网络地址译码器NAT是一个可以在转发数据包的同时进行IP地址和TCP/UDP端口号转换的IP路由器。为了更好地理解NAT以及NAT的功能，我们可以设想一家小公司，有好几台主机需要连到Internet上，在这种应用系统中，一种可能的解决办法是为每一台需要上网的主机申请一个公共IP地址，但这么做，一方面公司需要承受较高昂的费用，另一方面由于IP地址的匮乏，申请新地址也不容易。利用NAT，这家公司则可以不必申请那么多公共IP地址，而是在公司内部网段上使用内部私用地址，当通过NAT路由器发送数据时，再使用NAT将私用地址转换成由ISP分配的合法注册的公共IP地址。通过这种方式，可以实现多台内部主机共享一个公共IP地址。
举例来说，假设这家小型公司有多台主机，在其内部网络中使用私用保留IP地址10.0.0.0/8，同时该公司申请了四个公共IP地址：w、x、y、z。那么当通过NAT路由器发送数据时，NAT可以采用静态方式或动态方式将10.0.0.0/8网络上所有私用IP地址映射成w、x、y、z这四个公共IP地址。
当有数据包需要外发时，源端IP地址和TCP/UDP端口号被映射成w、x、y、z和经过转换的TCP/UDP端口号。相反，当接收数据包时，目标IP地址和TCP/UDP端口号再被映射回私用IP地址和源TCP/UDP端口号。
在缺省情况下，NAT仅进行IP地址映射和TCP/UDP端口转换。某些协议数据流，如HTTP，其IP地址和端口信息只出现在IP报头和TCP/UDP报头中， NAT可以对其IP地址和端口号完成透明的的转换映射。
但是，另外有部分协议出于某些因素，将IP地址和TCP/UDP端口信息封装在协议自身报头中，如FTP将IP地址封装在FTP报头中。在这种情况下，如果NAT不能对FTP报头中的IP地址进行正确转换的话，就会引起连接错误。更有甚者，还有一些协议根本不用TCP或UDP报头，而是使用其他报头的某些字段来标识数据流。
当NAT需要对以上使用非IP、TCP、UDP报头的负载进行地址和端口转换时，就要用到一个特殊的组件--NAT编辑器。NAT编辑器的作用是对使用非IP、TCP、UDP报头的数据流进行适当的修改，以便它们能通过NAT路由器，同时得到正确的路由转发。
以下就PPTP协议和基于IPSec的L2TP协议分析在VPN环境中，NAT的适用情况。
一、PPTP数据流
PPTP数据流包括一条维持隧道的TCP连接和由GRE封装的隧道数据。其中，TCP连接属于可转换部分，直接由NAT对源TCP端口号进行透明翻译；而由GRE封装的隧道数据则属于我们在上面分析过的，其地址转换需要用到特定的NAT编辑器。 在隧道数据中，隧道是通过被封装在GRE报头中的源IP地址和CALL ID字段来标识的。假设现在有某公司，当其内部网络中有多台主机同时需要作为PPTP客户机与远程同一台PPTP服务器建立隧道连接时，这多台PPTP客户机经过NAT路由器，其内部不同的私有IP地址将被转换成同一个公共IP地址。同时，由于这些PPTP客户机本身意识不到它们的地址需要被转换，它们还可能在建立PPTP隧道时，采用相同的CALL ID。由此引发的后果是经过NAT转换后，发自多台不同PPTP客户机的隧道数据流具有完全相同的IP地址和CALL ID。
为了防止此类错误发生，针对PPTP协议的NAT编辑器必须对PPTP隧道的建立进行全程监控，并在每一台PPTP客户机的私用IP地址、CALL ID和公共IP地址以及PPTP服务器接收的CALL ID之间建立单独的映射关系。 NAT路由协议包含了一个PPTP编辑器，具有进行GRE报头中CALL ID转换功能，从而使得NAT在完成多私用地址到单公共地址的转换时，能在多条PPTP隧道之间进行有效区分。
二、基于IPSec 的L2TP数据流
基于IPSec 的L2TP数据流，其地址无法经NAT转换，因为UDP端口号经过加密处理，端口号的值受密码校验和的保护。不仅如此，由于以下两个因素，基于IPSec 的L2TP数据流甚至无法象PPTP数据流一样，通过特定编辑器来转译：
1）无法区分多路IPSec
ESP数据流 ESP报头中包含一个SPI--"安全参数索引"字段，该字段连接明文IP报头中的目标IP地址和诸如ESP 或认证报头AH 等IPSec安全协议，以此来标识某个IPSec安全关联SA。
对于经过NAT路由器出站的隧道数据，目标IP地址无须改变。相反，对于需要通过NAT路由器进入企业内部网的数据流，其目标地址必须映射成某个确定的私用IP地址，但此时我们会看到，进站的所有IPSec ESP数据流，其目标IP地址都是相同的，是同一个公共IP地址。为了能将多路IPSec ESP数据流彼此区分开，必须将目标IP地址和SPI映射成私有目标IP地址和SPI。但是，由于ESP认证报尾包含对ESP报头和有效载荷进行校验的密码校验和，如果修改SPI的话，会造成该密码校验和的失效，而不改变SPI，则无以区分多路IPSec ESP数据流。
2）无法改变TCP和UDP校验和
同样，在基于IPSec 的L2TP数据包中，UDP和TCP报头中也各自包含一个校验和，用于校验明文IP报头中源端和目标端IP地址。类似的，如果改变明文IP报头中地址，也会造成密码校验和的失效。而且，由于这两个密码校验和位于ESP有效载荷加密部分，因此我们无法试图在修改IP地址的同时，更新密码校验和。
由于上述原因，我们看到，使用基于IPSec 的L2TP协议的 VPN环境中，无法采用NAT实现网络地址转译。
结束语
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