【网络基础】探索 NAT 技术：IP 转换、NAPT、NAT穿越及代理服务器

文章目录

• [1. 前言](#1. 前言)
• [2. IP 转换过程](#2. IP 转换过程)
• [3. NAPT](#3. NAPT)
• • [① 基本概念](#① 基本概念)
  • [② 工作原理](#② 工作原理)
  • [③ 优缺点](#③ 优缺点)
  • [④ 实际应用](#④ 实际应用)
• [4. 缺陷](#4. 缺陷)
• [5. NAT 穿越](#5. NAT 穿越)
• • [① 概述](#① 概述)
  • [② 示例](#② 示例)
• [6. NAT 与 代理服务器](#6. NAT 与 代理服务器)
• • [① 代理服务器与NAT的区别：](#① 代理服务器与NAT的区别：)
  • [② 正向代理 / 反向代理 服务器](#② 正向代理 / 反向代理 服务器)

1. 前言

**NAT（网络地址转换）**是一种常见的网络技术，用于将私有网络中的内部 IP 地址转换为公共 IP 地址，以实现与外部网络的通信。

• NAT能够将私有IP对外通信时转为全局IP。 也就是就是一种将私有IP和全局IP相互转化的技术方法；
• 一些学校、家庭、公司内部采用每个终端设置私有IP ， 而在路由器或必要的服务器上设置全局IP；
• 全局IP要求唯一，但是私有IP不需要； 在不同的局域网中出现相同的私有IP是完全不影响的。

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2. IP 转换过程

• NAT路由器将源地址从10.0.0.10替换成全局的IP 202.244.174.37；
• NAT路由器收到外部的数据时, 又会把目标IP从202.244.174.37替换回10.0.0.10；
• 在NAT路由器内部, 有一张自动生成的，用于地址转换的表；
• 当 10.0.0.10 第一次向 163.221.120.9 发送数据时就会生成表中的映射关系。

对于IP转换的过程：

1. 在进行源地址替换时，不一定只替换IP，部分情况下 源端口也要被替换；
2. 路由器在NAT替换时，除了替换，还会根据报文请求的四元组，构建映射关系；
3. 由于源IP表示唯一的一台主机，源端口表示该主机上唯一的进程；则源IP + 源端口表示唯一的一个进程 ------ 在内网中的唯一性；
4. 无论从内向外或从外向内，都能在各自的网络中表示唯一性，即该映射关系是"互为KEY值"；
5. 如果主机从未访问到外网，外网能够直接访问内网（主机）吗？
   • 理论上不能；
   • 实际上有很多基于NAT原理的软件可以进行外网访问内网的过程，即内网穿透。

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3. NAPT

NAPT（Network Address PortTranslation，网络地址端口转换） 是一种网络技术，用于在网络设备（如路由器或防火墙）上进行地址和端口的转换。NAPT 是NAT（Network Address Translation，网络地址转换）的一个变种，其主要功能是允许多个内部设备共享一个公共 IP地址，同时通过不同的端口号来区分它们的流量。这种技术也被称为端口地址转换（PAT）。

① 基本概念

1. 私有与公共 IP 地址：

   • 私有 IP 地址 ：这是分配给内部网络中设备的地址，通常是私有的，不直接暴露在互联网上。私有 IP 地址的范围包括 192.168.x.x、10.x.x.x 和 172.16.x.x 到 172.31.x.x。
   • 公共 IP 地址：这是分配给外部网络的地址，能在互联网上被识别和路由。

2. 端口号：

   • 每个网络连接都有一个源端口号和目标端口号，NAPT 使用这些端口号来跟踪和管理不同的流量。

② 工作原理

1. 出站流量：

   • 当内部设备（如计算机、手机或打印机）通过 NAT 设备发送数据包到外部网络时，NAPT 设备会将数据包的源 IP 地址和源端口号替换为公共 IP 地址和一个唯一的端口号。
   • NAPT 设备会维护一个映射表，记录内部设备的私有 IP 地址和端口号与公共 IP 地址和端口号之间的对应关系。

2. 入站流量：

   • 当外部网络响应数据包时，这些数据包的目标 IP 地址和目标端口号会匹配 NAPT 设备中的映射表。NAPT 设备将数据包的目标 IP 地址和端口号转换回相应的内部设备的私有 IP 地址和端口号。
   • 数据包被转发到内部设备，使其能够正确地接收和处理响应数据。

③ 优缺点

优点：

1. 节省 IP 地址：

   • NAPT 允许多个内部设备共享一个公共 IP 地址，从而减少对公共 IP 地址的需求。

2. 支持多个并发连接：

   • 通过不同的端口号，NAPT 可以支持多个内部设备同时与外部网络上的不同服务进行通信。

缺点（局限性）：

1. 端口冲突：

   • 如果多个内部设备使用相同的端口号进行通信，可能会导致端口冲突。尽管 NAPT 设备会尝试管理这些冲突，但某些应用可能会遇到问题。

2. 某些协议和应用问题：

   • 一些协议和应用（如 VOIP、P2P 网络、某些游戏）可能在 NAT 环境下遇到问题，因为它们依赖于对端口的直接访问。需要额外的技术（如 NAT 穿越、UPnP）来解决这些问题。

④ 实际应用

• 家庭网络：家庭路由器通常使用 NAPT 技术，让多个家庭设备通过一个公共 IP 地址访问互联网。
• 企业网络：在企业中，多个员工的设备可以通过 NAT 设备共享一个公共 IP 地址进行互联网访问。
• VPN：在某些虚拟私人网络（VPN）实现中，NAPT 用于处理内部客户端与 VPN 服务器之间的连接。

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4. 缺陷

由于NAT依赖NAPT转换表, 所以有诸多限制：

• 无法从NAT外部向内部服务器建立连接；
• 装换表的生成和销毁都需要额外开销；
• 通信过程中一旦NAT设备异常, 即使存在热备, 所有的TCP连接也都会断开；

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看下面的问题：

• 如果局域网内, 多个主机都访问同一个外网服务器，对于服务器返回的数据中，目的IP都是相同的。NAT路由器如何判定将该数据包要转发给哪个局域网的主机？
  • 由NAPT来解决；使用IP+port来建立这个关联关系。

这种关联关系也是由NAT路由器自动维护的。

• 例如在TCP的情况下：
  • 建立连接时会生成该表项；
  • 在断开连接后, 就会删除这个表项。

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5. NAT 穿越

NAT穿越 是指在网络地址转换环境下，确保不同网络或设备之间能够进行通信的技术。NAT 穿越技术旨在解决 NAT 可能导致的一些通信问题（尤其涉及到外部网络的通信），以实现端对端的连接。

① 概述

1. NAT 的问题

   • 对等连接 ：NAT 会阻止外部网络直接访问内部网络设备，因为内部设备使用私有 IP 地址。
   • 端口限制 ：NAT 通常对外部设备的访问进行限制，只允许特定的流量通过 NAT 设备的端口。

2. NAT 穿越技术

   • 端口转发：在 NAT 设备上配置端口转发规则，将特定的端口流量转发到内部设备。这对于从外部访问内部服务非常有效，但需要手动配置。

   • UPnP（Universal Plug and Play）：允许设备自动在 NAT 路由器上设置端口转发规则。UPnP 使得设备可以动态地打开和关闭端口，但可能存在安全风险。

   • STUN（Session Traversal Utilities for NAT）：用于在 NAT 环境下发现公共 IP 地址和 NAT 类型。STUN 协议帮助客户端确定如何与 NAT 设备通信。

   • TURN（Traversal Using Relays around NAT）：当直接连接不可行时，通过 TURN 服务器中继流量。TURN 提供了一个中继点，将流量从一个 NAT 环境转发到另一个 NAT 环境。

   • ICE（Interactive Connectivity Establishment）：综合了 STUN 和 TURN，提供了一种机制来发现和使用 NAT 设备间的连接。ICE 通常用于 SIP（Session Initiation Protocol）和 WebRTC 等实时通信协议中。

3. NAT 穿越在应用中的使用

   • VoIP 和视频会议：需要端对端的连接来保证通话质量和稳定性，常用 STUN、TURN 和 ICE 来解决 NAT 问题。

   • 在线游戏：游戏客户端使用 NAT 穿越技术来实现玩家之间的直接连接。

   • P2P（Peer-to-Peer）文件共享：使用 NAT 穿越技术来实现对等网络的文件传输。

② 示例

假设有一个内部网络设备（例如，家庭网络中的计算机），想从外部网络（如互联网）访问它。可以通过以下方法实现 NAT 穿越：

1. 配置端口转发：在你的路由器上设置端口转发规则，将特定端口的流量转发到内部设备的 IP 地址上。这允许外部设备通过公共 IP 地址访问内部设备的服务。

2. 使用 UPnP：启用 UPnP 功能，让设备自动请求路由器打开所需的端口。

3. 使用 STUN 服务器：客户端通过 STUN 服务器发现其公共 IP 地址和 NAT 类型，并通过这些信息进行配置。

4. 使用 TURN 服务器：如果直接连接失败，客户端通过 TURN 服务器中继流量，以便实现通信。

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6. NAT 与 代理服务器

路由器往往都具备NAT设备的功能，通过NAT设备进行中转，完成子网设备和其他子网设备的通信过程。

代理服务器看起来和NAT设备有些类似：

• 客户端向代理服务器发送请求, 代理服务器将请求转发给真正要请求的服务器；
• 服务器返回结果后, 代理服务器又把结果回传给客户端。

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① 代理服务器与NAT的区别：

• 从应用上看, NAT设备是网络基础设备之一, 解决的是IP不足的问题。代理服务器则是更贴近具体应用, 比如通过代理服务器进行翻墙, 加速器等，也是使用代理服务器。
• 从底层实现上看，NAT是工作在网络层, 直接对IP地址进行替换. 代理服务器往往工作在应用层。
• 从使用范围上看, NAT一般在局域网的出口部署, 代理服务器可以在局域网做, 也可以在广域网做, 也可以跨网。
• 从部署位置上看，NAT一般集成在防火墙, 路由器等硬件设备上, 代理服务器则是一个软件程序, 需要部署在服务器上。

代理服务器是一种应用比较广的技术.

• 翻墙: 广域网中的代理；
• 负载均衡: 局域网中的代理；

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② 正向代理 / 反向代理 服务器

• 正向代理：代表客户端访问互联网。客户端首先连接到正向代理服务器，然后由代理服务器转发请求到目标服务器。正向代理通常用于隐藏客户端的真实 IP 地址、访问被封锁的网站或缓存内容以提高访问速度。

• 反向代理：代表服务器接受客户端的请求。客户端不直接连接到目标服务器，而是连接到反向代理服务器，后者将请求转发给内部服务器。反向代理常用于负载均衡、提高安全性（如隐藏内部网络结构）和缓存内容以提升性能。