1.2 什么是 NAT

2023.07.30

问： NAT是什么？

答： NAT技术即 NAT（Network Address Translation 网络地址转换）技术
简单的来说它可以让多个使用私网IP的设备共用一个公网IP来上网

问：看来想要上网还是需要公网IP地址那NAT是如何共享这公网地址的呢？

答：还是一开始大楼和房间的例子

在直接使用 公网IP 的情况下整个电脑是一栋独立的大楼
而程序住在大楼的房间内由门牌号即端口号来区分大楼之外就是互联网世界
其相当于独门独栋的房子

在家庭网络中NAT转换过程一般由家用路由器负责
此时电脑是依然是一栋大楼程序依然住在大楼的房间内
只不过在这座大楼之外不是互联网世界
而是 局域网 相当于一个小区而 路由器 则是这个小区的出入口

当电脑发送请求数据到互联网上的服务器时它们会 先到达路由器
路由器上的NAT会检查这个这个数据的 发件地址 和 收件地址

此时这个数据的 发件地址 为 电脑获取到的局域网IP+发送这个数据的程序使用的端口
而 收件地址 则是 服务器的IP地址+端口

NAT将发件人地址改成自己的公网地址
而端口一般选择一个随机的端口 收件人地址不变
并记录下这次改写并将数据发出

当数据数据到达服务器时
在服务器看来是路由器在向自己发送请求
因为发件地址写的是路由器的公网地址

于是服务器发送了响应数据
发件地址服务器自己的IP+服务端程序的使用的端口
收件地址是路由器的公网地址+路由器发送请求时使用的端口
即请求数据中的发件地址

当路由器收到这个响应数据后再次修改地址
发件地址不变收件地址改成电脑最初发送请求时的收件地址
即电脑获取到的局域网IP+最初发送这个数据的程序使用的端口

在电脑看来是服务器直接回复了他的请求
毕竟收件地址写的是自己
而发件地址是服务器

问：这还挺复杂的不过大概是明白
想要共用一个公网地址还不是件简单的事情

那绕来绕去最终上网还是要公网IP为什么不在每个电脑弄两个IP
一个公网一个私网这样不是会更简单吗？

答：这就涉及到公网IP不够用的问题

问： 公网IP地址不够用？

答：是的IP地址的数量是有限的
IP地址的范围是从 0.0.0.0到255.255.255.255
其总数 约为43亿个 实际可用的IP数量会更少要除去一些特殊地址

问：这看起来挺多还是不够用吗？

答：不够用，一开始设计的时候认为是够用的然而在 2019年地址就分配完了

问：那后来的用户岂不是没网上了？

答：不会还记得我们刚才说的 NAT和私有IP吗？
私有IP是 可以重复的 而NAT又可以让多个使用私网IP地址的设备 共用一个公网IP上网
这样后来的用户还是可以 通过NAT转换来上网

问：这样能容纳的用户还是有限的吧？

答：是的 但是通过增加NAT层数来解决
在之前的例子中是家里的设备共用一个公网IP地址来上网

我们可以再加一层NAT即 运营商级别的NAT
这样路由器获得的也是私网地址
运营商可以让多个家庭共用一个公网IP上网

问：老是这样套娃也不是办法吧？

答：对一直增加NAT不能从根本上解决问题于是有了 IPV6