最簡單的上網流程
ip地址
我們現在常使用的IP地址是IPv4地址，由四組0-255的十進制數字組成，中間以小數點分隔。Internet上的每一台主機或者路由器都至少有一個IP地址。IP地址(IPv4地址，下文IP地址默認指IPv4)的長度是32位，總數為2的32次方，大約43億個。
43億IP地址假如全球每人分配一個IP就需要75億。為了快速解決IP地址匱乏的這個問題，NAT技術誕生了。
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NAT（Network Address Translation），中文名喚作網絡地址轉換，誕生於IP地址匱乏的時代。
NAT的基本思想是ISP（Internet服務提供商）為每個家庭或者公司分配一個IP地址，這個IP地址用作Internet流量的傳輸，也就是大家常說的外網IP地址或者公網IP地址。在客戶網絡的內部，每台計算機有唯一一個IP地址，即內網IP地址，這些地址主要用於路由內部流量。當一個數據包離開客戶網絡發送至其他ISP時，需要進行地址轉換，把唯一的內網IP地址轉換成外網的IP地址。
這種地址轉化使用IP地址的三個范圍，這些地址已被聲明私有化，任何內網中的設備可以任意使用這些地址，但是在這三個范圍內的IP地址不允許出現在Internet（外網）上，這三個保留的地址范圍是：
10.0.0.0~10.255.255.255/8
172.16.0.0~172.31.255.255/12
192.168.0.0~192.168.255.255/16
他們分別可以容納16777216、1048576、65536台主機。一般家里用無線路由器，就用到了網絡地址轉換技術，我們連上wifi后分配的IP地址一般是以172或192為開頭。學校或者大企業里面的網絡可能會用到10開頭的地址范圍。
NAT將內網外網划分好之后，是如何使內網的設備訪問外網的呢？
如下圖，當計算機A在內網（假設IP為10.0.0.1）想去訪問一個Internet上的網站S（假設IP地址為54.223.189.245）時，A的數據包需要先經過一個NAT盒子(NAT box)，這個盒子先將A的IP源地址轉換成外網的真實IP地址（假設IP為121.0.0.2），然后將轉換后的數據包發送至Internet。
於是問題來了，當網站S收到這個數據包后，會處理請求，並發送響應的數據包，然而這個數據包的目標地址是121.0.0.2（外網IP），數據包如何返回內網中的A呢？
這里要先介紹一下源端口（Source Port）和目標端口（Destination Port）的概念。當一個進程希望與另一個進程建立TCP連接時，它把自己綁定到一個本機尚未被占用的TCP端口上，這個端口稱為源端口，該TCP連接中所有入境的數據包都要被發送至這個端口。同時進程還需要提供一個目標端口，指明數據包到達遠程主機后送至哪一個端口處理。每一個出境的TCP數據包都包括一個源端口和目標端口。
舉例來說，如下圖，網站服務器S（IP地址為54.223.189.245）的HTTP服務運行在80端口上，公網上的計算機D（IP地址為121.141.56.23）想去訪問網站S，於是把自己綁定到本機的33121端口上，並發送請求的數據包，這個數據包中就包含了計算機D的源端口33121和目標端口80。網站S收到請求后，發送響應的數據包，這個數據包中包含了服務器S的源端口80和目標端口3312。
上面的例子是外網中的一台計算機訪問一個網站。在內網中計算機發送的數據包同樣存在着源端口和目標端口。NAT盒子做的事情就是對出入境數據包的端口進行修改。
回到最初舉的例子，假設內網計算機A（IP地址為10.0.0.1）發送的請求包的源端口是45421，目標端口是80，請求訪問網站服務器S（IP地址為54.223.189.245）。
當這個出境數據包經過NAT盒子時，其源地址被修改成公網的真實IP（121.0.0.2），源端口被修改一個索引值（假設為50002），這個索引值指向NAT盒子的地址轉化表中的某一項，這一表項保存了計算機A的內網源地址和源端口。最后NAT盒子將重新生成的數據包發送出去。
當網站S響應的入境數據包到達NAT盒子時，數據包經過處理，目的地址由公網IP（121.0.0.2）還原為計算機A的內網IP（10.0.0.1），目標端口由索引值（50002）還原為計算機A的源端口（45421）。還原后數據包可以正常的在內網路由。
這個過程基本如下圖所示。
如此一來，NAT解決了數據包在內網公網之間的地址和端口的轉換問題，暫時緩解了IP地址的短缺，但是它卻有着不少的缺點。
NAT違背了IP的結構模型（每個IP地址唯一標識世界上的一台機器），采用NAT后可能有無數台主機使用10.0.0.1這個IP地址。NAT還打破了Internet的端-端的連接模型。內網中的主機可以通過NAT與一台公網上的服務建立連接，但是反過來卻不行，公網上的主機無法與某一內網中的主機建立連接。舉個簡單的例子來說，你在內網某台計算機上搭建了一個網站，在外網是無法訪問的。而且使用NAT后，Internet變得如電路交換網絡一樣脆弱。NAT盒子為每個經過它的連接維護必要的信息（即映射關系），若NAT盒子崩潰，並且所有映射表被摧毀，所有TCP連接將被摧毀。
目前的IP地址匱乏，歸根結底是IPv4設計者的鍋，NAT只是權宜之策。既然NAT這么復雜，有人要問了，在IPv6普及后，NAT是否就會被取締了呢？答案是不會的。因為NAT已被廣泛使用，尤其是家庭和小型企業的網絡，即使IPv6普及了，NAT在短時間內也很難被取代。
參考資料：《計算機網絡》（第５版）
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