408 计算机网络

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NAT 网络地址转换 ​

考情分析 ​

NAT 是选择题中偶尔出现的考点，通常考查 NAT 的基本功能、私有地址范围、NAPT 的端口映射机制等。不涉及复杂计算。

考频：★★☆

私有地址 ​

IPv4 地址资源有限（232≈43 亿），全球每台设备都分配一个公网 IP 根本不够用。于是 RFC 1918 规定了三个私有地址范围，供内部网络自由使用：

类别地址范围网段数
A 类10.0.0.0 ~ 10.255.255.2551 个 A 类网
B 类172.16.0.0 ~ 172.31.255.25516 个 B 类网
C 类192.168.0.0 ~ 192.168.255.255256 个 C 类网

私有地址的特点：

  • 只在内部网络使用，不会出现在公网上
  • 不同组织可以使用相同的私有地址，互不影响
  • 路由器不转发目的地址为私有地址的数据报

NAT 的基本原理 ​

NAT（Network Address Translation）安装在内网与外网的边界路由器上，负责在数据报经过时替换 IP 地址。

基本 NAT（一对一） ​

最简单的 NAT 就是维护一张转换表，将内部私有 IP 和外部公网 IP 一一映射。

内网主机 → NAT路由器 → 公网
192.168.1.10 → 替换为 203.0.113.5 → 发出

发送方向： 将数据报的源 IP 从私有地址替换为公网地址

接收方向： 将数据报的目的 IP 从公网地址替换回私有地址

问题是：基本 NAT 要求公网 IP 和内网主机一一对应。如果内网有 100 台主机同时上网，就需要 100 个公网 IP，没有节约地址。

NAPT（网络地址与端口转换） ​

NAPT（Network Address Port Translation）在替换 IP 的同时还替换端口号，从而实现多台内网主机共享一个公网 IP。

内网:                NAT转换表:                   公网:
192.168.1.10:3000 → 203.0.113.5:40001          → 服务器
192.168.1.20:3000 → 203.0.113.5:40002          → 服务器
192.168.1.30:4000 → 203.0.113.5:40003          → 服务器

三台内网主机使用同一个公网 IP（203.0.113.5），通过不同的端口号区分。端口号有 65535 个可用，所以一个公网 IP 理论上可以支撑大量内网主机同时上网。

实际上我们平时说的"NAT"，绑大多数情况下指的就是 NAPT。

NAT 转换表 ​

NAT 路由器维护一张转换表，记录了每条连接的映射关系：

内网地址内网端口公网地址公网端口协议
192.168.1.103000203.0.113.540001TCP
192.168.1.203000203.0.113.540002TCP
192.168.1.304000203.0.113.540003UDP

转换过程：

NAT 的问题 ​

NAT 虽然有效缓解了 IPv4 地址不足的问题，但也带来了一些副作用：

1. 破坏了端到端通信模型

外部主机无法主动向 NAT 后面的内网主机发起连接（因为不知道内网主机的地址和端口映射）。P2P 应用、VoIP、在线游戏等都受此影响。

2. NAT 路由器需要检查和修改传输层信息

NAT 不仅修改 IP 首部，还要修改 TCP/UDP 首部的端口号，甚至要重新计算校验和。这违反了网络层次结构的封装原则——网络层设备不应该去看传输层的内容。

3. 依赖于传输层协议

NAPT 依赖端口号来区分连接，但有些协议（如 ICMP）没有端口号的概念，NAT 处理起来比较麻烦。

4. 增加了网络复杂性

NAT 引入了状态（转换表），路由器变得有状态了，增加了故障排查的难度。

NAT 穿透 ​

为了解决 NAT 后面的主机无法被外部访问的问题，出现了一些 NAT 穿透技术：

  • UPnP：允许内网应用自动在 NAT 上配置端口映射
  • STUN：通过外部服务器帮助内网主机发现自己的公网地址和端口
  • 中继（TURN）：通过第三方服务器转发数据

这些内容 408 基本不考，了解即可。

易错点 ​

1. NAT 修改的是 IP 地址，NAPT 还额外修改端口号

基本 NAT 只改 IP，一对一映射；NAPT 同时改 IP 和端口号，多对一映射。

2. 私有地址的三个范围要记住

10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16。选择题可能给一个 IP 问是否属于私有地址。

3. NAT 路由器要重新计算校验和

修改了 IP 首部就要重算 IP 首部校验和；修改了端口号就要重算 TCP/UDP 校验和。

4. NAT 不等于防火墙

NAT 隐藏了内网结构，有一定的安全作用，但它本身不是安全设备。

高频考点清单 ​

  • 三段私有地址范围：10.x / 172.16~31.x / 192.168.x
  • NAT 的功能：私有地址和公网地址的转换
  • NAPT 通过端口号实现多对一映射
  • NAT 破坏端到端通信模型
  • NAT 修改 IP 地址（和端口号），需要重新计算校验和

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