一、概述
NAT英文全称是“Network Address Translation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（Internet Protocol）地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术。NAT 可以让那些使用私有地址的内部网络连接到Internet或其它IP网络上。NAT路由器在将内部网络的数据包发送到公用网络时，在IP包的报头把私有地址转换成合法的IP地址。
RFC1918规定了三块专有的地址，作为私有的内部组网使用：
- A类：10.0.0.0—10.255.255.255 10.0.0.0/8
- B类：172.16.0.0—172.31.255.255 172.16.0.0/12
- C类：192.168.0.0—192.168.255.255 192.168.0.0/16
这三块私有地址本身是可路由的，只是公网上的路由器不会转发这三块私有地址的流量；当一个公司内部配置了这些私有地址后，内部的计算机在和外网通信时，公司的边界路由会通过NAT或者PAT技术，将内部的私有地址转换成外网IP，外部看到的源地址是公司边界路由转换过的公网IP地址，这在某种意义上也增加了内部网络的安全性。
Basic NAT是一种把一组IP地址映射成另一组IP地址的方法，映射的过程在IP中继设备上完成，对用户完全透明。NAPT则要复杂一些，它把许多（不能太多）IP地址连同TCP/UDP端口号映射到单独一个IP地址和端口号上。无论是Basic NAT还是NAPT都提供一种把内部的私有地址转换成在公网上可用的全球唯一IP地址的方法。
分类
NAT有三种类型：
- 静态NAT(Static NAT)（一对一）。将内部网络的私有IP地址转换为公有IP地址，IP地址对是一对一的，是一直不变的；
- 动态地址NAT(Pooled NAT)（多对多）。将内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址是不确定，随机的。所有被授权访问Internet的私有IP地址可随机转换为任何指定合法的IP地址。也就是说，只要指定哪些内部地址可以进行转换，以及用哪些合法地址作为外部地址时，就可以进行动态NAT转换。动态NAT是在路由器上配置一个外网IP地址池，当内部有计算机需要和外部通信时，就从地址池里动态的取出一个外网IP，并将他们的对应关系绑定到NAT表中，通信结束后，这个外网IP才被释放，可供其他内部IP地址转换使用，这个DHCP租约IP有相似之处。当ISP提供的合法IP地址略少于网络内部的计算机数量时。可以采用动态转换的方式。
- 网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）（Port-Level NAT）（多对一）。改变外出数据包的源端口并进行端口转换，采用端口多路复用方式。内部网络的所有主机均可共享一个合法外部IP地址实现对Internet的访问，可以最大限度地节约IP地址资源。同时，也可以隐藏网络内部的所有主机，有效避免来自Internet的攻击。因此，目前网络中应用最多的就是PAT规则。这是最常用的NAT技术，也是IPv4能够维持到今天的最重要的原因之一，它提供了一种多对一的方式，对多个内网IP地址，边界路由可以给他们分配一个外网IP，利用这个外网IP的不同端口和外部进行通信。NAPT 与 动态NAT 不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的端口号。
NAPT是使用最普遍的一种转换方式，在HomeGW中也主要使用该方式。它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。
- 源NAT（Source NAT，SNAT）：修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址，它永远会在数据包发送到网络之前完成，数据包伪装就是一具SNAT的例子。
- 目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改数据包的目的地址。Destination NAT刚好与SNAT相反，它是改变第一个数据懈的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是属于DNAT。
对于网络地址转换技术来讲，最重要的一点是，在配置 NAT 的路由器上形成了 NAT 转换表，这个转换表的形成是非常关键的。配置 NAT 后，能形成正确的转换表，那么我们的工作就算成功了。
NAT的三个方向：
NAT 在outside口生效，所有在inside口需要先路由,在outside口先nat。
- ip nat inside source:
将内部局部地址转换为内部全局地址;数据方向inside->outside,在outside上执行转换;
- ip nat inside destination:
将内部全局地址转换为内部局部地址;数据方向outside->inside,在outside上执行转换
- ip nat outside source:
将外部全局地址转换为外部局部地址;数据方向outside->inside,在outside上执行转换;
NAT的应用分类：
ip nat source：
（1） 静态 nat的映射：永远一个ip对应另外一个ip。
ip nat inside source static A.B.C.D A.B.C.D
（2） 动态 nat的映射：每次一个IP会对应另外一个公网的IP；
ip nat inside source list 2 pool qing
（3） 动态PAT映射：pool里面只有一个IP。
ip nat inside source list 2 pool qing overload
（4） 静态PAT映射：
ip nat inside source list 3 interface fastEthernet 0/0 overload
ip nat inside destination:
tcp负载均衡，外网主动发起流量访问内网服务器。只用动态，没有静态。
ip nat inside destination list 10 pool feng ip nat outside source:
当两端同时做nat既inside和outside需要同时翻译并出现地址冲突的时候需要用outside source和其他同时命令同时实现。
Cisco路由器配置3中NAT的主要命令： 静态NAT： 1、指定NAT内部接口 在内网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat inside 2、指定NAT外部接口 在外网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat outside 3、在内部本地地址与内部全局地址之间建立静态地址转换关系： ip nat insde source static 内部本地地址 内部全局地址 动态地址NAT：
- 指定NAT内部接口 在内网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat inside 2. 指定NAT外部接口 在外网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat outside 3. 在全局配置模式下，定义一个标准的access-list规则，声明允许哪些内部本地地址可以进行动态地址转换： access-list list-number permit 源地址 通配符 其中，list-number为1－99之间的一个任意整数。 4. 在全局配置模式下，定义内部全局地址池： ip nat pool 地址池名 起始IP地址 终止IP地址 netmask 子网掩码 其中，地址池名可以任意设定，但最好有一定的说明意义。 5. 在全局配置模式下，定义符合先前定义的access-list规则的IP数据包与先前定义的地址池中的IP地址进行转换： ip nat inside source list list-number pool 内部全局地址池名
网络地址端口转换NAPT： 1. 指定NAT内部接口 在内网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat inside 2. 指定NAT外部接口 在外网相应接口的接口配置模式下执行：ip nat outside 3. 在全局配置模式下，定义内部全局地址池： ip nat pool 地址池名 起始IP地址 终止IP地址 netmask 子网掩码 其中，地址池名可以任意设定，但最好有一定的说明意义。 4. 在全局配置模式下，定义一个标准的access-list规则，声明允许哪些内部本地地址可以进行复用地址转换： access-list list-number permit 源地址 通配符 其中，list-number为1－99之间的一个任意整数。 5. 在全局配置模式下，定义符合先前定义的access-list规则的IP数据包与先前定义的地址池中的IP地址进行复用地址转换： ip nat inside source list list-number pool 内部全局地址池名 overload
二、工作原理
了解原理之前先了解下NAT 术语。
在配置了 NAT 的路由器上，可以把整个网络分成两部分：内部网络 和 外部网络。
NAT 技术中有四个术语：
- 内部本地地址（Inside Local）：内网中设备所使用的IP地址
- 内部全局地址（Inside Global）：对于外部网络来说，局域网内部主机所表现的 IP 地址。
- 外部本地地址（Outside Local）：外部网络主机的真实地址。
- 外部全局地址（Outside Global）：对于内部网络来说，外部网络主机所表现的 IP 地址。外网设备所使用的真正的地址。
local 、global 是相对于端口状态说的，local是inside部分可以被路由的，global是outside部分可以被路由的。
网络地址转换常常和代理服务搞混，但是它们之间有明确的不同。NAT 对源和目的计算机都是透明的。没有任何一方会意识到它正在和第三方设备打交道。但是代理服务却不是透明的。源计算机知道它正向代理服务器发起一个请求，而且你还必须进行配置才能这样做。目的计算机会认为代理服务器就是与它直接通信的源计算机。还有，代理服务通常工作在 OSI 参考模型的第 4 层 (传输层) 或更高，而 NAT 工作在第 3 层 (网络层)。由于代理服务工作在更高层，所以通常它将比 NAT 要慢。
NAT 工作在 OSI 参考模型的网络层 (第3层) 是有道理的，因为路由器就工作在这一层：
NAT 原理
NAT设备维护一个状态表，用来把非法的IP地址映射到合法的IP地址上去。每个包在NAT设备中都被翻译成正确的IP地址，发往下一级，这意味着给处理器带来了一定的负担。但对于一般的网络来说，这种负担是微不足道的。在运行NAT的路由器中，当数据包被传送时，NAT可以转换数据包的IP地址和TCP/UDP数据包的端口号。设置NAT功能的路由器至少要有一个Inside（内部）端口和一个Outside（外部）端口。内部端口连接内网的用户，外部端口一般连接到Internet。当IP数据包离开内部网络时，NAT负责将内网IP源地址（通常是专用地址）转换为合法的公共IP地址。当IP数据包进入内网时，NAT将合法的公共IP目的地址转换为内网的IP源地址。
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。
当内部网络中的一台主机想传输数据到外部网络时，它先将数据包传输到NAT路由器上，路由器检查数据包的报头，获取该数据包的源IP信息，并从它的NAT映射表中找出与该IP匹配的转换条目，用所选用的内部全局地址（全球唯一的IP地址）来替换内部局部地址，并转发数据包。
当外部网络对内部主机进行应答时，数据包被送到NAT路由器上，路由器接收到目的地址为内部全局地址的数据包后，它将用内部全局地址通过NAT映射表查找出内部局部地址，然后将数据包的目的地址替换成内部局部地址，并将数据包转发到内部主机。
其实主要就是 修改 IP 数据包中的源 IP 地址，或目的 IP 地址。主要目的是把 RFC1918所提议的私有地址转变成在 Internet 上可路由的公有合法地址。对于某些有限的应用（如 DNS、 FTP 等），它也可以修改 IP 数据包有效载荷中的地址。由于应用的复杂性， NAT 目前支持的应用有限，当然，如果需要，完全可以针对新的应用做相应的开发工作。
总体来说，NAT进行地址转换的过程就是“本地地址”与“全局地址”之间的转换过程，无论数据包是从内部网络发往外部网络，还是从外部网络发往内部网络。不同的只是本地地址和全局地址所对应的网络不同，以及数据包重新封装的源和目的地址不同。具体如图所示。
NAT基本地址转换原理
这个过程是通过NAT中的本地址与全局地址映射条目来实现的，所以事先要在NAT路由器上配置这样的映射条目。
NAT中的转换方式:
- 从内网中设备上发出的IP包是以“inside local address”作为源地址，以“outside local address”作为目的地址。当数据包到达NAT设备的“inside”接口后，地址分别被翻译成“inside global address”和“outside global address”并从“outside”接口送出。
- 外网设备上发出的IP包以“outside global address”作为源地址，以“inside global address”作为目的地址。当数据包到达NAT设备的“outside”接口后，地址分别被翻译成“outside local address”和“inside local address”并从“inside”接口送出。
当内部网络用户访问外部网络时，所进行的是“内部本地地址”和“内部全局地址”之间的转换。
在NAT路由器接收到来自内部网络主机发送的数据包时，其源IP地址（SA）为“内部本地地址”，目的IP地址（DA）为“外部本地地址”。当数据包被转发到外部网络时，数据包的源IP地址（SA）就会转变为“内部全局地址”，而目的IP地址（DA）被转变为“外部全局地址”。也就是把数据包的所有源IP地址（SA）和目的IP地址（DA）全部由本地地址转换为全局地址。如图6-9上部分数据包IP地址转换示意图。
相反，当外部网络用户访问内部网络时，所进行的是“外部本地地址”和“外部全局地址”之间的转换。
在NAT路由器接收到来自外部网络主机发送的数据包时，其源IP地址（SA）就是“外部全局地址”，目的IP地址（DA）就是“内部全局地址”。相当于由内部网络向外部网络发送数据包时数据包中的源IP地址（SA）和目的IP地址（DA）的互换。而当数据包被路由器转发到本地网络时，源IP地址（SA）被转变为“外部本地地址”，目的IP地址（DA）被转变为“内部本地地址”，也相当于由内部网络向外部网络发送数据包时数据包中的源IP地址（SA）和目的IP地址（DA）的互换。如图6-9下部分数据包IP地址转换示意图
NAT基本IP地址转换原理
以上是从总体上介绍NAT的IP地址转换原理的，实际NAT应用有时并不需要对源IP地址和IP地址进行全面替换，仅需要对源IP地址或者仅需要对目的IP地址进行转换即可达到所需的目的。下面予以介绍。
内部地址NAT转换原理
多数情况下使用NAT的目的就是为了使内部网络中的多个用户能使用一个注册IP地址访问外部网络，所以仅需要配置内部地址NAT转换。即通过ip nat inside source命令实现“内部本地地址”到“内部全局地址”之间的转换（既可以采用静态NAT方式实现，也可以采取动态NAT方式实现），只需要定义内部本地址与内部本局地址的映射。
一个简单的NAT转换示例
这是一个简单的NAT转换示例。要实现以下目的：当NAT路由器的内部网络s0接口上接收到一个源地址为内部本地地址10.10.10.1，目的IP地址为外部本地地址171.16.68.1的数据包时，在转发到s1接口时，原来数据包源地址的内部本地地址10.10.10.1被转换成内部全局地址171.16.68.5，但目的地址不变，然后继续发送。在这个过程中，所进行的只是数据包中源IP地址的转换，由内部本地地址向内部全局地址转换，且只是内部地址之间的转换。
相反，当在NAT路由器的外部网络接口s1上接收源地址为172.16.68.1外部本地地址，目的地址为内部全局地址172.16.68.5的外部服务器响应数据包时，目的地址将被转换成10.10.10.1这个内部本地地址，然后继续发送。在这个过程中，所进行的只是数据包中目的IP地址的转换，由内部全局地址向内部本地地址转换，也只是内部地址之间的转换。
下面仅以静态NAT转换方式为例介绍内部地址转换的配置步骤，详细的NAT配置方法将在本章后面具体介绍。
（1）使用“ip nat inside source static”全局配置命令启用基于内部源IP地址的静态NAT IP地址转换。也就是定义内部本地地址和内部全局地址，使它们之间形成一一对应的映射关系。
代码语言：javascript复制Router(config)#ip nat inside source static 10.10.10.1 171.16.68.5
!--- 在内部本地地址10.10.10.1与内部全局地址171.16.68.5之间建立静态NAT映射关系，使内部网络主机知道要以171.16.68.5这个地址到达外部网络主机（2）使用以下两条语句配置路由器的s0为NAT的内部网络接口。
代码语言：javascript复制Router(config)#interface s0 !--- 进入s0串口配置模式
Router(config-if)#ip nat inside !--- 把s0串口指定为内部网络接口（3）使用以下两条语句配置路由器的s1为NAT的外部网络接口。
代码语言：javascript复制Router(config)#interface s1 !--- 进入s1串口配置模式
Router(config-if)#ip nat outside !--- 把s1串口指定为外部网络接口（4）使用show ip nat translations特权模式命令验证上述进行的路由器NAT配置。输出信息中显示以上配置的NAT条目配置为：内部本地地址为10.10.10.1，内部全局地址为171.16.68.5。这与上面的配置是一致的，证明配置是成功的。
代码语言：javascript复制Router#show ip nat translations !--- 在特权模式下显示当前路由器NAT配置
Pro Inside global Inside local Outside local Outside global
--- 171.16.68.5 10.10.10.1 --- ---此时如果对外部网络目的主机进行ping操作，就会有数据包从内部网络转发到外部网络。然后再在路由器特权模式下执行“show ip nat translations”命令，显示的NAT信息如下。多了一条icmp协议类型数据包（执行ping操作后加的）显示，但因为此时没有配置外部网络的本地地址和全局地址，所以显示的外部本地地址和外部全局地址都是一样的，都是ping操作目的主机地址171.16.68.1。
代码语言：javascript复制Router#show ip nat translations
Pro Inside global Inside local Outside local Outside global
icmp 171.16.68.5:15 10.10.10.1:15 171.16.68.1:15 171.16.68.1:15
--- 171.16.68.5 10.10.10.1 --- ---通过以上配置后，从内部网络发往外部网络的数据包只是源地址（SA）将在经过路由器后进行转换（由内部本地地址10.10.10.1转换成内部全局地址171.16.68.5），但目标地址（DA）不变，但从外部网络发往内部网络的应答数据包的源地址没有改变，只是经过路由器后的数据包目的地址发生了转换（由内部全局地址172.16.68.5转换成内部本地地址10.10.10.1），但源地址（SA）不变。因为此时还没有为NAT路由器配置外部网络的本地地址和全局地址转换。
此时，数据包在内、外部网络中的源地址、目的地址的转换方式参如图
在内部地址的NAT转换中，无论数据包来自哪里，数据包中地址变化的只是内部地址之间的转换。但要注意，地址变化所对应的是源地址，还是目的地址是要看数据包是来自内部网络，还是来自外部网络：如果是来自内部网络，转换是源地址；如果是来自外部网络，转换的是目的地址。
外部地址NAT转换原理
当公司服务器位于内部网络，使用内部网络私有IP地址，为了方便外部网络用户对内部网络服务器进行访问，则需要使用ip nat outside source命令配置“外部全局地址”与“外部本地地址”之间的转换（既可以采用静态NAT方式实现，也可以采取动态NAT方式实现）。外部地址NAT转换与上节介绍的内部地址NAT转换是相反的，它仅需要定义外部地址（包括外部本地地址和外部全局地址）。
下面同样以上面那个简单的NAT转换示例进行介绍。本示例要实现的目的是：当NAT路由器外部网络接口s1接收到来自外部网络用户发送的源IP地址为外部全局地址171.16.68.1，目的地址为外部本地地址10.10.10.1的数据包在被路由器转发到s0接口时，数据包中的源IP地址转变为外部本地地址10.10.10.5（即由外部全局地址转换成外部本地地址），目的IP地址不变，即也只是源IP地址的转换；而由内部网络用户发送的响应数据包中，却只是目的IP地址（即由外部本地地址转换为外部全局地址）的转换，源IP地址不变。 下面仅以静态NAT转换方式为例介绍外部地址NAT转换的配置步骤，详细的NAT配置方法将在本章后面具体介绍。
（1）使用ip nat outside source static全局配置命令启用基于外部源IP地址的静态NAT IP地址转换。也就是定义外部全局地址和外部本地地址之间的映射关系。
代码语言：javascript复制Router(config)#ip nat outside source static 171.16.68.1 10.10.10.5
!--- 在外部全局地址171.16.68.1与外部本地地址10.10.10.5之间建立静态NAT转换关系，使外部网络主机知道要以10.10.10.1这个地址到达内部网络主机（2）使用以下两条语句配置路由器的s0作为NAT的内部网络接口。
代码语言：javascript复制Router(config)#interface s0
Router(config-if)#ip nat inside（3）使用以下两条语句配置路由器的s1作为NAT的外部网络接口。
代码语言：javascript复制Router(config)#interface s1
Router(config-if)#ip nat outside【注意】对于特定的NAT网络来说，路由器上的内、外部网络接口是固定的，不会随着通信方向的改变而改变。如在上节介绍的内部地址的NAT转换示例中，我们同样是把s0接口作为内部网络接口，s1接口作为外部网络接口。
（4）使用show ip nat translations特权模式命令验证上述进行的路由器NAT配置。从中可以看出，此时NAT的外部本地地址为10.10.10.5，外部全局地址为171.16.68.1。这与上面的配置是一致的，证明配置是成功的。
代码语言：javascript复制Router#show ip nat translations
Pro Inside global Inside local Outside local Outside global
--- --- --- 10.10.10.5 171.16.68.1同样，如果此时执行一个从外部网络主机（171.16.68.1）到内部网络主机（10.10.10.1）的ping操作，然后再在路由器特权模式下执行“show ip nat translations”命令，则显示如下结果。因为此时仅配置了外部本地地址和外部全局地址，所以结果中显示的内部本地地址和全局地址都是一样的，都是ping操作目的主机地址10.10.10.1。
代码语言：javascript复制Router#show ip nat translations
Pro Inside global Inside local Outside local Outside global
--- --- --- 10.10.10.5 171.16.68.1
icmp 10.10.10.1:37 10.10.10.1:37 10.10.10.5:37 171.16.68.1:37与上节介绍的仅配置内部地址相反，此处从外部网络发往内部网络的数据包的源IP地址（SA）将在经过路由器后进行转换（由外部全局地址171.16.68.1转换成外部本地地址10.10.10.5），但目标地址（DA）不变；但从内部网络发往外部网络的响应数据包的源IP地址没有改变，只是经过路由器后的数据目的IP地址发生了改变（由外部本地地址10.10.10.5转换成外部全局地址171.16.68.1）。因为此时还没有为NAT路由器配置内部本地地址和内部全局地址转换。此时，数据包在内、外部网络中的源IP地址、目的IP地址的转换方式如图6-12所示。
【经验之谈】在仅进行外部地址NAT转换时，无论数据包来自哪里，数据包中地址变化的只是外部地址之间的转换。同样也需注意，地址变化所对应的是源IP地址，还是目的IP地址是要看数据包是来自内部网络，还是来自外部网络：如果来自内部网络，转换是目的IP地址；如果来自外部网络，转换的是源IP地址。这与前面的内部地址NAT转换是对应相反的。
