无处不在的NAT

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NAT是网络地址转换(Network Address Translation)的缩写。通俗的理解就是将网络数据包从一个地址转换为另外一个，转换的过程中保持数据包的实际数据(payload)保持不变。如果将源地址进行转换则称为SNAT(source NAT)；转换目标地址则是DNAT(Destination NAT)；如果同时转换目标地址和源地址则称为Twice NAT。

不同的NAT有不同的使用场景。在目前的网络环境中，NAT几乎已经无处不在，尤其是SNAT。以现在我所处的家庭宽带环境为例说明一下NAT的强大存在。我所用的电脑IP地址是10.0.1.4，登陆到接入路由器上显示获得的IP地址是10.64.93.240。为了清晰了解数据包的来龙去脉，使用traceroute工具观察本地到114.114.114.114经过哪些网络节点: 

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traceroute to 114.114.114.114 (114.114.114.114), 64 hops max, 52 byte packets
 1  10.0.1.1 (10.0.1.1)  2.748 ms  1.135 ms  1.787 ms
 2  192.168.2.1 (192.168.2.1)  5.489 ms  3.008 ms  1.864 ms
 3  192.168.1.1 (192.168.1.1)  7.783 ms  9.514 ms  2.695 ms
 4  100.64.0.1 (100.64.0.1)  17.273 ms  4.184 ms  5.410 ms
 5  218.19.193.113 (218.19.193.113)  6.402 ms  7.097 ms  7.775 ms
 6  121.8.134.105 (121.8.134.105)  5.951 ms  8.907 ms  13.192 ms
 7  202.97.29.74 (202.97.29.74)  43.473 ms
    202.97.122.250 (202.97.122.250)  33.322 ms
    202.97.40.110 (202.97.40.110)  29.353 ms
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从上面的输出可以清晰看出：假如本地要向地址114.114.114.114通讯，需要经过一系列节点。其中1、2、3都是家里的路由器。为什么用3个路由器其实也很无奈。电信提供的那个光纤拨号的设备本身具有路由功能，但是只有两个网口，Wi-Fi信号很差并且没有5G频段。所以就把之前不用的旧四口路由器拿了过来，但这个路由器又不能工作在桥接模式。这两台路由器都在客厅，就拉了一根网线到房间，房间有另外一个路由器，所以就有了3个路由器。每次经过路由器都要进行一次NAT。

第四跳的地址是100.64.0.1，这是一个比较特殊的保留地址。100.64.0.0/10网段被用作网络运行商NAT地址段，范围从100.64.0.0~100.127.255.255，共计4,194,304个IP地址。这个地址段被运营商视作内网，因此拨号分配到的地址是10.64.93.240。所以经过100.64.0.1时也需要做一次NAT。

为了知道真正的公网地址，可以访问诸如http://ipip.net http://ip.cn http://ip138.com 之类网站。显示的结果是202.97.40.110。因此发送到114.114.114.114的数据包至少要进行5次NAT。三次在家庭路由器，一次在100.64.0.1, 一次在202.97.40.110。第5跳和第6跳有没有NAT比较难以判断。

由于IPv4地址匮乏，NAT非常普遍。除了一些具有公网地址的服务器，其他设备进行网络连接都要进行几次转换。这些设备包括通常的家庭网络设备、手机、公司内网设备等。如果一个设备的地址是192.168.x.x, 10.x.x.x几乎可以断定是通过NAT联网。SNAT很大程度上缓解了IPv4地址紧缺的困境，所以SNAT应用最为广泛。