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私有 IP 地址有 3 个范围段

私网地址的范围：

• A 类地址：10.0.0.0~10.255.255.255
• B 类地址：172.16.0.0~172.31.255.255
• C 类地址：192.168.0.0~192.168.255.255

公有 IP 地址有 5 个范围段

• A 类：地址范围 1.0.0.0 - 127.255.255.255，主要分配给主机数量多、局域网数量少的大型网络;
• B 类：地址范围为 128.0.0.0 - 191.255.255.255，一般为国际大公司及政府机构使用;
• C 类：地址范围为 192.0.0.0 - 223.255.255.255，为一般小型公司校园网研究机构;
• D 类：地址范围由 224.0.0.0 - 239.255.255.255。
• E 类：地址范围为 240.0.0.0 - 255.255.255.255，暂时预留。

NAT 实现地址转换

NAT 解决了 IPv4 地址不够用的问题，另外 NAT 屏蔽了私网用户真实地址，提高了私网用户的安全性。

典型的 NAT 组网模型，网络通常是被划分为私网和公网两部分，各自使用独立的地址空间。私网使用私有地址 10.0.0.0/24 ，而公网使用公网地址。为了让主机 A 和 B 访问互联网上的服务器 Server ，需要在网络边界部署一台 NAT 设备用于执行地址转换。NAT 设备通常是路由器或防火墙。

基本 NAT

基本 NAT 是最简单的一种地址转换方式，它只对数据包的 IP 层参数进行转换，它可分为静态 NAT 和动态 NAT 。

• 静态 NAT 是公网 IP 地址和私有 IP 地址有一对一的关系，一个公网 IP 地址对应一个私有 IP 地址，建立和维护一张静态地址映射表。
• 动态 NAT 是公网 IP 地址和私有 IP 地址有一对多的关系，同一个公网 IP 地址分配给不同的私网用户使用，使用时间必须错开。它包含一个公有 IP 地址池和一张动态地址映射表。

动态 NAT 例子

私网主机 A（ 10.0.0.1 ）需要访问公网的服务器 Server（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAT ，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：

A 向 Server 发送报文

步骤 1：A 向 Server 发送报文，网关是 10.0.0.254 ，源地址是 10.0.0.1 ，目的地址是 61.144.249.229 。

步骤 2：RT 收到 IP 报文后，查找路由表，将 IP 报文转发至出接口，由于出接口上配置了 NAT ，因此 RT 需要将源地址 10.0.0.1 转换为公网地址。

步骤 3：RT 从地址池中查找第一个可用的公网地址 219.134.180.11 ，用这个地址替换数据包的源地址，转换后的数据包源地址为 219.134.180.11 ，目的地址不变。同时 RT 在自己的 NAT 表中添加一个表项，记录私有地址 10.0.0.1 到 公网地址 219.134.180.11 的映射。RT 再将报文转发给目的地址 61.144.249.229 。

Server 收到报文后做相应处理

步骤 1：Server 发送回应报文，报文的源地址是 61.144.249.229 ，目的地址是 219.134.180.11 。

步骤 2：RT 收到报文，发现报文的目的地址 219.134.180.11 在 NAT 地址池内，于是检查 NAT 表，找到对应表项后，使用私有地址 10.0.0.1 替换公网地址 219.134.180.11，转换后的报文源地址不变，目的地址为 10.0.0.1 。RT 在将报文转发给 A 。

步骤 3：A 收到报文，地址转换过程结束

B 向 Server 发送报文

如果 B 也要访问 Server ，则 RT 会从地址池中分配另一个可用公网地址 219.134.180.12 ，并在 NAT 表中添加一个相应的表项，记录 B 的私有地址 10.0.0.2 到公网地址 219.134.180.12 的映射关系。

其他部分和 A 是一样的

NAPT 配合端口实现地址转换

NAPT 对应关系

在基础 NAT 中，私有地址和公网地址存在一对一地址转换的对应关系，即一个公网地址同时只能分配给一个私有地址。它只解决了公网和私网的通信问题，并没有解决公网地址不足的问题。

NAPT（ Network Address Port Translation ）对数据包的 IP 地址、协议类型、传输层端口号同时进行转换，可以明显提高公网 IP 地址的利用率。

NAPT 例子

A 向 Sever 发送报文

私网主机 A（ 10.0.0.1 ）需要访问公网的服务器 Server 的 WWW 服务（ 61.144.249.229 ），在路由器 RT 上配置 NAPT ，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：

步骤 1：A 向 Server 发送报文，网关是 RT（ 10.0.0.254 ），源地址和端口是 10.0.0.1:1024 ，目的地址和端口是 61.144.249.229:80 。

步骤 2：RT 收到 IP 报文后，查找路由表，将 IP 报文转发至出接口，由于出接口上配置了 NAPT ，因此 RT 需要将源地址 10.0.0.1:1024 转换为公网地址和端口。

步骤 3：RT 从地址池中查找第一个可用的公网地址 219.134.180.11 ，用这个地址替换数据包的源地址，并查找这个公网地址的一个可用端口，例如 2001 ，用这个端口替换源端口。转换后的数据包源地址为 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不变。同时 RT 在自己的 NAT 表中添加一个表项，记录私有地址 10.0.0.1:1024 到 公网地址 219.134.180.11:2001 的映射。RT 再将报文转发给目的地址 61.144.249.229 。

Server 收到报文后做响应处理

步骤 1：Server 发送回应报文，报文的源地址是 61.144.249.229:80 ，目的地址是 219.134.180.11:2001 。

步骤 2：RT收到报文，发现报文的目的地址在 NAT 地址池内，于是检查 NAT 表，找到对应表项后，使用私有地址和端口 10.0.0.1:1024 替换公网地址 219.134.180.11:2001，转换后的报文源地址和端口不变，目的地址和端口为 10.0.0.1:1024 。RT 再将报文转发给 A 。

步骤 3：A收到报文，地址转换过程结束。

B 向 Server 发送报文

如果 B也要访问 Server ，则 RT 会从地址池中分配同一个公网地址 219.134.180.11 ，但分配另一个端口 3001 ，并在 NAT 表中添加一个相应的表项，记录 B 的私有地址 10.0.0.2:1024 到公网地址 219.134.180.12:3001 的映射关系。

Easy IP

在标准的 NAPT 配置中需要创建公网地址池，也就是必须先知道公网 IP 地址的范围。而在拨号接入的上网方式中，公网 IP 地址是由运营商动态分配的，无法事先确定，标准的 NAPT 无法做地址转换。要解决这个问题，就要使用 Easy IP 。

Easy IP 又称为基于接口的地址转换。在地址转换时，Easy IP 的工作原理与 NAPT 相同，对数据包的 IP 地址、协议类型、传输层端口号同时进行转换。但 Easy IP 直接使用公网接口的 IP 地址作为转换后的源地址。Easy IP 适用于拨号接入互联网，动态获取公网 IP 地址的场合。

Easy IP 无需配置地址池，只需要配置一个 ACL（访问控制列表），用来指定需要进行 NAT 转换的私有 IP 地址范围。

NAT Sever

从基本 NAT 和 NAPT 的工作原理可知，NAT 表项由私网主机主动向公网主机发起访问而生成，公网主机无法主动向私网主机发起连接。因此 NAT 隐藏了内部网络结构，具有屏蔽主机的作用。但是在实际应用中，内网网络可能需要对外提供服务，例如 Web 服务，常规的 NAT 就无法满足需求了。

为了满足公网用户访问私网内部服务器的需求，需要使用 NAT Server 功能，将私网地址和端口静态映射成公网地址和端口，供公网用户访问。

举个栗子

A 的私网地址为 10.0.0.1 ，端口 8080 提供 Web 服务，在对公网提供 Web 服务时，要求端口号为 80 。在 NAT 设备上启动 NAT Server 功能，将私网 IP 地址和端口 10.0.0.1:8080 映射成公网 IP 地址和端口 219.134.180.11:80 ，这样公网主机 C 就可以通过 219.134.180.11:80 访问 A 的 Web 服务。

NAT ALG

基本 NAT 和 NAPT 只能识别并修改 IP 报文中的 IP 地址和端口号信息，无法修改报文内携带的信息，因此对于一些 IP 报文内携带网络信息的协议，例如 FTP 、DNS 、SIP 、H.323 等，是无法正确转换的。

ALG 能够识别应用层协议内的网络信息，在转换 IP 地址和端口号时，也会对应用层数据中的网络信息进行正确的转换。

举个栗子：ALG 处理 FTP 的 Active 模式

FTP 是一种基于 TCP 的协议，用于在客户端和服务器间传输文件。FTP 协议工作时建立 2 个通道：Control 通道和 Data 通道。Control 用于传输 FTP 控制信息，Data 通道用于传输文件数据。

私网 A（ 10.0.0.1 ）访问公网 Server（ 61.144.249.229 ）的 FTP 服务，在 RT 上配置 NAPT，地址池为 219.134.180.11 ~ 219.134.180.20 ，地址转换过程如下：

步骤 1：A发送到 Server 的 FTP Control 通道建立请求，报文源地址和端口为 10.0.0.1:1024 ，目的地址和端口为 61.144.249.229:21 ，携带数据是 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，即告诉 Server 自己使用 TCP 端口 5001 传输 Data。

步骤 2：RT 收到报文，建立 10.0.0.1:1024 到 219.134.180.11:2001 的映射关系，转换源 IP 地址和 TCP 端口。根据目的端口 21 ，RT 识别出这是一个 FTP 报文，因此还要检查应用层数据，发现原始数据为 “ IP = 10.0.0.1 port=5001 ”，于是为 Data 通道 10.0.0.1:5001 建立第二个映射关系：10.0.0.1:5001 到 219.134.180.11:2002 ，转换后的报文源地址和端口为 219.134.180.11:2001 ，目的地址和端口不变，携带数据为 “ IP = 219.134.180.11 port=2002 ”。

步骤 3：Server 收到报文，向 A 回应 command okay 报文，FTP Control 通道建立成功。同时 Server 根据应用层数据确定 A 的 Data 通道网络参数为 219.134.180.11:2002 。

步骤 4：A 需要从 FTP 服务器下载文件，于是发起文件请求报文。Server 收到请求后，发起 Data 通道建立请求，IP 报文的源地址和端口为 61.144.249.229:20 ，目的地址和端口为 219.134.180.11:2002，并携带 FTP 数据。