NAT（网络地址转换）详解
一、定义（Definition）
NAT（Network Address Translation，网络地址转换）：
它在网络层（L3）或传输层（L4）对数据包的源 IP、目的 IP、端口号进行改写，以实现不同地址域之间的互通。
核心是维护一张 转换表（Translation Table / Conntrack Table），记录每个会话的映射关系，将“内外”两个五元组（协议、源 IP、源端口、目的 IP、目的端口）对应起来。
- 典型应用场景：一个内网（如
192.168.0.0/16）的多台主机通过一个公网 IP 访问互联网。 - 本质：通过端口复用，让多个私有地址共用一个公网地址，从而节省 IPv4 资源，并隐藏内部网络结构。
二、为什么需要 NAT（Why NAT Is Needed）
- IPv4 地址枯竭：32 位 IPv4 地址数量有限，无法分配给全球所有设备。
- 多主机共享上网出口：家庭或企业局域网共用一个公网 IP。
- 拓扑安全与隐藏：外部无法直接访问内部主机，增加安全性。
- 地址变更的缓冲机制：在网络重构或地址迁移中减少修改成本。
- 运营商级 CGNAT（Carrier-Grade NAT）：ISP 使用 NAT444 架构延缓 IPv4 枯竭问题。
尽管 NAT 提供了实用的过渡方案，但它破坏了“端到端通信原则（End-to-End Principle）”，给某些协议带来了兼容性问题。
三、NAT 的主要类型（Types of NAT）
| 类型 | 说明 |
|---|---|
| SNAT（Source NAT） | 改写源地址/端口（内网主机访问外部网络时最常见）。 |
| DNAT（Destination NAT） | 改写目的地址/端口（外部访问内网服务器时使用）。 |
| NAPT/PAT（端口地址转换） | 基于端口复用实现多对一映射（家庭和企业出口常见）。 |
| 静态 NAT（Static NAT） | 一对一的固定映射，常用于内网服务器对外提供服务。 |
| ALG（应用层网关） | 针对如 FTP、SIP 等协议，在应用层也进行地址改写。 |
| NAT64 / NAT46 | IPv6 与 IPv4 网络间的互通技术。 |
| Hairpin NAT（环回 NAT） | 内部主机访问同网段“公网映射”服务时的折返处理。 |
| CGNAT / NAT444 | 运营商级多层 NAT，终端 → 家庭路由 → ISP NAT → 公网。 |
按外部行为划分，还可以分为 Full Cone、Restricted Cone、Port-Restricted Cone、Symmetric 四种类型。
其中 对称 NAT（Symmetric NAT） 最难穿透，对 P2P 通信影响最大。
四、NAT 的工作机制（How NAT Works）
- 建立映射表（第一次出站）
主机发送数据包：
10.0.0.5:52314 → 93.184.216.34:443 (TCP)
NAT 设备创建映射：
203.0.113.10:40001 → 93.184.216.34:443
``yaml - 报文改写与返回
- 出站时：改写源 IP 和端口 → 重新计算校验和。
- 入站时：查表还原为原始内网地址。
- 会话老化
- 每个连接有超时（TCP ESTABLISHED 可维持分钟级，UDP 较短）。
- 端口池管理
- 每个公网 IP 端口数有限（65535 个），大量并发时可能端口耗尽。
- 校验和重算
- NAT 修改了 IP/TCP/UDP 头部，需要重新计算校验和，通常由硬件加速。
五、Linux 下的 NAT 配置（Examples）
使用 iptables
# 1. 启用转发
sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1# 2. 配置 SNAT 或 MASQUERADE（出站 NAT）
# 动态公网 IP 使用 MASQUERADE
iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j MASQUERADE
# 固定公网 IP 使用 SNAT
iptables -t nat -A POSTROUTING -o eth0 -j SNAT --to-source 203.0.113.10# 3. DNAT（端口映射）
iptables -t nat -A PREROUTING -i eth0 -p tcp --dport 80 \
-j DNAT --to-destination 10.0.0.10:8080# 4. Hairpin NAT（内网访问公网映射）
iptables -t nat -A POSTROUTING -s 10.0.0.0/24 -d 10.0.0.10 -p tcp --dport 8080 \
-j MASQUERADE
六、NAT 的副作用（Side Effects）
破坏端到端可达性：外部无法主动连接内网主机（除非设置端口映射）。
应用层地址暴露问题：FTP、SIP、RTSP 等协议需要 ALG 协助。
P2P 和实时通信困难：需要 STUN/TURN/ICE、UPnP 等穿透机制。
共享日志与合规复杂：多个用户共用同一公网 IP，审计需端口级记录。
性能限制：高并发连接会使 NAT 表爆满或过早超时。
安全协议兼容性问题：如 IPsec 需要 NAT-T（UDP 4500）。
调试复杂度上升：问题排查需同时跟踪 NAT 表、端口映射及回程路由。
七、NAT 穿透与协作技术（NAT Traversal）
技术 功能
STUN 探测 NAT 类型及公网映射端口
TURN 中继所有流量（用于对称 NAT）
ICE 综合候选地址选择与连通性检测
UPnP / PCP / NAT-PMP 主机主动向路由器申请端口映射
反向代理或隧道（SSH、WebSocket 等） 用于穿越 NAT 或防火墙
八、与 IPv6 的关系（NAT and IPv6）
IPv6 拥有足够大的地址空间，不再需要 NAT44 的地址复用机制。
仍存在 NPTv6（Network Prefix Translation），用于网络前缀重映射，但不改端口。
在 IPv4/IPv6 过渡阶段，会使用 NAT64、DNS64、464XLAT 等方案实现互通。
