NAT или трансляция сетевых адресов является способом переназначения одного адресного пространства в другой путем изменения информации сетевых адресов в Internet Protocol или IP. Заголовки пакетов меняются в то время, когда они находятся в пути через устройства маршрутизации. Данный метод использовался первоначально для более простого перенаправления трафика в сетях IP без необходимости нумерации каждого хоста. Он стал важным и популярным инструментом для распределения и сохранения глобального адресного пространства в условиях острого недостатка адресов IPv4.
Что такое NAT?
Использование трансляции сетевых адресов заключается в отображении каждого адреса из одного адресного пространства к адресу, который находится в другом адресном пространстве. Это может понадобиться в том случае, если изменился провайдер услуг, а у пользователя нет возможности публично объявить новый маршрут к сети. Технология NAT в условиях глобального истощения адресного пространства с конца 90—х годов используется все чаще. Обычно данная технология используется в сочетании с IP-шифрованием. IP-шифрование представляет собой метод перехода нескольких IP адресов в одно пространство. Данный механизм реализован в устройстве маршрутизации, использующем таблицы перевода с сохранением состояния для отображения в один IP адрес скрытых адресов. Также он перенаправляет на выходе все исходящие пакеты IP. Таким образом, данные пакеты отображаются выходящими из устройства маршрутизации. Ответы в обратном канале связи отображаются в исходном IP адресе при помощи правил, которые хранятся в таблицах перевода. В свою очередь таблицы перевода очищаются по истечении короткого времени, если трафик не обновит свое состояние. Вот в чем заключается основной механизм NAT. Что же это означает? Данная технология позволяет организовывать связь через маршрутизатор только в том случае, когда соединение происходит в зашифрованной сети, так как это создает таблицы перевода. Внутри такой сети веб-браузер может просматривать сайт за ее пределами, однако будучи установленным вне ее, он не может открыть ресурс, который в ней размещен. Большинство устройств NAT сегодня позволяют сетевому администратору конфигурировать записи таблицы перевода для постоянного применения. Данная функция особенно часто упоминается как перенаправление портов или статическая NAT. Она дает возможность трафику, исходящему во «внешнюю» сеть, достичь назначенных хостов в зашифрованной сети. Из-за того, что метод, используемый с целью сохранения адресного пространства IPv4 пользуется популярностью, термин NAT практически стал синонимом метода шифрования. Так как трансляция сетевых адресов меняет информацию об адресе IP-пакетов, это может иметь серьезные последствия для качества подключения. Так что она требует пристального внимания ко всем деталям реализации. Способы использования NAT друг от друга отличаются в своем конкретном поведении в различных ситуациях, которые касаются влияния на сетевой трафик.
Базовая NAT
Простейший тип NAT позволяет обеспечить трансляцию IP-адресов «один-к-одному». Основным типом данной трансляции является RFC-2663. В данном случае меняются только IP-адреса, а также контрольная сумма заголовков IP. Можно использовать основные типы трансляции для соединения двух сетейIP, имеющих несовместимую адресацию.
Большая часть разновидностей NAT способна сопоставить несколько частных хостов к одному IP-адресу, который публично обозначен. Локальная сеть в типичной конфигурации использует один из назначенных «частных» IP-адресов подсети. В этой сети маршрутизатор имеет частный адрес в пространстве. Также маршрутизатор подключается к интернету при помощи «публичного адреса», который присваивается провайдером интернета. Поскольку трафик проходит из локальной сети Интернет, то адрес источника в каждом пакете переводится из частного в публичный на лету. Также маршрутизатор отслеживает основные данные о каждом активном соединении. В частности, это касается такой информации, как адрес и порт назначения. Когда ответ возвращается к нему, он использует данные соединения, которые сохраняются во время выездного этапа. Это необходимо для того, чтобы определить частный адрес внутренней сети, к которому нужно направить ответ. Основным преимуществом такого функционала является то, что он является практическим решением проблемы исчерпания адресного пространства IPv4. С помощью одного IP-адреса к интернету могут быть подключены даже крупные сети. Все дейтаграммы пакетов в IP сетях имеют два IP адреса – это исходный адрес и адрес пункта назначения. Пакеты, проходящие из частной сети к сети общего пользования, будут иметь адрес источника пакетов, который изменяется во время перехода от публичной сети к частной. Также возможны и более сложные конфигурации.
Особенности настройки NAT
Настройка NAT может иметь определенные особенности. Чтобы избежать трудностей, связанных с переводом возвращенных пакетов, могут потребоваться их дальнейшие модификации. Большая часть интернет-трафика будет идти через протоколы UDP иTCP. Их номера изменяются таким образом, что адреса IP и номера порта при обратной отправке данных начинает сопоставляться. Протоколы, которые не основаны на UDP или TCP, требуют других методов перевода. Как правило, ICMP или протокол управления сообщения в сети интернет, соотносит передаваемую информацию с имеющимся соединением. Это значит, что они должны отображаться с использованием того же адреса IP и номера, который был установлен изначально. Что же необходимо учитывать? Настройка NAT в роутере не предоставляет ему возможности соединения «из конца в конец». По этой причине такие маршрутизаторы не могут участвовать в некоторых интернет-протоколах. Услуги, требующие инициации соединений TCP от внешней сети или пользователей без протоколов, могут быть просто недоступны. Если NAT маршрутизатор не делает особых усилий для поддержки таких протоколов, то входящие пакеты могут так и не достичь места назначения. Некоторые протоколы могут быть размещены в одной трансляции между участвующими хостами иногда при помощи шлюза прикладного уровня. Однако соединение не будет установлено, когда обе системы при помощи NAT отделены от сети Интернет. Также использование NAT усложняет туннельные протоколы, типа IPsec, так как она меняет значения в заголовках, которые взаимодействуют с проверками целостности запросов.
NAT: существующая проблема
Основным принципом интернета является соединение «из конца в конец». Оно существует с момента его разработки. Текущее состояние сети только доказывает, что NAT является нарушением данного принципа. В профессиональной среде имеется серьезная озабоченность, связанная с повсеместным использованием в IPv6 трансляции сетевых адресов. Таким образом, сегодня поднимается вопрос о том, как можно устранить эту проблему. Из-за того, что таблицы, сохраняющие состояние трансляции в маршрутизаторах NAT по своей природе не вечны, устройства внутренней сети утрачивают соединение IP в течение очень короткого временного периода. Нельзя забывать об этом обстоятельстве говоря о том, что собой представляет NAT в роутере. Это значительно сокращает время работы компактных устройств, которые работают на аккумуляторах и батарейках.
Масштабируемость
При использовании NAT также отслеживаются только те порты, которые могут быть быстро истощены внутренними приложениями, которые используют несколько одновременных соединений. Это могут быть HTTP запросы для страниц с большим количеством встроенных объектов. Смягчить данную проблему можно путем отслеживания IP адреса в назначениях в дополнение к порту. Один локальный порт таким образом может быть разделен большим количеством удаленных хостов.
NAT: некоторые сложности
Так как все внутренние адреса оказываются замаскированными под один общедоступный, для внешних хостов невозможно инициировать подключение к определенному внутреннему узлу без настройки специальной конфигурации на брандмауэре. Данная конфигурация должна перенаправлять подключения к определенному порту. Приложения для IP-телефонии, видеоконференций и подобные сервисы для своего нормального функционирования должны использовать методы обхода NAT. Порт перевода Raptи обратный адрес позволяет хосту, у которого IP адрес меняется время от времени, оставаться доступным в качестве сервера при помощи фиксированного IP адреса домашней сети. Это в принципе должно позволить настройке серверов сохранять соединение. Несмотря на то, что такое решение проблемы является не идеальным, это может стать еще одним полезным инструментом в арсенале сетевого администратора при решении задач, связанных с настройкой на роутере NAT.
PAT или Port Address Translation
Port Address Translation является реализацией Cisco Rapt, которая отображает несколько частных IP адресов в виде одного публичного. Таким образом, несколько адресов могут быть отображены как адрес, потому что каждый из них отслеживается при помощи номера порта. PAT использует уникальные номера портов источника на внутреннем глобальном IP, чтобы различать направление передачи данных. Данными номерами являются целые 16-разрядные числа. Общее число внутренних адресов, которые могут быть переведены на один внешний адрес, теоретически может достигать 65536. В реальности же количество портов, на которые может быть назначен единый адрес IP, составляет примерно 4000. PAT, как правило, пытается сохранить исходный порт «оригинала». В том случае, если он уже используется Port Address Translation назначает первый доступный номер порта, начиная с начала соответствующей группы. Когда доступных портов не остается и есть более одного внешнего IP адреса, PAT переходит к следующему для выделения исходного порта. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока доступные данные не закончатся. Служба Cisco отображает адрес и порт. Она сочетает в себе адрес порта перевода и данные туннелирования пакетов IPv4 по внутренней сети IPv6. По сути это альтернативный вариант Carrier Grade NAT и DS-Lite, который поддерживает IP трансляции портов и адресов. Это позволяет избежать проблем, связанных с установкой и поддержанием соединения. Также это позволяет обеспечить механизм перехода для развертывания IPv6.
Методы перевода
Известно несколько основных способов реализации перевода сетевого адреса и порта. В определенных прикладных протоколах требуется определить внешний адрес NAT, используемый на другом конце соединения. Также часто необходимо изучить и классифицировать тип передачи. Как правило, это делается потому, что желательно между двумя клиентами, находящимися за отдельными NAT, создать прямой канал связи. Для этой цели был разработан специальный протокол RFC 3489, который обеспечивает простой обход UPD через NATS. Он на сегодняшний день уже считается устаревшим, так как в наши дни такие методы считаются недостаточными для правильной оценки работы устройств. В 2008 году был разработан протокол RFC 5389, в котором были стандартизованы новые методы. Данная спецификация сегодня называется Session Traversal. Она представляет собой специальную утилиту, предназначенную для работы NAT.
Создание двусторонней связи
Каждый пакет UDP и TCP содержит IP адрес источника и его номер порта, а также координаты конечного порта. Номер порта имеет очень важное значение для получения таких общедоступных услуг, как функционал почтовых серверов. Так, например, порт 25 подключается к SMTP почтового сервера, а порт 80 подключается к программному обеспечению веб-сервера. Существенное значение имеет также и IP адрес общедоступного сервера. Данные параметры должны быть достоверно известны тем узлам, которые намерены установить соединение. Частные IP адреса имеют значение только в локальных сетях.