NAT在P2P通信中总结

Network4年前 (2020)更新 bruce
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内容纲要

IPv4地址有限资源,为了减缓IPv4资源消耗,诞生了网络地址转换-NAT。NAT技术为IPv4续命了20年,NAT这一意义重大的技术,竟然没有公认的发明者。NAT第一个版本的RFC作者,只是整理归纳了已被广泛采用的技术。

NAT在当代Internet中被广泛采用,小至家庭网关,大到企业广域网出口甚至运营商业务网络出口。其实NAT在用户身边随处可见,一般家庭宽带接入的ADSL Modem和SOHO路由器都内置了NAT功能,WindowsXP支持网络连接共享,一个用户连接到公网可能会经过多层NAT而对此一无所知。很多企业也为节约IP费用采用NAT接入Internet,但是相比家庭用户有更复杂的需求。

NAT网络地址转换

NAT名字很准确,网络地址转换,就是替换IP报文头部的地址信息。NAT通常部署在一个组织的网络出口位置,通过将内部网络IP地址替换为出口的IP地址提供公网可达性和上层协议的连接能力。

RFC1918规定了三个保留地址段落:10.0.0.0-10.255.255.255;172.16.0.0-172.31.255.255;192.168.0.0-192.168.255.255。这三个范围分别处于A,B,C类的地址段,不向特定的用户分配,被IANA作为私有地址保留。这些地址可以在任何组织或企业内部使用,和其他Internet地址的区别就是,仅能在内部使用,不能作为全球路由地址。

概括NAT处理报文特点

1)网络被分为私网和公网两个部分,NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置,双向流量必须都要经过NAT网关;
2)网络访问只能先由私网侧发起,公网无法主动访问私网主机;
3)NAT网关在两个访问方向上完成两次地址的转换或翻译,出方向做源信息替换,入方向做目的信息替换;
4)NAT网关的存在对通信双方是保持透明的;
5)NAT网关为了实现双向翻译的功能,需要维护一张关联表,把会话的信息保存下来。

其中第二个特点打破了IP协议架构中所有节点在通讯中的对等地位,这是NAT最大的弊端,为对等通讯带来了诸多问题,当然相应的克服手段也应运而生。事实上,第四点是NAT致力于达到的目标,但在很多情况下,NAT并没有做到,因为除了IP首部,上层通信协议经常在内部携带IP地址信息。这些我们稍后解释。

按照NAT端口映射方式分类

Full Cone NAT 完全锥形NAT
Restricted Cone NAT 限制锥形NAT
Port Restricted Cone NAT 端口限制锥形NAT,与限制锥形NAT很相似,只不过它包括端口号。
Symmetric NAT 对称NAT,所有从同一个内网IP和端口号发送到一个特定的目的IP和端口号的请求,都会被映射到同一个IP和端口号。

NAT面对的问题

  • NAT最大的弊端正在于此——破坏了IP端到端通信的能力
  • IP端口有限资源,NAT使IP会话的保持时效变短
  • NAT在实现上将多个内部主机发出的连接复用到一个IP上,这就使依赖IP进行主机跟踪的机制都失效了
  • NAT通过修改IP首部的信息变换通信的地址
  • NAT工作机制依赖于修改IP包头的信息,这会妨碍一些安全协议的工作

IPv6

IPv6吸取了IPv4的教训,被赋予充足地址空间的同时在各个方面做了优化——安全、高效、简洁。但是IPv6无法平滑地取代IPv4,导致IP升级步伐缓慢。尽管网络协议的分层设计很清晰,大量应用层协议和互联网软件中仍内嵌了IPv4地址的处理,要Internet全网升级到IPv6,必须先完成应用的改造。因为NAT和它的穿越技术结合能够满足大部分用户的需求,所以IPv6时代被不断推迟。

IPv4必须退出历史舞台。人们自然会认为,NAT作为IPv4的超级补丁技术使命已经完结。实际情况是,IPv4向IPv6过渡的阶段,NAT仍然是一项必不可少的技术手段。因为Internet无法在一日之内完成全网升级,必然是局部升级,逐渐替换。在两套协议并存的时期,用户和服务资源分布在不同网络之间,跨网访问的需求必须得到满足。这正是NAT所擅长的领域,地址替换,因此NAT-PT应运而生。由于IPv4和IPv6之间的差异,NAT要做的事比以往更复杂,有更多的限制和细节。

NAT仍有其独特的作用,比如隐藏内部网络的地址,实现重叠地址网络的合并等。领略IP领域更多细微但不高深的知识,理解NAT就是理解变换万千的应用世界。

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