NAT、NAPT（PAT）的基本概念和工作原理及区别

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近年来，随着 Internet 的迅猛发展，连入 Internet 的主机数量成倍增长。由于最初设计 Internet 的时候并没有考虑到需要支持这么大的规模，因而 Internet 使用的 Ipv4 协议中 IP 地址的长度选择了 32 位，它可以使 IP 包的格式很好地对齐；但是，目前 IP 地址的短缺已经成为 Internet 面临的最大问题之一。
为了解决 IP 地址短缺的问题，人们提出了许多解决方案，Internet 能够支持到新一代 IP 协议 Ipv6 的出台。在众多的解决方案中，网络地址转换 NAT（Network Address Translation）技术提供了一种完全将私有网和公共网隔离的方法，从而得到了广泛的应用。图 1 NAT 工作原理示意图 1 NAT 技术
NAT 技术的基本功能就是，用 1 个或几个 IP 地址来实现 1 个私有网中的所有主机和公共网中主机的 IP 通信。NAT 技术可为 TCP、UDP 以及 ICMP 数据包提供透明转发。
1.1 NAT 工作原理
NAT 的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的 IP 包经过 NAT 网关时，将 IP 包中的源 IP 或目的 IP 在私有 IP 和 NAT 的公共 IP 之间进行转换。

如图 1 所示，NAT 网关有 2 个网络端口，其中公共网络端口的 IP 地址是统一分配的公共 IP，为 202.204.65.2；私有网络端口的 IP 地址是保留地址，为 192.168.1.1。私有网中的主机 192.168.1.2 向公共网中的主机 166.111.80.200 发送了 1 个 IP 包（Des = 166.111.80.200, Src = 192.168.1.2）。当 IP 包经过 NAT 网关时，NAT 会将 IP 包的源 IP 转换为 NAT 的公共 IP 并转发到公共网，此时 IP 包（Des = 166.111.80.200，Src = 202.204.65.2）中已经不含任何私有网 IP 的信息。由于 IP 包的源 IP 已经被转换成 NAT 的公共 IP，响应的 IP 包（Des = 202.204.65.2, Src = 166.111.80.200）将被发送到 NAT。这时，NAT 会将 IP 包的目的 IP 转换成私有网中主机的 IP，然后将 IP 包（Des = 192.168.1.2，Src = 166.111.80.200）转发到私有网。对于通信双方而言，这种地址的转换过程是完全透明的。
1.2 NAPT 技术
由于 NAT 实现是私有 IP 和 NAT 的公共 IP 之间的转换，那么，私有网中同时与公共网进行通信的主机数量就受到 NAT 的公共 IP 地址数量的限制。为了克服这种限制，NAT 被进一步扩展到在进行 IP 地址转换的同时进行 Port 的转换，这就是网络地址端口转换 NAPT（Network Address Port Translation）技术。
NAPT 与 NAT 的区别在于，NAPT 不仅转换 IP 包中的 IP 地址，还对 IP 包中 TCP 和 UDP 的 Port 进行转换。这使得多台私有网主机利用 1 个 NAT 公共 IP 就可以同时和公共网进行通信。

如图 2 所示，私有网主机 192.168.1.2 要访问公共网中的 Http 服务器 166.111.80.200。首先，要建立 TCP 连接，假设分配的 TCP Port 是 1010，发送了 1 个 IP 包（Des = 166.111.80.200:80, Src = 192.168.1.2:1010）, 当 IP 包经过 NAT 网关时，NAT 会将 IP 包的源 IP 转换为 NAT 的公共 IP，同时将源 Port 转换为 NAT 动态分配的 1 个Port。然后，转发到公共网，此时 IP 包（Des = 166.111.80.200:80，Src = 202.204.65.2:2010）已经不含任何私有网 IP 和 Port 的信息。由于 IP包的源 IP 和 Port 已经被转换成 NAT 的公共 IP 和 Port，响应的 IP 包（Des = 202.204.65.2:, Src = 2010166.111.80.200:80）将被发送到 NAT。这时 NAT 会将 IP 包的目的 IP 转换成私有网主机的 IP，同时将目的 Port 转换为私有网主机的 Port，然后将 IP 包（Des = 192.168.1.2:1010，Src = 166.111.80.200:80）转发到私网。对于通信双方而言，这种 IP 地址和 Port 的转换是完全透明的。