网络地址转换 (NAT) 的工作原理与应用详解 – 官方博客

网络地址转换 (NAT) 是一种确保数据能够在互联网上顺畅传输并到达目的地的关键网络技术。它帮助管理网络流量，保持设备的平稳连接。在本文中，我们将深入探讨NAT的概念，详细解析其工作原理，并讨论在您的网络中可能使用NAT的主要原因。

什么是NAT？

网络地址转换 (NAT) 是一种允许私有局域网 (LAN) 内的多个设备在访问外部网络（如互联网）时共享一个公共IP地址的网络技术。当数据包通过路由器或类似设备时，NAT会修改数据包中的IP地址信息。这些数据包是通过网络发送的小型信息单元，包含了要传输的数据以及发送方和接收方的IP地址等重要信息。通过这种修改，整个设备组——每个设备都有私有IP地址——在与外部世界通信时都可以通过一个公共IP地址来代表。

NAT是一项重要技术，特别是在IPv4地址资源有限的情况下。通过允许局域网中的多个设备使用一个公共IP地址，NAT节省了宝贵的IP地址空间，并简化了网络管理员和服务提供商的IP地址管理。

NAT是如何工作的？

当您将设备（如笔记本电脑）连接到家庭网络时，NAT决定该设备如何与互联网通信。

假设您的笔记本电脑连接到使用NAT的家庭网络，而这个网络通过一个路由器连接到互联网。假设您使用该笔记本电脑在搜索引擎上搜索附近的食品店。当您按下“回车”键时，您的请求会从您的计算机发送到路由器，再通过路由器传输到互联网。此时NAT开始发挥作用。当数据包通过路由器时，NAT会修改该数据包，并将设备的私有IP地址替换为路由器的公共IP地址。

这种翻译是必要的，因为您家庭网络内部使用的私有IP地址是不可路由的，互联网服务器无法识别这些地址。如果数据包保留其私有IP地址，接收服务器将无法知道应该将信息返回到哪里。互联网路由器会自动丢弃带有私有IP地址的数据包。

幸运的是，如今所有为家庭和小型办公室销售的路由器都配备了NAT，因此它们可以轻松地在不同类型的IP地址之间进行翻译——从私有到公共，反之亦然。这个过程确保了您的请求能够顺利在网络上传输，响应也能够无误地返回到您的设备上。

NAT的类型

NAT有多种类型，每种类型针对不同的网络设置需求而设计。了解不同类型的NAT可以帮助您管理或解决网络连接问题。您可以根据需要随时更改电脑的NAT类型。下面我们将探讨主要的NAT类型及其特定功能。

静态NAT

静态NAT为私有网络内的特定设备分配了一个固定的公共IP地址。这意味着每当该设备与外部网络通信时，它都会使用相同的公共IP地址。静态NAT特别适用于需要从外部网络访问的设备，如Web服务器或IP摄像头。例如，如果您在家里或办公室的服务器上托管一个网站，静态NAT可以确保该服务器始终通过相同的IP地址可被外界访问。

动态NAT

与静态NAT不同，动态NAT不会为设备分配一个固定的公共IP地址。相反，每次设备连接到外部网络时，它都会从路由器管理的公共IP地址池中选择一个可用的外部IP地址。动态NAT通常用于需要大量设备访问互联网但不需要每个设备都使用固定IP地址的环境。

端口地址转换 (PAT)

端口地址转换 (PAT)，也称为过载，是动态NAT的一种变体，它允许私有网络中的多个设备共享一个公共IP地址。它通过为每个会话分配一个唯一的端口号，使多个设备可以同时使用一个公共IP地址连接到互联网。PAT在企业中很受欢迎，因为它允许员工共享一个IP地址，且便于网络管理员管理。这个方法也是一种成本效益高的解决方案，因为它减少了网络所需的公共IP地址数量。

重叠NAT

重叠NAT发生在多个内部网络使用相同的注册IP地址时。这种情况通常发生在两个或多个使用相同IP地址范围的网络合并或需要相互通信时。重叠NAT帮助避免这些重叠地址之间的冲突，并允许这些网络在无需更改IP地址的情况下顺畅通信。这种类型的NAT在大型组织中非常有用，尤其是在不同部门或分支机构拥有各自网络并使用相同IP地址范围的情况下。

NAT的优势

NAT提供了多个优势，使其成为现代网络，尤其是家庭和小型办公室网络的重要组成部分：

IP地址节约：NAT允许私有网络中的多个设备共享一个公共IP地址，这帮助那些从互联网服务提供商（ISP）获得有限IP地址的组织节省地址资源。
增强安全性：当与防火墙功能结合使用时，NAT增加了额外的安全层。NAT防火墙可以阻止来自互联网的未经请求的入站流量，并隐藏内部IP地址，从而使外部攻击者更难以针对网络中的特定设备。
网络灵活性：NAT使您可以轻松更改内部IP地址，而不影响外部通信，从而使网络管理更加灵活。
成本效益：NAT减少了对多个公共IP地址的需求，从而为组织和互联网服务提供商节省成本。
简化网络管理：NAT简化了IP地址的管理，尤其是在大型网络中，使IP地址的分配和跟踪更加轻松。

NAT的缺点

尽管NAT有很多优点，但它也有一些可能影响网络性能和某些应用程序兼容性的缺点：

性能问题：NAT要求路由器修改每个数据包中的IP地址信息，这可能会引入延迟并降低网络的整体性能。
有限的端到端连接：NAT可能会干扰设备之间的直接通信，从而使某些协议和服务（如点对点连接）更难以使用。
与某些应用程序不兼容：一些应用程序和技术在使用NAT时无法正常工作，尤其是那些需要设备间直接通信的应用程序。当启用NAT时，它们可能无法正常工作，或需要额外的设置。这种问题在依赖特定端口号或直接路由的应用程序中尤为常见。
复杂性：NAT会通过隐藏设备的原始IP地址使网络故障排除更加复杂，进而使定位特定设备或问题变得更加困难。

我应该使用NAT吗？

如果您正在考虑在网络中使用NAT，以下是一些可能的原因：

它减少了所需的IP地址数量。没有NAT，互联网将无法提供足够的IP地址，我们的数据也无法在网络上导航。
它增强了您的安全性。NAT在内部和外部网络之间创建了一道边界。没有外部代理能够使用您的IP地址拦截您的设备或网络，除非是您的设备主动发起连接。
更简单的网络管理。NAT使得在内部网络中移动Web和FTP服务器，或进行网络变更变得更加容易。