【What】什么是NAT

到底什么是NAT呢？在不同的领域里估计有不同的含义，本文里的NAT特指计算机网络领域的专有名词Network Address Translation，翻译成中文是网络地址转换。（在此，特别声明，以下要描写的东西，都是对该概念的基本内涵的个人理解，并没有什么新鲜的东西，也不保证正确，感兴趣请参阅《计算机网络》第四版）

其实，这个概念，理论上，我是应该懂的，但是理想很丰满，现实很骨干，我的知识早已一点不剩地还给老师了。所幸的是，由于巨蟹座念旧的性格缺陷，书我还没卖，也没扔。于是翻出来追忆让人又敬又怕的张尧弼老师，您现在可好？

回到正题，什么是NAT？要是从头道来的话，我估计就我这啰嗦劲，三本塔嫩鲍姆的厚度，我还没说完。所以，只好一切从简了。一句话，IP地址不够用，好吧，我说的是IPv4。别问我什么是IP，什么是v4，为啥不够用，都说了已经还给张老师了。姑且就当它不够用吧。

举个例子说吧，比如腾讯这种公司，有大概三万个员工，然后小马哥的脑容量有限，不可能记住三万个名字。那么怎么办呢？需要一个领导班子，我们叫高干，高级干部。人数很少，能搞定。高干呢，管中干，中干管基干，基干管员工。于是乎，大家的脑容量都没变大，但是却管理了更多的员工。就算员工重名了，也不怕搞不清，到了基干手下这个层级，重名已经很少了，基本没有。

如果你想加工资，你没法直接跟小马哥说，你只好跟你的基干领导说，然后基干跟中干汇报，中干跟高干汇报，最后报到小马哥那里了。小马哥说，一年了辛苦了，加吧。于是高干向中干传达，中干向基干传达，基干向你宣布。

例子可能有点不恰当，但我觉得本质就是这么回事。这里面要传达几个信息。第一，地址数量（能记住的名字）有限，因为IP地址的位数（脑容量）有限；第二，通过分而治之的方法，解决问题，主干网，各个级别的子网，最终实现更多数量计算机都接入网络（管理更多员工）；第三，一台最普通的计算机（基层员工），如何跟另一台，其他网络的，某个计算机（小马哥）通信，还要实现双向都通信，主干网上的计算机（小马哥）有明确地址，普通子网计算机（基层员工）要发送消息，目标比较明确，但是对于主干网的计算机（小马哥），不知道是具体是哪个子网的计算机（基层员工），这时候到底如何确保信息送达。

通俗地讲，NAT就解决这些问题。为了解决IP地址不够地问题，有关部门（够神秘）特别划分了三个网段，供各个局域网随意使用10.0.0.0到10.255.255.255第一段，172.16.0.0到172.31.255.255第二段，第三段就是我们耳熟能详地192.168.0.0到192.168.255.255。理论上局域网内部，用哪个都是可以地，但是一般小组织用第三段，随着规模扩大，用第二段，以此类推。所以，判定公网IP还是内网IP是很容易的，看数字就可以了。

局域网设备向公网设备发送数据的时候，是没什么难点的，因为公网设备有唯一IP，而反过来，就麻烦了，每个局域网，都有一个192.168.1.3，到底发给谁呢？所以，就需要有NAT设备出马了，一般叫做NAT box，但是现在，按照我猜测，都是直接做在路由器里面了。NAT设备通过地址转换的方式，贯通了公网设备和子网设备的通信桥梁。

一般来说，在一个局域网内部，IP地址是唯一的。路由设备接入了公网，所以路由器一般除了自己的内网网关IP外，至少还有一个其所在公网的公网IP。在内网数据包从路由器出去时，NAT设备，会将内网数据包的源地址，替换成路由器在公网上的地址。这样从公网设备发来的数据包，就知道应该发给谁了。NAT设备在收到公网来的数据包后，再按照一定规则，将数据的目的地址翻译成内网地址，就可以实现准确投递。

我们再往里钻一层看看，这个双向翻译是怎么做的。因为IP协议不可能因为这个而去改变，所以，想做这些翻译的事情，只能在现有的数据结构上复用字段。（蛋疼啊）被利用的字段，其实就是端口字段。使用TCP协议和UDP协议时候，都需要绑定一个端口，从而数据包才能正确的在源机器和目的机器的进程间传递。所以，NAT设备在翻译从内网出去的数据包的时候，把源IP替换成公网IP，把源端口替换成内网计算机的相应端口，这样就可以了。

那么，碰巧两台内网计算机用的相同端口怎么办？好问题。所以，在内网要唯一标识一个计算机的某个进程，需要使用内网IP地址＋端口的方法，这就对NAT设备提出了新的需求，NAT设备在翻译内网出去的数据包时候，不能简单的把源端口填成源机器的相应端口，而是一个由源机器IP＋端口映射成的虚拟端口。同时NAT设备要把虚拟端口和源内网IP＋端口的对应关系储存起来。

在公网数据包发到NAT设备时候，NAT会取出目的端口字段，查询维护的映射关系，找到真正的内网机器IP＋端口，替换包里的目的IP和端口，将数据包放在内网上发送。至此，NAT全部过程都已经解释完毕了。