Outline
1.1 Introduction
1.1.1 Glossary
Public IP Address: also known as the global address refers to the legitimate IP address, which is the address assigned by the NIC (Network Information Center) or ISP (Internet Service Provider), external representation of one or more internal local address, is the world's unity addressable address.
Private IP Address: also called internal address, belongs to the non-registered address, used exclusively for the internal organization. Internet Assigned Number Commission ( the IANA) retained the three IP address as the private IP address:
10.0.0.0 ——— 10.255.255.255
172.16.0.0——— 172.16.255.255
192.168.0.0———192.168.255.255
Address Pool: Address pool is there some external address (globally unique IP address) combination, we call such a set of addresses for the address pool. When the internal packet data network to the external network through the address conversion, will select an IP address as the source IP address of the packet in the address pool, which can effectively use the external address of the user, to improve the ability to access external networks.
1.1.2 NAT
NAT English full name is "Network Address Translation", Chinese means "Network Address Translation", it is a IETF (Internet Engineering Task Force, Internet Engineering Task Force) standard that allows a whole organization to a public IP (Internet Protocol) address appears on the Internet. As the name implies, it is a private network to an internal address (IP address) into the IP address of legitimate network technology, as shown in FIG. So we can say that, NAT to a certain extent, can effectively solve the problem of inadequate public addresses.
简单地说，NAT就是在局域网内部网络中使用内部地址，而当内部节点要与外部网络进行通讯时，就在网关（可以理解为出口，打个比方就像院子的门一样）处，将内部地址替换成公用地址，从而在外部公网（internet）上正常使用，NAT可以使多台计算机共享Internet连接，这一功能很好地解决了公共 IP地址紧缺的问题。通过这种方法，可以只申请一个合法IP地址，就把整个局域网中的计算机接入Internet中。这时，NAT屏蔽了内部网络，所有内部网计算机对于公共网络来说是不可见的，而内部网计算机用户通常不会意识到NAT的存在。如下图所示。这里提到的内部地址，是指在内部网络中分配给节点的私有IP地址，这个地址只能在内部网络中使用，不能被路由转发。
NAT 功能通常被集成到路由器、防火墙、ISDN路由器或者单独的NAT设备中。比如Cisco路由器中已经加入这一功能，网络管理员只需在路由器的IOS中设置NAT功能，就可以实现对内部网络的屏蔽。再比如防火墙将WEB Server的内部地址192.168.1.1映射为外部地址202.96.23.11，外部访问202.96.23.11地址实际上就是访问访问 192.168.1.1。此外，对于资金有限的小型企业来说，现在通过软件也可以实现这一功能。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了这一功能。
1.2 分类
NAT有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（Port-Level NAT）。
1.2.1静态NAT
通过手动设置，使 Internet 客户进行的通信能够映射到某个特定的私有网络地址和端口。如果想让连接在 Internet 上的计算机能够使用某个私有网络上的服务器（如网站服务器）以及应用程序，那么静态映射是必需的。静态映射不会从 NAT 转换表中删除。
如果在 NAT 转换表中存在某个映射，那么 NAT 只是单向地从 Internet 向私有网络传送数据。这样，NAT 就为连接到私有网络部分的计算机提供了某种程度的保护。但是，如果考虑到 Internet 的安全性，NAT 就要配合全功能的防火墙一起使用。
对于以上网络拓扑图，当内网主机 10.1.1.1如果要与外网的主机201.0.0.11通信时，主机（IP：10.1.1.1）的数据包经过路由器时，路由器通过查找NAT table 将IP数据包的源IP地址（10.1.1.1）改成与之对应的全局IP地址（201.0.0.1），而目标IP地址201.0.0.11保持不变，这样，数据包就能到达201.0.0.11。而当主机HostB(IP:201.0.0.11) 响应的数据包到达与内网相连接的路由器时，路由器同样查找NAT table，将IP数据包的目的IP 地址改成10.1.1.1，这样内网主机就能接收到外网主机发过来的数据包。在静态NAT方式中，内部的IP地址与公有IP地址是一种一一对应的映射关系，所以，采用这种方式的前提是，机构能够申请到足够多的全局IP地址。
1.2.2 动态NAT
动态地址NAT只是转换IP地址，它为每一个内部的IP地址分配一个临时的外部IP地址，主要应用于拨号，对于频繁的远程联接也可以采用动态NAT。当远程用户联接上之后，动态地址NAT就会分配给他一个IP地址，用户断开时，这个IP地址就会被释放而留待以后使用。
动态NAT方式适合于 当机构申请到的全局IP地址较少，而内部网络主机较多的情况。内网主机IP与全局IP地址是多对一的关系。当数据包进出内网时，具有NAT功能的设备对IP数据包的处理与静态NAT的一样，只是NAT table表中的记录是动态的，若内网主机在一定时间内没有和外部网络通信，有关它的IP地址映射关系将会被删除，并且会把该全局IP地址分配给新的IP数据包使用，形成新的NAT table映射记录。
1.2.3网络地址端口转换NAPT
网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT与 动态地址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，它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。
(1)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。
(2)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包的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是属于DNAT。
源NAT举例：对于以上网络拓扑图，内网的主机数量比较多，但是该组织只有一个合法的IP地址，当内网主机（10.1.1.3）往外发送数据包时，则需要修改数据包的IP地址和TCP/UDP端口号，例如将
源IP：10.1.1.3
源port：1493
改成
源IP：201.0.0.1
源port：1492 （注意：源端口号可以与原来的一样也可以不一样）
当外网主机（201.0.0.11）响应内网主机（10.1.1.3）时，应将：
目的IP：201.0.0.1
目的port：1492
改成
目的IP：10.1.1.3
目的port：1493
NAT原理
2.1 地址转换
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。
如下图所示，NAT网关有2个网络端口，其中公共网络端口的IP地址是统一分配的公共 IP，为202.20.65.5；私有网络端口的IP地址是保留地址为192.168.1.1。私有网中的主机192.168.1.2向公共网中的主机202.20.65.4发送了1个IP包(Dst=202.20.65.4,Src=192.168.1.2)。
当IP包经过NAT网关时，NAT Gateway会将IP包的源IP转换为NAT Gateway的公共IP并转发到公共网，此时IP包（Dst=202.20.65.4，Src=202.20.65.5）中已经不含任何私有网IP的信息。由于IP包的源IP已经被转换成NAT Gateway的公共IP，Web Server发出的响应IP包（Dst= 202.20.65.5,Src=202.20.65.4）将被发送到NAT Gateway。
这时，NAT Gateway会将IP包的目的IP转换成私有网中主机的IP，然后将IP包（Des=192.168.1.2，Src=202.20.65.4）转发到私有网。对于通信双方而言，这种地址的转换过程是完全透明的。转换示意图如下。 
如果内网主机发出的请求包未经过NAT，那么当Web Server收到请求包，回复的响应包中的目的地址就是私有网络IP地址，在Internet上无法正确送达，导致连接失败。
2.2 连接跟踪
在上述过程中，NAT Gateway在收到响应包后，就需要判断将数据包转发给谁。此时如果子网内仅有少量客户机，可以用静态NAT手工指定；但如果内网有多台客户机，并且各自访问不同网站，这时候就需要连接跟踪（connection track）。如下图所示：
在NAT Gateway收到客户机发来的请求包后，做源地址转换，并且将该连接记录保存下来，当NAT Gateway收到服务器来的响应包后，查找Track Table，确定转发目标，做目的地址转换，转发给客户机。
2.3 端口转换
以上述客户机访问服务器为例，当仅有一台客户机访问服务器时，NAT Gateway只须更改数据包的源IP或目的IP即可正常通讯。但是如果Client A和Client B同时访问Web Server，那么当NAT Gateway收到响应包的时候，就无法判断将数据包转发给哪台客户机，如下图所示。
此时，NAT Gateway会在Connection Track中加入端口信息加以区分。如果两客户机访问同一服务器的源端口不同，那么在Track Table里加入端口信息即可区分，如果源端口正好相同，那么在实行SNAT和DNAT的同时对源端口也要做相应的转换，如下图所示。
3 应用
NAT主要可以实现以下几个功能：数据包伪装、平衡负载、端口转发和透明代理。
数据伪装: 可以将内网数据包中的地址信息更改成统一的对外地址信息，不让内网主机直接暴露在因特网上，保证内网主机的安全。同时，该功能也常用来实现共享上网。有时候为了隐藏内网拓扑结构，使用全局地址替换私有地址。
端口转发: 当内网主机对外提供服务时，由于使用的是内部私有IP地址，外网无法直接访问。因此，需要在网关上进行端口转发，将特定服务的数据包转发给内网主机。例如公司小王在自己的服务器上架设了一个Web网站，他的IP地址为192.168.0.5，使用默认端口80，现在他想让局域网外的用户也能直接访问他的Web站点。利用NAT即可很轻松的解决这个问题，服务器的IP地址为210.59.120.89，那么为小王分配一个端口，例如81，即所有访问210.59.120.89:81的请求都自动转向192.168.0.5:80，而且这个过程对用户来说是透明的。
负载平衡:目的地址转换NAT可以重定向一些服务器的连接到其他随机选定的服务器。例如1.2.3所讲的目的NAT的例子。
失效终结:目的地址转换NAT可以用来提供高可靠性的服务。如果一个系统有一台通过路由器访问的关键服务器，一旦路由器检测到该服务器当机，它可以使用目的地址转换NAT透明的把连接转移到一个备份服务器上，提高系统的可靠性。
透明代理:例如自己架设的服务器空间不足，需要将某些链接指向存在另外一台服务器的空间；或者某台计算机上没有安装IIS服务，但是却想让网友访问该台计算机上的内容，这个时候利用IIS的Web站点重定向即可轻松的帮助我们搞定。
4 NAT的缺陷
NAT在最开始的时候是非常完美的，但随着网络的发展，各种新的应用层出不穷，此时NAT也暴露出了缺点。NAT的缺陷主要表现在以下几方面：
(1) 不能处理嵌入式IP地址或端口
NAT设备不能翻译那些嵌入到应用数据部分的IP地址或端口信息，它只能翻译那种正常位于IP首部中的地址信息和位于TCP/UDP首部中的端口信息，如下图,由于对方会使用接收到的数据包中嵌入的地址和端口进行通信，这样就可能产生连接故障，如果通信双方都是使用的公网IP，这不会造成什么问题，但如果那个嵌入式地址和端口是内网的，显然连接就不可能成攻，原因就如开篇所说的一样。MSN Messenger的部分功能就使用了这种方式来传递IP和端口信息，这样就导致了NAT设备后的客户端网络应用程序出现连接故障。
(2) 不能从公网访问内部网络服务
Because the network is a private IP, so the service can not directly access the internal network from the public network, such as WEB service, for that matter, we can create a static mapping methods employed to solve. For example there is a static mapping is the mapping 218.70.201.185:80 from the 192.168.0.88:80, when the user wants to access public internal WEB server, it is connected to the first 218.70.201.185:80, then the request NAT device pass the response back 192.168.0.88:80,192.168.0.88 NAT device, then pass the user access to the public network by the NAT device.
(3) there are some applications, but use the B port receives While sending data A port, but does not know this, it remains to establish a mapping for the A port when NAT translation equipment, results of the other response B to pass data port, NAT mapping entry related to the device but can not find the packet is discarded. (4) Some P2P applications can not be carried out after NAT for those without intermediate servers pure P2P applications (such as video conferencing, entertainment, etc.) who, after we are behind a NAT device if the two sides are unable to establish a connection. Because no intermediate relay server, P2P program after the NAT device on the NAT device will not have a map entry, that is the other side you can not initiate a connection. Now there is a technology called P2P NAT traversal to solve this problem.
5 Conclusion
NAT technology is undeniably at the time ipv4 address the shortage of resources played a role in mitigation; cost and provide better system of load balancing and other aspects of the application to reduce the user's ISP service brings many benefits. But ipv4 addresses will be exhausted in the next few years, NAT technology can not change the nature of shortage of ip address space. However, the safety mechanism is also a potential threat, in the configuration and management is also a challenge. If the problem ip address from which you want to solve a fundamental resource, ipv6 is the most fundamental way. In the process of transition to ipv6 in ipv4, NAT technology is indeed a good choice, compared to other schemes also very obvious advantages.