NAT

网络地址转换（Network Address Translation，NAT）是网络层的功能，用于将私有的局域网地址转换为公共网络地址，实现多个局域网设备共享同一个公共IP地址，解决IPv4地址短缺的问题。

NAT功能通过NAT设备来实现，路由器大都内置了NAT的功能，防火墙设备也经常集成了NAT功能，某些高级交换机可能包含NAT功能，还有专门的NAT设备。

地址映射关系

NAT实现的核心是地址映射关系，NAT设备维护着内部设备和公共网络之间的地址映射关系表，记录了内部设备私有IP地址、端口与NAT设备公共IP地址、端口之间的对应关系。映射表的具体结构可能会因NAT实现方式的不同而有所差异。如下简化示例：

NAT转换过程中同时也中转和传输数据，传输过程依赖传输层协议（TCP/UDP）。

NAT实现类型

• 静态NAT（Static NAT）：网络管理员手动配置地址映射关系。这种方式映射是固定的，易于管理，但不够灵活，尤其是大型网络中。
• 动态NAT（Dynamic NAT）：NAT设备会动态地配置地址映射关系，映射表是动态变化的。当新的内部设备启动连接时，NAT设备会创建新的映射表项；当连接结束或超时时，映射表项会被删除或释放。
• PAT（Port Address Translation）：也称为NAPT（Network Address and Port Translation）。不仅进行IP地址的转换，还会转换端口号。多个内部设备共享同一个公共IP地址通过不同的端口号区分。
• Overloading： Overloading是PAT的一种实践方式。它使用端口号来区分不同的内部设备，通过在不同的协议层（例如TCP、UDP）和方向上使用相同的端口号，实现多个内部设备与一个公共IP地址之间的映射。

NAT的过程

1. 内部设备发送数据包到NAT设备。
2. NAT设备检查地址映射关系（映射表），存在映射关系则进行地址转换，将内部设备的IP地址和端口替换为对应的公共IP地址和端口。如果不存在映射关系，则NAT设备会创建新的映射关系。
3. 经过地址转换后，NAT设备转发数据包到外部网络。
4. 外部网络收到NAT设备转发的数据包后响应，NAT设备根据响应的数据包和地址映射关系进行反向地址转换，将目标IP地址和端口还原为原始的内部设备的IP地址和端口，并将数据包回传给内部设备。

配置与规则

• 可指定NAT设备处理的协议类型，例如TCP、UDP或同时支持TCP和UDP。
• 配置用于动态NAT允许的公共IP地址范围。NAT设备将从这个范围中选择可用的公共IP地址。
• 为每个动态映射关系配置允许的公共端口范围。这是支持PAT或Overloading的基础。
• 可配置排除某些IP地址或端口不进行动态NAT。
• 配置NAT设备指定连接的超时时间（即映射关系保持有效的时间）。配置允许建立的最大动态映射关系数量。

NAT设备会根据以上配置与规则进行动态NAT，动态NAT功能通常与DHCP一起使用，更有效地分配和管理内部设备的IP地址和动态NAT的映射关系。

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）是一种网络协议，用于自动分配IP地址、子网掩码、默认网关等网络配置信息。