NAT技术与代理服务器

Posted 2020-09-23 滴巴戈

一、NAT技术介绍

1.概念

NAT英文全称是“Network Address Translation”，中文意思是“网络地址转换”，它是一个IETF(Internet Engineering Task Force, Internet工程任务组)标准，允许一个整体机构以一个公用IP（Internet Protocol）地址出现在Internet上。顾名思义，它是一种把内部私有网络地址（IP地址）转换成合法公有网络IP地址的技术，当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信（并不需要加密）时，可使用NAT方法。简单地说，NAT就是在局域网内部网络中使用内部地址，而当内部节点要与外部网络进行通讯时，就在网关（可以理解为出口，打个比方就像院子的门一样）处，将内部地址替换成公用地址，从而在外部公网（internet）上正常使用，NAT可以使多台计算机共享Internet连接，如下图所示。因此我们可以认为，NAT在一定程度上，能够有效的解决公网地址不足的问题。

通过这种方法，可以只申请一个合法IP地址，就把整个局域网中的计算机接入Internet中。这时，NAT还屏蔽了内部网络，所有内部网计算机对于公共网络来说是不可见的，而内部网计算机用户通常不会意识到NAT的存在，能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。这里提到的内部地址，是指在内部网络中分配给节点的私有IP地址，这个地址只能在内部网络中使用，不能被路由转发。

这种方法需要在专用网连接到因特网的路由器上安装NAT软件。装有NAT软件的路由器叫做NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球IP地址。这样，所有使用本地地址的主机在和外界通信时，都要在NAT路由器上将其本地地址转换成全球IP地址，才能和因特网连接。NAT 功能通常被集成到路由器、防火墙、ISDN路由器或者单独的NAT设备中。比如Cisco路由器中已经加入这一功能，网络管理员只需在路由器的ios中设置NAT功能，就可以实现对内部网络的屏蔽。再比如防火墙将WEB Server的内部地址192.168.1.1映射为外部地址202.96.23.11，外部访问202.96.23.11地址实际上就是访问访问 192.168.1.1。此外，对于资金有限的小型企业来说，现在通过软件也可以实现这一功能。Windows 98 SE、Windows 2000 都包含了这一功能。

2.相关概念解析

上面提到了公有IP地址与私有IP地址，这里也来解释一下

公有IP地址：也叫全局地址，是指合法的IP地址，它是由NIC（网络信息中心）或者ISP(网络服务提供商)分配的地址，对外代表一个或多个内部局部地址，是全球统一的可寻 址的地址。

私有IP地址：也叫内部地址，是指内部网络或主机的IP 地址，它属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。因特网分配编号委员会（IANA）保留了3块IP地址做为私有IP地址：

10.0.0.0 ——— 10.255.255.255

172.16.0.0——— 172.16.255.255

192.168.0.0———192.168.255.255

地址池：地址池是有一些外部地址（全球唯一的IP地址）组合而成，我们称这样的一个地址集合为地址池。在内部网络的数据包通过地址转换到达外部网络时，将会在地址池中选择某个IP地址作为数据包的源IP地址，这样可以有效的利用用户的外部地址，提高访问外部网络的能力。

3.功能

随着接入Internet的计算机数量的不断猛增，IP地址资源也就愈加显得捉襟见肘。事实上，除了中国教育和科研计算机网（CERNET）外，一般用户几乎申请不到整段的C类IP地址。在其他ISP那里，即使是拥有几百台计算机的大型局域网用户，当他们申请IP地址时，所分配的地址也不过只有几个或十几个IP地址。显然，这样少的IP地址根本无法满足网络用户的需求，于是也就产生了NAT技术。NAT不仅能解决了lP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

1.宽带分享：这是 NAT 主机的最大功能。

2.安全防护：NAT 之内的 PC 联机到 Internet 上面时，他所显示的 IP 是 NAT 主机的公共 IP，所以 Client 端的 PC 当然就具有一定程度的安全了，外界在进行 portscan（端口扫描） 的时候，就侦测不到源Client 端的 PC 。

4.原理

NAT的基本工作原理是，当私有网主机和公共网主机通信的IP包经过NAT网关时，将IP包中的源IP或目的IP在私有IP和NAT的公共IP之间进行转换。私有地址被转换成合法的IP地址，一个局域网只需使用少量IP地址（甚至是1个）即可实现私有地址网络内所有计算机与Internet的通信需求。NAT将自动修改IP报文的源IP地址和目的IP地址，Ip地址校验则在NAT处理过程中自动完成。如图示：

①这个 client（终端） 的 gateway （网关）设定为 NAT 主机，所以当要连上 Internet 的时候，该封包就会被送到 NAT 主机，这个时候的封包 Header 之 source IP（源IP） 为 192.168.1.100 ；

②而透过这个 NAT 主机，它会将 client 的对外联机封包的 source IP ( 192.168.1.100 ) 伪装成 ppp0 ( 假设为拨接情况 )这个接口所具有的公共 IP ，因为是公共 IP 了，所以这个封包就可以连上 Internet 了，同时 NAT 主机并且会记忆这个联机的封包是由哪一个 ( 192.168.1.100 ) client 端传送来的；

 

③由 Internet 传送回来的封包，当然由 NAT主机来接收了，这个时候， NAT 主机会去查询原本记录的路由信息，并将目标 IP 由 ppp0 上面的公共 IP 改回原来的 192.168.1.100 ；

④最后则由 NAT 主机将该封包传送给原先发送封包的 Client 。

5.分类

NAT有三种类型：静态NAT(Static NAT)、动态地址NAT(Pooled NAT)、网络地址端口转换NAPT（Port-Level NAT）。

（1）静态NAT

通过手动设置，使 Internet 客户进行的通信能够映射到某个特定的私有网络地址和端口。如果想让连接在 Internet 上的计算机能够使用某个私有网络上的服务器（如网站服务器）以及应用程序（如游戏），那么静态映射是必需的。静态映射不会从 NAT 转换表中删除。
　　如果在 NAT 转换表中存在某个映射，那么 NAT 只是单向地从 Internet 向私有网络传送数据。这样，NAT 就为连接到私有网络部分的计算机提供了某种程度的保护。但是，如果考虑到 Internet 的安全性，NAT 就要配合全功能的防火墙一起使用。

对于以上网络拓扑图，当内网主机 10.1.1.1如果要与外网的主机201.0.0.11通信时，主机（IP：10.1.1.1）的数据包经过路由器时，路由器通过查找NAT table 将IP数据包的源IP地址（10.1.1.1）改成与之对应的全局IP地址（201.0.0.1），而目标IP地址201.0.0.11保持不变，这样，数据包就能到达201.0.0.11。而当主机HostB(IP:201.0.0.11) 响应的数据包到达与内网相连接的路由器时，路由器同样查找NAT table，将IP数据包的目的IP 地址改成10.1.1.1，这样内网主机就能接收到外网主机发过来的数据包。在静态NAT方式中，内部的IP地址与公有IP地址是一种一一对应的映射关系，所以，采用这种方式的前提是，机构能够申请到足够多的全局IP地址。

（2）动态NAT

动态地址NAT只是转换IP地址，它为每一个内部的IP地址分配一个临时的外部IP地址，主要应用于拨号，对于频繁的远程联接也可以采用动态NAT。当远程用户联接上之后，动态地址NAT就会分配给他一个IP地址，用户断开时，这个IP地址就会被释放而留待以后使用。

动态NAT方式适合于 当机构申请到的全局IP地址较少，而内部网络主机较多的情况。内网主机IP与全局IP地址是多对一的关系。当数据包进出内网时，具有NAT功能的设备对IP数据包的处理与静态NAT的一样，只是NAT table表中的记录是动态的，若内网主机在一定时间内没有和外部网络通信，有关它的IP地址映射关系将会被删除，并且会把该全局IP地址分配给新的IP数据包使用，形成新的NAT table映射记录。

（3）网络地址端口转换NAPT

网络地址端口转换NAPT（Network Address Port Translation）则是把内部地址映射到外部网络的一个IP地址的不同端口上。它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。NAPT与 动态地址NAT不同，它将内部连接映射到外部网络中的一个单独的IP地址上，同时在该地址上加上一个由NAT设备选定的端口号。

NAPT是使用最普遍的一种转换方式，它又包含两种转换方式：SNAT和DNAT。

1)源NAT（Source NAT，SNAT）：修改数据包的源地址。源NAT改变第一个数据包的来源地址，它永远会在数据包发送到网络之前完成，数据包伪装就是一具SNAT的例子。

2）目的NAT（Destination NAT，DNAT）：修改数据包的目的地址。Destination NAT刚好与SNAT相反，它是改变第一个数据包的目的地地址，如平衡负载、端口转发和透明代理就是

属于DNAT。

源NAT举例：对于以上网络拓扑图，内网的主机数量比较多，但是该组织只有一个合法的IP地址，当内网主机（10.1.1.3）往外发送数据包时，则需要修改数据包的IP地址和TCP/UDP端口号，例如将

源IP：10.1.1.3

源port：1493

改成

源IP：201.0.0.1

源port：1492（注意：源端口号可以与原来的一样也可以不一样）

当外网主机（201.0.0.11）响应内网主机（10.1.1.3）时，应将：

目的IP：201.0.0.1

目的port：1492

改成

目的IP：10.1.1.3

目的port：1493

这样，通过修改IP地址和端口的方法就可以使内网中所有的主机都能访问外网，此类NAT适用于组织或机构内只有一个合法的IP地址的情况，也是动态NAT的一种特例。

目的NAT举例：这种方式适用于内网的某些服务器需要为外网提供某些服务的情况。例如以上拓扑结构，内网服务器群（ip地址分别为：10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等）需要为外网提供WEB 服务，当外网主机HostB访问内网时，所发送的数据包的目的IP地址为10.1.1.127，端口号为：80，当该数据包到达内网连接的路由器时，路由器查找NAT table，路由器通过修改目的IP地址和端口号，将外网的数据包平均发送到不同的主机上（10.1.1.1,10.1.1.2,10.1.1.3等），这样就实现了负载均衡。

 二、代理服务器

1.概念

代理（英语：Proxy），也称网络代理，是一种特殊的网络服务，允许一个网络终端（一般为客户端）通过这个服务与另一个网络终端（一般为服务器）进行非直接的连接。一些网关、路由器等网络设备具备网络代理功能。一般认为代理服务有利于保障网络终端的隐私或安全，防止攻击。

代理服务器（英文：Proxy Server）是指提供代理服务的电脑系统或其它类型的网络终端。一个完整的代理请求过程为：客户端首先与代理服务器创建连接，接着根据代理服务器所使用的代理协议，请求对目标服务器创建连接、或者获得目标服务器的指定资源（如：文件）。在后一种情况中，代理服务器可能对目标服务器的资源下载至本地缓存，如果客户端所要获取的资源在代理服务器的缓存之中，则代理服务器并不会向目标服务器发送请求，而是直接返回缓存了的资源。一些代理协议允许代理服务器改变客户端的原始请求、目标服务器的原始响应，以满足代理协议的需要。代理服务器的选项和设置在计算机程序中，通常包括一个“防火墙”，允许用户输入代理地址，它会遮盖他们的网络活动，可以允许绕过互联网过滤实现网络访问。

2.功能

代理服务器的功能就是代理网络用户去取得网络信息。形象的说：它是网络信息的中转站。代理服务器就好象一个大的Cache，这样就能显著提高浏览速度和效率。更重要的是：Proxy Server（代理服务器）是Internet链路级网关所提供的一种重要的安全功能，主要的功能有：

1. 突破自身IP访问限制，访问国外站点。教育网、过去的169网等；
2. 网络用户可以通过代理访问国外网站；
3. 访问一些单位或团体内部资源，如某大学FTP（前提是该代理地址在该资源 的允许访问范围之内），使用教育网内地址段免费代理服务器，就可以用于对教育网开放的各类FTP下载上传，以及各类资料查询共享等服务；
4. 突破中国电信的IP封锁：中国电信用户有很多网站是被限制访问的，这种限制是人为的，不同Serve对地址的封锁是不同的。所以不能访问时可以换一个国外的代理服务器试试；
5. 提高访问速度：通常代理服务器都设置一个较大的硬盘缓冲区，当有外界的信息通过时，同时也将其保存到缓冲区中，当其他用户再访问相同的信息时， 则直接由缓冲区中取出信息，传给用户，以提高访问速度；
6. 隐藏真实IP：上网者也可以通过这种方法隐藏自己的IP，免受攻击。

其他功能：

1）设置用户验证和记账功能，可按用户进行记账，没有登记的用户无权通过代理服务器访问Internet网。并对用户的访问时间、访问地点、信息流量进行统计。

2）对用户进行分级管理，设置不同用户的访问权限，对外界或内部的Internet地址进行过滤，设置不同的访问权限。

3）增加缓冲器（Cache)，提高访问速度，对经常访问的地址创建缓冲区，大大提高热门站点的访问效率。通常代理服务器都设置一个较大的硬盘缓冲区（可能高达几个GB或更大），当有外界的信息通过时，同时也将其保存到缓冲区中，当其他用户再访问相同的信息时，则直接由缓冲区中取出信息，传给用户，以提高访问速度。

4）连接内网与Internet，充当防火墙（Firewall）：因为所有内部网的用户通过代理服务器访问外界时，只映射为一个IP地址，所以外界不能直接访问到内部网；同时可以设置IP地址过滤，限制内部网对外部的访问权限。

5）节省IP开销：代理服务器允许使用大量的伪IP地址，节约网上资源，即用代理服务器可以减少对IP地址的需求，对于使用局域网方式接入Internet ，如果为局域网（LAN）内的每一个用户都申请一个IP地址，其费用可想而知。但使用代理服务器后，只需代理服务器上有一个合法的IP地址，LAN内其他用户可以使用10.*.*.*这样的私有IP地址，这样可以节约大量的IP，降低网络的维护成本。

3. 常见代理服务器

1）HTTP代理

www对于每一个上网的人都再熟悉不过了，www连接请求就是采用的http协议，所以我们在浏览网页，下载数据（也可采用ftp协议）时就是用http代理。它通常绑定在代理服务器的80、3128、8080等端口上。

2）VPN代理

指在共用网络上建立专用网络的技术。之所以称为虚拟网主要是因为整个VPN网络的任意两个结点之间的连接并没有传统专网建设所需的点到点的物理链路，而是架构在公用网络服务商ISP所提供的网络平台之上的逻辑网络。用户的数据是通过ISP在公共网络（Internet）中建立的逻辑隧道（Tunnel），即点到点的虚拟专线进行传输的。通过相应的加密和认证技术来保证用户内部网络数据在公网上安全传输，从而真正实现网络数据的专有性。

3）socks代理

相应的，采用socks协议的代理服务器就是SOCKS服务器，是一种通用的代理服务器。Socks是个电路级的底层网关，是DavidKoblas在1990年开发的，此后就一直作为Internet RFC标准的开放标准。Socks 不要求应用程序遵循特定的操作系统平台，Socks 代理与应用层代理、HTTP层代理不同，Socks 代理只是简单地传递数据包，而不必关心是何种应用协议（比如FTP、HTTP和NNTP请求）。所以，Socks代理比其他应用层代理要快得多。它通常绑定在代理服务器的1080端口上。如果您在企业网或校园网上，需要透过防火墙或通过代理服务器访问 Internet就可能需要使用SOCKS。一般情况下，对于拨号上网用户都不需要使用它。注意，浏览网页时常用的代理服务器通常是专门的http代理，它和SOCKS是不同的。因此，您能浏览网页不等于 您一定可以通过SOCKS访问Internet。常用的防火墙，或代理软件都支持SOCKS，但需要其管理员打开这一功能。如果您不确信您是否需要SOCKS或是否有SOCKS可用，请与您的网络管理员联系。为了使用socks，您需要了解一下内容：^[1] 

① SOCKS服务器的IP地址

② SOCKS服务所在的端口

③ 这个SOCKS服务是否需要用户认证？如果需要，您要向您的网络管理员申请一个用户和口令

知道了上述信息，您就可以把这些信息填入“网络配置”中，或者在第一次登记时填入，您就可以使用socks代理了。^[1] 

在实际应用中SOCKS代理可以用作为：电子邮件、新闻组软件、网络传呼ICQ、网络聊天MIRC和使用代理服务器上联众打游戏等等各种游戏应用软件当中。