NAT 协议详解（网络层）
应用场景
NAT 协议（Network Address Translation） 的应用场景如同它的名称——网络地址转换，应用于内部网到外部网的地址转换过程中。具体地说，在一个小的子网（局域网，Local Area Network，LAN）内，各主机使用的是同一个 LAN 下的 IP 地址，但在该 LAN 以外，在广域网（Wide Area Network，WAN）中，需要一个统一的 IP 地址来标识该 LAN 在整个 Internet 上的位置。
这个场景其实不难理解。随着一个个小型办公室、家庭办公室（Small Office, Home Office, SOHO）的出现，为了管理这些 SOHO，一个个子网被设计出来，从而在整个 Internet 中的主机数量将非常庞大。如果每个主机都有一个“绝对唯一”的 IP 地址，那么 IPv4 地址的表达能力可能很快达到上限（$2^{32}$）。因此，实际上，SOHO 子网中的 IP 地址是“相对的”，这在一定程度上也缓解了 IPv4 地址的分配压力。
SOHO 子网的“代理人”，也就是和外界的窗口，通常由路由器扮演。路由器的 LAN 一侧管理着一个小子网，而它的 WAN 接口才是真正参与到 Internet 中的接口，也就有一个“绝对唯一的地址”。NAT 协议，正是在 LAN 中的主机在与 LAN 外界通信时，起到了地址转换的关键作用。
什么是 NAT（网络地址转换）？
NAT（Network Address Translation）是网络层的一种技术，用于在网络边界将一个 IP 地址转换为另一个 IP 地址。它通常用于私有网络与公网之间的通信，解决了 IP 地址短缺和网络安全问题。
NAT 的工作原理
地址映射
NAT 设备（如路由器）维护一个地址映射表，将私有地址映射为公网地址。当内部设备访问外部网络时，NAT 会动态或静态地将源地址替换为公网地址。方向分流
- 出站流量：私有网络设备发起的请求会被替换为 NAT 设备的公网地址。
- 入站流量：外部网络的返回数据会根据映射表转发到正确的私有地址。
NAT 的主要类型
静态 NAT
- 特点：每个私有地址映射到固定的公网地址。
- 优点：适用于需要固定公网地址的设备（如服务器）。
- 缺点：需要大量公网地址，扩展性差。
动态 NAT
- 特点：私有地址从一个公网地址池中动态分配。
- 优点：节省公网地址，适用于流量动态的环境。
- 缺点：只能在有足够公网地址池的情况下使用。
端口地址转换（PAT，或称 NAT Overload）
- 特点：多个私有地址共享一个公网地址，通过端口号区分不同的流量。
- 优点：最节省公网地址，适用于大规模网络。
- 缺点：可能会有端口冲突，影响性能。
NAT 的优点
- 节省公网地址：通过复用公网地址，缓解 IPv4 地址不足的问题。
- 提高网络安全性：私有地址对外部网络不可见，减少直接攻击风险。
- 支持灵活拓扑：方便企业内部网络重组而不依赖公网地址变更。
NAT 的缺点
- 协议兼容性问题：一些基于 IP 地址的协议（如 IPsec）可能需要额外配置或不支持 NAT。
- 延迟增加：地址转换增加了处理时间，可能降低网络性能。
- 调试复杂性：流量被修改后，难以直接追踪和调试网络问题。
NAT 的典型应用场景
- 家庭或企业网络：通过一个公网地址，多个设备同时访问互联网。
- 服务器部署：通过静态 NAT 或端口转发，将公网流量引导至内网服务器。
- 混合云场景：在云环境中通过 NAT 实现内外网络通信。
总结
NAT 是网络层的关键技术，通过地址转换实现内网与公网的通信，广泛应用于网络连接和安全管理场景。但随着 IPv6 的普及，NAT 的重要性可能逐渐下降。