穿越NAT的迷雾：深入理解NAT和NAT穿透，STUN、TURN、ICE的关系 _NAT穿透

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 。

文章插图

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 。

文章插图

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。