Трансляция сетевых адресов (NAT). Виды, схемы работы

Трансляция сетевых адресов (NAT) используется многими сервис провайдерами и частными пользователями для решения проблемы нехватки реальных IP-адресов и обеспечения безопасности локальных сетей подключенных к Интернету. Например. Предприятие может иметь выделенный диапазон реальных IP-адресов, но гораздо большее количество компьютеров имеющих локальные IP-адреса которым необходим доступ в Интернет. Для решения этой проблемы используется технология трансляции адресов, которая позволяет компьютерам локальной сети взаимодействовать с сетью Интернет, используя всего один внешний реальный IP-адрес. NAT решает эту проблему с помощью подстановки общедоступного IP- адреса вместо локального IP-адреса Подставляя внутренний IP-адрес и порт  вместо внешнего IP-адреса и порта, NAT сохраняет таблицу соответствия, затем при получении ответного пакета производится обратное преобразование.
К локальным IP-адресам относятся следующие диапазоны адресов: 10.ххх.ххх.ххх, 192.168.ххх.ххх, 172.16.ххх.ххх - 172.32.ххх.ххх. 
Схема работы NATа 


Типы трансляторов сетевых адресов (NAT)

Трансляторы адресов подразделяются на 4 типа:
1. Symmetric NAT.
2. Full Cone NAT.
3. Address Restricted Cone NAT (он же Restricted NAT).
4. Port Restricted Cone NAT (или Port Restricted NAT)

В первых трех типах NATа разные IP-адреса внешней сети могут взаимодействовать с адресом из локальной сети используя один и тот же внешний порт. Четвертый тип, для каждого адреса и порта использует отдельный внешний порт.
NATы не имеют статической таблицы соответствия адресов и портов. Отображение открывается, когда первый пакет посылается из локальной сети наружу через NAT и действует определенный промежуток времени (как правило, 1-3 минуты), если пакеты через этот порт не проходят, то порт удаляется из таблицы соответствия. Обычно NAT распределяют внешние порты динамически, используется диапазон выше 1024.

1.Symmetric NAT.
До недавнего времени это была наиболее распространённая реализация. Его характерная особенность – в таблице NAT маппинг адреса IL на адрес IG жёстко привязан к адресу OG, то есть к адресу назначения, который был указан в исходящем пакете, инициировавшем этот маппинг. При указанной реализации NAT в нашем примере хост 192.168.0.141 получит оттранслированные входящие UDP-пакеты только от хоста 1.2.3.4 и строго с портом источника 53 и портом назначения 1053 – ни от кого более. Пакеты от других хостов, даже если указанные в пакете адрес назначения и порт назначения присутствуют в таблице NAT, будут уничтожаться маршрутизатором. Это наиболее параноидальная реализация NAT, обеспечивающая более высокую безопасность для хостов локальной сети, но в некоторых случаях сильно усложняющая жизнь системных администраторов. Да и пользователей тоже.

2. Full Cone NAT.
Эта реализация NAT – полная противоположность предыдущей. При Full Cone NAT входящие пакеты от любого внешнего хоста будут оттранслированы и переправлены соответствующему хосту в локальной сети, если в таблице NAT присутствует соответствующая запись. Более того, номер порта источника в этом случае тоже не имеет значения – он может быть и 53, и 54, и вообще каким угодно. Например, если некое приложение, запущенное на компьютере в локальной сети, инициировало получение пакетов UDP от внешнего хоста 1.2.3.4 на локальный порт 4444, то пакеты UDP для этого приложения смогут слать также и 1.2.3.5, и 1.2.3.6, и вообще все до тех пор, пока запись в таблице NAT не будет по какой-либо причине удалена. Ещё раз: в этой реализации NAT во входящих пакетах проверяется только транспортный протокол, адрес назначения и порт назначения, адрес и порт источника значения не имеют.

3. Address Restricted Cone NAT (он же Restricted NAT).
Эта реализация занимает промежуточное положение между Symmetric и Full Cone реализациями NAT – маршрутизатор будет транслировать входящие пакеты только с определенного адреса источника (в нашем случае 1.2.3.4), но номер порта источника при этом может быть любым.

4.Port Restricted Cone NAT (или Port Restricted NAT).
То же, что и Address Restricted Cone NAT, но в этом случае маршрутизатор обращает внимание на соответствие номера порта источника и не обращает внимания на адрес источника. В нашем примере маршрутизатор будет транслировать входящие пакеты с любым адресом источника, но порт источника при этом обязан быть 53, в противном случае пакет будет уничтожен маршрутизатором.

NAT и Интернет телефония с использованием SIP протокола

Существует три основных проблемы прохождения через NAT звонков с использованием SIP протокола.
1. Наличие локальных адресов в SIP сигнализации.

SIP-пакет:

INVITE sip:74957877070@212.1.1.45 SIP/2.0
Record-Route:
Via: SIP/2.0/UDP 212.1.1.45;branch=z9hG4bK3af7.0a6e92f4.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.0.21;branch=z9hG4bK12ee92cb;rport=5060
From: "test" ;tag=as149b2d97
To: sip:74957877070@mangosip.ru
Contact: 192.168.0.21:5060>
Call-ID: 3cbf958e6f43d91905c3fa964a373dcb@192.168.0.21:5060
CSeq: 3 INVITE
Max-Forwards: 70
Allow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, SUBSCRIBE, NOTIFY
Supported: replaces
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 394


v=0
o=root 3303 3304 IN IP4 192.168.0.21
s=session
c=IN IP4 192.168.0.21
t=0 0
m=audio 40358 RTP/AVP 8 101
a=rtpmap:8 PCMA/8000
a=rtpmap:101 telephone-event/8000
a=fmtp:101 0-16
a=silenceSupp:off - - - -
a=sendrecv


В приведенном примере сигнализации выделены поля, в которых указан локальный адрес. Как следствие этого сервер сети Интернет-телефонии (SoftSwitch) обработав такой запрос, с локальными адресами, не может отправить абоненту ответ, поскольку в поле "Via" указан адрес, который не маршрутизируется в Интернете.
2. Прохождение голосового потока (RTP).
Вызываемый абонент, получив вызов от сервера сети Интернет-телефонии, с указанием локального адреса получателя голосового потока не может отправить речевую информацию по назначению, поскольку указанный адрес не маршрутизируется в Интернете. Вследствие этого возникает, одностороння слышимость абонентов или ее полное отсутствие.
3. Абонент, подключенный через NAT, практически не может принимать входящие звонки.
Это связанно с тем, что NAT резервирует внешний порт на небольшой промежуток времени (от 1 до 3 мин.), поле чего освобождает его.
Полученный после этого входящий вызов от сервера сети Интернет-телефонии просто игнорируется и как следствие этого абонент расположенный за NATом не может получить информацию о входящем звонке