NAT

NAT (от англ. Network Address Translation — «преобразование сетевых адресов») — это механизм в сетях TCP/IP, позволяющий изменять IP-адрес в заголовке пакета, проходящего через устройство маршрутизации трафика. Также имеет названия IP Masquerading, Network Masquerading и Native Address Translation.

Функционирование

Преобразование адреса методом NAT может производиться почти любым маршрутизирующим устройством — маршрутизатором, сервером доступа, межсетевым экраном. Наиболее популярным является SNAT, суть механизма которого состоит в замене адреса источника (англ. source) при прохождении пакета в одну сторону и обратной замене адреса назначения (англ. destination) в ответном пакете. Наряду с адресами источник/назначение могут также заменяться номера портов источника и назначения.

Принимая пакет от локального компьютера, роутер смотрит на IP-адрес назначения. Если это локальный адрес, то пакет пересылается другому локальному компьютеру. Если нет, то пакет надо переслать наружу в интернет. Но ведь обратным адресом в пакете указан локальный адрес компьютера, который из интернета будет недоступен. Поэтому роутер «на лету» транслирует (подменяет) обратный IP-адрес пакета на свой внешний (видимый из интернета) IP-адрес и меняет номер порта (чтобы различать ответные пакеты, адресованные разным локальным компьютерам). Комбинацию, нужную для обратной подстановки, роутер сохраняет у себя во временной таблице. Через некоторое время после того, как клиент и сервер закончат обмениваться пакетами, роутер сотрет у себя в таблице запись об n-м порте за сроком давности.

Помимо source NAT (предоставления пользователям локальной сети с внутренними адресами доступа к сети Интернет) часто применяется также destination NAT, когда обращения извне транслируются межсетевым экраном на компьютер пользователя в локальной сети, имеющий внутренний адрес и потому недоступный извне сети непосредственно (без NAT).

Существует 3 базовых концепции трансляции адресов: статическая (Static Network Address Translation), динамическая (Dynamic Address Translation), маскарадная (NAPT, NAT Overload, PAT).

Статический NAT — отображение незарегистрированного IP-адреса на зарегистрированный IP-адрес на основании один к одному. Особенно полезно, когда устройство должно быть доступным снаружи сети.

Динамический NAT — отображает незарегистрированный IP-адрес на зарегистрированный адрес из группы зарегистрированных IP-адресов. Динамический NAT также устанавливает непосредственное отображение между незарегистрированными и зарегистрированными адресами, но отображение может меняться в зависимости от зарегистрированного адреса, доступного в пуле адресов, во время коммуникации.

Перегруженный NAT (NAPT, NAT Overload, PAT, маскарадинг) — форма динамического NAT, который отображает несколько незарегистрированных адресов в единственный зарегистрированный IP-адрес, используя различные порты. Известен также как PAT (Port Address Translation). При перегрузке каждый компьютер в частной сети транслируется в тот же самый адрес, но с различным номером порта.

Механизм NAT определён в RFC 1631, RFC 3022.

Типы NAT

Классификация NAT, часто встречающаяся в связи с VoIP. Термин «соединение» использован в значении «последовательный обмен пакетами UDP».

Симметричный NAT (Symmetric NAT) — трансляция, при которой каждое соединение, инициируемое парой «внутренний адрес: внутренний порт» преобразуется в свободную уникальную случайно выбранную пару «публичный адрес: публичный порт». При этом инициация соединения из публичной сети невозможна.

Cone NAT, Full Cone NAT — однозначная (взаимная) трансляция между парами «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт». Любой внешний хост может инициировать соединение с внутренним хостом (если это разрешено в правилах межсетевого экрана).

Address-Restricted cone NAT, Restricted cone NAT — постоянная трансляция между парой «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт». Любое соединение, инициированное с внутреннего адреса, позволяет в дальнейшем получать ему пакеты с любого порта того публичного хоста, к которому он отправлял пакет(ы) ранее.

Port-Restricted cone NAT — трансляция между парой «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт», при которой входящие пакеты проходят на внутренний хост только с одного порта публичного хоста — того, на который внутренний хост уже посылал пакет.

Преимущества

NAT выполняет три важных функции.

1. Позволяет сэкономить IP-адреса (только в случае использования NAT в режиме PAT), транслируя несколько внутренних IP-адресов в один внешний публичный IP-адрес (или в несколько, но меньшим количеством, чем внутренних). По такому принципу построено большинство сетей в мире: на небольшой район домашней сети местного провайдера или на офис выделяется 1 публичный (внешний) IP-адрес, за которым работают и получают доступ интерфейсы с приватными (внутренними) IP-адресами.
2. Позволяет предотвратить или ограничить обращение снаружи ко внутренним хостам, оставляя возможность обращения изнутри наружу. При инициации соединения изнутри сети создаётся трансляция. Ответные пакеты, поступающие снаружи, соответствуют созданной трансляции и поэтому пропускаются. Если для пакетов, поступающих снаружи, соответствующей трансляции не существует (а она может быть созданной при инициации соединения или статической), они не пропускаются.
3. Позволяет скрыть определённые внутренние сервисы внутренних хостов/серверов. По сути, выполняется та же указанная выше трансляция на определённый порт, но возможно подменить внутренний порт официально зарегистрированной службы (например, 80-й порт TCP (HTTP-сервер) на внешний 54055-й). Тем самым, снаружи, на внешнем IP-адресе после трансляции адресов на сайт (или форум) для осведомлённых посетителей можно будет попасть по адресу http://example.org:54055, но на внутреннем сервере, находящемся за NAT, он будет работать на обычном 80-м порту. Повышение безопасности и сокрытие «непубличных» ресурсов.

Недостатки

1. Старые протоколы. Протоколы, разработанные до массового внедрения NAT, не в состоянии работать, если на пути между взаимодействующими хостами есть трансляция адресов. Некоторые межсетевые экраны, осуществляющие трансляцию IP-адресов, могут исправить этот недостаток, соответствующим образом заменяя IP-адреса не только в заголовках IP, но и на более высоких уровнях (например, в командах протокола FTP). См. Application-level gateway.
2. Идентификация пользователей. Из-за трансляции адресов «много в один» появляются дополнительные сложности с идентификацией пользователей и необходимость хранить полные логи трансляций.
3. Иллюзия DoS-атаки. Если NAT используется для подключения многих пользователей к одному и тому же сервису, это может вызвать иллюзию DoS-атаки на сервис (множество успешных и неуспешных попыток). Например, избыточное количество пользователей ICQ за NAT приводит к проблеме с подключением к серверу некоторых пользователей из-за превышения допустимой скорости подключений. Частичным решением проблемы является использование пула адресов (группы адресов), для которых осуществляется трансляция.
4. Пиринговые сети. В NAT-устройствах, не поддерживающих технологию Universal Plug & Play, в некоторых случаях, необходима дополнительная настройка (см. Трансляция порт-адрес) при работе с пиринговыми сетями и некоторыми другими программами, в которых необходимо не только инициировать исходящие соединения, но также принимать входящие.

Пример

Трансляция локальной сети с диапазоном адресов 172.16.14.0/24 в глобальную сеть будет осуществляться через один внешний IP-адрес (адрес маршрутизатора, выполняющего трансляцию).

Применение:IP сеть через единственный IP-адрес

• 

• На рабочих станциях указанный шлюз по умолчанию или gateway

  

• Преобразует служебные заголовки, формирует идентичный IP-пакет

  

• Публикация локальных ресурсов во внешней IP-сети

  

• Экономическая выгода вследствие приобретения единственного IP-подключения, а не IP-сети.

• Сокрытие от внешнего наблюдателя структуры внутренней IP-сети.

• Организация системы с распределенной нагрузкой.

• При общем доступе через NAT прозрачно открывается доступ к внутренней структуре с защитой без использования межсетевого экрана и т. п.

• Через NAT корректно работают многие сетевые протоколы. Конструктивные реализации (общий доступ — это и есть подключение NAT) есть аппаратная реализация NAT (интегрированы межсетевые экраны).

NAT loopback

Смысл технологии NAT loopback (или NAT hairpinning) прост: если пакет приходит из внутренней сети на внешний IP-адрес маршрутизатора, он считается пришедшим извне — а значит, работают правила брандмауэра, относящиеся ко внешним соединениям. И если пакет успешно пройдёт сквозь брандмауэр, сработает NAT, взяв на себя посредничество между двумя внутрисетевыми машинами. Это даёт две вещи.

1. Прямо изнутри локальной сети можно проверить, как настроены сетевые службы.
2. Доступ к серверу, находящемуся в локальной сети, по доменному имени. Без NAT loopback пришлось бы править файл hosts на каждой машине для каждого задействованного домена и поддомена.

Недостатком NAT loopback можно считать повышенную нагрузку на хаб и маршрутизатор (по сравнению с прямым доступом к серверу).

NAT Traversal

NAT Traversal (прохождение или автонастройка NAT) — это набор возможностей, позволяющих сетевым приложениям определять, что они находятся за устройством, обеспечивающим NAT, узнавать внешний IP-адрес этого устройства и выполнять сопоставление портов для пересылки пакетов из внешнего порта NAT на внутренний порт, используемый приложением; все это выполняется автоматически, пользователю нет необходимости вручную настраивать сопоставления портов или вносить изменения в какие-либо другие параметры. Однако существуют меры предосторожности в доверии к таким приложениям — они получают обширный контроль над устройством, появляются потенциальные уязвимости.

NAT444

Схема NAT444

NAT444 - это схема, используемая для увеличения глубины NAT-ов. NAT444 состоит из двух NAT-ов на пути следования пакета от компьютера клиента в глобально маршрутизируемую сеть. Три четвёрки обозначают три домена адресации IPv4, через которые проходит пакет. Это значит, что адрес источника в IP пакете принимает три разных значения. В момент отправки с компьютера клиента - это адрес, принадлежащий одной из частных сетей, например, 192.168.0.5 или 10.0.0.8. При проходе через первый NAT, находящийся, как правило, в домашнем роутере клиента, этот адрес заменяется на принадлежащий специальной промежуточной сети - 100.64.0.0/10. Эта сеть не является глобально маршрутизируемой, но не является и частной, так как используется только в качестве посредника. Пройдя по этой промежуточной сети, пакет достигает основного NAT-а, где адрес источника заменяется во второй раз - теперь уже на глобально маршрутизируемый. После этого пакет направляется в глобальную сеть к серверу.

Такая цепочка из двух NAT-ов позволяет иметь большее число клиентов, подключенных к сети Интернет. Сеть 100.64.0.0/10 имеет 22 бита адресации, это значит, что за каждым глобально маршрутизируемым адресом IPv4 могут находится 2^22 = 4.19 миллиона узлов, принадлежащих этой сети. А за каждым узлом этой сети, в свою очередь, может находится частная сеть клиента, наибольшая из которых - 10.0.0.0/8 - имеет 24 бита адресации. Т.е. количество клиентов, подключенных к сети IPv4 всего лишь через один глобально маршрутизируемый адрес, может достигать 2^(22 + 24) = 70 * 10^12. Больше 70 триллионов клиентов может быть подключено к сети IPv4 всего лишь через один глобально маршрутизируемый адрес. Это в 16 тысяч раз больше, чем всё адресное пространство IPv4, об исчерпании которого так громко говорят. С помощью NAT444 к сети IPv4 может быть подключено любое количество клиентов, их количество практически не ограничено. Глобально маршрутизируемые адреса IPv4, по замыслу этой сети, предназначены не для клиентов, а для глобальных серверов и глобальных маршрутизаторов. NAT444 абсолютно полностью решает проблему подключения клиентов к сети IPv4. Проблема исчерпания адресного пространства IPv4, во многом, вымышленная.

При необходимости увеличения числа клиентов, в цепочку может быть добавлен ещё один NAT. Такая схема будет называться NAT4444, но её появление не предвидится по той причине, что NAT444 расширяет число возможных клиентов до достаточно большого значения.

Качество подключения к Интернет через цепочку из двух NAT-ов ничем не отличается от подключения через один NAT или подключения напрямую. Задержки, вносимые NAT-ами, незначительны.

Программная реализация NAT

При наличии уже существующего сервера под управлением серверной ОС возможно организовать трансляцию адресов без необходимости закупки дополнительных, аппаратных устройств. Как правило для программной реализации NAT требуется наличие по крайней мере двух сетевых адаптеров в сервере (возможны варианты с одним, но при наличии trunk-VLAN).

Все существующие и использующиеся серверные ОС поддерживают простейшую трансляцию адресов.

С точки зрения отказоустойчивости, гибкости и производительности, используются операционные системы семейства UNIX (большинство GNU/Linux, *BSD-системы, а также OpenSolaris и др.). Во многих из них NAT доступен «из коробки», в других возможна реализация за счёт добавления модулей в сочетании с межсетевыми экранами с функциями трансляции адресов (IPFW, IPtables и др.). Также, NAT работает «из коробки» в семействе операционных систем Windows Server.

См. также

• Прокси-сервер
• Port Address Translation (PAT)
• Application-level gateway
• STUN