NAT技术在网络中的应用与实现

3.3
上面已经分析与设计出实例的配置方案，下面需要做的则是在模拟器上进行配置与运行，测试设计方案是否可行。
在路由器上的各端口的IP地址规划与NAT端口角色如下：
（1）F1/0是内部端口：10.0.1.100/24。
（2）F2/0是内部端口：10.0.0.200/24。
（3）F0/0是外部端口：202.100.100.1/24。
IPv6的提出，让人们看到的希望，最称为是最终解决方案。IPv6提供了丰富的地址空间（3.4*1038）[4]，实际上是IPv4地址长度的4倍，IPv6的优点还有其安全性、扩展性和高可用性。可惜的是，直到现今，要用户终端上IPv6还没能普及，这迫使人们寻找更实际的、针对IPv4的技术。
NAT技术的使用，是我们至今在互联网上没有使用完合法IPv4地址的真实原因。NAT包括三种类型，分别是静态NAT、动态NAT和端口复用NAT（即PAT）。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公网的合法IP地址，以缓解可用IP地址空间的消耗。虽然，它没有像IPv6那种从根本上解决问题，但在IPv6没有得到普及的今天，成为了事实上广泛使用的解决方法。
图3-2 PAT转换示例
第三章
3.1
GNS3是一款优秀的开源的具有图形化界面的网络模拟软件，适用于多种操作系统。它可以用于运行Cisco的网络操作系统IOS，或者是检验将要在真实的路由器上部署实施的相关配置。同时它也可以仿真一个网络的性能。简单说来它是Dynamips的一个图形前端，而Dynamips则是直接运行IOS来模拟Cisco的路由器，通过利用本地网卡，可虚拟出多个虚拟网上来模拟PC等设备的网络连接。故本课程设计使用GNS 3来模拟一个NAT的应用实例，使用Cisco的3600系列路由器来进行NAT转换。实例在GNS 3软件中的网络拓扑图如图4-1所示，加上了适当的备注。
编号：_______________
商丘科技职业学院
毕业论文
题 目：NAT技术在网络中的应用与实现
系别计算机科学系
专业
学生姓名
成绩
指导教师
2011年 4月
摘要
随着互联网的普及，IP地址缺乏问题日益恶化，为了缓解问题，在IP地址分配和保留IP地址方面提出了许多办法，甚至提出新一代的IPv6技术从根本上解决地址空间问题。但由于多方面的原因，NAT成为了事实上广泛使用的解决方法，是我们至今在互联网上没有使用完合法IPv4地址的真实原因。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公网的合法IP地址，以缓解可用IP地址空间的消耗。本课程设计主要对NAT技术进行系统分析，并举出一个应用实例，在网络模拟器中将其具体实现，深入了解其工作原理与数据包每次被修改的情况，了解技术存在的缺点。
表3-1 NAT术语
名字
含义
内部本地
转换之前的内部源地址
外部本地
转换之前的目标地址
内部全局
转换之后的内部源地址
外部全局
转换之后的目标地址
2.3
下面通过例子说明NAT详细工作原理。如图3-1所示，主机10.1.1.1需要访问外部网络Internet中的服务器，它发送一个数据包到边界路由器，该数据包的源地址为10.1.1.1。NAT转换发生在边界路由器中，该路由器识别出此数据包中的源地址为内部本地IP地址，目标是外部网络，它便把内部本地地址转换为内部全局地址172.168.2.2，并把转换结果记录到NAT表中。这个数据包使用转换后的新的源地址被发送到路由器的外出接口，然后被送达服务器。当外部的服务器产生响应数据包并回送到路由器时，路由器再使用NAT转换表，把内部全局地址转换为内部本地地址，然后再修改数据包的目的IP地址，然后送回发出请求的源主机10.1.1.1。
在本规划中，路由器的出口F0/0必须配置成公网IP地址，原因是，内部地址在路由器中被转换成公网IP地址，而外部的服务器与主机根本不知道这一过程，它们只知道与自己通信的源IP地址为202.100.100.1/24和202.100.100.2/24，若不在F0/0上配置两个公网IP地址，外部服务器和外部主机所发的数据包无法到达路由器，也就无法达到实例的通信目标。
其他技术可以针对IP地址和子网掩码来提供解决方案。如可以使用可变长子网掩码（VLSM）技术，更好地利用IP地址中的每一个二进位，划分出包含更少主机位的子网络，高效分配IP地址（较少浪费），比有类IP地址提供了更多的灵活性。无类域间路由（CIDR）伴随着VLSM而使用，将从VLSM产生的无类的IP地址集中起来，汇聚为一个代表较大范围的单一路由表项，减少了路由器中路由表的条目，从而减轻路由器的负担。CIDR可看作子网划分的逆过程。子网划分时，从主机号部分借位，将其合并进网络部分；而在CIDR的超网中，则是将网络号部分的某些位合并进主机号部分。
关键词：IP地址分配保留IP地址NAT
绪 论
随着互联网的普及，接入网络的计算机数量增长非常迅速，目前使用的IPv4地址空间有限，可用的公网合法IP非常短缺。人们为了缓解日益恶化的地址缺乏问题，在IP地址的分配和保留IP地址方面采取了许多办法。现存的解决办法包括ISP方面对公网地址的动态分配与回收、使用DHCP动态分配与回收、可变长子网掩码（VLSM）[1]技术、无类域间路由（CIDR）技术，甚至提出新一代的IPv6[3]技术从根本上解决地址空间问题，但由于多方面的原因，IPv6到目前还没有得到普及，而网络地址转换（NAT）[2]技术的使用，是我们至今在互联网上没有使用完合法IPv4地址的真实原因。它主要思想是把本地的私有IP地址映射到公网的合法IP地址，以缓解可用IP地址空间的消耗。虽然，它没有像IPv6那种从根本上解决问题，但在IPv6没有得到普及的今天，成为了事实上广泛使用的解决方法。
图3-1基本的NAT转换示例
而在PAT转换中，情况有些复杂，因为使用到了端口号，而所谓复用，是全部的内部主机被转换成一个单独的IP地址。如图3-2所示，边界路由器同样把内部本地地址转换为内部全局地址，所不同的是每个转换都带上了端口号。端口号作用于传输层，加上端口号便可帮助路由器识别哪一台主机接收返回的流量。内部主机10.1.1.1请求外部服务器63.40.7.3的资源，发送的请求数据包在路由器处被修改，转换成一个公网IP与随机端口号的组合，并纪录在NAT转换表中。当外部服务器返回响应数据包到路由器时，虽然内部全局IP地址都相同，但可以根据所分配的端口号来识别源主机，从而把返回的流量送往请求服务的源内部主机。静态与动态NAT都是使用IP地址识别源主机，由于PAT允许使用传输层的端口号来识别主机，便可以更加节省公网的合法IP地址。
图4-1实例网络拓扑图
本实例中内网中在主机pc1、pc2和内部Web服务器，需要达到的目标是pc1和pc2需要通过Internet访问外部Web服务器，而外部主机则需要访问内网中的内部Web服务器。而现有的ISP分配的可用地址只有两个：202.100.100.1/24和202.100.100.2/24。
首先进行静态NAT的相关配置。在模拟器中登入路由器的控制台，可进行所有功能配置。第一步对内部端口F2/0进行相关的配置如图4-2所示：
图4-2端口F2/0的配置
第二步在全局配置模式下建立静态NAT的映射，如图4-3所示：
图4-3建立静态NAT映射
第三步便要对外部端口F0/0进行相关的配置，如图4-4所示：
2.2
在NAT转换之前的地址叫做本地地址。因此，内部本地地址实际上是指尝试连接到Internet的主机的私有IP地址，而外部本地地址则是目标主机的地址。目标主机通常是服务器或网页的公网IP地址。在NAT转换之后使用的地址叫做全局地址。它们通常是使用公网合法IP地址，但如果不需要连接Internet，则不一定需要公网IP地址了。在转换之后，内部本地地址变成了内部全局地址。表3-1列出了这些术语的清晰含义：
图4-4端口F0/0的配置
然后进行PAT的配置。第一步先对内部端口F1/0进行相关的配置如图4-5所示：
图4-5端口F1/0的配置
第二步全局配置模式下建立PAT的映射，这与建立静态NAT的映射不一样，需要建立一个访问控制列表（ACL）、一个地址池（尽管只有一个IP地址），并把两者联系起来，如图4-6所示：
1.1
众所周知，在电话通信中，电话用户是靠电话号码来识别的。同样，在网络中为了区别不同的计算机，也需要给计算机指定一个号码，这个号码就是“IP地址”。随着互联网的普及，一个明显的事实是：连接到网络中的人员和设备数量每时每刻都在增加。理论上说，IPv4的可用地址只有大约232个，实际上只有大约2亿5千万个地址能够给设备使用。大量的报告显示，在地球上大约有65亿人，超过10%的人连接到了Internet。这些统计数据让我们注意到一个令人担忧的现实情况：按照IPv4的容量，地球上的每个人甚至不能拥有一台计算机，IPv4正在面临着地址枯竭的危机。
第二章
NAT，全称网络地址转换，分为三种类型：静态NAT、动态NAT和端口复用NAT（称PAT）[5]。
静态NAT，是为了在私有IP地址和公网的合法IP地址之间允许一对一映射而设计的。这种类型需要网络中的每台主机都拥有一个真实的Internet IP地址，适合内网中的服务器使用，因为服务器要向外部网络提供网络服务，IP地址不能总是动态地改变。
针对这个问题，人们在IP地址的分配和保留IP地址方面做了许多工作和努力，来缓解日益恶化的地址缺乏问题。
1.2
最常见动态解决的方法是，当合法用户需要接入Internet中时，ISP为他分配一个可用的IP地址，使他可以访问网络，当用户断开连接后，之前分配的IP地址，再由ISP收回，留待其他用户接入时，再把之前的IP地址分配给其他用户。另一个常见的动态解决方法是，通过DHCP服务器动态地为需要使用网络服务的主机提供自动的TCP/IP配置，在使用完后便把IP地址回收到地址池中，为其他需要的主机提供分配。
图4-6建立PAT映射
第三步便要再一次对外部端口F0/0进行相关的配置，但上面静态NAT转换中已经做了，所以可以省略。