【探索Linux】P.45（NAT技术 | NAPT技术）

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引言

在上一篇文章中，我们深入探讨了网络层的核心协议——IP协议，它作为互联网通信的基础，确保了数据包能够在复杂的网络环境中准确无误地从源头传送到目的地。然而，随着互联网的迅猛发展和IP地址的日益紧张，一种新的技术应运而生，它就是网络地址转换技术，简称NAT。NAT技术不仅缓解了IP地址不足的问题，还为网络安全提供了额外的保护。接下来，我们将详细解析NAT技术，特别是其变体NAPT，以及代理服务器在现代网络架构中的应用和重要性。通过本篇文章，您将对这些关键技术有更深入的理解，并了解它们如何在现实世界中发挥作用。

一、NAT技术

1. NAT技术引入

NAT技术，即网络地址转换技术，是在互联网快速发展导致IPv4地址紧张的背景下发展起来的一种网络技术。随着互联网的爆炸性增长，IPv4地址的有限性成为了一个严重的问题。IPv4使用32位地址，理论上最多可以提供约43亿个地址，但这个数量远远不能满足全球互联网设备的需求。NAT技术应运而生，通过允许多个设备共享一个或少数几个公网IP地址，有效缓解了这一问题。

2. NAT技术简介

（1）基本原理

NAT技术通过在网络边界设备上转换数据包的源IP地址或目的IP地址来工作。当内部网络（私网）的设备尝试与外部网络（公网）通信时，NAT设备将私网IP地址转换为公网IP地址。这一过程对于通信的双方是透明的。

✅如上图所示：NAT路由器实现了内部私有IP地址与外部公共IP地址之间的转换。当10.0.0.10这个内部地址发送数据到互联网上的163.221.120.9时，NAT路由器会将其源地址更改为一个全局IP，比如202.244.174.37。收到外部数据时，路由器再将目标IP从公共IP转换回私有IP。这一过程通过NAT路由器内部的地址转换表自动管理，首次通信时即建立映射关系。

（2）主要类型

• 静态NAT（Static NAT）：为内部网络中的每个设备配置一个固定的公网IP地址映射。
• 动态NAT（Dynamic NAT）：使用一个公网IP地址池，动态地为内部设备分配公网IP地址。
• NAPT（Network Address Port Translation）：也称为端口地址转换，允许多个设备共享单个公网IP地址，通过端口号区分不同的通信会话。
• Easy IP：一种简化的NAPT，通常用于拨号连接，使用当前的公网接口地址进行转换。

（3）技术优点

• 节省IP地址：允许多个设备共享少量的公网IP地址。
• 增强安全性：隐藏内部网络结构，减少外部攻击的风险。
• 简化网络管理：便于网络管理员管理地址分配和路由策略。

（4）技术挑战

• 应用程序兼容性：某些依赖于IP地址的应用可能无法在NAT环境下正常工作。
• 网络复杂性：增加了网络配置和管理的复杂性。
• 性能影响：NAT设备需要处理大量的数据包转换，可能影响网络性能。

（5）应用场景

NAT技术广泛应用于家庭、企业和服务提供商网络中。它使得家庭用户能够使用单个公网IP地址连接多个设备到互联网，同时也被企业用来优化IP地址的使用并保护内部网络不受外部直接访问。

二、NAPT

⭕当多个局域网主机访问同一个外网服务器时，会出现一个问题：服务器返回的数据包目的IP地址相同，NAT路由器如何区分并正确地将这些数据包转发给局域网中的特定主机呢？

这个问题可以通过网络地址端口转换（NAPT，也称为NAT Overload）技术来解决。NAPT不仅使用IP地址，还结合端口号来建立映射关系。这意味着NAT路由器会为每个会话分配一个唯一的端口号，从而确保即使目的IP相同，也能根据IP地址和端口号的组合正确地识别并转发数据到局域网中的相应主机。

NAT路由器自动维护这种基于IP地址和端口号的关联关系。例如，在TCP连接的情况下，当建立连接时，NAT路由器会创建相应的表项来记录这种映射关系。一旦连接断开，相应的表项就会被自动删除，释放资源以供其他会话使用。这个过程确保了NAT路由器能够有效地管理和转发数据，即使在高流量和多个并发连接的情况下。

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