一、概述
在我们家庭的局域网环境中，普遍采用192.168.xx.xx这类私有IP 。当我们发送网络数据包时，如果直接填写私有IP，就会产生一个问题：当对方回传数据包时，该如何确定目标？毕竟众多家庭都在使用诸如192.168.0.1这样的私有IP，网络无法直接判断应该将数据发送给谁。因此，必然需要将192.168.xx的私有IP转换为公有IP。
一般来说，局域网内使用私有IP，而公网使用的是公有IP。当局域网中的私有IP想要访问局域网外的公有IP时，进行IP转换是必不可少的。那么，这个关键的转换过程究竟是在何处完成的呢？
答案是NAT设备，全称Network Address Translation，网络地址转换。基本上家用路由器都支持这功能。
二、NAT的工作原理
为便于理解，我们做个假设：假如你家境优渥，家中分配到一个公网IP地址 20.20.20.20 ，这个公网IP被配置到了你家具备NAT功能的家用路由器上。家中有众多需要联网的设备，像手机、电脑等，它们共同组建了一个局域网，使用的都是私有IP，例如常见的192.168.xx段。当你在电脑上执行ifconfig命令后，查询到家里这台电脑的IP地址为192.168.30.5 ，而你想要访问的公网IP地址是30.30.30.30。
当你准备发送数据包时，你电脑的内核协议栈会构建一个IP数据包。在这个IP数据包的报头中，发送端的IP地址填写的是192.168.30.5，而接收端的IP地址则为30.30.30.30 。随后，这个数据包被发送至NAT路由器。
NAT路由器接收到数据包后，会对IP数据包中的源IP地址进行修改，将私有IP地址192.168.30.5替换为公网IP地址20.20.20.20 ，这一过程被称作SNAT（Source Network Address Translation，即源地址转换）。同时，NAT路由器会在其内部创建一条192.168.30.5 -> 20.20.20.20的映射记录，这条记录在后续流程中至关重要。此后，IP数据包通过公网中各个路由器的依次转发，最终成功抵达接收端30.30.30.30 ，至此，发送流程顺利结束。
当接收端完成数据处理，需要向你的电脑发送响应时，会把发送端IP地址设为自身的30.30.30.30，将接收端地址填写为你家的公网IP地址20.20.20.20 ，随后把数据包发往NAT路由器。
NAT路由器接收到来自公网的消息后，会立即查阅之前留存的映射信息。当发现其中有192.168.30.5 -> 20.20.20.20这条记录时，便会对这个数据包的目的IP地址进行修改，将其转换为内网IP地址192.168.30.5 ，这一操作被称为DNAT（Destination Network Address Translation，也就是目的地址转换）。完成转换后，NAT路由器会将数据包转发至你的电脑。
整个过程下来，NAT悄悄的改了IP数据包的发送和接收端IP地址，但对真正的发送方和接收方来说，他们却对这件事情，一无所知。这就是NAT的工作原理。
三、NAPT的原理
1、概述
至此，想必大家心中都存在一个很大的疑问。在局域网中，并非仅有一台机器，局域网内的每台机器在NAT下留下的映射信息都会是192.168.xx.xx -> 20.20.20.20 。在发送消息时，这样的映射或许不会产生问题，但当涉及到接收消息时，就难以确定该将响应回传给哪一台机器了。
这个问题十分关键且具有致命性，所以，在实际应用中，大多数情况下不会使用普通的NAT 。那么该如何解决呢？问题的根源在于我们无法区分内网中的多个网络连接。于是，我们可以引入其他信息来对内网中的各个网络连接加以区分，很容易便能想到端口 。
2、NAPT原理详解
IP数据包处于网络层，其本身并不包含端口信息。而常见的传输层协议，如TCP和UDP数据报文里才会有端口的相关信息 。
于是流程就变成了下面这样子。当你准备发送数据包的时候，你的电脑内核协议栈就会先构造一个TCP或者UDP数据报头，里面写入端口号，比如发送端口是5000，接收端口是3000，然后在这个基础上，加入 IP 数据报头，填入发送端和接收端的 IP 地址。那数据包长这样。
3、发送与接收过程
假设发送端的IP地址为192.168.30.5，端口号为5000，接收端的IP地址是30.30.30.30，端口号为3000 。此时，发送端构造好数据包后，将其发往NAT路由器。
NAT路由器在接收到数据包后，会对IP数据包内的源IP地址和端口号进行修改。具体来说，就是把192.168.30.5:5000改写为20.20.20.20:6000 。同时，NAT路由器会在自身内部创建一条映射记录，即192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000 。完成这些操作后，数据包会通过公网中各个路由器的接力转发，最终抵达接收端30.30.30.30:3000 ，至此，发送流程圆满结束。
当接收端进行响应时，会在数据包中填写发送端地址为30.30.30.30:3000，接收端地址为20.20.20.20:6000，然后将数据包发往NAT路由器。
NAT路由器接收到数据包后，会查找自身之前留存的映射记录。当发现其中存在192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000这条记录时，便会对数据包的目的IP地址和端口进行修改，将其还原为最初的192.168.30.5:5000 。完成修改后，NAT路由器就会把数据包转发到对应的电脑上。
如果局域网内有多个设备，他们就会映射到不同的公网端口上，毕竟端口最大可达 65535，完全够用。这样大家都可以相安无事。像这种同时转换 IP 和端口的技术，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 网络地址端口转换 ）。
4、ping命令
看到这里，问题就来了。那这么说**只有用到端口的网络协议才能被 NAT 识别出来并转发？但这怎么解释ping命令？ping基于 ICMP 协议，而 ICMP 协议报文里并不带端口信息。我依然可以正常的ping通公网机器并收到回包。
实际上，针对ICMP协议，NAT路由器进行了特殊处理。在ping报文头中有个Identifier信息，它本质上指的是发起ping命令的进程ID。对于NAT路由器而言，这个Identifier所发挥的作用与端口类似。
此外，当我们进行抓包操作时，会发现存在两个Identifier，一个后面标注BE（Big Endian），另一个标注LE（Little Endian） 。实际上，它们代表的是同一个数值，只是由于大小端存储方式不同，读取出来的值也有所差异。这就好比数字345，按照不同的字节顺序读取，可能会得到543。这种设计是为了兼容不同操作系统（例如Linux和Windows）在大小端处理上的差异，确保ICMP协议在不同系统环境下都能正常工作 。
四、内网穿透
1、概述
采用NAT方式上网时，其前提是内网机器主动向公网IP发起请求，如此NAT才能将内网的 IP端口转换为外网的 IP端口。反之，若公网机器想主动访问内网机器，会被NAT路由器拦截。这是因为NAT路由器没有相应的 IP端口映射记录，所以不会将数据转发给内网中的任何一台机器。
举个实际场景，你在家中的电脑上启动了一个HTTP服务，地址为192.168.30.5:5000，当你在公司办公室想用手机访问该服务时，会发现无法访问。那么，是否有办法让外网机器访问到内网服务呢？答案是肯定的。有句话说得好：“没有什么是加中间层不能解决的，如果有，那就再加一层”，这句话在此处同样适用。
本质上，由于NAT的存在，我们只能从内网主动发起连接，否则NAT设备不会记录对应的映射关系，没有映射关系也就无法转发数据。因此，我们可以在公网上部署一台服务器x，并对外暴露一个访问域名，然后让内网服务主动连接服务器x，这样NAT路由器上就会生成对应的映射关系。之后，所有用户都访问服务器x，服务器x将数据转发给内网机器，再将响应按原路返回，如此数据就能正常流通了，这就是内网穿透的原理。
对于上述的服务器x，你无需自行搭建，市面上已有许多现成的解决方案，付费使用即可，例如花生壳。
到这里，我们就可以回答这个问题：为什么我在公司里访问不了家里的电脑？那是因为家里的电脑在局域网内，局域网和广域网之间有个 NAT 路由器。由于 NAT 路由器的存在，外网服务无法主动连通局域网内的电脑。
2、两个内网的聊天软件如何建立通讯
我家机子是在我们小区的局域网里，班花家的机子也是在她们小区的局域网里。都在局域网里，且 NAT 只能从内网连到外网，那我电脑上登录的QQ是怎么和班花电脑里的QQ连上的呢？
上面这个问法其实是存在个误解，误以为两个 qq 客户端应用是直接建立连接的。然而实际上并不是，两个 qq 客户端之间还隔了一个服务器
也就是说，两个在内网的客户端登录 qq 时都会主动向公网的聊天服务器建立连接，这时两方的 NAT 路由器中都会记录有相应的映射关系。当在其中一个 qq 上发送消息时，数据会先到服务器，再通过服务器转发到另外一个客户端上。反过来也一样，通过这个方式让两台内网的机子进行数据传输。
3、两个内网的应用如何直接建立连接
对于两端通信的场景，例如 P2P 下载，该如何实现呢？实际上，这种情况仍需借助第三方服务器的协助。假设存在 A 和 B 两台处于局域网内的机子，A 所在内网对应的 NAT 设备为NAT_A，B 所在内网的 NAT 设备为NAT_B，此外还有一个第三方服务器server。具体流程如下：
- 步骤 1 和 2：A 主动连接服务器
server，此时NAT_A会记录下 A 的内网地址与外网地址的映射关系，同时server会获取 A 对应的外网 IP 地址和端口。 - 步骤 3 和 4：B 进行与 A 相同的操作，主动连接第三方服务器
server。NAT_B会记录 B 的内网地址和外网地址的映射关系，server也会获取 B 对应的外网 IP 地址和端口。 - 步骤 5、6 和 7：关键步骤来了。此时，
server向 A 发送消息，要求 A 主动向 B 的外网 IP 地址和端口发送UDP消息。当NAT_B接收到 A 发送的 UDP 数据包时，根据NAT_B的配置差异，可能出现两种情况：一种是NAT_B能够直接将数据转发给 B，这样 A 和 B 就可以建立通信；另一种情况是通信失败，数据包被丢弃。不过，丢包并不影响整体流程，这一步的目的是在NAT_A上创建关于 B 的映射关系。 - 步骤 8、9 和 10：与步骤 5 类似，
server向 B 发送消息，要求 B 主动向 A 的外网 IP 地址和端口发送UDP消息。此时，NAT_B会记录关于 A 的映射关系。由于之前NAT_A已经记录了关于 B 的映射关系，NAT_A能够正常接收 B 的数据包并转发给 A。至此，A 和 B 可以正常进行数据通信，这就是所谓的 NAT 打洞。 - 步骤 11：需要注意的是，前面使用的是 UDP 数据包，目的是在两个局域网的 NAT 设备上打通通道。实际上，大多数应用使用的是 TCP 连接。因此，此时 A 需要主动向 B 发起 TCP 连接。完成这一步后，两端之间的通信就成功建立了。
这里可能有人会心生疑惑：端口已经被UDP使用了，若TCP再去使用，岂不是会出现端口重复占用（address already in use）的情况？实际上，这种情况并不会发生。端口重复占用的报错通常出现在两个TCP连接在未使用SO_REUSEADDR选项时，重复使用同一个IP端口。但UDP和TCP之间并不会出现这类报错。
之所以会出现端口重复占用的报错，主要是因为在Linux内核中，当内核接收网络数据时，会依据五元组（传输协议，源IP，目的IP，源端口，目的端口）来唯一确定数据的接收者。若两个连接的五元组完全一致，内核就无法判断该将数据发送给谁。而UDP和TCP的”传输协议”不同，这就导致它们的五元组也存在差异，所以不会出现上述端口重复占用的问题。
五、不同类型NAT详解
1 、简介
NAT分为两大类，基本的NAT和NAPT（即端口NAT，英文全称为Network Address/Port Translator）
2、基本NAT与 NAPT
基本的NAT（网络地址转换）包含静态NAT和动态NAT两种类型：
- 静态转换（Static Nat）：其原理是将内部网络的私有IP地址一对一地转换为公有IP地址，并且这种IP地址对的映射关系是固定不变的，即某个特定的私有IP地址始终转换为同一个指定的公有IP地址。
- 动态转换（Dynamic Nat）：动态转换的特点在于可以利用多个合法的外部地址集合。当把内部网络的私有IP地址转换为公用IP地址时，IP地址对并非固定，而是随机生成的，也就是说，私有IP地址能够随机地转换为指定地址集合内的任意一个IP地址。
NAPT（网络地址端口转换）则可进一步细分为锥型（Cone）和对称型（Symmetric） 两种模式：
- 锥形NAT：举例来说，若client A使用内网的123端口与server A成功完成了通信，并且NAT设备将公网的456端口分配给了client A的123端口。那么当client A再次使用123端口向server B发起通信时，NAT设备依旧会将公网的456端口分配给client A的123端口。
- 对称型NAT：同样假设client A使用内网的123端口与server A完成了通信，NAT设备将公网的456端口分配给了client A的123端口。此时，当client A想要向server B发起通信时，NAT设备不会再把公网的456端口分配给client A，而是可能会分配如789端口这样的其他端口给client A。
- 简单概括非对称型NAT与对称型NAT的区别：对于非对称型NAT，其映射关系不受目的地址的影响，只要源地址相同，client内网的IP端口与NAT公网的IP端口之间的映射关系就保持一致；而对称型NAT的映射关系不仅与源地址有关，还与目的地址相关 。
3、锥型（Cone）NAT分类
锥形NAT还可以进一步细分为完全圆锥体（Full Cone NAT）、受限制的圆锥体（Restricted Cone NAT）以及端口受限制的圆锥体NAT（Port Restricted Cone NAT） 这三种类型。
假设client A已经使用内网的123端口与server A完成了通信，并且NAT设备将公网的456端口分配给了client A的123端口。下面通过具体例子来阐述这三种锥型NAT的定义差异：
- 完全圆锥体（Full Cone NAT）：在这种模式下，server B的所有端口都能够直接通过公网的456端口与client A的123端口进行通信，server A的所有端口自然也不例外，对通信的IP地址和端口均没有限制。
- 受限制的圆锥体（Restricted Cone NAT）：只有在client A已经向server B发送过消息的前提下，server B才可以通过公网的456端口与client A的123端口进行通信。满足这个条件后，server A和server B的所有端口数据都能够通过公网的456端口与client A的123端口进行交互，相比完全圆锥体NAT，增加了对IP地址的限制条件。
- 端口受限制的圆锥体NAT（Port Restricted Cone NAT）：同样需要client A先向server B发送过消息，server B的X端口才能够通过公网的456端口与client A的123端口进行通信。需要注意的是，只有server A和server B的X端口可以与client A的123端口通信，其他端口若要与client A通信，则需要重新单独建立连接，在受限制圆锥体NAT的基础上，又增加了对端口的限制条件。
值得一提的是，当client A使用这三种锥型NAT与server A、server B进行通信时，分配给client A的公网端口始终是456端口，不会发生改变。
4、对称NAT概念的补充
假设有client A的123端口需要与server A的789端口、server B的789端口进行通信。在这种情况下，client A和server A若要实现通信，首先需要client A的123端口先向server A的789端口发送消息 。
并且当NAT设备为client A分配公网端口为456时，会存在以下限制：server A只能使用789端口与client A的123端口进行通信，server A的其他端口无法与client A通信；而server B若想要与client A通信，同样需要client A先向server B发送消息，并且此时分配给client A的公网端口不会是456。因此，在对称NAT模式下，实现端口的“打洞”操作相对比较困难。
5、总结
基本的NAT，它仅将内网主机的私有IP地址转换成公网IP地址，但并不将TCP/UDP端口信息进行转换，有动态与静态之区分。由于现在大部分都属于另一种类型，即NAPT，其中对称NAT打洞困难很高，但是安全性好；而锥型nat打洞比较容易。
实际上大部运营商提供的光猫上网服务都是锥形nat的。而光纤入户，3g 4g网络，公共wifi登因为安全因素都是对称nat，另外目前绝大多数的路由器都是非对称型NAT(Cone NAT)。只要请求链接的对方是非端口限制锥型nat就都能实现打洞p2p链接的。只有双方都是对称是一定无法实现，或一方对称一方是端口限制锥型nat的情况也无法实现打洞。下面是各种类型打洞总结
| 发送端 | 接收端 | 能否打洞 |
|---|---|---|
| 完全锥形NAT | 完全锥形NAT | √ |
| 完全锥形NAT | IP限制性锥形NAT | √ |
| 完全锥形NAT | 端口限制性锥形NAT | √ |
| 完全锥形NAT | 对称式NAT | √ |
| IP限制性锥形NAT | IP限制性锥形NAT | √ |
| IP限制性锥形NAT | 端口限制性锥形NAT | √ |
| IP限制性锥形NAT | 对称式NAT | √ |
| 端口限制性锥形NAT | 端口限制性锥形NAT | √ |
| 端口限制性锥形NAT | 对称式NAT | × |
| 对称式NAT | 对称式NAT | × |
六、家用网络低延迟方案
1、NAT简单回顾
NAT 主要有 4 种类型，分别为：NAT1、NAT2、NAT3、NAT4 。
- NAT1: Full Cone NAT（全锥形NAT）：这是最为宽松的网络环境，在这种模式下，无论是进行何种网络操作，基本上对 IP 地址和端口都没有限制，网络访问的自由度极高。
- NAT2: Address-Restricted Cone NAT（受限锥型NAT）：相较于 NAT1，NAT2 增加了地址方面的限制条件，即 IP 地址受限，不过端口方面仍然不受限制，网络访问的自由度有所降低。
- NAT3: Port-Restricted Cone NAT（端口受限锥型NAT）：与 NAT2 相比，NAT3 进一步增加了端口限制，也就是说，在这种模式下，IP 地址和端口都受到限制，网络访问的限制更为严格。
- NAT4: Symmetric NAT（对称型NAT）：对称型 NAT 具备端口受限锥型 NAT 的限制特性，当内部地址每一次向特定的外部地址发起请求时，都会绑定到一个新的端口。在这种类型的 NAT 模式下，基本无法实现 P2P 相关的网络操作。
从 NAT1 到 NAT4，网络限制程度逐渐递增。为了更好地满足多样化的网络需求，我们往往期望能够提升 NAT 类型。提升 NAT 类型具有诸多好处，比如在浏览网页时加载速度更快、观看视频更加流畅、游戏过程中响应更及时，下载速度也会更加稳定且快速。特别是对于游戏玩家而言，改善 NAT 类型后，联机速度会显著提升，游戏体验得到明显增强。
2、低延迟方案讲解
常言道：“想要游戏网速快，延迟低，就要 nat1，公网，桥接，unpn，硬件 nat 加速”。
- 修改光猫工作模式： 将光猫的工作模式设置为桥接模式（此操作需要获取超级管理员的账号密码，很多情况下默认的账号密码就可以使用，你可以根据所在地区在网上搜索相关信息；如果是新款光猫，直接联系维修人员即可）。之所以要修改模式，是因为运营商通常默认将光猫设置为路由模式。判断光猫工作模式的方法为：如果无线路由器直接连接到光猫上就能够上网，那么此时光猫处于路由模式；而当无线路由器需要通过 PPPoE 拨号才能上网时，光猫则处于桥接模式。
- 更改路由器设置： 启用无线路由器的 uPnP 功能（目前，大部分路由器都支持该功能）。将需要提升 NAT 类型的主机 IP 设置为静态 IP，然后开启 DMZ 功能（若通过路由器进行拨号，建议对路由器进行刷机操作，之后选择 NAT1 模式）。
3、总结
- 路由器的层级数量越少，越有较大的可能性获得 NAT1 和 NAT2 类型的网络环境。
- NAT1 是最为宽松的网络环境，几乎不存在限制条件；而 NAT4 是最严格的网络环境，在这种环境下，可能会出现无法玩游戏、P2P 下载没有速度等问题。
- 如果光猫处于桥接模式，并且路由器通过拨号上网，那么网络类型有可能是 NAT2 和 NAT3，这种情况下，对于日常上网、游戏以及下载等操作，基本不会存在太多限制。
- 通过拨号方式能够获得公网 IP 的网络环境，有机会优化到 NAT1 类型；而通过拨号获得内网 IP 的网络环境，基本属于 NAT4 类型。
- 中国电信、中国联通提供的宽带网络一般分配的是公网 IP，而中国移动、中国广电、长城宽带等运营商提供的网络基本为内网 IP。这是因为中国移动的公网 IP 池相对其他运营商较小，所以通常采用对称型 NAT（这种方式可以节约公网 IP 资源，因为在断开连接时就会解绑映射关系，但绑定关系的建立和解除会消耗 CPU 性能，这也是为什么使用移动网络玩游戏时会时不时出现跳 ping 的现象）。
七、总结
- 在IPv4地址资源有限的情况下，借助NAT路由器，整个内网中众多的机器对外仅需使用一个公网IP，极大程度地节省了IP资源，有效缓解了IPv4地址短缺的问题。
- 当内网机子主动连接公网IP时，处于中间环节的NAT会将内网机子的内网IP转换为公网IP ，进而搭建起内网与外网之间的数据交互桥梁，实现了不同网络区域之间的信息流通。
- 普通的NAT技术仅对网络包中的发送端和接收端IP地址进行修改，然而，当内网设备数量众多时，这种方式极有可能引发IP地址冲突的问题。所以，在实际应用中，通常会采用NAPT技术，该技术不仅会修改发送端和接收端的IP地址，还会对端口进行相应调整，从而有效避免了潜在的冲突，保障了网络通信的稳定性。
- 由于NAT的作用机制，公网IP无法直接访问内网服务。不过，通过内网穿透技术，这一难题得以解决，使得公网IP能够访问内网服务。如此一来，用户便可以在公司网络环境下便捷地访问家中的电脑，实现了跨网络区域的设备访问与资源共享。
文章来源： https://study.disign.me/article/202508/22.nat-network-penetration-explained.md
发布时间: 2025-02-23
作者： 技术书栈编辑