2019年11月26日，負(fù)責(zé)英國、歐洲、中東和部分中亞地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)資源分配的歐洲網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)中心（RIPE NCC）正式宣布：共計(jì)43億個(gè)IPV4地址已經(jīng)全部分配完畢！
關(guān)于IPV4地址枯竭的問題，人們對此并不感到意外。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)一開始只是設(shè)計(jì)給美國軍方使用的，可能當(dāng)時(shí)誰也沒有想到互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的速度會如此之快。早在二十世紀(jì)初，IPv4地址稀缺的問題便已初現(xiàn)端倪，對此人們也早早的做好了準(zhǔn)備措施——第六代網(wǎng)際協(xié)議IPV6。但是在二者的過渡工作尚未完成之前，IPV4地址的匱乏和爆炸式增長的入網(wǎng)需求矛盾日益加深。該怎么解決這個(gè)問題呢？
什么是NAT協(xié)議？NAT(Network Address Translator)，網(wǎng)絡(luò)地址翻譯器，也稱網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換協(xié)議，NAT協(xié)議可以將一個(gè)由私有IP構(gòu)成的局域網(wǎng)中所有的計(jì)算機(jī)，通過一臺具有公網(wǎng)IP和NAT功能的設(shè)備來訪問公網(wǎng)公網(wǎng)資源。因?yàn)榫钟蚓W(wǎng)中的設(shè)備可以通過很少的公有IP（甚至一個(gè)）就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上沖浪，很大程度上節(jié)約了地址資源，所以在實(shí)際場景中，NAT被應(yīng)用的極其廣泛。豪不夸張的說，哪里有網(wǎng)絡(luò)，哪里就有NAT的身影。
私網(wǎng)是無法直接訪問公網(wǎng)的，這是因?yàn)橛脩舻乃骄W(wǎng)地址會被公網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)直接過濾掉，就算能通過公網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，其響應(yīng)包也無法返回正確的源地址。所以在內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)入公網(wǎng)之前，必須先將其轉(zhuǎn)換成公有IP。NAT所提供的的就是一種“私到公”的過渡技術(shù)。除了翻譯IP地址外，NAT同時(shí)還兼具著TCP/UDP端口的翻譯功能，這也是NAT為什么常常被配置在網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)上的原因。那么，NAT協(xié)議究竟是如何實(shí)現(xiàn)公私地址轉(zhuǎn)換的呢？
NAT協(xié)議的工作原理簡單來說，用戶發(fā)出一個(gè)請求后，NAT設(shè)備會檢查該數(shù)據(jù)包，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)請求外網(wǎng)的數(shù)據(jù)包時(shí)，會進(jìn)而檢查是否存在映射關(guān)系，對源IP地址和端口進(jìn)行翻譯（修改），同時(shí)在映射表中添加新建的IP和端口的映射條目，然后再把修改的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去。如下方邏輯圖所示，左邊部分是內(nèi)網(wǎng)用戶通過NAT訪問公網(wǎng)的過程，右半部分是公網(wǎng)返回內(nèi)網(wǎng)的過程（剛好是左邊的逆過程）。
需要注意的是，在此過程中，發(fā)起連接請求的內(nèi)網(wǎng)計(jì)算機(jī)對NAT設(shè)備的“翻譯”過程是一無所知的，并不知道自己的目的地址已經(jīng)發(fā)生了改變。
NAT解決了IP地址枯竭的燃眉之急，因?yàn)殡S著接入Internet的計(jì)算機(jī)數(shù)量的指數(shù)型怎張，IP地址資源也就顯得捉襟見肘。以中國為例，除了中國教育和科研計(jì)算機(jī)網(wǎng)等少數(shù)組織外，普通用戶想要申請整段的C類地址簡直難如登天！即使是哪些擁有著上百臺計(jì)算機(jī)的大型局域網(wǎng)用戶，能夠申請到的IP地址也不過數(shù)十個(gè)而已。顯然，如此少的IP地址是根本無法滿足現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)狀況的。
NAT技術(shù)的弊端盡管在表面上看，NAT似乎真的沒有缺點(diǎn)，除了節(jié)約公網(wǎng)IP資源外，它還可以保護(hù)我們內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全。但是，完美無缺的事物是不存在的。在享受了NAT所帶來的便利后，NAT技術(shù)的缺陷也逐漸引起了人們的重視。
1.增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性
從之前NAT的工作過程的描述中可以看出，內(nèi)網(wǎng)主機(jī)和公網(wǎng)IP之間并沒有建立真正的端對端連接！這就導(dǎo)致該過程無法參與高層網(wǎng)絡(luò)的一些協(xié)議，比如說非常重要的傳輸層協(xié)議——TCP和UDP，體現(xiàn)在實(shí)際中，就是某些需要初始化后，從外部網(wǎng)絡(luò)建立的鏈接服務(wù)會被非正常中斷。你的網(wǎng)絡(luò)可能會莫名其妙的斷開，還檢查不出原因。
這就對NAT路由器提出了更高的要求，否則送來的數(shù)據(jù)包有很大的可能根本無法找到正確的地址。但這又會導(dǎo)致另一個(gè)問題：NAT也會使安全協(xié)議變的更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)變得脆弱。
2.NAT違背了網(wǎng)絡(luò)分層模型的設(shè)計(jì)原則
根據(jù)OSI七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，明確規(guī)定：第N層不容許修改第N+1層的爆頭內(nèi)容，但NAT報(bào)文中卻違背了這一原則。
NAT是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，卻再報(bào)頭中增添了TCP/UDP首部。這就誕生了一個(gè)尷尬的局面：一個(gè)配有NAT協(xié)議的路由器，邏輯上卻工作在傳輸層（路由器屬于網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備）。
除此之外，在傳統(tǒng)的IP地址結(jié)構(gòu)中，每個(gè)IP地址都對應(yīng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，Internet的軟件設(shè)計(jì)也是基于此前提之上，但使用NAT協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中卻可能存在多個(gè)主機(jī)使用相同的地址的情況。同時(shí)，因?yàn)镹AT將IP協(xié)議從面向無連接變成了面向連接。路由器增加了一項(xiàng)新工作——維護(hù)專用IP地址與公用IP地址以及端口號的映射關(guān)系，大大增加了路由器的工作負(fù)擔(dān)。在原先的TCP/IP協(xié)議體系中，假設(shè)一個(gè)路由器出現(xiàn)了故障，只要幾秒收不到應(yīng)答，就會執(zhí)行超時(shí)重傳處理，重新發(fā)送，不會影響整體過程。如果存在NAT路由器，TCP/IP協(xié)議過程就會發(fā)生變動(dòng)，Internet將有可能變得非常脆弱。
3.不能處理嵌入式IP地址或端口
由于NAT設(shè)備只能修改正常位于IP頭部，它只能翻譯那些正常位于IP首部中的地址信息和TCP/UDP首部中的端口信息。不能翻譯那些嵌入到應(yīng)用數(shù)據(jù)部分的IP地址或端口信息。但在實(shí)際中，嵌入式的IP地址或端口是很普遍的。同時(shí)，NAT在P2P網(wǎng)絡(luò)模式中的表現(xiàn)也令人堪憂。
如果通信雙方都是使用的公網(wǎng)IP，這不會造成什么問題，但如果那個(gè)嵌入式地址和端口是內(nèi)網(wǎng)的，鏈接就不可能成功建立，這樣就導(dǎo)致了NAT設(shè)備后的客戶端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序出現(xiàn)連接故障。雖說可以通過NAT編輯器來在一定程度上緩和此類問題，比如WINDOW就針對TCP,FTP等協(xié)議做了制作了各自的編輯器，但應(yīng)用協(xié)議實(shí)在是太多了，根本不可能面面俱到。即便是使用NAT穿越的手段，依舊解決不了那種NAT設(shè)備位于另一個(gè)NAT設(shè)備之后的情況。
綜上所述，NAT雖然能解決IP地址不足的問題，還能夠有效地避免來自網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊，但終歸不是長久之計(jì)。
深究NAT技術(shù)誕生的緣由，正是因?yàn)镮P地址不足。而IPV6能提供海量的IP地址，正中問題下懷。當(dāng)然了，也不是說NAT技術(shù)在IPV6普及后就沒有存在的意義了?！安皇褂肗AT上網(wǎng)無異于在網(wǎng)上裸奔”，即便是在今后的IPV6場景中，在沒有更加完善的方案解決安全性等諸多問題前，NAT技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中依舊擁有舉足輕重的位置！
