网络地址转换器
网络地址转换器（NAT），英文全称为Network Address Translation，是一种网络技术，其主要功能是在数据包穿越路由器或防火墙时转换IP地址。
NAT技术允许一个局域网上的多个设备通过一个或多个公共IP地址与互联网互连，从而解决了IPv4地址不足的问题，同时也提供了一定的安全性和隐私保护。
历史背景和发展
NAT技术在1990年代中期出现，目的是为了延缓IPv4地址枯竭的速度，在新的IPv6协议完全启用之前提供一个临时解决方案。
随着互联网的迅速发展和IP地址需求的急剧增长，NAT成为了个人和小型企业用户连接互联网的标准做法。
工作原理
NAT工作在网络的第三层——网络层。
在这个层次，它可以修改经过的数据包的源或目的IP地址。
NAT通常应用在连接到互联网服务提供商的路由器上。
当内部网络上的私有IP地址需要与外部网络（如互联网）通信时，NAT设备会将私有IP地址映射到公共IP地址上，反之亦然。
NAT的类型
存在几种类型的NAT，包括：
1. 静态NAT（SNAT）：也叫基本网络地址转换，将内部网络中的私有IP地址映射到一个固定的公共IP地址。仅支持地址转换，不支持端口映射。
2. 动态NAT（DNAT）：将内部网络中的私有IP地址映射到一个可用的公共IP地址池中的地址。仅支持地址转换，不支持端口映射。
3. 端口地址转换（PAT）：多个私有IP地址映射到单个公共IP地址上，通过端口号区分不同的会话。
网络地址转换方法
网络地址和端口转换可以通过多种方式实现。一些使用 IP 地址信息的应用程序可能需要确定网络地址转换器的外部地址。这是外部网络中的通信对等设备检测到的地址。此外，可能还需要对使用中的映射类型进行检查和分类，例如，当需要在两个客户端之间建立直接通信路径时，这两个客户端都位于不同的NAT网关后面。
为此，RFC 3489 在 2003 年指定了一个名为 “UDP在NAT上的简单遍历(Simple Traversal of UDP over NATs)“（STUN）的协议。它将NAT实现分为全锥形NAT、（地址）受限锥形NAT、端口受限锥形NAT或对称NAT，并提出了相应的设备测试方法。不过，由于这些方法不足以正确评估许多设备，因此这些程序已不再具有标准地位。2008 年，RFC 5389规范了新的方法，缩写STUN现在代表了规范的新名称：用于NAT的会话遍历实用程序(Session Traversal Utilities for NAT)。
NAT实现分类
1 全锥形NAT，又称一对一NAT
一旦内部地址（iAddr:iPort）被映射到外部地址（eAddr:ePort），任何来自iAddr:iPort的数据包都将通过eAddr:ePort发送。 任何外部主机都可以通过向eAddr:ePort发送信息包来向iAddr:iPort发送信息包。
2 (地址）-受限锥形NAT
一旦内部地址 (iAddr:iPort) 映射到外部地址 (eAddr:ePort)，来自 iAddr:iPort 的任何数据包都将通过 eAddr:ePort 发送。 只有当 iAddr:iPort 以前向 hAddr:any 发送过数据包时，外部主机 (hAddr:any) 才能通过向 eAddr:ePort 发送数据包向 iAddr:iPort 发送数据包。”any “表示端口号无关紧要。
3 端口受限锥形NAT 与地址受限锥形NAT类似，但限制包括端口号。
一旦内部地址 (iAddr:iPort) 映射到外部地址 (eAddr:ePort)，任何来自 iAddr:iPort 的数据包都将通过 eAddr:ePort 发送。 只有当 iAddr:iPort 以前向 hAddr:hPort 发送过数据包时，外部主机 (hAddr:hPort) 才能通过向 eAddr:ePort 发送数据包的方式向 iAddr:iPort 发送数据包。
4 对称NAT
一个内部 IP 地址加上一个目标 IP 地址和端口的组合被映射到一个唯一的外部源 IP 地址和端口；如果同一台内部主机发送的数据包即使具有相同的源地址和端口，但目的地不同，则会使用不同的映射。 只有从内部主机接收到数据包的外部主机才能发送回数据包。
NAT的优点
1. 地址保存：NAT减缓了公共IPv4地址的消耗，允许多个设备共享单个或少量的公共IP地址。
2. 安全性和隐私：NAT提供了一层隐蔽性，因为内部网络的具体结构和IP地址对外部网络是不可见的。
3. 易于管理：NAT简化了内部网络的IP地址管理，因为不需要为每个设备分配一个唯一的公共IP地址。
NAT的缺点
1. 端到端通信的破坏：NAT改变了数据包的IP地址，破坏了互联网原始设计中的端到端数据通信原则。
2. 应用层兼容性问题：某些依赖于IP地址信息的应用可能无法正常工作，如IP电话和某些游戏。
3. 性能问题：NAT设备需要处理每个通过的数据包的地址转换，这可能会导致性能瓶颈。
结论
尽管NAT有其局限性和挑战，但它仍然是当前互联网中一个必不可少的技术。
随着IPv6的逐步推广和采用，NAT的应用可能会减少，但在可预见的未来，它仍然是连接私有网络与互联网的重要桥梁。