等着我舒冬放声大哭:NAT地址转换概念分析与应用设置技巧

随着Internet的迅速发展，连接Internet的主机数量飞速增长，IP地址短缺与Internet发展的矛盾日益严重。那么，如何有效解决目前IP地址短缺的问题呢？人们提出了许多解决的方案，NAT（Network Address Translation 网络地址转换）技术提供了一种完全将内部网络和Internet网隔离的方法，让内部网络中的计算机通过少数几个甚至一个IP（已申请的一个公网IP）访问Internet资源，从而节省了IP地址，并得到广泛的应用。

NAT简介及发展的需要

　　NAT的功能就是指在一个网络内部根据需要，不需要经过申请而可以自定义的合法的IP地址。在网络内部，各计算机间通过内部的IP地址进行通讯，而当内部的计算机要与外部Internet网络进行通讯时，具有NAT功能的设备负责将其内部的IP地址转换为合法的IP（经过申请的IP）地址进行通信。
    

图1、NAT工作原理图

　　由于最初设计Internet的时候只考虑到政府、军事、教育等方面的应用而没有考虑到如今互联网会商业化和民用化等大型规模发展，因而Internet使用的Ipv4协议中IP地址的长度选择了32位。中国互联网络信息中心(CNNIC)最新报告显示，现在通用的IPv4只能提供43亿个地址，根据全球互联网的发展速度，有限的IPv4地址将在2010年前后消耗殆尽。然而即将出现的IPv6被视作为解决Internet不断发展的长期解决方案。
　　
　　但是IPv6产业的发展和应用需要经历确定技术标准、试验、探讨应用模式、大规模部署、试用、普及应用等六个阶段，而目前全球IPv6网络仅处于试验阶段。为了解决全球互联网地址枯竭的这种潜在危机，NAT在这期间可以作为一个比较完善的临时过度和补充，可以说是IPv4地址短缺的“福音”。
　　
　　从理论上来讲，借助NAT技术可以实现利用一个合法的IP地址连接几百台、甚至几百万台内部网络地址主机。可以有效的减少IP地址的使用，节省大量的IP地址资源，缓解IPv4地址的不足问题，有利IPv6的发展。

NAT技术的应用

    NAT包括有静态NAT、动态地址NAT和端口多路复用地址转换三种技术类型。静态NAT是把内部网络中的每个主机地址永久映射成外部网络中的某个合法地址；动态地址NAT是采用把外部网络中的一系列合法地址使用动态分配的方法映射到内部网络；端口多路复用地址转换是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。根据不同的需要，选择相应的NAT技术类型。

　　由1994年NAT技术问世以来，NAT技术很快在企业LAN领域得到广泛应用。目前，NAT技术主要用于连接和安全方面。目前企业内部网络用户数量大，而能申请的合法的全球唯一IP地址有限。NAT能够有效的解决企业IP地址短缺问题，利用NAT技术能够实现多个用户共同使用一个合法的IP地址连接互联网。而另一种需要出于安全方面来考虑，在一定程度上防范网络攻击的发生。企业期望隐藏LAN内部网络结构，NAT可以将内部LAN与外部Internet隔离，使外部网络用户无法了解通过NAT设置的内部IP地址。
　　
　　NAT技术在企业中都采取两种技术类型结合应用，比较好的还是和端口复用地址转换。结合起来的技术如：端口复用地址转换、TCP/UDP端口NAT映射、静态地址转换+端口复用地址转换、动态地址转换+端口复用地址转换。

    如果ISP提供的合法IP地址数量较多，当然可以采用静态地址转换+端口复用动态地址转换技术得以完美实现。然而，如果只获得1个合法IP地址，虽然可以采用端口复用地址转换技术，实现整个网络的Internet接入。但是，由于服务器也采用动态端口，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？当然，这就是TCP/UDP端口NAT映射。既然只有一个可用的合法IP地址，当然采用端口复用方式来实现NAT。不过，由于同时有要求网络内部的服务器要被Internet访问到，因此必须采用PAT创建TCP/UDP端口的NAT映射。
　　
　　我们知道，不同应用程序使用TCP/UDP端口是不同的，例如，WEB服务器使用80、    FTP服务使用21、SMTP服务使用25、POP3服务使用110等。由于每种应用服务器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。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的访问。
　　
　　根据企业的网络环境利用TCP/UDP端口映射的应用，如企业网络采用1000Mbps光纤接入Internet。路由器选用拥有2个10/100/1000Mbps自适应端口的Cisco2821。内部网络使用的IP地址段为192.168.1.1～192.168.1.254（根据内部网络规模而定），局域网端口Ethernet 0 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202.99.16.128～202.99.160.135，子网掩码为255.255.255.248，连接ISP的端口Ethernet 1的IP地址为211.82.220.129，子网掩码为255.255.255.252，可用于转换IP地址为211.82.220.130。可以配置相同类型的多个服务器，如多个WEB服务器，多个E-mail服务器等。

    具体配置文件如下：
　　Interface fastethernet 0/0
　　  Ip address 192.168.100.1 255.255.255.0
　　!—－定义本地端口IP地址
　　  Ip nat inside
　　!—－定义为本地端口
　　Interface fastethernet 0/1
　　  Ip address 202.99.160.129 255.255.255.252
　　!—－定义广域网端口IP地址
　　  Ip nat outside
　　!—－定义为广域网端口
　　Access-list 1 permit 192.168.100.0 0.0.0.255
　　!—－定义本地访问列表
　　Ip nat pool multiip 202.99.160.130 202.99.160.134 netmask 255.255.255.248
　　!—－定义multiip地址池的IP范围
　　Ip nat inside source list 1 mullitip overload
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.11 80 202.99.16.130 80
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.12 80 202.99.16.131 80
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.13 80 202.99.16.132 80
　　!—－将80端口映射为192.168.1.11～13的80端口（WEB1-3）
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.14 21 202.99.16.130 21
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.15 21 202.99.16.131 21
　　!—－将21端口映射为192.168.1.14～15的21端口（FTP1-2）
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.16 25 202.99.16.133 25
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.16 110 202.99.16.133 110
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.17 25 202.99.16.134 25
　　Ip nat inside source static tcp 192.168.1.17 110 202.99.16.134 110
　　!—－将25和110端口映射为192.168.1.16～17的25和110端口（mail1-2）
　　
　　在企业中因根据具体的网络环境与条件选择相应的组合方式。在许多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。该选择动态地址转换+端口复用地址转换。在很多时候，服务器即为企业内部客户提供网络服务，同时又要为Internet中的用户提供访问服务，选择静态地址转换+端口复用地址转换是一种比较好的方案。当ISP只提供一个合法IP地址，网络又没有特殊需要，使用端口复用地址转换技术，既能节省了IP地址的同时，又可有效的保护网络内部计算机。

    除了在连接和隐藏方面的应用，NAT设备能实现负载平衡。DNS系列服务器群中多个IP地址公用一个域名，由于IP客户端会缓冲DNS/IP地址解析，从而使其后续申请延迟达到同一个IP地址，在一定程度上减弱了DNS系列服务器的作用。而基于NAT的负载平衡方案，可以有效的避免这类问题。NAT设备是把需要负载的平衡的多个IP地址翻译成一个公用的IP地址，每个TCP连接被NAT送到一个IP地址，使后续的TCP连接被NAT送到下一个IP地址来实现真正的负载平衡。除此之外，NAT技术能够在用户更改ISP时避免了对内部网络进行重新编址，同时减少用户网络接入的费用等问题。
NAT技术潜在的管理和安全的威胁

　　在NAT应用中，从外网表面上看来是直接与NAT设备通信。当内部网络的数据包被发送到NAT设备的IP地址上，NAT设备将目的数据包头地址由自己的一个合法IP地址变成真正的目的主机的内部网络地址。理论上实现起来没有问题，但是实际中存在一些缺陷。然而NAT对多个专用网络的合并和组合时，NAT系统不支持多层嵌套，从网络管理方面加大了难度。

　　许多Internet协议和应用依赖于真正的端到端网络，数据包要求在没有修改情况下从源地址发往目的地址。像IP安全架构不能跨NAT设备使用，由于IP源地址发出的数据包采用了数字签名，如果改变源地址数字签名就会失效。在数据加密和数字签名上存在着安全隐患。NAT技术能够隐藏内部网络，但是攻击者获得对NAT设备的控制，并认为是内部连接的请求而被允许，它可以任意授权身份对网络进行访问，这时候网络将变得非常脆弱。

　　NAT设备的放置位置也是影响内部网络安全的一个问题。由于NAT会改变信源和信宿地址，如NAT设备和防火墙的位置，放在防火墙保护的一侧，防火墙将不得不负责NAT设备的安全规则，同时对内部的信源或信宿地址也不能确定。如果放在防火墙的另一侧，外部网络攻击者有可能伪装成内部的合法授权用户对网络的访问或攻击。在使用IP安全协议的虚拟专用网中对NAT设备的放置位置也是一个考验，如果放在虚拟专用网的保护一侧，NAT需要改动IP报头的地址，然而IP安全协议中的报头源地址是不能改变的，改变了将不能确定源报头的出处，失去了IP安全协议中的安全机制。NAT技术的管理与网络的安全是密切相关的，由于NAT设备小的疏忽而造成网络安全威胁。

    总结

　　NAT技术无可否认是在IPv4地址资源的短缺时候起到了缓解作用；在减少用户申请ISP服务的花费和提供比较完善的负载平衡功能等方面带来了不少好处。但是在IPv4地址在以后几年将会枯竭，NAT技术不能改变IP地址空间不足的本质。然而在安全机制上也潜在着威胁，在配置和管理上也是一个挑战。如果要从根本上解决IP地址资源的问题，IPv6才是最根本之路。在IPv4转换到IPv6的过程中，NAT技术确实是一个不错的选择，相对其他的方案优势也非常明显。