1 IP地址概述和NAT概述
- 1.1 IP地址概述
- 1.2 NAT概述
2 NAT分类
- 2.1 静态NAT
- 2.2 动态NAT
- 2.3 PAT
- 2.4 静态PAT
3 相关NAT命令
- 3.1 定义内外网接口
- 3.2 配置PAT
- 3.3 配置静态端口映射
4 路由器工作原理归纳完善
- 4.1 对由内到内/外的数据帧：
- 4.2 对由外到内的数据帧：
5 归纳总结
参考文章

1 IP地址概述和NAT概述

1.1 IP地址概述

（1）ipv4地址使用现状：现在已严重不够用。仅ABC类可以用，D类是组播，E类是科研。IP地址的分类详见《IP地址详解及其相关概念》

（2）IP地址分为公网IP和私网IP。

1）公网IP仅能在公网上使用。
2）私网IP仅能在内网上使用。私有IP可以在不同的内网内重复使用。
3）为避免重复出现的私有IP冲突，公网上不允许出现私有IP地址。即公网的路由器不认识私有IP地址，不能对私有IP地址进行路由。

（3）私有IP地址范围，从原有ABC类中各抽出一部分作为私有IP地址。

1）10.0.0.0/8（10开头的），如10.1.1.1、10.10.1.254。
2）172.16.0.0/16~172.31.0.0/16（172.16开头的一直到172.31开头的），如172.31.100.200
3）192.168.0.0/16（192.168开头的），如192.168.100.100。

（4）公有IP地址，ABC类中除了私有IP地址以外的IP地址。

（5）静/动态公有IP地址：在运营商处购买的公网IP地址有静动态之分。对于需要搭配服务器供公网用户访问的公司，需要购买静态公用IP地址，因为动态IP地址刷新后会影响别人用ip地址对服务器的访问。

1.2 NAT概述

（1）NAT定义：Network Address Translations 网络地址转换。
（2）作用：NAT技术主要实现公私有IP地址转换。（解决ipv4地址不够用带来的不便）
（3）简介：主机在内网使用的是私有IP地址，IP包头封装时使用的是私有地址，那该数据帧怎么走出外网的呢？答案是在数据帧走到路由器上准备由内网发往外网时，将私有IP地址替换为公有IP地址再封装。
（4）配置位置：一般是在路由器或者防火墙上配置，不建议在三层交换机上配置。

2 NAT分类

在配置NAT前，需要首先定义内外网端口。

2.1 静态NAT

（1）在路由器接口上手动配置NAT地址转换表，一个私有IP对应一个公有IP地址。
（2）缺点：公司够买了多少个公有IP地址，内网就有多少个主机能上网，一一对应。

（3）当NAT转换表中没有对应条目时：当NAT转换表中有匹配项时，给数据包转换IP地址，没有时不给数据包转换IP地址，数据包直接上公网，当数据包没有被NAT转换为公网IP地址时，数据包有去无回，外在表现为上不了网。
（4）为什么不可以多个私网IP同时使用一个公网IP地址：若同时使用，当外网给公司路由器回包时，路由器做NAT转换时，不知道将该数据包的目标IP转换为哪个私网IP。

2.2 动态NAT

（1）NAT转换流程：

1）路由器上配置一个内部地址池（公司内部所有主机用到的私有IP）动态映射一个外部地址池（所购买的公有IP）。
2）当有一个内网主机访问外网时，路由器首先查看NAT地址转换表；
3）若无，则再查看是否配置了动态NAT映射，若配置，则将IP包头中的源IP与内部地址池进行匹配，若有匹配项，则将该内网IP从内部地址池中取出，同时取出外部地址池中的一个IP地址，动态形成NAT地址转换表。注意，外部地址池的公网IP地址取出后，外部地址池中将没有该公网IP了。
4）默认当该主机24小时没有联系外网时，该动态NAT条目会自动消失，所被取出的公私有地址重新回到地址池中。

（2）优点：相比于静态，不用手动修改NAT地址转换表。

（3）缺点：公有IP有多少个，就能允许多少个内网主机上网，用完即止。其他主机若想上网，只能等待。
（4）为什么不可以多个私网IP同时使用一个公网IP地址：若同时使用，当外网给公司路由器回包时，路由器做NAT转换时，不知道将该数据包的目标IP转换为哪个私网IP。

2.3 PAT

（1）定义：Port Address Translations，端口地址转换，也称为端口复用技术。
（2）在动态NAT基础上，增加overload复用技术。

（3）工作流程：

1）公司内网主机私有IP地址为IPA，公有IP地址为IPB，想要访问百度服务器公有地址IPC，内网主机访问百度网页时，随机生成源端口号5000，目标端口号为80，主机将信息封装成数据帧发送到路由器。
2）数据帧到达路由器后，路由器解封装数据帧后，首先查看NAT地址转换表；若无，则再查看是否配置了动态NAT映射，若配置，则将其源IP与内部地址池进行匹配，匹配后先动态生成NAT地址转换表。从内部地址池中将该IP地址复制到NAT转换表中、从外部地址池中将IP地址复制到NAT转换表中、从数据帧中复制源端口号到NAT转换表中、并由路由器动态生成一个端口号（一般从1开始，不可重复，当原条目消失后才能再次使用），所形成的NAT地址转换表如步骤7。
3）路由器替换掉数据包源IP和源端口号，封装后再将数据发送到外网。
4）路由器收到百度服务器回包时，路由器解封装数据帧，并检查NAT转换表，发现数据包中的目标IP是IPB、目标端口号是1，匹配表中条目。
5）路由器将数据包中目标地址和目标端口号替换掉，封装后再发给内网主机。
6）当内网有其他主机访问外网时，重复上述过程，依靠路由器自己动态生成的端口号区别各个条目。
7）上述工作过程在步骤2生成NAT地址转换表如下。

私有IP	公有IP	源端口号	动态端口
IPA	IPB	5000	1
IPX	IPB	8080	2

（4）动态生成NAT地址转换表只能是在数据帧由路由器发至外网的过程中生成，数据帧从外网发到内网只能使用该表。
（5）端口号范围：0~65535。
（6）弊端：每一个主机每一个进程都有可能占用一个端口号，每一个主机正常使用是估计约要占用50个端口号，也就是公司一个公用IP大概能供1000个人使用，对于规模更大的公司，需要多购买公用IP地址。
（7）适用情况：实现内网员工同时使用一个公网IP上网。

2.4 静态PAT

（1）背景：动态形成NAT地址转换表时，只有从内网往外发送数据包时，才能形成，而从外到内，只能使用该NAT地址转换表。那么当需要互联网公民可以访问公司服务器时，该怎么办？
（2）静态PAT也称为端口映射。
（3）意义：从数据帧流向上看，动态PAT技术解决了多个内网主机上网的问题；静态PAT解决了外网主机访问内网服务器的问题。
（4）对于公司而言，不建议将提供员工上网使用的公网IP地址与服务建立静态映射，建议另外购买一个公用IP地址，提供给各个服务器使用。如果同时有两个WEB服务，且不想改端口号，则需要继续新购买公用IP地址。
（5）虚拟公网IP地址：一般用来映射内网服务器的公网IP地址称为虚拟公网IP地址，即VIP地址。一般是购买企业级带宽的公用IP，运营商会赠送一部分VIP，用于公司映射服务器使用。
（6）虚拟公网IP地址的配置：假设公司路由器外网接口配置的IP地址是100.1.1.1，另外购买的100.1.1.2地址是用于映射内网服务器给外网用户使用的，此时，无需在路由器接口上另外配置该100.1.1.2IP地址，仅需在NAT地址转行表中添加该条目即可，运营商会对互联网路由器上的路由表进行配置，将公司购买的公网IP往公司路由器上指，公司路由器再根据NAT地址转换表发至内网设备上。
（7）例子：假设192.168.1.3~192.168.1.5都是公司的服务器，其中192.168.1.3和192.168.1.5都是WEB服务器，192.168.1.4是telnet服务器。若外网想访问公司的服务器时，需要在路由器上手工配置静态PAT。

3 相关NAT命令

3.1 定义内外网接口

根据路由器上接口的方向进行定义，假设路由器上f0/0接口连接的是内网，f0/1接口连接的是外网。

en
conf t
int f0/0
ip nat inside
exit
int f0/1
ip nat outside
exit

3.2 配置PAT

定义内部地址池。此处外部地址池不需要定义，因为外部地址池的公网IP只是外网接口的那个IP，当外部地址池还有其他公网IP用于供员工上网时，也需要定义外部地址池。

conf t#定义内部地址池
#ACL表应用于路由器接口上时是用于进行数据包过滤的，此时ACL运用在这只是应用于匹配条件是否满足
acc 1 permit 192.168.0.0 0.0.255.255    #网段与反子网掩码配合用于匹配私有IP地址是否属于该地址池#做PAT动态映射：
#inside source 表示来自内网的数据包的源IP地址
#"list 1"与“上述的acc 1”的表名需要一致。
#“对IP地址做NAT地址转换，凡是从内网来的数据包的源IP满足list 1这张表时，将源IP与“f0/1接口的IP地址”进行PAT动态映射，并启用overload（端口复用）技术。
ip nat inside source list 1 int f0/1 overload     #不同厂家不一样，这是思科的#查看NAT地址转换表
show ip nat translations
#清空NAT地址转换表
clear ip nat translations

3.3 配置静态端口映射

假设公司路由器外网接口配置的IP地址是100.1.1.1，另外购买的10.1.1.2地址是用于映射内网服务器，从而外网用户可以访问该服务器。此时，无需在路由器接口上另外配置该IP地址，仅需在NAT地址转换表中添加该条目即可，运营商会对互联网路由器上的路由表进行配置，将公司购买的公网IP往公司路由器上指，公司路由器再根据NAT地址转换表发至内网设备上。

conf t
ip nat inside source static 192.168.1.3 100.1.1.2 #将192.168.1.3整个服务器映射到100.1.1.2这个公网IP
ip nat inside source static tcp 192.168.1.3 80 100.1.1.2 80 #只映射TCP80端口号，将192.168.1.3的80端口映射成100.1.1.2的80端口

tips:
1）一般傻瓜式交换机也可以做端口映射。
2）若想发布一台服务器，需要购买静态公网IP。

4 路由器工作原理归纳完善

注意，做NAT地址转换始终是在外网接口上进行的。

4.1 对由内到内/外的数据帧：

（1）路由器内网接口收到数据帧；
（2）首先查看目标AMC地址是否是自己，是则解封装，否则丢弃；
（3）查看是否有ACL表对数据过滤，可正常通行后送至路由器内部；
（4）匹配路由表将数据包路由至目标接口；
（5）查看是否有ACL表对数据过滤，
（6）如果是路由到外网接口则需要先查看并匹配NAT地址转换表（配置了动态NAT映射后动态形成的NAT地址转换表和手工配置的静态NAT地址转换表），决定是否对源IP进行地址转换，（NAT和ACL哪个先？个人理解应该是NAT更接近外侧，即先ACL再NAT，暂未验证。）
（7）封装帧头帧尾后发出到下一跳。

4.2 对由外到内的数据帧：

（1）路由器外网接口收到数据帧，
（2）首先查看目标AMC地址是否是自己，是则解封装，否则丢弃，
（3）查看并匹配NAT地址转换表（配置了动态NAT映射后动态形成的NAT地址转换表和手工配置的静态NAT地址转换表），决定是否对目标IP进行地址转换，（NAT和ACL哪个先？个人理解应该是NAT更接近外侧，即先NAT再ACL，暂未验证。）
（4）查看是否有ACL表对数据过滤，可正常通行后送至路由器内部；
（5）匹配路由表将数据包路由至目标接口，
（6）查看是否有ACL表对数据过滤，
（7）封装帧头帧尾后发出到下一跳。

5 归纳总结

（1）了解IP地址分为公网IP和私网IP、私网IP地址有哪些。
（2）了解NAT技术应用的背景
（3）了解NAT技术的分类，掌握各自的原理。其中，内网员工需要多对一上网时，使用PAT技术，外网需要访问内网服务器时，使用静态端口映射技术。
（4）熟悉实现公网IP地址和私网IP地址之间转换的相关命令。
（5）深度理解路由器的工作原理。

参考文章

[1] 《NAT——实现公私有IP地址转换》
[2] 视频传送门

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