公网数据包如何通过 NAT 传递给内网的程序？

[palemoky]

NAT 为了减缓 IPv4 的消耗而被广泛应用，比如最常见的家庭局域网。

假设我 192.168.5.5 访问 43.1.1.1 的公网资源，请求数据包经过 NAT 的时候我理解会改写 IP 层的源主机 IP 地址，将内网 IP 改为公网 IP， 此时 NAT 维护了 192.168.5.5:54321 <==> 43.1.1.1:443 这样的映射关系，然后数据包就在公网传递。现在的问题是，响应数据包到了 NAT 是如何处理的？是通过查询到响应报文中有 43.1.1.1:443，再去 NAT 映射关系中查到 192.168.5.5:54321，然后通过 ARP 再查到对应主机的 MAC 地址交付数据包吗？如果是这样，就会有一个问题，假设另一个设备 192.168.5.9 也访问了 43.1.1.1:443，恰巧客户端端口号也是 54321，那此时 NAT 中就有这样的两个映射关系：

• 192.168.5.5:54321 <==> 43.1.1.1:443
• 192.168.5.9:54321 <==> 43.1.1.1:443

那 43.1.1.1:443 的响应报文此时 NAT 如何正确投递呢？当连接释放时，NAT 也会删除对应的映射关系吗？还是通过有效期等淘汰机制清理呢？

今天在看《 TCP/IP 详解：卷 1 》（第二版），在 7.3.1 节提到了我的疑惑。普通的 NAT 确实会存在不同主机相同端口映射冲突的问题，所以现在都用 NAPT 来解决
https://i.postimg.cc/L80r5n3W/NAT-vs-NAPT.png

[miyuki]

在上层网关 192.168.1.1 （假设）会被继续 NAT
比如 192.168.1.1 的上级 ip 是 1.2.3.4，192.168.5.5 的数据包 NAT 到从 1.2.3.4:5000 出去到 43.1.1.1:443，195.68.5.9 从 1.2.3.4:5001 出去到 43.1.1.1:443

[weyou]

现在讲到 NAT 大多数是 NAPT(Network Address Port Translation)，就是加入端口映射的 NAT 。所以你例子中的映射关系里会有一个外部端口，当发生你所说的内网有多台设备用相同的源端口出去的话，会发生 NAT 外部源端口的改变，比如：
192.168.5.5:54321 <=>ext port 54321<=>43.1.1.1:443
192.168.5.9:54321 <=> ext port 54322<=>43.1.1.1:443
这样对于响应包如何进来的就一目了然了

[sujin190]

源地址变换，自然是源地址映射，你这源地址和目的地址映射看起来当然不对，不同源地址端口映射到公网之后 ip 相同但是端口不同啊，相应的时候目的地址端口就是映射的公网地址端口，一查就知道对应的是哪个内网地址端口了

[Tianao]

首选楼主问的源 NAT （ NAPT ），那我们只讨论源 NAT 。

转换后的源端口可以作为标识，比如 5.5 转出去是源端口还是 54321，5.9 转出去就是 54322 了（具体是多少取决于源端口保持策略），这样就不存在源端口复用的情况。至于转换后的源端口标识的是特定的内网主机呢，还是的特定连接呢，这取决于 NAPT 策略（完全锥形、对称型等）。部分特殊应用（ SIP 、FTP 等）还有 ALG 辅助。

映射关系释放、老化问题，会以 TCP FIN ALG 等作为老化时机和时间的参照和辅助（加速老化等），也有针对半连接等情况的兜底老化（不然就相当于内存泄漏了），但具体都取决于软件实现和参数配置，没有协议规范。

ARP 查 MAC 什么的都有没关系，处理到 IP 层就够了，如果是在硬件路由器上做的，涉及到 CEF 快转、各种硬件 offload 、FIB 及 TCAM 工作原理，就不要乱猜了。

[echo1937]

@weyou #2 2 楼的说法是正确的。

你说的这种情况叫做 PAT （ port-address-translation ）是端口地址转换。
具体内容可以查看 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BD%91%E7%BB%9C%E5%9C%B0%E5%9D%80%E8%BD%AC%E6%8D%A2

[palemoky]

@miyuki
@weyou
@sujin190
@Tianao
@echo1937
理解各位说的都映射到同一 IP 的不同端口上，但我同时有另一个疑问，这种方式下，我不确定映射的 IP 是不是只有一个，如果是一个 IP，那可映射的端口号只有 65535-2 个，也就是说只能同时处理 65533 个连接，但局域网内电脑+手机可能有几十台设备，每台设备又会发很多的网络请求，65533 个够用吗？

[miyuki]

@palemoky 如果足够多的设备都去请求同一个外网端口的话，确实存在这个问题

[Tianao]

@palemoky #6 可以是一个，也可以是多个（一个池）。即使只有一个外网 IP，给几百台终端也是够用的。此外，你可以选择更激进的老化策略，也可以使用完全锥形节省源端口。

[FieldFarmer]

@palemoky 对于拥有一个 ipv4 地址的客户机来说，的确是最大不能超过 65535 同时去连某一个服务器的端口，只能通过增加 ip 的方式来解决这类问题，不过日常生活中很少会遇到在一个 ipv4 的公网 ip 下，需要这么多的长连接去访问同一个服务器的端口，大多数时间都是短连接，用完马上释放。
你这个问题类比于 ipv4 不够用了怎么办。

[echo1937]

@palemoky 楼上几位已经做了进一步解释，比如增加 ip 成为 ip 池，调整老化时间等等。

实际日常过程中普通设备能保持的 nat 会话数很有限，一般三四千个就到头了，反倒这个问题是先遇到的。

[FieldFarmer]

@Tianao 同一 ip 区域下的 5 万多台终端在同一段时间使用了 tcp 连接同一服务器的同一端口，才会出现不够用的情况。
这种概率会有多大？即便真的出现了，也不过是出现拥塞现象，待其他的设备释放连接，网络即可恢复。
相反服务端出现这种情况次数更多，比如某博炸了，某宝卡了，这种没办法大多数情况下只能增加服务器数量。

[FieldFarmer]

@echo1937 从来都只有服务器考虑并发情况连接太多处理不过来，没见过客户端担心客户端太多导致自己排不上队的。。。。

[palemoky]

@FieldFarmer 所以说访问 43.1.1.1:443 会在 NAT 新增映射 192.168.5.5:54321 <==> 43.1.1.14:569，访问 44.2.2.2:443 会新增 192.168.5.5:49856 <==> 44.2.2.2:1443 ？如果这样，确实局域网内同时访问同一 IP 的同一端口是极端情况。
我尝试直接看华硕路由器和 FriendlyWRT 的 NAT 表，但查了半天资料都没找到怎么看

[FieldFarmer]

@palemoky 普通的路由上面，应该是没有查看的功能的，一些软路由上面应该可以，关键字：linux 查看 nat 映射表

[zemul]

ngrok