NAT详解

                                         NAT详解

      NAT英文全称是“Network Address Translation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（Internet Protocol）地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术。如图

 

    简单的说，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，您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。如图2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（一种网络技术，可以实现不同路径转发）。虽然内部地址可以随机挑选，但是通常使用的是下面的地址：10.0.0.0~10.255.255.255，172.16.0.0~172.16.255.255，192.168.0.0~192.168.255.255。NAT将这些无法在互联网上使用的保留IP地址翻译成可以在互联网上使用的合法IP地址。而全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（网络信息中心）或者ISP(网络服务提供商)分配的地址，对外代表一个或多个内部局部地址，是全球统一的可寻址的地址。

      

      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。另外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。

 
      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）。
      
          其中静态NAT设置起来最为简单和最容易实现的一种，内部网络中的每个主机都被永久映射成外部网络中的某个合法的地址。而动态地址NAT则是在外部网络中定义了一系列的合法地址，采用动态分配的方法映射到内部网络。NAPT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。根据不同的需要，三种NAT方案各有利弊。
    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。
    网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）是人们比较熟悉的一种转换方式。NAPT普遍应用于接入设备中，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TCP端口号。
    在Internet中使用NAPT时，所有不同的信息流看起来好像来源于同一个IP地址。这个优点在小型办公室内非常实用，通过从ISP处申请的一个IP地址，将多个连接通过NAPT接入Internet。实际上，许多SOHO远程访问设备支持基于PPP的动态IP地址。这样，ISP甚至不需要支持NAPT，就可以做到多个内部IP地址共用一个外部IP地址上Internet，虽然这样会导致信道的一定拥塞，但考虑到节省的ISP上网费用和易管理的特点，用NAPT还是很值得的。

     

      在Internet中使用NAT技术

      NAT技术可以让你区域网路中的所有机器经由一台通往Internet的server 线出去，而且只需要注册该server的一个IP就够了。 在以往没有NAT技术以前，我们必须在server上安装sockd，并且所有的clients都必须要支援sockd，才能够经过server的sockd连线出去。这种方式最大的问题是，通常只有telnet/ftp/www-browser支援sockd，其它的程式都不能使用；而且使用sockd的速度稍慢。因此我们使用网络地址转换NAT技术，这样client不需要做任何的更动，只需要把gateway设到该server上就可以了，而且所有的程式(例如kali/kahn等等) 都可以使用。最简单的NAT设备有两条网络连接：一条连接到Internet，一条连接到专用网络。专用网络中使用私有IP地址（有时也被称做Network 10地址，地址使用留做专用的从10.0.0.0开始的地址）的主机，通过直接向NAT设备发送数据包连接到Internet上。与普通路由器不同NAT设备实际上对包头进行修改，将专用网络的源地址变为NAT设备自己的Internet地址，而普通路由器仅在将数据包转发到目的地前读取源地址和目的地址。

     

应用NAT技术的安全策略

1、应用NAT技术的安全问题

在使用NAT时，Internet上的主机表面上看起来直接与NAT设备通信，而非与专用网络中实际的主机通信。输入的数据包被发送到NAT设备的IP地址上，并且NAT设备将目的包头地址由自己的Internet地址变为真正的目的主机的专用网络地址。而结果是，理论上一个全球唯一IP地址后面可以连接几百台、几千台乃至几百万台拥有专用地址的主机。但是，这实际上存在着缺陷。例如，许多Internet协议和应用依赖于真正的端到端网络，在这种网络上，数据包完全不加修改地从源地址发送到目的地址。比如，IP安全架构不能跨NAT设备使用，因为包含原始IP 源地址的原始包头采用了数字签名。如果改变源地址的话，数字签名将不再有效。 NAT还向我们提出了管理上的挑战。尽管NAT 对于一个缺少足够的全球唯一Internet地址的组织、分支机构或者部门来说是一种不错的解决方案，但是当重组、 合并或收购需要对两个或更多的专用网络进行整合时，它就变成了一种严重的问题。甚至在组织结构稳定的情况下，NAT系统不能多层嵌套，从而造成路由噩梦。

2、应用NAT技术的安全策略

当我们改变网络的IP地址时，都要仔细考虑这样做会给网络中已有的安全机制带来什么样的影响。如，防火墙根据IP报头中包含的TCP端口号、信宿地址、信源地址以及其它一些信息来决定是否让该数据包通过。可以依NAT设备所处位置来改变防火墙过滤规则，这是因为NAT改变了信源或信宿地址。如果一个NAT设备，如一台内部路由器，被置于受防火墙保护的一侧，将不得不改变负责控制NAT设备身后网络流量的所有安全规则。在许多网络中，NAT机制都是在防火墙上实现的。它的目的是使防火墙能够提供对网络访问与地址转换的双重控制功能。除非可以严格地限定哪一种网络连接可以被进行NAT转换，否则不要将NAT设备置于防火墙之外。任何一个淘气的黑客，只要他能够使NAT误以为他的连接请求是被允许的，都可以以一个授权用户的身份对你的网络进行访问。如果企业正在迈向网络技术的前沿，并正在使用IP安全协议（IPSec）来构造一个虚拟专用网（VPN）时，错误地放置NAT设备会毁了计划。原则上，NAT设备应该被置于VPN受保护的一侧，因为NAT需要改动IP报头中的地址域，而在IPSec报头中该域是无法被改变的，这使可以准确地获知原始报文是发自哪一台工作站的。如果IP地址被改变了，那么IPSec的安全机制也就失效了，因为既然信源地址都可以被改动，那么报文内容就更不用说了。那么NAT技术在系统中我们应采用以下几个策略：

①网络地址转换模块

NAT技术模块是本系统核心部分，而且只有本模块与网络层有关，因此，这一部分应和Unix系统本身的网络层处理部分紧密结合在一起，或对其直接进行修改。本模块进一步可细分为包交换子模块、数据包头替换子模块、规则处理子模块、连接记录子模块与真实地址分配子模块及传输层过滤子模块。

②集中访问控制模块

集中访问控制模块可进一步细分为请求认证子模块和连接中继子模块。请求认证子模块主要负责和认证与访问控制系统通过一种可信的安全机制交换各种身份鉴别信息，识别出合法的用户，并根据用户预先被赋予的权限决定后续的连接形式。连接中继子模块的主要功能是为用户建立起一条最终的无中继的连接通道，并在需要的情况下向内部服务器传送鉴别过的用户身份信息，以完成相关服务协议中所需的鉴别流程。

③临时访问端口表

为了区分数据包的服务对象和防止攻击者对内部主机发起的连接进行非授权的利用，网关把内部主机使用的临时端口、协议类型和内部主机地址登记在临时端口使用表中。由于网关不知道内部主机可能要使用的临时端口，故临时端口使用表是由网关根据接收的数据包动态生成的。对于入向的数据包，防火墙只让那些访问控制表许可的或者临时端口使用表登记的数据包通过。

④认证与访问控制系统

认证与访问控制系统包括用户鉴别模块和访问控制模块，实现用户的身份鉴别和安全策略的控制。其中用户鉴别模块采用一次性口令（One-Time Password）认证技术中Challenge/Response机制实现远程和当地用户的身份鉴别，保护合法用户的有效访问和限制非法用户的访问。它采用Telnet和WEB两种实现方式，满足不同系统环境下用户的应用需求。访问控制模块是基于自主型访问控制策略（DAC），采用ACL的方式，按照用户（组）、地址（组）、服务类型、服务时间等访问控制因素决定对用户是否授权访问。

⑤网络安全监控系统

监控与入侵检测系统作为系统端的监控进程，负责接受进入系统的所有信息，并对信息包进行分析和归类，对可能出现的入侵及时发出报警信息；同时如发现有合法用户的非法访问和非法用户的访问，监控系统将及时断开访问连接，并进行追踪检查。

⑥基于WEB的防火墙管理系统

管理系统主要负责网络地址转换模块、集中访问控制模块、认证与访问控制系统、监控系统等模块的系统配置和监控。它采用基于WEB的管理模式，由于管理系统所涉及到的信息大部分是关于用户帐号等敏感数据信息，故应充分保证信息的安全性，我们采用JAVA APPLET技术代替CGI技术，在信息传递过程中采用加密等安全技术保证用户信息的安全性。

总结

尽管NAT技术可以给我们带来各种好处，例如无需为网络重分IP地址、减少ISP帐号花费以及提供更完善的负载平衡功能等，NAT技术对一些管理和安全机制的潜在威胁仍在，看你如何正确应用好网络地址转换NAT技术。

协议结构

NAT 是一个过程，而不是一个结构化协议。相关协议：IP、IPv6、TCP、UDP、NATP组织来源：NAT 由 IETF（http://www.ietf.org/）定义在 RFC 3022中。

 

网络地址转换（NAT）的工作原理
　  当一台小型商务企业的内部网计算机用户连接到 Internet 资源时，该用户的 TCP/IP 协议产生一个 IP 数据包，该数据包包含以下值，这些值位于 IP 和 TCP 或 UDP 标头中：(粗体内容表示受 NAT 影响的项目)：
　　
　　• 目标 IP 地址：Internet 资源 IP 地址
　　• 源 IP 地址：私有 IP 地址
　　• 目标端口：Internet 资源 TCP 或 UDP 端口
　　• 源端口: 源应用程序 TCP 或 UDP 端口
　　
　　请求源主机或者其它路由器将此 IP 数据包发送给 NAT, 然后由 NAT 将向外发送的数据包的地址解析如下：
　　
　　• 目标IP地址：Internet 资源 IP 地址
　　• 源IP 地址：ISP 分配的公用地址
　　• 目标端口：Internet 资源 TCP 或 UDP 端口
　　• 源端口：重新映射的源应用程序TCP 或 UDP 端口
　　
　　NAT 将重新映射的 IP 数据包发送到 Internet 。响应计算机将向 NAT 返回一个响应。当 NAT 接收到此响应时，该数据包将包含以下地址信息：
　　
　　• 目标IP 地址：ISP 分配的公用地址
　　• 源IP地址：Internet 资源 IP 地址
　　• 目标端口：重新映射的源应用程序 TCP 或 UDP 端口
　　• 源端口：Internet 资源的 TCP 或者 UDP 端口
　　
　　当 NAT 完成映射和解析地址后，将向 Internet 客户端发送数据包，此数据包包含以下地址信息：
　　
　　• 目标 IP 地址：私有 IP 地址
　　• 源 IP 地址：Internet 资源 IP 地址
　　• 目标端口：源应用程序 TCP 或者 UDP 端口
　　• 源端口：Internet 资源 TCP 或 UDP 端口
　　
　　对于向外发送的数据包，源 IP 地址和 TCP/UDP 端口号将被映射到一个公用源 IP 地址和一个可能变化的 TCP/UDP 端口号。对于接收的数据包，目标 IP 地址和 TCP/UDP 端口号将被映射到私有 IP 地址和初始 TCP/UDP 端口号。
　　
　　例如，一个小型办公网络使用 192.168.0.0/24 作为企业内部网络私有 ID 并且其 Internet 网络服务提供商分配的单一公用IP地址为131.107.0.1。当此小型内部网中一台内部私有地址为 192.168.0.99 的客户访问 IP 地址为 157.60.0.1的网站服务器时，此用户机的 TCP/IP 协议产生一个包含以下在 IP 和 TCP 或者 UDP 标头中的数值的 IP 数据包：
　　
　　• 目标IP地址：157.60.0.1
　　• 源IP地址： 192.168.0.99
　　• 目标端口：80
　　• 源端口：1025
　　
　　
　　请求源主机将此 IP 数据包发送给 NAT 设备，然后由 NAT 设备解析向外发送数据包的地址如下：
　　
　　• 目标 IP 地址：157.60.0.1
　　• 源 IP 地址：131.107.0.1
　　• 目标端口：80
　　• 源端口：5000
　　
　　NAT 将重新映射后的 IP 数据包发送到 Internet。网站服务器向 NAT 返回一个响应。当 NAT 接受到此响应时，数据包包含以下地址信息：
　　
　　• 目标IP地址：131.107.0.1
　　• 源IP地址：157.50.0.1
　　• 目标端口：5000
　　• 源端口：80
　　
　　当 NAT 完成地址的映射和解析后，它将此数据包发送给 Internet 客户端，数据包包含以下地址信息：
　　
　　• 目标IP地址：192.168.0.99
　　• 源IP地址：157.60.0.1
　　• 目标端口：1025
　　• 源端口：80
　　

NAT 的类型

　　•完全（Cone） NAT
　　完全 NAT 是指在 NAT 转换表中存储了内部地址和端口号与外部地址和端口号之间映射关系的一类 NAT。一旦 NAT 转换表开始工作，来自任何源地址和端口通往外部地址和端口的入站数据包都将被转换。
　　
　　• 受限 NAT
　　受限 NAT是指在 NAT 转换表中存储了内部地址和端口号与外部地址和端口号之间的映射，无论是特定的源地址或者特定源地址与端口号。如果从某个未知外部地址或者端口到外部目标地址和端口的入站数据包与 NAT 转换表吻合，那么此数据流将被自动放弃。
　　
　　• 对称 NAT
　　对称 NAT 是指根据外部目标地址（适用于出站数据包）将相同的内部地址和端口号映射到不同的外部地址和端口号的 NAT。