/0
 ip nat inside
 exit
interface GigabitEthernet0/1
 ip nat outside
 exit

结果

• 静态NAT：内部服务器192.168.10.2、192.168.10.3、192.168.10.4分别对应公共IP地址203.0.113.2、203.0.113.3、203.0.113.4，外部用户可以通过这些公共IP地址访问内部服务器。
• PAT：内部员工使用私有IP地址访问互联网，所有外部访问通过公共IP地址203.0.113.1和不同的端口号进行区分，节约了公共IP地址资源。

六、选择合适的NAT类型

选择哪种NAT类型主要取决于网络的需求和可用的公共IP地址资源：

• 静态NAT：适用于需要固定公共IP地址对外提供服务的内部主机，如Web服务器、邮件服务器等。
• 动态NAT：适用于需要多个内部主机访问外部网络，但不需要外部访问内部主机的场景，且有一定的公共IP地址资源。
• PAT：适用于公共IP地址资源有限、需要大量内部主机同时访问外部网络的场景，是目前最常用的NAT类型。

七、总结

NAT技术在现代网络中扮演着至关重要的角色，通过不同类型的NAT，网络管理员可以根据实际需求灵活地管理和分配IP地址资源，提高网络的安全性和效率。理解静态NAT、动态NAT和PAT的工作原理及其适用场景，有助于更好地设计和优化企业网络架构。

• 静态NAT：适用于需要固定公共IP地址的服务器或设备。
• 动态NAT：适用于内部主机需要共享有限的公共IP资源，但不需要外部访问特定内部主机的场景。
• PAT：广泛应用于需要大量内部主机访问互联网，且公共IP资源有限的场景，是节约IPv4地址最有效的方式。

在实际应用中，常常结合使用多种NAT类型，以满足复杂多变的网络需求。例如，企业网络中既有需要外部访问的服务器使用静态NAT，又有大量员工通过PAT访问互联网，充分利用了各类NAT的优势。