网络地址转换（NAT）
网络地址转换（Network Address Translation，NAT）是一种将不同网络的地址转换为同一网络的地址，从而实现不同网络间数据传输的技术。
NAT的由来
每一连接到Internet的设备都需要一个唯一的ID来表示，这个ID就是IP地址。在IPv4中，采用32位数字来表示IP地址，理论上有2^32（约42亿）个可能的地址，然而，随着互联网的迅猛发展，这个地址空间迅速耗尽。为了应对地址短缺问题，人们为IP地址使用定义了一些规范rfc1918。
简单来说就是为IP地址划分了3块空间提供给私有网络（公司、组织、个人）使用，我们只需向运营商申请少量的公共IP地址。当设备要访问互联网时，为私有IP和公共IP做一个映射，就能到达设备访问互联网的要求。
rfc1918 划分了以下3类私有IP地址空间，我们可以根据自己网络规模的大小自由选择以下任意网段的IP地址：
- A类： 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10/8 prefix)
- B类： 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16/12 prefix)
- C类： 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168/16 prefix)
NAT的工作原理
通常我们的路由器都包含NAT功能，即路由器存在多个网络接口，提供给私有/公共网络使用。当数据包由私有网络进入公共网络，路由器会将数据包中的IP地址转换为公共网络中的地址，当数据包由公共网络进入私有网络，路由器会将数据包中的IP地址转换为私有网络中的地址。
下面是一个最基本的NAT案例：
- PC的IP地址为192.168.1.8
- Router的私有网络IP地址为192.168.1.1 ，公共网络IP地址为221.10.10.10
- Server的IP地址为221.22.22.22
- PC 通过Router向 Server 发送数据包，Destination IP地址为221.22.22.22。
- Router 接受 PC 数据包，进行NAT（将Source IP地址转换为公共网络中的地址221.10.10.10）并将数据发送到Server。
- Server 接受 Router 数据包，根据数据包中的Source IP地址，将数据包返回给Router。
- Router 收到 Server 数据包，进行NAT操（将Destination IP地址转换为私有网络中的地址192.168.1.8）并将数据包发送到IP为192.168.1.
NAT 分类
静态网络地址转换（Static NAT）
在连接私网和公网的路由器上配置静态 NAT，每个私网地址都有一个固定的公网地址，即私网地址和公网地址是一一对应的。
动态网络地址转换 （Dynamic NAT）
为避免地址浪费，动态 NAT 提出了地址池，地址池存放了所有可以使用的公共地址。当私有网络中的设备需要访问公共网络时，会动态从池中获取一个公网IP，如果池中没有可用的公网IP就丢弃当前数据包。当设备不需要连接公共网络的时候，可以将公共地址放回池中供其它设备使用。
网络地址端口转换 (Network Address Port Translation，NAPT)
网络地址端口转换（Network Address Port Translation，NAPT）： 也被称为PAT（Port Address Translation）。NAPT通过使用不同的端口号来支持多个私有IP地址映射到一个公共IP地址。它是一种多对一的映射方式，通过修改端口号来区分不同的内部主机。
在NAPT中，又分4种子类型
全锥NAT（Full Cone NAT）
将一个内部地址$\text{addr}_{o} =\{\text{ip}_{o},\text{port}_{o}\}$ 映射到外部地址$ \text{addr}_{t} =\{\text{ip}_{t},\text{port}_{t}\}$ ，所有$ \text{addr}_{o}$ 的数据将由$ \text{addr}_{t}$ 发送到外部，所有进入到$ \text{addr}_{t}$ 的数据都转发到$ \text{addr}_{o}$ 。全锥NAT在NAPT中属于最宽松的类型，它没有任何其它限制。
Client_1向Server_1发送了一个数据包，Nat Table 中会记录$ \text{addr}_{t}$ 和$ \text{addr}_{o}$ 的映射关系，一旦关系建立，Client_1就可以通过$ \text{addr}_{t}$ 和外部的任何主机进行相互通信。
地址受限NAT（Address Restricted Cone NAT）
在全锥NAT的基础上加上Destiantion IP地址限制。当$ \text{addr}_{t}$ 接受到外部数据包时，如果数据包中的Source IP 和 Nat Table 中的Destiantion IP 一致，则转发给$ \text{addr}_{o}$ ，否则丢弃。
- 数据包4：Source IP 和 Nat Table 中的Destiantion IP 不一致，被丢弃
端口受限NAT（Port Restricted Cone NAT）
在地址受限NAT的基础上进一步的限制了端口。当$ \text{addr}_{t}$ 接受到外部数据包时，如果数据包中的Source IP 和 Nat Table 中的Destiantion IP ，且Source Port 和 Nat Table 中的Destiantion Port 一致，则转发给$ \text{addr}_{o}$ ,否则丢弃。
- 数据包3：Source IP 和 Nat Table 中的Destiantion IP 一致 但是Source Port 和 Nat Table 中的Destiantion Port 不一致，被丢弃
- 数据包4：Source IP 和 Nat Table 中的Destiantion IP 不一致 且Source Port 和 Nat Table 中的Destiantion Port 不一致，被丢弃
对称NAT（Symmetric NAT）
在端口受限NAT的基础上继续进行限制。
NAT穿透
在了解了NAT的工作原理之后，我们再来看看NAT的具体实现。在实际场景中，NAT一共有4总实现方式：
