NAT重載（經(jīng)常應(yīng)用到實(shí)際中）
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今天，無(wú)數(shù)快樂(lè)的互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)在盡情享受Internet帶來(lái)的樂(lè)趣两蟀。他們?yōu)g覽新聞冯勉，搜索資料赡茸，下載軟件，廣交新朋挽封，分享信息拦赠，甚至于足不出戶(hù)獲取一切日用所需赁酝。企業(yè)利用互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布信息，傳遞資料和訂單紊浩，提供技術(shù)支持窖铡，完成日常辦公疗锐。然而，Internet在給億萬(wàn)用戶(hù)帶來(lái)便利的同時(shí)万伤，自身卻面臨一個(gè)致命的問(wèn)題：構(gòu)建這個(gè)無(wú)所不能的Internet的基礎(chǔ)IPv4協(xié)議已經(jīng)不能再提供新的網(wǎng)絡(luò)地址了窒悔。
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2011年2月3日中國(guó)農(nóng)歷新年， IANA對(duì)外宣布：IPv4地址空間最后5個(gè)地址塊已經(jīng)被分配給下屬的5個(gè)地區(qū)委員會(huì)敌买。2011年4月15日简珠，亞太區(qū)委員會(huì)APNIC對(duì)外宣布，除了個(gè)別保留地址外虹钮，本區(qū)域所有的IPv4地址基本耗盡聋庵。一時(shí)之間，IPv4地址作為一種瀕危資源身價(jià)陡增芙粱，各大網(wǎng)絡(luò)公司出巨資收購(gòu)剩余的空閑地址祭玉。其實(shí)，IPv4地址不足問(wèn)題已不是新問(wèn)題春畔，早在20年以前脱货，IPv4地址即將耗盡的問(wèn)題就已經(jīng)擺在Internet先驅(qū)們面前。這不禁讓我們想去了解律姨，是什么技術(shù)使這一危機(jī)延緩了盡20年振峻。
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要找到問(wèn)題的答案，讓我們先來(lái)簡(jiǎn)略回顧一下IPv4協(xié)議择份。
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IPv4即網(wǎng)際網(wǎng)協(xié)議第4版——Internet Protocol Version 4的縮寫(xiě)扣孟。IPv4定義一個(gè)跨越異種網(wǎng)絡(luò)互連的超級(jí)網(wǎng)，它為每個(gè)網(wǎng)際網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分配全球唯一IP地址荣赶。如果我們把Internet比作一個(gè)郵政系統(tǒng)凤价，那么IP地址的作用就等同于包含城市、街區(qū)拔创、門(mén)牌編號(hào)在內(nèi)的完整地址利诺。IPv4使用32bits整數(shù)表達(dá)一個(gè)地址，地址最大范圍就是232 約為43億伏蚊。以IP創(chuàng)始時(shí)期可被聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備來(lái)看立轧，這樣的一個(gè)空間已經(jīng)很大，很難被短時(shí)間用完躏吊。然而氛改，事實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的設(shè)想，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在此后的幾十年里迅速壯大比伏，網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量呈爆炸性增長(zhǎng)胜卤。
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更為糟糕的是，為了路由和管理方便赁项，43億的地址空間被按照不同前綴長(zhǎng)度劃分為A,B,C,D類(lèi)地址網(wǎng)絡(luò)和保留地址葛躏。其中澈段，A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址127段，每段包括主機(jī)地址約1678萬(wàn)個(gè)舰攒。B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址16384段败富，每段包括65536個(gè)主機(jī)地址。?
ANA向超大型企業(yè)/組織分配A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址摩窃，一次一段兽叮。向中型企業(yè)或教育機(jī)構(gòu)分配B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)地址，一次一段猾愿。這樣一種分配策略使得IP地址浪費(fèi)很?chē)?yán)重鹦聪，很多被分配出去的地址沒(méi)有真實(shí)被利用，地址消耗很快蒂秘。以至于二十世紀(jì)90年代初泽本，網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)家們意識(shí)到，這樣大手大腳下去姻僧，IPv4地址很快就要耗光了规丽。于是，人們開(kāi)始考慮IPv4的替代方案撇贺，同時(shí)采取一系列的措施來(lái)減緩IPv4地址的消耗嘁捷。正是在這樣一個(gè)背景之下，本期的主角閃亮登場(chǎng)显熏，它就是網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換——NAT。
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NAT是一項(xiàng)神奇的技術(shù)晒屎，說(shuō)它神奇在于它的出現(xiàn)幾乎使IPv4起死回生喘蟆。在IPv4已經(jīng)被認(rèn)為行將結(jié)束歷史使命之后近20年時(shí)間里，人們幾乎忘了IPv4的地址空間即將耗盡這樣一個(gè)事實(shí)——在新技術(shù)日新月異的時(shí)代鼓鲁，20年可算一段漫長(zhǎng)的歷史蕴轨。更不用說(shuō)，在NAT產(chǎn)生以后骇吭，網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)量呈加速上升趨勢(shì)橙弱，對(duì)IP地址的需求劇烈增加。此足見(jiàn)NAT技術(shù)之成功燥狰，影響之深遠(yuǎn)棘脐。
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說(shuō)它神奇，更因?yàn)镹AT給IP網(wǎng)絡(luò)模型帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響龙致，其身影遍布網(wǎng)絡(luò)每個(gè)角落蛀缝。根據(jù)一份最近的研究報(bào)告，70%的P2P用戶(hù)位于NAT網(wǎng)關(guān)以?xún)?nèi)目代。因?yàn)镻2P主要運(yùn)行在終端用戶(hù)的個(gè)人電腦之上屈梁，這個(gè)數(shù)字意味著大多數(shù)PC通過(guò)NAT網(wǎng)關(guān)連接到Internet嗤练。如果加上2G和3G方式聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)等移動(dòng)終端，在NAT網(wǎng)關(guān)之后的用戶(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)比例在讶。
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同學(xué)你現(xiàn)在做兩個(gè)操作
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打開(kāi)你的命令行輸入ipconfig查詢(xún)你的Ip地址
打開(kāi)百度煞抬，輸入Ip查詢(xún)，查詢(xún)你的ip地址
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你是不是發(fā)現(xiàn)了一件很神奇的事情构哺，這兩個(gè)地址是不一樣的革答。但是我們又經(jīng)常說(shuō)每個(gè)主機(jī)只有一個(gè)ip,這個(gè)ip是他的身份標(biāo)識(shí)。這完全矛盾啊遮婶。這就引出了我們今天要講的NAT技術(shù)?
其實(shí)并不矛盾蝗碎。這里我們要引入公網(wǎng)ip和私網(wǎng)ip這兩個(gè)概念，關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的解讀旗扑。大家可以參看我的博文蹦骑。為什么百度查到的ip和ipconfig查到的不一樣
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NAT名字很準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換臀防，就是替換IP報(bào)文頭部的地址信息眠菇。NAT通常部署在一個(gè)組織的網(wǎng)絡(luò)出口位置，通過(guò)將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)IP地址替換為出口的IP地址提供公網(wǎng)可達(dá)性和上層協(xié)議的連接能力袱衷。那么捎废，什么是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)IP地址？
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RFC1918規(guī)定了三個(gè)保留地址段落：10.0.0.0-10.255.255.255致燥；172.16.0.0-172.31.255.255登疗；192.168.0.0-192.168.255.255。這三個(gè)范圍分別處于A,B,C類(lèi)的地址段嫌蚤，不向特定的用戶(hù)分配辐益，被IANA作為私有地址保留。這些地址可以在任何組織或企業(yè)內(nèi)部使用脱吱，和其他Internet地址的區(qū)別就是智政，僅能在內(nèi)部使用，不能作為全球路由地址箱蝠。這就是說(shuō)续捂，出了組織的管理范圍這些地址就不再有意義，無(wú)論是作為源地址宦搬，還是目的地址牙瓢。對(duì)于一個(gè)封閉的組織，如果其網(wǎng)絡(luò)不連接到Internet床三，就可以使用這些地址而不用向IANA提出申請(qǐng)一罩，而在內(nèi)部的路由管理和報(bào)文傳遞方式與其他網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有差異。
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對(duì)于有Internet訪(fǎng)問(wèn)需求而內(nèi)部又使用私有地址的網(wǎng)絡(luò)撇簿，就要在組織的出口位置部署NAT網(wǎng)關(guān)聂渊，在報(bào)文離開(kāi)私網(wǎng)進(jìn)入Internet時(shí)差购，將源IP替換為公網(wǎng)地址，通常是出口設(shè)備的接口地址汉嗽。一個(gè)對(duì)外的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求在到達(dá)目標(biāo)以后欲逃，表現(xiàn)為由本組織出口設(shè)備發(fā)起，因此被請(qǐng)求的服務(wù)端可將響應(yīng)由Internet發(fā)回出口網(wǎng)關(guān)饼暑。出口網(wǎng)關(guān)再將目的地址替換為私網(wǎng)的源主機(jī)地址稳析，發(fā)回內(nèi)部。這樣一次由私網(wǎng)主機(jī)向公網(wǎng)服務(wù)端的請(qǐng)求和響應(yīng)就在通信兩端均無(wú)感知的情況下完成了弓叛。依據(jù)這種模型彰居，數(shù)量龐大的內(nèi)網(wǎng)主機(jī)就不再需要公有IP地址了。?
NAT的轉(zhuǎn)換示意圖如下所示?
我們一般使用私網(wǎng)ip作為局域網(wǎng)內(nèi)部的主機(jī)標(biāo)識(shí)撰筷，使用公網(wǎng)ip作為互聯(lián)網(wǎng)上通信的標(biāo)識(shí)?
在整個(gè)NAT的轉(zhuǎn)換中陈惰，最關(guān)鍵的流程有以下幾點(diǎn)
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網(wǎng)絡(luò)被分為私網(wǎng)和公網(wǎng)兩個(gè)部分，NAT網(wǎng)關(guān)設(shè)置在私網(wǎng)到公網(wǎng)的路由出口位置毕籽，雙向流量必須都要經(jīng)過(guò)NAT網(wǎng)關(guān)
網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)只能先由私網(wǎng)側(cè)發(fā)起抬闯，公網(wǎng)無(wú)法主動(dòng)訪(fǎng)問(wèn)私網(wǎng)主機(jī)；
NAT網(wǎng)關(guān)在兩個(gè)訪(fǎng)問(wèn)方向上完成兩次地址的轉(zhuǎn)換或翻譯关筒，出方向做源信息替換溶握，入方向做目的信息替換；
NAT網(wǎng)關(guān)的存在對(duì)通信雙方是保持透明的蒸播；
NAT網(wǎng)關(guān)為了實(shí)現(xiàn)雙向翻譯的功能睡榆，需要維護(hù)一張關(guān)聯(lián)表，把會(huì)話(huà)的信息保存下來(lái)袍榆。
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如果一個(gè)內(nèi)部主機(jī)唯一占用一個(gè)公網(wǎng)IP肉微，這種方式被稱(chēng)為一對(duì)一模型。此種方式下蜡塌，轉(zhuǎn)換上層協(xié)議就是不必要的，因?yàn)橐粋€(gè)公網(wǎng)IP就能唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)部主機(jī)勿负。顯然馏艾，這種方式對(duì)節(jié)約公網(wǎng)IP沒(méi)有太大意義，主要是為了實(shí)現(xiàn)一些特殊的組網(wǎng)需求奴愉。比如用戶(hù)希望隱藏內(nèi)部主機(jī)的真實(shí)IP琅摩，或者實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IP地址重疊網(wǎng)絡(luò)的通信。?
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它能夠?qū)⑽醋?cè)的IP地址映射到注冊(cè)IP地址池中的一個(gè)地址锭硼。不像使用靜態(tài)NAT那樣房资，你無(wú)需靜態(tài)地配置路由器，使其將每個(gè)內(nèi)部地址映射到一個(gè)外部地址檀头，但必須有足夠的公有因特網(wǎng)IP地址轰异，讓連接到因特網(wǎng)的主機(jī)都能夠同時(shí)發(fā)送和接收分組
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NAT重載（經(jīng)常應(yīng)用到實(shí)際中）
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這是最常用的NAT類(lèi)型岖沛。NAT重載也是動(dòng)態(tài)NAT，它利用源端口將多個(gè)私網(wǎng)ip地址映射到一個(gè)公網(wǎng)ip地址(多對(duì)一)搭独。那么婴削，它的獨(dú)特之處何在呢?它也被稱(chēng)為端口地址特?fù)Q(PAT)。通過(guò)使用PAT(NAT重載)牙肝，只需使用一個(gè)公網(wǎng)ip地址唉俗，就可將數(shù)千名用戶(hù)連接到因特網(wǎng)。其核心之處就在于利用端口號(hào)實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)和私網(wǎng)的轉(zhuǎn)換配椭。?
面對(duì)私網(wǎng)內(nèi)部數(shù)量龐大的主機(jī)虫溜，如果NAT只進(jìn)行IP地址的簡(jiǎn)單替換，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)有多個(gè)內(nèi)部主機(jī)去訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)服務(wù)器時(shí)股缸，從返回的信息不足以區(qū)分響應(yīng)應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)內(nèi)部主機(jī)衡楞。此時(shí)，需要NAT設(shè)備根據(jù)傳輸層信息或其他上層協(xié)議去區(qū)分不同的會(huì)話(huà)乓序，并且可能要對(duì)上層協(xié)議的標(biāo)識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換寺酪，比如TCP或UDP端口號(hào)。這樣NAT網(wǎng)關(guān)就可以將不同的內(nèi)部連接訪(fǎng)問(wèn)映射到同一公網(wǎng)IP的不同傳輸層端口替劈，通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)IP的復(fù)用和解復(fù)用寄雀。這種方式也被稱(chēng)為端口轉(zhuǎn)換PAT、NAPT或IP偽裝陨献，但更多時(shí)候直接被稱(chēng)為NAT盒犹，因?yàn)樗亲畹湫偷囊环N應(yīng)用模式。?
舉個(gè)例子眨业，客戶(hù)端172.18.250.6和百度服務(wù)器202.108.22.5通信急膀，172.18.250.6發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先轉(zhuǎn)換為219.155.6.240:1723（任意>1024的隨機(jī)端口）龄捡，然后再利用這個(gè)身份發(fā)送數(shù)據(jù)給百度服務(wù)器卓嫂，然后百度服務(wù)器回應(yīng)數(shù)據(jù)并發(fā)送給219.155.6.240:1723，NAT網(wǎng)關(guān)檢查自己的關(guān)聯(lián)表聘殖，意識(shí)到這是自己地私網(wǎng)中172.18.250.6的數(shù)據(jù)包晨雳，然后把這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶(hù)端?
也就是說(shuō)，我們利用端口號(hào)的唯一性實(shí)現(xiàn)了公網(wǎng)ip轉(zhuǎn)換為私網(wǎng)ip的這一步奸腺。PAT（NAT重載）能夠使用傳輸層端口號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)主機(jī)餐禁，因此，從理論上說(shuō)突照，最多可讓大約65000臺(tái)主機(jī)共用一個(gè)公有IP地址
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節(jié)省合法的公有ip地址
地址重疊時(shí)帮非，提供 解決辦法
網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化時(shí)，避免重新編址（這個(gè)問(wèn)題具有親身體會(huì)，原本所在的實(shí)習(xí)單位搬遷末盔，我們搬到了新的住處筑舅，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生了一些變化，但是由于nat技術(shù)的特點(diǎn)，我們局域網(wǎng)的地址并沒(méi)有發(fā)生改變，我們依然使用著最初的編址方案）
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NAT對(duì)我們來(lái)說(shuō)最大的貢獻(xiàn)就是幫助我們節(jié)省了大量的ip資源
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在介紹NAT的諸多缺點(diǎn)之前漓摩，我們先簡(jiǎn)單介紹下什么是IP的端到端通信：?
IP協(xié)議的一個(gè)重要貢獻(xiàn)是把世界變得平等。在理論上心剥，具有IP地址的每個(gè)站點(diǎn)在協(xié)議層面有相當(dāng)?shù)墨@取服務(wù)和提供服務(wù)的能力，不同的IP地址之間沒(méi)有差異背桐。人們熟知的服務(wù)器和客戶(hù)機(jī)實(shí)際是在應(yīng)用協(xié)議層上的角色區(qū)分优烧，而在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層沒(méi)有差異。一個(gè)具有IP地址的主機(jī)既可以是客戶(hù)機(jī)链峭，也可以是服務(wù)器畦娄，大部分情況下，既是客戶(hù)機(jī)弊仪，也是服務(wù)器熙卡。端到端對(duì)等看起來(lái)是很平常的事情，而意義并不尋常励饵。但在以往的技術(shù)中驳癌，很多協(xié)議體系下的網(wǎng)絡(luò)限定了終端的能力。正是IP的這個(gè)開(kāi)放性役听，使得TCP/IP協(xié)議族可以提供豐富的功能颓鲜，為應(yīng)用實(shí)現(xiàn)提供了廣闊平臺(tái)。因?yàn)樗械腎P主機(jī)都可以服務(wù)器的形式出現(xiàn)典予，所以通訊設(shè)計(jì)可以更加靈活甜滨。使用UNIX/LINUX的系統(tǒng)充分利用了這個(gè)特性，使得任何一個(gè)主機(jī)都可以建立自己的HTTP瘤袖、SMTP衣摩、POP3、DNS捂敌、DHCP等服務(wù)昭娩。與此同時(shí)，很多應(yīng)用也是把客戶(hù)端和服務(wù)器的角色組合起來(lái)完成功能黍匾。例如在VoIP應(yīng)用中，用戶(hù)端向注冊(cè)服務(wù)器登錄自己的IP地址和端口信息過(guò)程中呛梆，主機(jī)是客戶(hù)端锐涯；而在呼叫到達(dá)時(shí)，呼叫處理服務(wù)器向用戶(hù)端發(fā)送呼叫請(qǐng)求時(shí)填物，用戶(hù)端實(shí)際工作在服務(wù)器模式下纹腌。在語(yǔ)音媒體流信道建立過(guò)程后霎终，通訊雙向發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)，發(fā)送端是客戶(hù)模式升薯，接收端是服務(wù)器模式莱褒。而在P2P的應(yīng)用中，一個(gè)用戶(hù)的主機(jī)既為下載的客戶(hù)涎劈，同時(shí)也向其他客戶(hù)提供數(shù)據(jù)广凸，是一種C/S混合的模型。上層應(yīng)用之所以能這樣設(shè)計(jì)蛛枚，是因?yàn)镮P協(xié)議棧定義了這樣的能力谅海。試想一下，如果IP提供的能力不對(duì)等蹦浦，那么每個(gè)通信會(huì)話(huà)都只能是單方向發(fā)起的扭吁，這會(huì)極大限制通信的能力。細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)盲镶，前面介紹NAT的一個(gè)特性正是這樣一種限制侥袜。沒(méi)錯(cuò)，NAT最大的弊端正在于此——破壞了IP端到端通信的能力溉贿。?
NAT的弊端?
首先枫吧，NAT使IP會(huì)話(huà)的保持時(shí)效變短。因?yàn)橐粋€(gè)會(huì)話(huà)建立后會(huì)在NAT設(shè)備上建立一個(gè)關(guān)聯(lián)表顽照，在會(huì)話(huà)靜默的這段時(shí)間由蘑，NAT網(wǎng)關(guān)會(huì)進(jìn)行老化操作。這是任何一個(gè)NAT網(wǎng)關(guān)必須做的事情代兵，因?yàn)镮P和端口資源有限尼酿，通信的需求無(wú)限，所以必須在會(huì)話(huà)結(jié)束后回收資源植影。通常TCP會(huì)話(huà)通過(guò)協(xié)商的方式主動(dòng)關(guān)閉連接裳擎，NAT網(wǎng)關(guān)可以跟蹤這些報(bào)文，但總是存在例外的情況思币，要依賴(lài)自己的定時(shí)器去回收資源鹿响。而基于UDP的通信協(xié)議很難確定何時(shí)通信結(jié)束，所以NAT網(wǎng)關(guān)主要依賴(lài)超時(shí)機(jī)制回收外部端口谷饿。通過(guò)定時(shí)器老化回收會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題惶我，如果應(yīng)用需要維持連接的時(shí)間大于NAT網(wǎng)關(guān)的設(shè)置，通信就會(huì)意外中斷博投。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)回收相關(guān)轉(zhuǎn)換表資源以后绸贡，新的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)就找不到相關(guān)的轉(zhuǎn)換信息，必須建立新的連接。當(dāng)這個(gè)新數(shù)據(jù)是由公網(wǎng)側(cè)向私網(wǎng)側(cè)發(fā)送時(shí)听怕，就會(huì)發(fā)生無(wú)法觸發(fā)新連接建立捧挺，也不能通知到私網(wǎng)側(cè)的主機(jī)去重建連接的情況。這時(shí)候通信就會(huì)中斷尿瞭，不能自動(dòng)恢復(fù)闽烙。即使新數(shù)據(jù)是從私網(wǎng)側(cè)發(fā)向公網(wǎng)側(cè)，因?yàn)橹亟ǖ臅?huì)話(huà)表往往使用不同于之前的公網(wǎng)IP和端口地址声搁，公網(wǎng)側(cè)主機(jī)也無(wú)法對(duì)應(yīng)到之前的通信上黑竞，導(dǎo)致用戶(hù)可感知的連接中斷。NAT網(wǎng)關(guān)要把回收空閑連接的時(shí)間設(shè)置到不發(fā)生持續(xù)的資源流失酥艳，又維持大部分連接不被意外中斷摊溶，是一件比較有難度的事情。在NAT已經(jīng)普及化的時(shí)代充石，很多應(yīng)用協(xié)議的設(shè)計(jì)者已經(jīng)考慮到了這種情況莫换，所以一般會(huì)設(shè)置一個(gè)連接保活的機(jī)制骤铃，即在一段時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)拉岁，主動(dòng)發(fā)送一個(gè)NAT能感知到而又沒(méi)有實(shí)際數(shù)據(jù)的保活消息惰爬，這么做的主要目的就是重置NAT的會(huì)話(huà)定時(shí)器喊暖。
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其次，NAT在實(shí)現(xiàn)上將多個(gè)內(nèi)部主機(jī)發(fā)出的連接復(fù)用到一個(gè)IP上撕瞧，這就使依賴(lài)IP進(jìn)行主機(jī)跟蹤的機(jī)制都失效了陵叽。如網(wǎng)絡(luò)管理中需要的基于網(wǎng)絡(luò)流量分析的應(yīng)用無(wú)法跟蹤到終端用戶(hù)與流量的具體行為的關(guān)系〈园妫基于用戶(hù)行為的日志分析也變得困難巩掺，因?yàn)橐粋€(gè)IP被很多用戶(hù)共享，如果存在惡意的用戶(hù)行為页畦，很難定位到發(fā)起連接的那個(gè)主機(jī)胖替。即便有一些機(jī)制提供了在NAT網(wǎng)關(guān)上進(jìn)行連接跟蹤的方法，但是把這種變換關(guān)系接續(xù)起來(lái)也困難重重豫缨《懒睿基于IP的用戶(hù)授權(quán)不再可靠，因?yàn)閾碛幸粋€(gè)IP的不等于一個(gè)用戶(hù)或主機(jī)好芭。一個(gè)服務(wù)器也不能簡(jiǎn)單把同一IP的訪(fǎng)問(wèn)視作同一主機(jī)發(fā)起的燃箭，不能進(jìn)行關(guān)聯(lián)。有些服務(wù)器設(shè)置有連接限制舍败，同一時(shí)刻只接納來(lái)自一個(gè)IP的有限訪(fǎng)問(wèn)(有時(shí)是僅一個(gè)訪(fǎng)問(wèn))招狸，這會(huì)造成不同用戶(hù)之間的服務(wù)搶占和排隊(duì)碗硬。有時(shí)服務(wù)器端這樣做是出于DOS攻擊防護(hù)的考慮，因?yàn)橐粋€(gè)用戶(hù)正常情況下不應(yīng)該建立大量的連接請(qǐng)求瓢颅，過(guò)度使用服務(wù)資源被理解為攻擊行為。但是這在NAT存在時(shí)不能簡(jiǎn)單按照連接數(shù)判斷弛说。?
總之挽懦，缺點(diǎn)大概如下：
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無(wú)法進(jìn)行端到端的ip跟蹤（破壞了端對(duì)端通信的平等性）
很多應(yīng)用層協(xié)議無(wú)法識(shí)別（比如ftp協(xié)議 ）
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前面解釋了NAT的弊端，為了解決IP端到端應(yīng)用在NAT環(huán)境下遇到的問(wèn)題木人，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)者們創(chuàng)造了各種武器來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)信柿。但遺憾的是，這里每一種方法都不完美醒第，還需要在內(nèi)部主機(jī)渔嚷、應(yīng)用程序或者NAT網(wǎng)關(guān)上增加額外的處理。
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前面我們已經(jīng)介紹到了稠曼，NAT實(shí)現(xiàn)了對(duì)UDP或TCP報(bào)文頭中的的IP地址及端口轉(zhuǎn)換功能形病，但對(duì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)載荷中的字段無(wú)能為力（也就是凈載中的數(shù)據(jù)無(wú)法修改），在許多應(yīng)用層協(xié)議中霞幅，比如多媒體協(xié)議（H.323漠吻、SIP等）、FTP司恳、SQLNET等途乃，TCP/UDP載荷中帶有地址或者端口信息，這些內(nèi)容不能被NAT進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換扔傅，就可能導(dǎo)致問(wèn)題耍共。也就是說(shuō)，NAT只是將數(shù)據(jù)包的包頭的ip地址和端口號(hào)進(jìn)行了轉(zhuǎn)換猎塞，但是沒(méi)有對(duì)包內(nèi)數(shù)據(jù)中的ip地址和端口號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換于是我們開(kāi)始設(shè)想能不能使用一種行之有效的方法保證包頭的ip和端口號(hào)與包中數(shù)據(jù)里的Ip地址和端口號(hào)都轉(zhuǎn)化為公網(wǎng)的ip地址和端口號(hào)试读。
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對(duì)于ALG的實(shí)現(xiàn)機(jī)制還是不清楚，如果有懂的大佬邢享，推薦下書(shū)籍?
下面我們舉個(gè)FTP傳輸?shù)睦觼?lái)簡(jiǎn)單介紹一下ALG的實(shí)際應(yīng)用?
圖中私網(wǎng)側(cè)的主機(jī)要訪(fǎng)問(wèn)公網(wǎng)的FTP服務(wù)器鹏往。?
NAT設(shè)備上配置了私網(wǎng)地址192.168.1.2到公網(wǎng)地址8.8.8.11的映射，實(shí)現(xiàn)地址的NAT轉(zhuǎn)換骇塘，以支持私網(wǎng)主機(jī)對(duì)公網(wǎng)的訪(fǎng)問(wèn)伊履。組網(wǎng)中，若沒(méi)有ALG對(duì)報(bào)文載荷的處理款违，私網(wǎng)主機(jī)發(fā)送的PORT報(bào)文到達(dá)服務(wù)器端后唐瀑，服務(wù)器無(wú)法根據(jù)私網(wǎng)地址進(jìn)行尋址，也就無(wú)法建立正確的數(shù)據(jù)連接插爹。整個(gè)通信過(guò)程包括如下四個(gè)階段：
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(1) 私網(wǎng)主機(jī)和公網(wǎng)FTP服務(wù)器之間通過(guò)TCP三次握手成功建立控制連接哄辣。
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(2) 控制連接建立后请梢，私網(wǎng)主機(jī)向FTP服務(wù)器發(fā)送PORT報(bào)文，報(bào)文中攜帶私網(wǎng)主機(jī)指定的數(shù)據(jù)連接的目的地址和端口力穗，用于通知服務(wù)器使用該地址和端口和自己進(jìn)行數(shù)據(jù)連接毅弧。
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(3) PORT報(bào)文在經(jīng)過(guò)支持ALG特性的NAT設(shè)備時(shí)，報(bào)文載荷中的私網(wǎng)地址和端口會(huì)被轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的公網(wǎng)地址和端口当窗。即設(shè)備將收到的PORT報(bào)文載荷中的私網(wǎng)地址192.168.1.2轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)地址8.8.8.11够坐，端口1084轉(zhuǎn)換成12487。
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(4) 公網(wǎng)的FTP服務(wù)器收到PORT報(bào)文后崖面，解析其內(nèi)容元咙，并向私網(wǎng)主機(jī)發(fā)起數(shù)據(jù)連接，該數(shù)據(jù)連接的目的地址為8.8.8.11巫员，目的端口為12487（注意：一般情況下庶香，該報(bào)文源端口為20，但由于FTP協(xié)議沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定简识，有的服務(wù)器發(fā)出的數(shù)據(jù)連接源端口為大于1024的隨機(jī)端口赶掖，如本例采用的是wftpd服務(wù)器，采用的源端口為3004）财异。由于該目的地址是一個(gè)公網(wǎng)地址倘零，因此后續(xù)的數(shù)據(jù)連接就能夠成功建立，從而實(shí)現(xiàn)私網(wǎng)主機(jī)對(duì)公網(wǎng)服務(wù)器的訪(fǎng)問(wèn)戳寸。
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在知乎上看到過(guò)這樣一種言論呈驶，隨著ipV6技術(shù)的到來(lái)，NAT技術(shù)已經(jīng)不再需要了疫鹊。在我看來(lái)袖瞻，技術(shù)的革命一定是一步一步實(shí)現(xiàn)的，比如先是在局部地區(qū)使用IPV6拆吆，然后再逐步擴(kuò)大其規(guī)模聋迎，減少I(mǎi)Pv4的規(guī)模，所以NAT技術(shù)還是需要的枣耀。而且到了那個(gè)時(shí)候霉晕，網(wǎng)絡(luò)世界中會(huì)充斥著兩種地址ipV4和ipV6，這個(gè)時(shí)候更需要NAT技術(shù)了捞奕，因?yàn)镹AT的中文翻譯叫做網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換啊牺堰。所以學(xué)好這個(gè)知識(shí)點(diǎn)對(duì)于我們理解網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的。每到此時(shí)都會(huì)感慨颅围，學(xué)校學(xué)到的知識(shí)真的只是皮毛伟葫，但是卻是我現(xiàn)在所有知識(shí)的基礎(chǔ)。
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?原文:
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