NAT是什么？

NAT是Net Address Translation的缩写，即网络地址转换。

NAT部署在网络出口的位置，位于内网跟公网之间，是连接内网主机和公网的桥梁，双向流量都必须经过NAT，装有NAT软件的路由器叫NAT路由器，NAT路由器拥有公网IP。

你的家庭和办公网络环境大多是经过NAT路由中转的方式联网。这也意味着你在家PC通过WIFI联网，你在PC上通过命令行（ifconfig）查看到的IP地址（内网），跟通过baidu查看到的IP地址（公网），不一样，这也能证明你的PC处于NAT后面。

NAT解决什么问题？

NAT主要用来解决IPv4地址不够用的问题。

IPv4用32位表示网络地址，最大能表示2的32次方（2^32=40亿）个IP地址，但随着各种联网设备的快速增长，IPv4地址不够用了，IPv6又远水不解近渴，怎么办？NAT技术应运而生。

NAT是怎么工作的？

内网地址：RFC1918规定了三个保留地址段落：

10.0.0.0-10.255.255.255；

172.16.0.0-172.31.255.255；

192.168.0.0-192.168.255.255。

这三个范围分别处于A、B、C类的地址段，不向特定的用户分配，被IANA作为私有地址保留。这些地址可以在任何组织或企业内部使用，和其他Internet地址的区别就是，仅能在内部使用，不能作为全球路由地址。

NAT后面的内网主机使用内网地址，也叫本地地址，是主机上内网上的标识。内网主机要跟公网通信，必须经过NAT中转，NAT会自动为经过的网络包做内外网地址转换（这也是NAT的含义），公网地址是主机在互联网上的标识。

NAT原理：内网主机向外网主机发送的网络包，在经过NAT时，IP和PORT会被替换为NAT为该主机分配的外网IP/PORT，也就是该内网主机在NAT上的出口IP/PORT，外网主机收到该网络包后，会视该网络包是从NAT发送的；外网主机只能通过NAT为该内网主机分配的外网IP/PORT，向它发送网络包，内网主机的本地地址对外界不可见，网络包在经过NAT的时候，会被NAT做外网IP/PORT到内网IP/PORT的转换。

可见，NAT维护内网主机内网地址和在NAT上为它分配的外网地址之间的映射关系，需要维护一张关联表。NAT在两个传输方向上做两次地址转化，出方向做源（Src）信息替换，入方向做目的（Dst）信息替换，内外网地址转换是在NAT上自动完成的。NAT网关的存在对通信双方是透明的。

那NAT是如何缓解IPv4地址枯竭问题的呢？答案是端口多路复用，通过PAT（Port Address Translation），让NAT背后的多台内网主机共享一个外网IP，最大限度节省外网IP资源。

NAT背后的多台内网主机是如何实现共享一个外网IP的呢？它是通过修改外出数据包的源IP和端口。

假设内网主机H1和H2位于NAT之后，H1通过本地地址10.0.0.1:port1给公网主机X发送数据包，在经过NAT的时候，该数据包的IP:PORT被修改为NAT的外网地址1.2.3.4:2222。

H2通过本地地址10.0.0.2:port2向公网主机X发送数据包，在经过NAT的时候，该数据包的ip:port被修改为NAT的外网1.2.3.4:3333。

虽然H1和H2的IP都被映射到了相同的NAT外网IP（1.2.3.4），但NAT为它们分配了不同的端口（2222和3333），所以可以通过端口区分H1和H2。之后公网主机X向内网主机H1发送网络包的时候，只需要把1.2.3.4:2222作为目标地址:端口，就可以由NAT自动完成转换，正确转交到H1主机。

这便是基于端口复用的NAT方式（NPAT）的工作原理。通过将内网不同连接（主机到NAT）映射到同一公网IP的不同端口，从而实现公网IP的复用和解复用，这种一对多的方式也叫做端口转换PAT或IP伪装。

NAT的限制和约束

NAT把网络分为公网和内网，内网主机可以给外网主机直接发送网络包，而外网主机却不能主动给内网主机发送网络包，也就是说网络通信必须由内网侧主动发起，公网主机不能主动访问内网主机，这是NAT带来的限制和约束。

内网主机主动给外网主机发送过网络包之后，外网主机才有可能给内网主机发送网络包。

NAT的类型

NAT的实现方式分静态转换、动态转换和端口多路复用三种，但目前用的最多的还是端口多路复用，是最典型的一种应用模式。

首先，从大的层面上，端口复用型NAT（Net Address Port Translation）可以分为对称型NAT和非对称型NAT。

1. 对称型NAT（Symmetric NAT），内网某主机向公网的不同网络地址（或端口）发送2个不同的网络包，对称型NAT会为这2个不同的网络包产生2个不同出口端口号。换言之，NAT网关会把内部主机“地址端口对”和外部主机“地址端口对”完全相同的报文看作一个连接，在NAT网关上创建一个公网“地址端口对”作为出口地址，只有收到报文的外部主机从对应的端口对发送回应的报文，才能被转换。对称型NAT无法打洞，只能通过TURN Server转发。
2. 非对称型NAT（也叫锥型NAT），内网某主机向外网主机发送网络包，NAT会为该内网主机生成一个公网（出口）IP:PORT，之后，不管该内网主机会通过该出口IP:PORT跟外网所有（如果可以）主机通信，而不会被映射到其他端口（出口IP显然也不会变）。

锥型NAT细分：

1. Full Cone NAT（全锥型NAT）：只要内网某主机给外网地址主动发送过一个网络包（NAT会为之生成公网出口IP:PORT），外网任何主机都可以通过该内网主机在NAT上的出口IP:PORT，向该内网主机发送网络包，也就是对外网主机IP和PORT都不设限，这是最宽松的类型。
2. Restricted Cone NAT（IP受限型NAT）：如果内网某主机，给外网某IP发送过一个网络包，则外网可以通过该IP向该内网主机发送网络包，注意，只要以该IP作为网络包src ip就行，其他IP作为src不行，不限制端口号。
3. 举个例子，内网主机10.0.0.1给外网1.2.3.4:2222主动发过网络包，外网主机可以通过1.2.3.4:3333（作为src）向内网主机10.0.0.1发送网络包，端口号不限，但不能通过其他ip向内网主机发送网络包。
4. Port Restricted Cone NAT（Port受限型NAT）：跟IP受限类似，但是它更严格，既限制IP，又限制端口号。内网主机给外网主机10.0.0.1:2222发送过网络包，外网只能以10.0.0.1:2222为src，向内网主机发送网络包。

NAT类型检测

NAT隔离内外网，外网不能主动访问内网，但P2P项目，需要位于NAT后的主机（Peer）建立连接，所以需要检测NAT类型，再判断Peer之间能否直接建立连接，以及怎么建立连接。

检测NAT类型主要是利用上述NAT特点，通过测试连通性和比对端口号来实现目的，所以要搞清楚类型检测，必须对照NAT类型定义来看。

另外，重复一下：NAT后的主机给外网发网络包，网络包在经过NAT的时候，NAT会为该主机分配出口IP:PORT，NAT会用该公网（出口）IP:PORT替换网络包的SRC，这样，接收端收到包之后，查阅包的src信息，会得到NAT出口IP:PORT，如同该包是直接从NAT发送过来的一样。

NAT类型检测的前提条件：需要有一台位于公网的服务器（server），且该server拥有2个公网IP地址，并在ip1:port1和ip2:port2做监听。

注意：检测步骤中的server通过ip:port向client回包，是指server回包的时候，会把ip:port设置为rsp包的src ip和src port。

检测的步骤：

【步骤1】判断client是否位于NAT后面

很简单，位于NAT后面的主机跟公网通信要做内外网地址转换，两个IP不一样。所以，可以通过以下操作完成：

1. client向server ip1:port1发送一个req UDP包。
2. server收到udp包之后，从IP头部取出src IP，从UDP头部取出src PORT，作为rsp UDP的payload，发送给client。
3. client收到rsp UDP，取出payload里的IP和PORT，跟自己的IP对比，如果相同，则client位于公网，拥有公网IP，检测完成；否则，client位于NAT背后。

【步骤2】判断是否全锥型Full Cone NAT

client向server ip1:port1发送一个req UDP包，请求server通过ip2:port2（以ip2:port2作为rsp UDP的src）向client回UDP包。

根据全锥型NAT的定义，如果client收到了rsp UDP，那说明NAT对外网发包IP都不限制，说明client是全锥型NAT。但全锥型NAT很少，大概率收不到rsp UDP包，如果收不到，则需要继续判断。

【步骤3】判断是否对称型 Symmetirc NAT

client向server ip2:port2发送一个req udp。server收到后，把收到的req udp的src ip和src port取出来，塞进rsp UDP的payload字段，通过ip2:port2（以ip2:port2作为rsp UDP的src）向client回UDP包。

收到的rsp UDP之后，取出payload中的ip和port，跟步骤1中的ip和port对比，如果不一样，则是对称型NAT。

因为根据前面的定义，对称型NAT，会为同一内网IP，根据不同的外网IP，分配不同的NAT出口PORT。

如果一样，那么肯定是锥型NAT，步骤2已经测试了全锥型，那剩下的就只有ip受限锥型和port受限锥型两种NAT类型需要继续判断了。

【步骤4】判断是受限锥型Restricted Cone还是PORT受限锥型

client向server ip2:port2发送一个req udp，要求server用ip2、且不同于port2的端口向client回rsp udp。就是用ip2+不同于port2的其他port作为udp的src向client回包。

如果client能收到rsp udp，那说明只要ip相同，哪怕port不相同，NAT也放行，所以NAT是IP受限型；如果没收到，那就是PORT受限型，说明只能通过port2回包。

至此，所有的NAT类型便都检测出来了，是不是很简单？

对称型NAT不能直接建立P2P连接，只能通过中转服务器relay包。