详解NAT - Cisco及华为网络技术

详解NAT
NAT是CCNA更新后加入的知识点之一，其内容及注意事项，现总结如下：
IP地址耗尽促成了CIDR的开发，但CIDR开发的主要目的是为了有效的使用现有的internet地址。而同时根据RFC 1631（IP Network Address Translator）开发的NAT却可以在多重的internet子网中使用相同的IP，用来减少注册IP地址的使用。
NAT技术使得一个私有网络可以通过internet注册IP连接到外部世界，位于inside网络和outside网络中的NAT路由器在发送数据包之前，负责把内部IP翻译成外部合法地址。内部网络的主机不可能同时于外部网络通信，所以只有一部分内部地址需要翻译。
NAT的翻译可以采取静态翻译（static translation）和动态翻译（dynamic translation）两种。静态翻译将内部地址和外部地址一对一对应。当NAT需要确认哪个地址需要翻译，翻译时采用哪个地址pool时，就使用了动态翻译。采用portmultiplexing技术，或改变外出数据的源port技术可以将多个内部IP地址影射到同一个外部地址，这就是PAT（port address translator）。
当影射一个外部IP到内部地址时，可以利用TCP的load distribution技术。使用这个特征时，内部主机基于round-robin机制，将外部进来的新连接定向到不同的主机上去。注意：load distributiong只有在影射外部地址到内部的时候才有效。
NAT使用的几种情况：
a、连接到internet，但却没有足够的合法地址分配给内部主机。
b、更改到一个需要重新分配地址的ISP。
c、有相同的IP地址的两个internat合并。
d、想支持负载均衡（主机）。
采用NAT后，一个最主要的改变就是你失去了端对端IP的traceability，也就是说，从此你不能再经过NAT使用ping和traceroute，其次就是曾经的一些IP对IP的程序不再可以正常运行，潜在的不易被观察到的缺点就是增加了网络延时。
NAT可以支持大部分IP协议，但有几个协议需要注意，首先tftp，rlogin,rsh,rcp和ipmulticast都被NAT支持，其次就是bootp，snmp和路由表更新全部给拒绝了。
NAT的几个相关概念：
Inside Local IP address:   指定于内部网络的主机地址，全局唯一，但为私有地址。
Inside Global IP address:  代表一个或更多内部IP到外部世界的合法IP。
Outside Global IP address: 外部网络主机的合法IP。
Outside Local IP address:  外部网络的主机地址，看起来是内部网络的，私有地址。
Simple Translation Entry:  影射IP到另一个地址的Entry。
Extended Translation Entry:影射IP地址和端口到另一个pair的Entry。
采用NAT，可以实现以下几个功能：
a、Translation inside local addresses
b、Overloading inside global addresses
c、TCP load distribution
d、Handing overlapping networks
下面我们一一叙述它们的工作原理。
a、内部地址翻译（Translation inside local addresses)：
这是比较通用的一种方法，将内部IP一对一的翻译成外部地址。
在内部主机连接到外部网络时，当第一个数据包到达NAT路由器时，router检查它的NAT表，因为是NAT是静态配置的，故可以查询出来（simply entry），然后router将数据包的内部局部IP（源地址）更换成内部全局地址，再转发出去。外部主机接受到数据包用接受到的内部全局地址来响应，NAT接受到外部回来的数据包，再根据NAT表把地址翻译成内部局部IP，转发过去。
b、内部全局地址复用（overloading inside glogal addresses）
使用地址和端口pair将多个内部地址影射到比较少的外部地址。这也是所谓的PAT。和内部地址翻译一样，NAT router同样也负责查表和翻译内部IP地址，唯一的区别就是由于使用了overloading，router将复用同样的内部全局IP地址，并存储足够的信息以区分它和其他地址，这样查询出来的是extended entry。
NAT router和外部主机的通讯采用翻译过的内部全局地址，故同一般的通信没有差别，router到内部主机通讯时，同样要查NAT表。
c、TCP负载重分配（TCP load distributing）和以上两种操作不同，这是NAT由外到内的翻译，所以那种以为WEB server一定要放置到
NAT外部的说法是错误的。
工作原理：外部主机向虚拟主机（定义为内部全局地址）通讯，NAT router接受外部主机的请求并依据NAT表建立与内部主机的连接，把内部全局地址（目的地址）翻译成内部局部地址，并转发数据包到内部主机，内部主机接受包并作出响应。NAT router再使用内部局部地址和端口查询数据表，根据查询到的外部地址和端口做出响应。
此时，如果同一主机再做第二个连接，NAT router将根据NAT表将建立与另一虚拟主机的连接，并转发数据。
d、处理重叠网络。
这种方法主要用于两个intranet的互连，同样给我们处理两个重叠网络提供了方法。它的实现要求DNS server的支持（用于区别两个不同的主机）。
1、主机A要求向主机C建立连接，先象DNS server做地址查询。
2、NAT router截获DNS的响应，如果地址有重叠，将翻译返回的地址。它将创建一个simply entry把重叠的外部全局地址（目的地址）翻译成外部局部地址。
3、路由器转发DNS响应到主机A，它已经把主机C的地址（外部全局地址）翻译成外部局部地址。
4、当路由器接受到主机C的数据包时，它将建立内部局部、全局，外部全局、局部地址间的转换，主机A将由内部局部地址（源地址）翻译成内部全局地址，主机C将由外部全局地址（目的地址）翻译成外部局部地址。
5、主机C接受数据包并继续通讯。