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NAT技术及其应用

作者：未知 来源：月光软件站 加入时间：2005-2-28　月光软件站
1.背景：
随着Internet的飞速发展，越来越多的用户加入到互联网的使用中。目前全球上网人数已经超过4亿，到2005年将达到10亿，2010年达到30亿。而目前的4.8亿移动电话用户到2003年也会猛增到10亿。
如此惊人的增长速度，使得网络本身的发展遇到了障碍，最主要的两个问题是：
一：路由表的快速增长。有数据表明，1990年，只有大约5000条路由被存放在路由表中，到1995年，这个数字达到了35,000，而2000年则达到了120,000条，而且这个数值会保持60%~100%的增长率。这使得大量的网络设备由于处理速度跟不上而很快被淘汰。
二： IP地址即将耗尽。现在广泛采用的IPv4设计于1981年，使用32位二进制数。从95年开始全球的IP地址以平均每年6000万~8000万的速度被消耗。直到目前，IPv4所提供的40亿个地址以被用去了一半。有专家预测，2005年，全球地址将全部用完。
面对这些问题，业界提供了大量的解决方案。对于路由表膨胀的问题，可以使用VLSM，CIDR等技术以及各种路由协议的特性来缓解。
而对于IP地址的耗尽问题，IPv6应该是最终的解决手段。但是，由于现有网络都是使用IPv4，几乎所有的现有设备都不支持IPv6，要升级设备需要大量的资金，而且改造整个网络也是一项浩大而且复杂的工程。同时，虽然亚太和欧洲地区的地址资源稀缺，但是美国拥有充沛的地址资源，所以很多大型美国厂商如cisco等并不急于推行IPv6。各种因素的作用，延缓了IPv6的实施。所以IPv6的全面实现还需要一段很长的时间。
这样，就需要一种过渡的解决手段，来暂时的解决IP地址耗尽的问题。
2.NAT技术的出现及简介
NAT（Network address translation）（RFC 1631中作出规定）作为这样一种过渡解决手段，可以用来减少对全球合法注册地址的需求。简单的说，NAT就是在内部专用网络中使用内部地址（不可路由），而当内部节点要与外界网络发生联系时，就在边缘路由器或者防火墙处，将内部地址替换成全局地址——合法地址（可路由），从而在外部公共网上正常使用。
这里需要解释一下，内部地址，是指在内部网络中分配给节点的私有IP地址，这个地址只能在内部网络中使用，不能被路由。虽然内部地址可以随机挑选，但是通常使用的是RFC 1918中定义的专用地址：10.0.0.0~10.255.255.255，172.16.0.0~172.16.255.255，192.168.0.0~192.168.255.255。全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC或者网络服务提供商分配的地址，对外代表一个或多个内部局部地址，是全球统一的可寻址的地址（可路由）。
NAT的主要作用是节约地址空间。在任一时刻，如果内部网络中只有少数节点与外界建立连接，那么就只有少数的内部地址需要被转化成全局地址，可以减少对合法地址的需求。同时，还可以使多个内部节点共享一个外部地址，使用端口进行区分(NAPT)，这样就能更有效的节约合法地址。
除了节约地址，NAT还能简化配置，增加网络规划的灵活性。使用NAT，可以在规划地址时有更大的灵活性，从而简化内部网的设计。另外，当两个有地址重叠的私有内部网要连接在一起时，可以使用NAT来防止地址冲突，而避免逐个改变节点的地址这个繁杂的工作。
NAT地址转换有两种主要类型：静态转换（Static Translation），动态转换（Dynamic Translations）。
静态转换是最简单的一种转换方式，它在NAT表中为每一个需要转换的内部地址创建了固定的转换条目，映射了唯一的全局地址。内部地址与全局地址一一对应。每当内部节点与外界通信时，内部地址就会转化为对应的全局地址。
动态转换，增加了网络管理的复杂性，但也提供了很大的灵活性。它将可用的全局地址地址集定义成NAT池（NAT pool）。对于要与外界进行通信的内部节点，如果还没有建立转换映射，边缘路由器或者防火墙将会动态的从NAT池中选择全局地址对内部地址进行转化。每个转换条目在连接建立时动态建立，而在连接终止时会被回收。这样，网络的灵活性大大增强了，所需要的全局地址进一步的减少。值得注意的是，当NAT池中的全局地址被全部占用以后，以后的地址转换的申请会被拒绝。这样会造成网络连通性的问题。所以应该使用超时操作选项来回收NAT池的全局地址。另外，由于每次的地址转换是动态的，所以同一个节点在不同的连接中的全局地址是不同的，这会使snmp的操作复杂化。
图1
端口地址转换（NAPT—Network address port translatin），是动态转换的一种变形。它可以使多个内部节点共享一个全局IP地址，而使用源和目的的TCP/UDP的端口号来区分NAT表中的转换条目及内部地址。这样，就更节省了地址空间。比如说，假设内部节点10.1.1.3，10.1.1.2都用源端口1723向外发送数据包。NAPT路由器把这两个内部地址都转换成全局地址192.168.2.2，而使用不同的源端口号：1492,1723。当接收方收到的源端口号为1492，则返回的数据包在边缘网关处，目的地址和端口被转换为10.1.1.3:1723；而接收到的源端口号为1723的，目的被映射到10.1.1.2:1723。
 图2
NAPT可以使整个局域网都使用一个IP地址来联入Internet，所以它常常用在小型办公室/家庭办公室（SOHO）中，作与外部公共网络的连接。
在以上的映射转换中，只使用了IP地址的转换条目被称为简单条目，而包含IP地址和TCP/UDP端口号的转换条目被称为扩展条目。
以上所有的地址转换功能，都是由防火墙或者边缘路由器（即连接内部网络和公用网络的路由器）完成的，而对于通信的各节点，无论是内部还是外部的，都是透明的。
那么NAT具体用在哪些地方呢？
外向的NAT，常常用在共享一个IP地址发出流向外部网络的数据流，而不接受外部网络向内部网络发出的连接请求的地方，比如多节点用户、远程的工作点、小型商业用户等。具体的说，就是通过ISDN、DSL（Digital subscriber Line）、cable modem连接的小型局域网。双向的静态NAT/NAPT常被安装有防火墙的大型企业使用。另外，当ISP的地址发生变化，如果企业不想改变自己的地址规划，也会用到NAT技术。
3.NAT在CISCO路由器上的基本配置
CISCO是全球领先的网络设备厂商和网络互联解决方案供应商，产品包括路由器、局域网和ATM交换机、拨号访问服务器和管理软件。
为了最大限度的利用用户的合法注册IP地址，CISCO网络产品的操作系统 IOS（互联网操作系统）在11.2以及以上的版本都全面支持NAT功能。
以下简要介绍在cisco路由器上进行NAT配置的基本命令。
一．静态转换：
当外出的数据包到达边缘网关时，从NAT表中查找相应的静态转换条目，检索出对应的全局地址，并替换数据包中的源地址（内部地址），而当外部的数据包要通过边缘网关的时候，目的地址（全局地址）被替换成相应的内部地址。（拓扑图见图1）
ip nat inside source static 10.1.1.2 192.168.2.3
! /*将内部地址转化为外部地址*/
interface e0 /*连接内部网的接口，使用ip nat inside 定义*/
ip address 10.1.1.9 255.255.255.0
ip nat inside
!
interface s0 /连接外部公用网的接口，使用ip nat outside定义*/
ip address 172.16.2.1 255.255.255.0
ip nat outside
二．动态转换
外出的数据包到达边缘网关的时候，首先检查NAT表，看是否已经建立映射。如果没有，则动态的从NAT池中映射一个全局地址，建立转换条目，并替换源地址。当连接终止时，转换条目被删除，全局地址被NAT池回收。（拓扑图见图2）
ip nat pool out 192.168.2.1 192.168.2.254 netmask 255.255.255.0
ip nat inside source list 1 pool out /*定义外部地址为NAT池"out"，并把内部地址映射到外部地址*/
!
interface e0
ip address 10.1.1.9 255.255.255.0
ip nat inside
!
interface s0
ip address 172.16.2.1 255.255.255.0
ip nat outside
!
access-list 1 permit 10.1.1.0 0.0.0.255 /*用标准访问列表来定义内部地址*/
三．端口地址转换实现共享外部地址
当数据包到达边缘网关时，首先检查NAT表，看是否已经建立转换条目。如果没有，并且已经存在其他的转换条目，在配置了端口地址转换的情况下，则会再次使用此全局地址，并保存足够信息（IP地址和端口号）。
在配置时，只需要在“ip nat inside source list nunber pool name"命令后面加上“overload"的关键字就行了。
四．对发向内部网络的数据实现TCP负载均衡
当内部节点共享一个IP地址时，在外部看来就是一台虚拟的主机。如果外部节点要与内部节点建立连接，那么边缘路由器会使用TCP负载均衡的功能。
当边缘路由器接收到外部的请求时，会从NAT表中检查上一次的转换条目，并为本次连接分配下面一个条目进行映射，使用下面一个内部地址。本次连接结束后，下一次的外部请求将会被分配到接下来的一个转换条目。（Round-Robin算法）
 图3
ip nat pool internal 10.1.1.1 10.1.1.3 prefix-length 23 type rotary /*关键字type rotary 说明使用TCP负载平衡*/
ip nat inside destination list 2 pool internal /*将虚拟主机地址转化成由"internal"池定义的内部地址*/
!
interface s0
ip address 192.168.1.129 255.255.255.224
ip nat outside
!
interface e0
ip address 10.1.1.254 255.255.255.0
ip nat inside
!
access-list 2 permit 10.1.1.127 /*用访问列表定义虚拟主机的地址——代表内部节点的全局地址*/
五．其他
清除NAT转换条目： clear ip nat translation *
验证NAT： show ip nat translations/statics
NAT排错： debug ip nat
4.在使用NAT时需要考虑到的问题：
首先，很明显，使用NAT地址转换会使路由器处理数据包延迟增大。路由器的CPU必须对每个数据包进行检查，对需要改变地址信息的数据包进行操作，因此会加大运行负载。同时，路由器要使用NAT技术，必须处于处理机交换（process swithing）的工作模式，可能会降低运行性能。
另一方面，NAT隐藏了端到端的ip地址，使得对数据包路径的跟踪变的比较困难。而且，正是由于这个原因，使得一些内嵌的ip地址在应用中会产生问题，比如ICMP协议，FTP，NBT，SNMP，DNS等。
还有，如果使用IPSec进行加密，则只能把NAT放在受保护的VPN内部，或者使用具有NAT功能的IPSec设备。因为IPSec规定ip地址不能被改变。如果改变了ip地址，就会破坏VPN的功能。如果确实需要对已用IPSec加密的数据进行地址改变，那就应该考虑使用RSIP技术作为代替了。
5.总结
总的来说，NAT带来了很大的优越性，可以节约地址空间、可以简化配置、使网络规划更灵活。但是，它对网络应用带来了一定的影响，也给网络管理带来了一定得复杂性，并且会潜在的影响网络安全性。所以在使用时一定要仔细的规划。

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