nat转换（NAT网络地址转换技术）

解决了上学时的一个小疑问，学校的局域网怎么访问互联网的，开心[微笑]

最简单的上网流程

ip地址

我们现在常使用的IP地址是IPv4地址，由四组0-255的十进制数字组成，中间以小数点分隔。Internet上的每一台主机或者路由器都至少有一个IP地址。IP地址(IPv4地址，下文IP地址默认指IPv4)的长度是32位，总数为2的32次方，大约43亿个。

43亿IP地址假如全球每人分配一个IP就需要75亿。为了快速解决IP地址匮乏的这个问题，NAT技术诞生了。

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NAT（Network Address Translation），中文名唤作网络地址转换，诞生于IP地址匮乏的时代。

NAT的基本思想是ISP（Internet服务提供商）为每个家庭或者公司分配一个IP地址，这个IP地址用作Internet流量的传输，也就是大家常说的外网IP地址或者公网IP地址。在客户网络的内部，每台计算机有唯一一个IP地址，即内网IP地址，这些地址主要用于路由内部流量。当一个数据包离开客户网络发送至其他ISP时，需要进行地址转换，把唯一的内网IP地址转换成外网的IP地址。

这种地址转化使用IP地址的三个范围，这些地址已被声明私有化，任何内网中的设备可以任意使用这些地址，但是在这三个范围内的IP地址不允许出现在Internet（外网）上，这三个保留的地址范围是：

10.0.0.0~10.255.255.255/8

172.16.0.0~172.31.255.255/12

192.168.0.0~192.168.255.255/16

他们分别可以容纳16777216、1048576、65536台主机。一般家里用无线路由器，就用到了网络地址转换技术，我们连上wifi后分配的IP地址一般是以172或192为开头。学校或者大企业里面的网络可能会用到10开头的地址范围。

NAT将内网外网划分好之后，是如何使内网的设备访问外网的呢？

如下图，当计算机A在内网（假设IP为10.0.0.1）想去访问一个Internet上的网站S（假设IP地址为54.223.189.245）时，A的数据包需要先经过一个NAT盒子(NAT box)，这个盒子先将A的IP源地址转换成外网的真实IP地址（假设IP为121.0.0.2），然后将转换后的数据包发送至Internet。

于是问题来了，当网站S收到这个数据包后，会处理请求，并发送响应的数据包，然而这个数据包的目标地址是121.0.0.2（外网IP），数据包如何返回内网中的A呢？

这里要先介绍一下源端口（Source Port）和目标端口（Destination Port）的概念。当一个进程希望与另一个进程建立TCP连接时，它把自己绑定到一个本机尚未被占用的TCP端口上，这个端口称为源端口，该TCP连接中所有入境的数据包都要被发送至这个端口。同时进程还需要提供一个目标端口，指明数据包到达远程主机后送至哪一个端口处理。每一个出境的TCP数据包都包括一个源端口和目标端口。

举例来说，如下图，网站服务器S（IP地址为54.223.189.245）的HTTP服务运行在80端口上，公网上的计算机D（IP地址为121.141.56.23）想去访问网站S，于是把自己绑定到本机的33121端口上，并发送请求的数据包，这个数据包中就包含了计算机D的源端口33121和目标端口80。网站S收到请求后，发送响应的数据包，这个数据包中包含了服务器S的源端口80和目标端口3312。

上面的例子是外网中的一台计算机访问一个网站。在内网中计算机发送的数据包同样存在着源端口和目标端口。NAT盒子做的事情就是对出入境数据包的端口进行修改。

回到最初举的例子，假设内网计算机A（IP地址为10.0.0.1）发送的请求包的源端口是45421，目标端口是80，请求访问网站服务器S（IP地址为54.223.189.245）。

当这个出境数据包经过NAT盒子时，其源地址被修改成公网的真实IP（121.0.0.2），源端口被修改一个索引值（假设为50002），这个索引值指向NAT盒子的地址转化表中的某一项，这一表项保存了计算机A的内网源地址和源端口。最后NAT盒子将重新生成的数据包发送出去。

当网站S响应的入境数据包到达NAT盒子时，数据包经过处理，目的地址由公网IP（121.0.0.2）还原为计算机A的内网IP（10.0.0.1），目标端口由索引值（50002）还原为计算机A的源端口（45421）。还原后数据包可以正常的在内网路由。

这个过程基本如下图所示。

如此一来，NAT解决了数据包在内网公网之间的地址和端口的转换问题，暂时缓解了IP地址的短缺，但是它却有着不少的缺点。

NAT违背了IP的结构模型（每个IP地址唯一标识世界上的一台机器），采用NAT后可能有无数台主机使用10.0.0.1这个IP地址。NAT还打破了Internet的端-端的连接模型。内网中的主机可以通过NAT与一台公网上的服务建立连接，但是反过来却不行，公网上的主机无法与某一内网中的主机建立连接。举个简单的例子来说，你在内网某台计算机上搭建了一个网站，在外网是无法访问的。而且使用NAT后，Internet变得如电路交换网络一样脆弱。NAT盒子为每个经过它的连接维护必要的信息（即映射关系），若NAT盒子崩溃，并且所有映射表被摧毁，所有TCP连接将被摧毁。

目前的IP地址匮乏，归根结底是IPv4设计者的锅，NAT只是权宜之策。既然NAT这么复杂，有人要问了，在IPv6普及后，NAT是否就会被取缔了呢？答案是不会的。因为NAT已被广泛使用，尤其是家庭和小型企业的网络，即使IPv6普及了，NAT在短时间内也很难被取代。