淺析NAT的類型

2019-11-03 09:00:46

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供稿：網(wǎng)友

何寶宏

　　摘要　介紹了四種典型的NAT類型和兩種典型的傳統(tǒng)NAT類型。

　　關(guān)鍵詞　NAT　NATP　類型

　　一、引言　　

　　RFCl631以及相關(guān)RFC定義的網(wǎng)絡(luò)地址翻譯器(NAT)是一種將ip地址從一個編址域(realm)映射到另外一個編址域的方法，如最典型的應(yīng)用是把RFCl918定義的私有IP地址映射到Internet所使用的公有IP地址。雖然NAT技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但它是一把雙刃劍，在帶來節(jié)省IPv4地址空間等好處的同時，破壞了Internet最基本的“端到端的透明性”的設(shè)計理念，增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，阻礙了業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。　　

　　IETF一直主張利用IPv6技術(shù)解決地址短缺問題，因此IETF雖然出版了幾個與NAT相關(guān)的RFC，但對NAT技術(shù)(尤其是穿越問題)一直沒有系統(tǒng)的標準化工作，如SIP和Mobile IP就是NAT出現(xiàn)后設(shè)計的一些協(xié)議，都未考慮到NAT的穿越問題。最近，業(yè)界意識到Internet在短期內(nèi)不可能過渡到IPv6，IPv4和IPv6將長期并存，NAT以及NAT-PT(NAT-協(xié)議翻譯)將繼續(xù)得到長期應(yīng)用，因此NAT相關(guān)問題開始引起了IETF和ITU-T等相關(guān)國際標準化組織的關(guān)注。中國通信標準化協(xié)會IP與多媒體工作委員會也正在積極參與ITU-TSGl6組的相關(guān)活動，加緊制定中國的多媒體業(yè)務(wù)NAT穿越標準。本文介紹NAT穿越問題的重要組成部分：NAT的類型。

　　二、NAT的類型　　

　　從功能上看，主要有以下幾種典型的NAT(RFC2663)(見圖1)：

圖1　NAT的類型　　

　　1.傳統(tǒng)NAT(Traditional NAT) 　　

　　在多數(shù)情況下，傳統(tǒng)NAT允許位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主機(采用RFCl918地址)透明地訪問外部網(wǎng)絡(luò)中的主機，把從外部網(wǎng)絡(luò)到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的訪問作為一種特例，為事先選擇好的特定內(nèi)部主機做靜態(tài)地址映射。外部網(wǎng)絡(luò)中主機的IP地址在外部網(wǎng)絡(luò)以及內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中是惟一的和有效的，但內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機的IP地址只有在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中才是惟一的，在外部網(wǎng)絡(luò)中不一定有效。換言之，NAT不會向外部編址域通告內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的地址，但有可能向內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通告外部網(wǎng)絡(luò)的地址。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用的地址一定不能與外部網(wǎng)絡(luò)的地址重疊，任何一個地址是一個內(nèi)部地址或外部地址，不能同時是內(nèi)部和外部地址。　　

　　有關(guān)傳統(tǒng)NAT的詳細描述見RFCl631和RFC3022。傳統(tǒng)NAT包括基本NAT和NAPT兩大類。　　

　　(1)基本NAT 　　

　　NAT擁有多個公開IP地址，當位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主機向外部主機發(fā)起會話請求時，把內(nèi)部地址翻譯成全球惟一的公開IP地址。對于從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中外出的IP包，翻譯源IP地址以及相關(guān)的字段，如IP/TCP/UDP/ICMP頭校驗和。對于進入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP包，翻譯目的IP地址以及與上面所羅列的相關(guān)字段。如果內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中主機的數(shù)目不大于NAT所擁有的公開IP地址的數(shù)目，則可以保證每個內(nèi)部地址都可以映射到一個公開的IP地址，否則允許同時連接到外部網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部主機的數(shù)目會受到NAT公開IP地址數(shù)量的限制。可以使用靜態(tài)映射的方式，把特定內(nèi)部主機映射為一個特定的全球惟一的地址，保證了外部對內(nèi)部主機的訪問。一個內(nèi)部主機可以利用相同的地址映射同時發(fā)起多個會話。　　

　　(2)NAPT 　　

　　NAPT（網(wǎng)絡(luò)地址端口翻譯）把“基本NAT”翻譯的概念延伸了一步，翻譯地址的同時也翻譯傳輸層標志(如TCP/UDP的端口號，ICMP的查詢ID)，從而把多個內(nèi)部主機的傳輸層標志復(fù)用為一個惟一的外部地址。NAPT使得一組主機可以共享一個惟一的外部地址。在實際使用中可以把NAPT和基本NAT結(jié)合起來，將一組外部地址與端口翻譯關(guān)聯(lián)起來。　　

　　對于從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向外的訪問請求，NAPT翻譯源IP地址、源傳輸層標志以及相關(guān)的字段，如IP，TCP，UDP和ICMP頭校驗和。對于進入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的包，翻譯目的IP地址、目的傳輸層標志以及IP層和傳輸層頭校驗和。傳輸層標志可以是TCP/UDP端口號或ICMP查詢ID中的任意一種。　　

　　2.雙向NAT(Bi-directionaINAT，Two-WayNAT) 　　

　　當使用雙向NAT(Bi-directionaINAT或Two-WayNAT)時，可以從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起會話請求，也可以從外部網(wǎng)絡(luò)向內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)發(fā)起會話請求。當在外出或進入任何一個方向上建立連接時，把內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址靜態(tài)或動態(tài)綁定到全局惟一的地址上。這里假設(shè)位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)之間的名字空間(FQDN，F(xiàn)ully Qualified Domain Names)是端到端惟一的，因為只有這樣才能夠使得位于外部編址域的主機利用域名系統(tǒng)(DNS)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主機。在雙向NAT上必須部署DNS-ALG(DNS應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，DNS-application Level Gateway)，以處理名字到地址的映射。當一個DNS包需要穿越內(nèi)部和外部編址域時，DNS-ALG必須能夠?qū)NS查詢和響應(yīng)消息中的內(nèi)部地址翻譯成外部地址，或把外部地址翻譯成內(nèi)部地址。　　

　　3.兩次NAT(Twice NAT) 　　

　　兩次NAT是NAT的一個變種，它同時修改源和目的地址。這與前面的傳統(tǒng)NAT和雙向NAT(BiDirectional)都不同，前面的兩種NAT只翻譯源或者目的地址(端口)。　　

　　兩次NAT在內(nèi)部編址域和外部編址域存在沖突時非常有用。典型例子之一是當一個站點(不恰當?shù)?使用已分配給其它機構(gòu)的公開IP地址對其內(nèi)部主機進行編址時；例子之二是當一個站點從一家運營商換到另外一家運營商，同時希望(在內(nèi)部)保留前一家運營商分配的地址時(而前一家運營商可能會在一段時間后將這些地址重新分配給其它人使用)。在這些情況下，非常關(guān)鍵的一點就是外部網(wǎng)絡(luò)的主機可能會分配得到以前已分配給內(nèi)部主機的同一地址。如果該地址碰巧出現(xiàn)在某個包中，則應(yīng)該將它轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部主機，而不是通過NAT轉(zhuǎn)發(fā)給外部編址域。兩次NAT通過同時翻譯IP包的源和目的地址，試圖橋接這些編址域，解決了地址沖突的問題。　　

　　4.多宿主NAT(Multihomed NAT) 　　

　　使用NAT會帶來很多問題(RFC2993)。比如，NAT設(shè)備要為經(jīng)過它的會話維護狀態(tài)信息，而一個會話的請求和響應(yīng)必須通過同一NAT設(shè)備做路由，因此通常要求允許NAT末梢域邊界路由器必須是惟一的，所有的IP包要么發(fā)起，要么終結(jié)在該域。但這種配置將NAT設(shè)備變成了可能的單點故障點。　　

　　為了讓一個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)能夠在某個NAT鏈路故障的情況下，也可以保持與外部網(wǎng)絡(luò)的連通性，通常希望內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)到相同或不同的ISP具有多條連接(多宿主的)，希望經(jīng)過相同或不同的NAT設(shè)備。　　

　　又如，多個NAT設(shè)備或多條鏈路使用同一NAT，共享相同的NAT配置能夠為相互之間提供故障備份。在這種情況下，有必要讓備份NAT設(shè)備交換狀態(tài)信息，以便當主NAT出現(xiàn)故障時，備份NAT能夠擔負起透明地保持會話的能力。

　　三、傳統(tǒng)NAT的類型　　

　　目前，市場上使用最多的是傳統(tǒng)NAT設(shè)備，尤其是NAPT設(shè)備。傳統(tǒng)NAT(內(nèi)部地址，端口)與(內(nèi)部地址，端口)的映射方式主要有以下幾種典型類型(RFC3489)(見圖2)：

圖2　傳統(tǒng)NAI的類型　　

　　1.克隆NAT(CloneNAT) 　　

　　當在(私有IP，私有端口)與(公開IP.公開端口)已經(jīng)建立了一個端口映射表后，克隆NAT將為隨后從相同的私有地址和端口號發(fā)起的呼叫重復(fù)使用該映射，條件是只要使用映射(有時業(yè)叫綁定)的會話至少有一個繼續(xù)保持激活狀態(tài)。　　

　　從圖3可以看出，客戶A分別從相同的內(nèi)部地址和端口號(10.0.0.1：1234)同時發(fā)起兩個會話請求到服務(wù)器1和服務(wù)器2，因為這兩個請求來自相同的內(nèi)部地址和端口，所以克隆NAT將為這兩個不同的會話請求分配相同的公開端點號(100.100. 100. 100：62000)，以保證客戶A的“身份”能夠在經(jīng)過翻譯后仍然保持一致。NAT和防火墻不翻譯端口號，因此也是克隆方式的NAT。根據(jù)克隆時受到的限制大小，又可以把克隆NAT分為以下三種：

圖3　克隆NAT　　

　　(1)全克隆(Full Cone) 　　

　　首先，把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口的請求映射到相同的外部1P地址和端口。其次，任何一個外部主機通過把一個TP包發(fā)送給已得到映射的外部IP地址的方式，都能夠把該包發(fā)送給該內(nèi)部主機。　　

　　(2)限制性克隆(Restricted Cone) 　　

　　把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口號的請求映射到相同的外部IP地址和端口。與全克隆NAT方式不同，只有當內(nèi)部主機以前曾經(jīng)給IP地址為x的外部主機發(fā)送過一個包時，IP地址為x的該外部主機才能夠把一個IP包發(fā)送給該內(nèi)部主機。　　

　　(3)端口限制性克隆(Port Restricted Cone) 　　

　　端口限制性克隆與限制性克隆類似，只是限制中多了端口號。特別是，一個外部主機可以發(fā)送一個源IP地址和源端口號分別為(x，P)的IP包給外部主機，只有當內(nèi)部主機以前曾經(jīng)給IP地址為x，端口號為P的外部主機發(fā)送過一個包時，IP地址為X的該外部主機才能夠把一個源端口號為P的IP包發(fā)送給該內(nèi)部主機。　　

　　2.對稱NAT 　　

　　對稱式NAT(symmetric NAT)是指把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口號，到特定目的1P地址和端口號的請求映射到相同的外部TP地址和端口。如果同一主機使用不同的源地址和端口對，發(fā)送的目的地址不同，則使用不同的映射。只有收到了一個IP包的外部主機才能夠向該內(nèi)部主機發(fā)送回一個UDP包。對稱式的NAT不保證所有會話中的(私有地址，私有端口)和(公開IP，公開端口)之間綁定的一致性。相反，它為每個新的會話分配一個新的端口號。　　

　　從圖4可以看出，假如客戶A分別從相同的內(nèi)部地址和端口號(10.0.0.1：1234)同時發(fā)起兩個會話請求到服務(wù)器1和服務(wù)器2，對稱NAT可能會為這兩個來自相同地點的會話請求分配不相同的公開端點號，如把100 100. 100.100：62000分配給會話1，把100 100. 100.100：62001分配給會話2。因為這兩個會話的有一個端點不同，所以雖然在翻譯的過程中客戶A的身份發(fā)生了變化，但NAT仍然能夠正確工作。