穿越NAT的迷雾：深入理解网络地址转换和NAT穿透，以及STUN、TURN、ICE的关系

NAT是什么?

NAT是Net Address Translation的缩写，即网络地址转换。

NAT部署在网络出口的位置，位于内网跟公网之间，是连接内网主机和公网的桥梁，双向流量都必须经过NAT，装有NAT软件的路由器叫NAT路由器，NAT路由器拥有公网IP。

你的家庭和办公网络环境大多是经过NAT路由中转的方式联网。这也意味着你在家PC通过WIFI联网，你在PC上通过命令行(ifconfig)查看到的IP地址(内网)，跟通过baidu查看到的IP地址(公网)，不一样，这也能证明你的PC处于NAT后面。

NAT解决什么问题?

NAT主要用来解决IPv4地址不够用的问题。

IPv4用32位表示网络地址，最大能表示2的32次方(2^32=40亿)个IP地址，但随着各种联网设备的快速增长，IPv4地址不够用了，IPv6又远水不解近渴，怎么办?NAT技术应运而生。

NAT是怎么工作的?

内网地址：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。

NAT后面的内网主机使用内网地址，也叫本地地址，是主机上内网上的标识。内网主机要跟公网通信，必须经过NAT中转，NAT会自动为经过的网络包做内外网地址转换(这也是NAT的含义)，公网地址是主机在互联网上的标识。

NAT原理：内网主机向外网主机发送的网络包，在经过NAT时，IP和PORT会被替换为NAT为该主机分配的外网IP/PORT，也就是该内网主机在NAT上的出口IP/PORT，外网主机收到该网络包后，会视该网络包是从NAT发送的;外网主机只能通过NAT为该内网主机分配的外网IP/PORT，向它发送网络包，内网主机的本地地址对外界不可见，网络包在经过NAT的时候，会被NAT做外网IP/PORT到内网IP/PORT的转换。

可见，NAT维护内网主机内网地址和在NAT上为它分配的外网地址之间的映射关系，需要维护一张关联表。NAT在两个传输方向上做两次地址转化，出方向做源(Src)信息替换，入方向做目的(Dst)信息替换，内外网地址转换是在NAT上自动完成的。NAT网关的存在对通信双方是透明的。

那NAT是如何缓解IPv4地址枯竭问题的呢?答案是端口多路复用，通过PAT(Port Address Translation)，让NAT背后的多台内网主机共享一个外网IP，最大限度节省外网IP资源。

NAT背后的多台内网主机是如何实现共享一个外网IP的呢?它是通过修改外出数据包的源IP和端口。

假设内网主机H1和H2位于NAT之后，H1通过本地地址10.0.0.1:port1给公网主机X发送数据包，在经过NAT的时候，该数据包的IP:PORT被修改为NAT的外网地址1.2.3.4:2222。

H2通过本地地址10.0.0.2:port2向公网主机X发送数据包，在经过NAT的时候，该数据包的ip:port被修改为NAT的外网1.2.3.4:3333。

虽然H1和H2的IP都被映射到了相同的NAT外网IP(1.2.3.4)，但NAT为它们分配了不同的端口(2222和3333)，所以可以通过端口区分H1和H2。之后公网主机X向内网主机H1发送网络包的时候，只需要把1.2.3.4:2222作为目标地址:端口，就可以由NAT自动完成转换，正确转交到H1主机。

这便是基于端口复用的NAT方式(NPAT)的工作原理。通过将内网不同连接(主机到NAT)映射到同一公网IP的不同端口，从而实现公网IP的复用和解复用，这种一对多的方式也叫做端口转换PAT或IP伪装。

NAT的约束

NAT把网络分为公网和内网，内网主机可以给外网主机直接发送网络包，而外网主机却不能主动给内网主机发送网络包，也就是说网络通信必须由内网侧主动发起，公网主机不能主动访问内网主机，这是NAT带来的限制和约束。

内网主机主动给外网主机发送过网络包之后，外网主机才有可能给内网主机发送网络包。

NAT的类型

NAT的实现方式分静态转换、动态转换和端口多路复用三种，但目前用的最多的还是端口多路复用，是最典型的一种应用模式。

首先，从大的层面上，端口复用型NAT(Net Address Port Translation)可以分为对称型NAT和非对称型NAT。

• 对称型NAT(Symmetric NAT)，内网某主机向公网的不同网络地址(或端口)发送2个不同的网络包，对称型NAT会为这2个不同的网络包产生2个不同出口端口号。换言之，NAT网关会把内部主机“地址端口对”和外部主机“地址端口对”完全相同的报文看作一个连接，在NAT网关上创建一个公网“地址端口对”作为出口地址，只有收到报文的外部主机从对应的端口对发送回应的报文，才能被转换。对称型NAT无法打洞，只能通过TURN Server转发。
• 非对称型NAT(也叫锥型NAT)，内网某主机向外网主机发送网络包，NAT会为该内网主机生成一个公网(出口)IP:PORT，之后，不管该内网主机会通过该出口IP:PORT跟外网所有(如果可以)主机通信，而不会被映射到其他端口(出口IP显然也不会变)。

锥型NAT细分：

• Full Cone NAT(全锥型NAT)：只要内网某主机给外网地址主动发送过一个网络包(NAT会为之生成公网出口IP:PORT)，外网任何主机都可以通过该内网主机在NAT上的出口IP:PORT，向该内网主机发送网络包，也就是对外网主机IP和PORT都不设限，这是最宽松的类型。
• Restricted Cone NAT(IP受限型NAT)：如果内网某主机，给外网某IP发送过一个网络包，则外网可以通过该IP向该内网主机发送网络包，注意，只要以该IP作为网络包src ip就行，其他IP作为src不行，不限制端口号。

（编辑：青岛站长网）

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