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NAT路由器，解決跨網段通訊難題

發布時間: 2025-2-14

引言

在網絡技術日新月異的今天，設備連網需求如井噴般增長。網際網協議第4版（IPv4）雖搭建起網絡互連的基礎框架，但面對海量設備接入，其有限的地址資源正逐漸走向枯竭。為化解這一危機，私有IP地址和NAT技術順勢而生。NAT 路由器作為NAT技術的關鍵踐行者，通過實現私有與公共IP地址的轉換，解決了不同子網間跨網段通訊難題，保障設備間的順暢通信。

背景

網際網協議第4版，即IPv4定義了一個跨越異種網絡互連的超級網，可以為每個網際網的節點分配全球唯一IP地址。IPv4使用32位地址格式，理論上提供了約43億個唯一IP地址。然而，隨著互聯網的迅速發展，尤其是個人電腦、移動設備和物聯網設備的大規模普及，使得這些地址資源逐漸耗盡。于是1996年發布的RFC 1918定義了三個范圍的私有IP地址（10.0.0.0/8,172.16.0.0/12,192.168.0.0/16），這些地址可以在內部網絡中重復使用，而不必在全球范圍內唯一。

通過使用私有IP地址，企業和服務提供商能夠更有效地利用有限的公共IP地址資源。而NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）技術，可以有效地管理內部私有IP地址與外部公共IP地址之間的轉換，確保不同子網中的設備能夠相互通信。并且在一定程度上提供了安全性，因為它隱藏了內部網絡的真實結構，增加了外部攻擊者的入侵難度。

NAT路由器的幾種應用場景

1.靜態NAT

如果希望一臺主機優先使用某個關聯地址，或者想要外部網絡使用一個指定的公網地址訪問內部服務器時，可以使用靜態NAT，讓私網地址和公網地址進行一對一映射。

靜態NAT可以實現內外網絡的雙向互訪，既支持從內部網絡發起的出站連接，也支持從外部網絡發起的入站連接,但這沒有做到緩解地址短缺的問題，只是做到了地址轉換。顯然這種方式對節約公網IP沒有太大意義，主要是為了實現一些特殊的組網需求，如用戶希望隱藏內部主機的真實IP。

2.動態 NAT

動態NAT是從預定義的公共IP池中為內部設備動態分配可用的外部IP地址。這種方式適用于不需要固定映射關系的場景，如普通的互聯網瀏覽。每次連接建立時，內部設備可能會獲得不同的外部IP地址，當不需要此連接時，對應的地址映射將會被刪除，公網地址也會被恢復到地址池中待用。提高了靈活性和資源利用率，實現了一定程度的緩解地址短缺問題。

當內部主機訪問外部網絡時臨時分配一個地址池中未使用的地址，并將該地址標記為“In Use”，當主機不再訪問外部網絡時回收分配的地址，重新標記為“Not Use”。但這種隨機臨時產生映射表項不支持從外到內的主動訪問，只能解決從內到外訪問的報文的回報能被順利接收。

3.PAT

PAT（Port Address Translation，端口地址轉換，一對多模型，也叫端口地址復用），是NAT最典型的應用場景，它是在NAT的基礎上發展而來，不僅改變IP地址，還會修改TCP/UDP報文中的端口號，從而允許多個內部設備共享同一個公共IP地址。端口復用PAT通過將源IP地址和端口號的組合映射到唯一的公共IP地址和端口號上，實現多個內部主機共享一個公共IP地址。

遠程用戶希望通過互聯網訪問這些攝像機，但直接連接到私有IP地址是不可能的，因為它們不是全球唯一的公共IP地址。而通過路由器上的DNAT功能，可以將特定的一個公共IP地址和端口號映射到內部多個IP攝像機的私有IP地址和端口上，從而允許外部請求到達指定的攝像機。PAT允許多個內部主機共享一個公共IP地址，減少了對公共IP地址資源的需求，提高了IP地址的利用率。

工廠應用

某工廠隨著生產需求的增長，可能會增加越來越多的PLC設備，但如果沒有培訓和技術支持來幫助相關人員理解并正確實施網絡配置同步更新網絡規劃，新增設備可能會發生IP沖突的情況。而工廠就需要向PLC廠家去要求修改IP地址，一來一回影響到工廠的生產效率。為了簡化生產和測試流程，通常會給所有的PLC設備設置相同的默認IP地址，再用NAT路由器給每個PLC映射唯一IP，實現IP地址轉換和跨網段訪問。