NAT协议是将IP数据报头中的IP地址转换为另外一个IP地址的过程，主要用于实现私有网络访问公有网络的功能。这种通过使用少量的IP地址代表较多的私有IP地址的方式，将有助于减少IP地址空间的枯竭。

为什么需要NAT

IPv4地址随着用户的增多压力不断增大，但是每一个路由器的IP地址下面都有很多的私有地址，外部消息只需要找到这个路由器，这个路由器把消息找到真正目的主机传递给它即可。每一个路由器都可以分配很多私有地址，并且不同路由器的私有地址可以重复，通过这种地址转换，能够大大增加地址的容量。

私有地址有三种：
①10.0.0.0~10.255.255.255/8
②172.16.0.0~172.31.255.255/12
③192.168.0.0~192.168.255.255/16

这些地址可以在任何组织或企业内部使用，和其他Internet地址的区别就是，仅能在内部使用，不能作为全球路由地址。

对于有Internet访问需求而内部又使用私有地址的网络，就要在组织的出口位置部署NAT网关，在报文离开私网进入Internet时，将源IP替换为公网地址，通常是出口设备的接口地址。一个对外的访问请求在到达目标以后，表现为由本组织出口设备发起，因此被请求的服务端可将响应由Internet发回出口网关。出口网关再将目的地址替换为私网的源主机地址，发回内部。这样一次由私网主机向公网服务端的请求和响应就在通信两端均无感知的情况下完成了。依据这种模型，数量庞大的内网主机就不再需要公有IP地址了。NAT的转换示意图如下所示：

NAT的实现方式

NAT的实现方式有三种，即静态NAT、动态NAT和NAPT。

静态NAT

如果一个内部主机唯一占用一个公网IP，这种方式被称为一对一模型。此种方式下，转换上层协议就是不必要的，因为一个公网IP就能唯一对应一个内部主机。显然，这种方式对节约公网IP没有太大意义，主要是为了实现一些特殊的组网需求。比如用户希望隐藏内部主机的真实IP，或者实现两个IP地址重叠网络的通信。

动态NAT

它能够将未注册的IP地址映射到注册IP地址池中的一个地址。不像使用静态NAT那样，你无需静态地配置路由器，使其将每个内部地址映射到一个外部地址，但必须有足够的公有因特网IP地址，让连接到因特网的主机都能够同时发送和接收分组。

NAPT

通过使用NAPT，只需使用一个公网ip地址，就可将数千名用户连接到因特网。其核心之处就在于利用端口号实现公网和私网的转换。

面对私网内部数量庞大的主机，如果NAT只进行IP地址的简单替换，就会产生一个问题：当有多个内部主机去访问同一个服务器时，从返回的信息不足以区分响应应该转发到哪个内部主机。此时，需要NAT设备根据传输层信息或其他上层协议去区分不同的会话，并且可能要对上层协议的标识进行转换，比如TCP或UDP端口号。这样NAT网关就可以将不同的内部连接访问映射到同一公网IP的不同传输层端口，通过这种方式实现公网IP的复用和解复用。这种方式也被称为端口转换PAT、NAPT或IP伪装，但更多时候直接被称为NAT，因为它是最典型的一种应用模式。

举个例子，客户端172.18.250.6和百度服务器202.108.22.5通信，172.18.250.6发送数据时，先转换为219.155.6.240:1723（任意>1024的随机端口），然后再利用这个身份发送数据给百度服务器，然后百度服务器回应数据并发送给219.155.6.240:1723，NAT网关检查自己的关联表，意识到这是自己地私网中172.18.250.6的数据包，然后把这个数据发送给客户端

也就是说，我们利用端口号的唯一性实现了公网ip转换为私网ip的这一步。NAPT能够使用传输层端口号来标识主机，因此，从理论上说，最多可让大约65000台主机共用一个公有IP地址。

NAT技术的优缺点

优点

1. 节省合法的公有ip地址。
2. 地址重叠时，提供解决办法。

缺点

1. 由于内网是私有IP，所以不能直接从公网访问内部网络服务。
2. 有一些应用程序虽然是用A端口发送数据的，但却要用B端口进行接收，不过NAT设备翻译时却不知道这一点，它仍然建立一条针对A端口的映射，结果对方响应的数据要传给B端口时，NAT设备却找不到相关映射条目而会丢弃数据包。