2022-04-09-NAT介绍

NAT是（Network Address Translation）的缩写。

还有个名字叫NAPT（Network Address Port Translation），NAPT既支持地址转换也支持端口转换，并允许多台内网主机共享一个外网IP地址访问外网，因此NAPT可以有效的改善IP地址短缺现象。

如果没有做特殊说明，本文档中的NAT均是指NAPT方式的NAT。

随着网络应用的增多，IPv4地址枯竭的问题越来越严重。尽管 IPv6 可以从根本上解决IPv4地址空间不足问题，但目前众多网络设备和网络应用大多是基于IPv4的，因此在IPv6广泛应用之前，使用一些过渡技术（如CIDR、私网地址等）是解决这个问题的主要方式，NAT就是这众多过渡技术中的一种。

当私网用户访问公网的报文到达网关设备后，如果网关设备上部署了NAT功能，设备会将收到的IP数据报文头中的IP地址转换为另一个IP地址，端口号转换为另一个端口号之后转发给公网。在这个过程中，设备可以用同一个公网地址来转换多个私网用户发过来的报文，并通过端口号来区分不同的私网用户，从而达到地址复用的目的。

早期的NAT是指Basic NAT，Basic NAT在技术上实现比较简单，只支持地址转换，不支持端口转换。因此，Basic NAT只能解决私网主机访问公网问题，无法解决IPv4地址短缺问题。后期的NAT主要是指网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation），NAPT既支持地址转换也支持端口转换，允许多台私网主机共享一个公网IP地址访问公网，因此NAPT才可以真正改善IP地址短缺问题。

Basic NAT方式只转换IP地址，不转换TCP/UDP协议的端口号，属于一对一的转换，一个外网IP地址只能被一个内网用户使用。[图1]描述了Basic NAT的基本原理。

Basic NAT实现过程如下：

NAPT方式既转换IP地址，也转换TCP/UDP协议的端口号，属于多对一的转换。NAPT通过使用“IP地址＋端口号”的形式，使多个内网用户共用一个外网IP地址访问外网，因此NAPT也可以称为“多对一地址转换”或“地址复用”。[图2]描述了NAPT的基本原理。

NAPT实现过程如下：

当VPC内的云主机需要访问公网，请求量大时，为了节省弹性公网IP资源并且避免云主机IP直接暴露在公网上，您可以使用公网NAT网关的SNAT功能。VPC中一个子网对应一条SNAT规则，一条SNAT规则可以配置多个弹性公网IP。公网NAT网关为您提供不同规格的连接数，根据业务规划，您可以通过创建多条SNAT规则，来实现共享弹性公网IP资源。

当VPC内的云主机需要面向公网提供服务时，可以使用公网NAT网关的DNAT功能。

DNAT功能绑定弹性公网IP，有两种映射方式（IP映射、端口映射）。可通过端口映射方式，当用户以指定的协议和端口访问该弹性公网IP时，公网NAT网关会将该请求转发到目标云主机实例的指定端口上。也可通过IP映射方式，为云主机配置了一个弹性公网IP，任何访问该弹性公网IP的请求都将转发到目标云主机实例上。使多个云主机共享弹性公网IP和带宽，精确的控制带宽资源。

一个云主机配置一条DNAT规则，如果有多个云主机需要为公网提供服务，可以通过配置多条DNAT规则来共享一个或多个弹性公网IP资源。

典型的P2P场景：

在[STUN]标准中，根据私网IP地址和端口到NAT出口的公网IP地址和端口的映射方式，把NAT分为如下四种类型，详见下图。

STUN中定义的NAT类型

STUN

ICE

我在从服务器收到的端口上添加了1，因为如果我支持两个对称NAT，那么增量是1端口也是如此 . 查看示例：

连接到服务器和NAT A向S发送包含以下内容的数据包：45.89.66.125：58000

B连接到服务器，NAT B向S发送包含以下内容的数据包：144.85.1.18：45000

S将B的信息发送给A，将A的信息发送给B.

现在，如果A向B发送此信息，NAT A将创建此 Map ：

INTERNAL_IP_A：58001-144.85.1.18：45001

对于此连接，NAT A应使用端口58001（最后一个端口1，它是对称NAT）

NAT B接收数据包但丢弃它 .

现在，如果B使用收到的信息向A发送数据包，NAT B将创建此映射：

INTERNAL_IP_B：45001-45.89.66.125：58001

现在NAT应该接受这个数据包，因为在它的表中有接收它的信息 .

先上一张比较有名的图：

（CONNTRACK），顾名思义，就是跟踪并且记录连接状态。Linux为每一个经过网络堆栈的数据包，生成一个新的连接记录项 （Connection entry）。此后，所有属于此连接的数据包都被唯一地分配给这个连接，并标识连接的状态。连接跟踪是防火墙模块的状态检测的基础，同时也是地址转换中实 现SNAT和DNAT的前提。

那么Netfilter又是如何生成连接记录项的呢？每一个数据，都有“来源”与“目的” 主机 ，发起连接的主机称为“来源”，响应“来源”的请求的主机即 为目的，所谓生成记录项，就是对每一个这样的连接的产生、传输及终止进行跟踪记录。由所有记录项产生的表，即称为连接跟踪表。

连接跟踪子系统跟踪已看到的所有数据包流，运行“sudo conntrack -L”以查看其内容：

每行显示一个连接跟踪条目。您可能会注意到，每行两次显示地址和端口号，甚至是反向的地址和端口对。这是因为每个条目两次插入到状态表中。第一个地址四元组（源地址和目标地址以及端口）是在原始方向上记录的地址，即发起方发送的地址。第二个四元组是conntrack希望在收到来自对等方的答复时看到的内容。这解决了两个问题：

如果NAT规则匹配（例如IP地址伪装），则将其记录在连接跟踪条目的答复部分中，然后可以自动将其应用于属于同一流的所有将来的数据包。

状态表中的查找将是成功的，即使它是对应用了任何形式的网络或端口地址转换的流的答复包。

原始的（第一个显示的）四元组永远不会改变：它是发起方发送的。NAT操作只会将回复（第二个）更改为四倍，因为这将是接收者看到的内容。对第一个四倍的更改将毫无意义：netfilter无法控制启动程序的状态，它只能影响数据包的接收/转发。当数据包未映射到现有条目时，conntrack可以为其添加新的状态条目。对于UDP，此操作会自动发生。对于TCP，conntrack可以配置为仅在TCP数据包设置了SYN位的情况下添加新条目。默认情况下，conntrack允许中流拾取不会对conntrack变为活动状态之前存在的流造成问题。

如上一节所述，列出的答复元组包含NAT信息。可以过滤输出以仅显示应用了源或目标nat的条目。这样可以查看在给定流中哪种类型的NAT转换处于活动状态。“sudo conntrack -L -p tcp –src-nat”可能显示以下内容：

此项显示从10.0.0.10:5536到10.8.2.12:80的连接。但是，与前面的示例不同，答复方向不仅是原始的反向方向：源地址已更改。目标主机（10.8.2.12）将答复数据包发送到192.168.1.2，而不是10.0.0.10。每当10.0.0.10发送另一个数据包时，具有此条目的路由器将源地址替换为192.168.1.2。当10.8.2.12发送答复时，它将目的地更改回10.0.0.10。此源NAT是由于nft假装规则所致：

inet nat postrouting meta oifname "veth0" masquerade

其他类型的NAT规则，例如“dnat to”或“redirect to”，将以类似的方式显示，其回复元组的目的地不同于原始的。

conntrack记帐和时间戳记是两个有用的扩展。“sudo sysctl net.netfilter.nf_conntrack_acct=1”使每个流的“sudo conntrack -L”跟踪字节和数据包计数器。

“sudo sysctl net.netfilter.nf_conntrack_timestamp=1”记录每个连接的“开始时间戳”。然后，“sudo conntrack -L”显示自第一次看到流以来经过的秒数。添加“–output ktimestamp”也可以查看绝对开始日期。

您可以将条目添加到状态表。例如：

conntrackd将此用于状态复制。活动防火墙的条目将复制到备用系统。这样，备用系统就可以接管而不会中断连接，即使建立的流量也是如此。Conntrack还可以存储与网上发送的数据包数据无关的元数据，例如conntrack标记和连接跟踪标签。使用“update”（-U）选项更改它们：

sudo conntrack -U -m 42 -p tcp

这会将所有tcp流的connmark更改为42。

在某些情况下，您想从状态表中删除条目。例如，对NAT规则的更改不会影响属于表中流的数据包。对于寿命长的UDP会话（例如像VXLAN这样的隧道协议），删除条目可能很有意义，这样新的NAT转换才能生效。通过“sudo conntrack -D”删除条目，然后删除地址和端口信息的可选列表。下面的示例从表中删除给定的条目：

云场景下的NAT的基本原理没有大的变化。但要考虑租户隔离与租户运维等问题。

VPC及VPC下的子网网段是用用户自管理的，因此就要解决在一个设备上为多个可能地址重叠的租户提供NAT能力。因此我们使用了vxlan隧道技术来解决这个问题。

云计算中，为了解决租户隔离的问题，一般每个用户子网都会对应分配一个vni(vxlan net identity)。

因此我们可以用vni来标识不同vpc下的nat实例。

华为云NAT介绍

https://support.huaweicloud.com/productdesc-natgateway/zh-cn_topic_0086739762.html

我举个简单的例子，你用电信网络并且使用路由器，那获得公网IP的是路由器，而下面的电脑手机获得的是局域网内网IP，这种共用公网IP对电脑其实影响并不大。移动和这种模式类似，其实影响移动网络的并不是所谓的nat而是服务器资源，从网站角度来讲开个网站和我们用户一样也要拉宽带，如果只选用了电信宽带，那这个网站资源是电信的，你联通移动用户要能正常打开必须通过租用电信的共享带宽中转才能进，这种需要靠中转来打开明显影响了网络速度，有时甚至打不开。而网站要使得不受这种情况影响唯一的办法就是采用三线同时接入服务器让各自用户走各自自己的线路不受跨网访问的影响，当然费用要比普通的高很多，所以对延迟要求较高的游戏公司也不愿意多花钱搞这种。移动宽带慢主要是网站都不用移动线路导致的，并不是什么nat造成的，因为网站用哪家线路选择权在网站手上。三家运营商技术，设备，线路都是差不多的关键还是服务器资源。

在阿里云中购买服务器，可以免费自建专有网络VPC，就可以将购买的服务器放在一个网段中，成为互通的内网，加快内网中服务器的访问速度。但是专有网络中不是每一台服务器都有公网IP和带宽的，在访问服务器时，我们可以通过nginx，负载均衡等来实现对内网服务器的访问。但反过来，内网服务器要访问外网，就需要有NAT网关，但是阿里云的NAT网关是需要额外花钱购买共享带宽的，也就是专有网络中的服务器可以用购买的共享带宽来上网。但是，这要钱啊！

在我们已经购买了公网IP和带宽的情况下，就可以利用现有的公网ip和带宽，在专有网络内，自建NAT网关，实现专有网络内所有服务器的上网。

注意：在阿里云的传统网络中，是不支持自建NAT网关的。只有在专有网络VPC中，才可以，但是VPC是免费创建的！免费！ 很好，都不要钱。

下面我们就记录介绍一下如何在阿里云的的VPC中，自建NAT网关，实现上网。另外，别的云服务，方法类似，可以借鉴参考。

进入专有网络VPC中，进入路由表，进入路由表管理界面，选择添加路由条目

按如下配置新添加的路由条目，选择有公网IP和带宽的ECS实例作为下一跳。

下面进入你刚才作为下一跳的ECS实例，按照如下进行操作配置

至此自建NAT网关成功，实现了内网主机通过这台机进行上网，而反向的访问，就可以使用nginx的反向代理进行实现

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