在计算器网络中，网络地址转换（Network Address Translation，缩写为NAT），也叫做网络掩蔽或者IP掩蔽（IP masquerading），是一种在IP数据包通过路由器或防火墙时重写来源IP地址或目的IP地址的技术。这种技术被普遍使用在有多台主机但只通过一个公有IP地址访问因特网的私有网络中。它是一个方便且得到了广泛应用的技术。当然，NAT也让主机之间的通信变得复杂，导致了通信效率的降低。

简介

概述

NAT（NetworkAddressTranslation，网络地址转换）是将IP数据包头中的IP地址转换为另一个IP地址的过程。在实际应用中，NAT主要用于实现私有网络访问公共网络的功能。这种通过使用少量的公有IP地址代表较多的私有IP地址的方式，将有助于减缓可用IP地址空间的枯竭。NAT有三种类型：静态NAT(StaticNAT)、动态地址NAT(PooledNAT)、网络地址端口转换NAPT（Port-LevelNAT）。

说明：

私有IP地址是指内部网络或主机的IP地址，公有IP地址是指在因特网上全球唯一的IP地址。

RFC1918为私有网络预留出了三个IP地址块，如下：

A类：10.0.0.0～10.255.255.255

B类：172.16.0.0～172.31.255.255

C类：192.168.0.0～192.168.255.255

上述三个范围内的地址不会在因特网上被分配，因此可以不必向ISP或注册中心申请而在公司或企业内部自由使用。

工作流程

①client（终端）的gateway设定为NAT主机，所以当要连上Internet的时候，该封包就会被送到NAT主机，这个时候的封包Header之sourceIP（源IP）为192.168.1.100；

②而透过这个NAT主机，它会将client的对外联机封包的sourceIP(192.168.1.100)伪装成ppp0(假设为拨接情况)这个接口所具有的公共IP，因为是公共IP了，所以这个封包就可以连上Internet了！同时NAT主机并且会记忆这个联机的封包是由哪一个(192.168.1.100)client端传送来的；

Nat流程2

③由Internet传送回来的封包，当然由NAT主机来接收了，这个时候，NAT主机会去查询原本记录的路由信息，并将目标IP由ppp0上面的公共IP改回原来的192.168.1.100；

④最后则由NAT主机将该封包传送给原先发送封包的Client。

架设需求

由前面NAT(NetworkAddressTranslation)的介绍，我们知道他可以作为宽带分享的主机，当然也可以管理一群在NAT主机后面的Client计算机。所以NAT的功能至少有这两项：

①宽带分享：这是NAT主机的最大功能。

②安全防护：NAT之内的PC联机到Internet上面时，他所显示的IP是NAT主机的公共IP，所以Client端的PC当然就具有一定程度的安全了！外界在进行portscan（端口扫描）的时候，就侦测不到源Client端的PC。

转换原因

由于保密原因或 IP 在外网不合法，网络的内部 IP 地址无法在外部网络使用，就产生了 IP 地址转换的需求。局域网络以外的网络的拓扑结构能以多种方式改变：公司更换供应商；重组公司主干网络或者供应商合并或散伙。一旦外部拓扑结构改变，本地网络的地址分配也必须改变以反映外部变化。

通过将这些变化集中在单个地址转换路由器中，局域网用户并不需知道这些改变。基本地址转换允许主机从内部网络中透明地访问外部网络，并容许从外部访问选定的本地主机。对于一个机构其网络主要用于内部服务而仅有时用于外部访问， 这种配置是很适用的。

使用这种转换方法是有一定限制的，即会话的请求及响应的发送必须经过相同的 NAT路由器。在边界路由器上安装 NAT 能确保这一过程，边界路由器在该域中是唯一的，而所有经过的 IP 包要么来自于此域要么到达此域。此外还可使用多重 NAT 设备确保这一过程。

NAT 解决方法有其不足之处，仅以增强的网络状态作为补充，而忽略了 IP 地址端对端的重要性。结果是，由于存在 NAT 设备，由 IPSec 保证的端对端 IP 网络级安全无法应用到终端主机。此方法的优势是不需要改变主机或路由器就可以直接安装 NAT 。

具体示例

示例一

当ISP分配的IP地址数量很少，网络又没有其他特殊需求，即无需为Internet提供网络服务时，可采用端口利用地址转换方式，使网络内的计算机采用同一IP地址访问Internet，在节约IP地址资源的同时，又可有效保护网络内部的计算机。

网络环境：

局域网采用10Mb/s光纤，以城域网方式接入Internet。路由器选用拥有2个10/100Mb/s自适应端口的Cisco2611。内部网络使用的IP地址段为192.168.100.1~192.101.254，局域网端口Ethernet0的IP地址为192.168.100.1,子网掩码为255.255.0.0。网络分配的合法IP地址范围为202.99.160.128~202.99.160.131,连接ISP的端口Ethernet1的IP地址为202.99.160.129,子网掩码为255.255.255.252。可用于转换的IP地址为202.99.160.130。要求网络内部的所有计算机均可访问Internet。

案例分析：

既然只有一个可用的合法IP地址，同时处于局域网的服务器又只为局域网提供服务，而不允许Internet中的主机对其访问，因此完全可以采用端口复用地址转换方式实现NAT，使得网络内的所有计算机均可独立访问Internet。

示例二

许多FTP网站考虑到服务器性能和Internet连接带宽的占用问题，都限制同一IP地址的多个进程访问。如果采用端口复地址转换方式，则网络内的所以计算机都采用同一IP地址访问Internet,那么，将因此而被禁止对该网站的访问。所以，当提供的合法IP地址数量稍多时，可同时采用端口复用和动态地址转换方式，从而既可保证所有用户都能够获得访问Internet的权力，同时，又不致、某些计算机因使用同一IP地址而被限制权限。需要注意的是，由于所有计算机都采用动态地址转换方式，因此Internet中的所有计算机将无法实现对网络内部服务器的访问。

网络环境：

局域网以2Mb/sDNA专线接入Internet，路由器选用安装了广域网模块的Cisco2611。内部网络使用的IP地址段为172.16.100.1~172.16.102.254,局域网端口Ethernet0的IP地址为172.16.100.1,子网掩码为255.255.0.0。网络分配的合法IP地址范围为202.99.160.128~202.99.160.129,子网掩码为255.255.255.192,可用于转换的IP地址范围为202.99.160.130~202.99.160.190。要求网络部分的部分计算机可以不受任何限制地访问Internet，服务器无需提供Internet访问服务。

案例分析：

既然要求网络中的部分计算机可以不受任何限制地访问Internet,同时，服务器无需提供Internet访问服务，那么，只需采用动态地址转换+端口复用地址转换方式即可实现。部分有特殊需求的计算机采用动态地址转换的NAT方式，其他计算机则采用端口复用地址转换的NAT方式。因此，部分有特殊需求的计算机可采用内部网址172.16.100.1~172.16.100.254，并动态转换为合法地址202.99.160.130~202.99.160.189，其他计算机采用内部网址172.16.101.1~172.16.102.254,全部转换为202.99.160.190。

示例三

网络中的服务器既为网络内部的客户提供网络服务，又同时为Internet中的用户提供访问服务。因此，如果采用端口复用地址转换或动态地址转换，将由于无法确定服务器的IP地址，而导致Internet用户无法实现对网络内部服务器的访问。应当采用静态地址转换+端口复用地址转换的NAT方式。也就是说，对服务器采用静态地址转换，以确保服务器拥有固定的合法IP地址。而对普通的客户计算机则采用端口复用地址转换，使所有用户都享有访问Internet的权力。

网络环境：

局域网采用10Mb/s光纤，以城域网方式接入Internet。路由器选用拥有2个10/100Mb/s自适应端口的Cisco2611。内部网络使用的IP地址段为10.18.100.1~10.18.104.254,局域网端口Ethernet0的IP地址为10.18.100.1,子网掩码为255.255.0.0。网络分配的合法IP地址范围为211.82.220.80~211.82.220.87，连接ISP的端口Ethernet1的IP地址为211.82.220.81,子网掩码为255.255.255.248。要求网络内部的所有计算机均可访问Internet，并且在Internet中提供Web、E-mail、FTP和Media等4种服务。

案例分析：

既然网络内的服务器要求能够被Internet访问到，那么，这部分主机必须拥有合法的IP地址，也就是说，服务器必须采用静态地址转换。其他计算机由于没有任何限制，所以，可采用端口复用地址转换的NAT方式。因此，服务器可采用内网址10.18.100.1~10.18.100.254，并分别映射为一个合法的IP地址。其他计算机则采用内部网址10.18.101.1~172.16.104.254,并全部转换为一个合法的IP地址。

示例四

NAT映射如果ISP提供的合法IP地址的数量较多，我们自然可以采用静态地址转换+端口复用动态地址转换的方式得以完美实现。但如果ISP只提供4个IP地址，其中2个作为网络号和广播地址而不可使用，1个IP地址要用于路由器定义为默认网关，那么将只剩下1个IP地址可用。当然我们也可以利用这个仅存的一个IP地址采用端口复用地址转换技术，从而实现整个局域网的Internet接入。但是由于服务器也采用动态端口，因此，Internet中的计算机将无法访问到网络内部的服务器。有没有好的解决问题的方案呢？这就是TCP/UDP端口NAT映射。

不同应用程序使用的TCP/UDP的端口是不同的，比如，Web服务使用80，FTP服务使用21，SMTP服务使用25，POP3服务使用110，等等。因此，可以将不同的TCP端口绑定至不同的内部IP地址，从而只使用一个合法的IP地址，即可在允许内部所有服务器被Internet访问的同时，实现内部所有主机对Internet访问。

网络环境：

局域网采用10Mb/s光纤，以城域网方式接入Internet，如图4-2-5所示。路由器选用拥有2个10/100Mb/s自适应端口的Cisco2611。内部网络使用的IP地址段为192.168.1.1~192.168.1.254，局域网端口Ethernet0的IP地址为192.168.1.1,子网掩码为255.255.255.0。网络分配的合法IP地址范围为，211.82.220.128~211.82.220.131,连接ISP的端口Ethernet1的IP地址为211.82.220.129,子网掩码为255.225.255.252，可用于转换的IP地址为211.82.220.130。要求网络内部的所有计算机均可访问Internet。

案例分析：

既然只有一个可用的合法IP地址，当然只能采用端口复用方式实现NAT，不过，由于同时又要求网络内部的服务器可以被Internet访问到，因此，必须使用PAT创建TCP/UDP端口的NAT映射。需要注意的是，也可以直接使用广域端口创建TCP/UDP端口的NAT映射，也就是说，即使只有一个IP地址，也可以完美实现端口复用。由于合法IP地址位于路由器端口上，所以，不再需要定义NAT池，只简单地使用insidesourcelist语句即可。

需要注意的是，由于每种应用服务都有自己默认的端口，所以，这种NAT方式下，网络内部每种应用服务中只能各自有一台服务器成为Internet中的主机，例如，只能有一台Web服务器，一台E-mail服务，一台FTP服务器。尽管可以采用改变默认端口的方式创建多台应用服务器，但这种服务器在访问时比较困难，要求用户必须先了解某种服务采用的新TCP端口。

示例五

随着访问量的上升，当一台服务器难以胜任时，就必须采用负载均衡技术，将大量的访问合理地分配至多台服务器上。当然，实现负载均衡的手段有许多种，比如可以采用服务器群集负载均衡、交换机负载均衡、DNS解析负载均衡等等。

其实除此以外，也可以通过地址转换方式实现服务器的负载均衡。事实上，这些负载均衡的实现大多是采用轮询方式实现的，使每台服务器都拥有平等的被访问机会。

网络环境：

局域网以2Mb/sDDN专线拉入Internet,路由器选用安装了广域网模块的Cisco2611。内部网络使用的IP地址段为10.1.1.1~10.1.3.254，局域网端口Ethernet0的IP地址为10.1.1.1,子网掩码为255.255.252.0。网络分配的合法IP地址范围为202.110.198.80~202.110.198.87,连接ISP的端口Ethernet1的IP地址为202.110.198.81,子网掩码为255.255.255.248。要求网络内部的所有计算机均可访问Internet，并且在3台Web服务器和2台FTP服务器实现负载均衡。

案例分析：

既然要求网络内所有计算机都可以接入Internet,而合法IP地址又只有5个可用，当然可采用端口复用地址转换方式。本来对服务器通过采用静态地址转换，赋予其合法IP地址即可。但是，由于服务器的访问量太大（或者是服务器的性能太差），不得不使用多台服务器作负载均衡，因此，必须将一个合法IP地址转换成多相内部IP地址，以轮询方式减轻每台服务器的访问压力。

协议结构

NAT 是一个过程，而不是一个结构化协议。