知识点编号：033
难度等级：⭐⭐⭐（掌握）
面试频率：🔥🔥🔥🔥🔥
🎯 一句话总结
NAT就像酒店前台，用一个公网地址代表所有私网设备！🏨
🤔 NAT是什么？
NAT：Network Address Translation
网络地址转换
作用：
✅ 节约公网IP地址
✅ 隐藏内网结构（安全）
✅ 允许私网访问公网
为什么需要NAT？
- IPv4地址不够用（只有43亿个）
- 私网IP不能在公网路由
- 需要让私网设备访问互联网
生活比喻：
酒店前台的工作：
- 客人（私网设备）打电话
- 前台（路由器）用酒店电话（公网IP）拨出
- 对方只看到酒店号码，不知道是哪个房间打的
📊 NAT的类型
1. 静态NAT（Static NAT）
一对一映射
一个私网IP固定对应一个公网IP
示例：
私网IP 公网IP
192.168.1.10 ←→ 203.0.113.10
192.168.1.20 ←→ 203.0.113.20
特点：
✅ 映射固定不变
✅ 可以被外网主动访问
✅ 适用于服务器
❌ 不节约IP地址
应用场景：
- 内网服务器需要对外提供服务
- 需要固定公网IP
2. 动态NAT（Dynamic NAT）
多对多映射
从公网IP池中动态分配
示例：
私网IP池：192.168.1.0/24（254个）
公网IP池：203.0.113.10-203.0.113.20（11个）
过程：
1. 192.168.1.10发起连接 → 分配203.0.113.10
2. 192.168.1.20发起连接 → 分配203.0.113.11
3. 192.168.1.10断开 → 203.0.113.10释放
4. 192.168.1.30发起连接 → 分配203.0.113.10
特点：
✅ 比静态NAT灵活
✅ 节约一些IP
❌ 还是需要多个公网IP
❌ 不能被外网主动访问
应用场景：
- 中小型企业
- 需要多个公网IP但不是所有设备同时上网
3. NAPT（端口复用NAT）/ PAT
NAPT：Network Address Port Translation
也叫PAT（Port Address Translation）
多对一映射 + 端口区分
所有私网IP共享一个公网IP
示例：
内网设备 路由器（NAT） 外网服务器
192.168.1.10:5000 -----→ 203.0.113.1:50001 ----→ 8.8.8.8:53
192.168.1.20:5000 -----→ 203.0.113.1:50002 ----→ 8.8.8.8:53
192.168.1.30:6000 -----→ 203.0.113.1:50003 ----→ 1.1.1.1:80
NAT映射表：
内网地址 外网地址 目标地址
192.168.1.10:5000 203.0.113.1:50001 8.8.8.8:53
192.168.1.20:5000 203.0.113.1:50002 8.8.8.8:53
192.168.1.30:6000 203.0.113.1:50003 1.1.1.1:80
特点：
✅ 最节约IP（只需1个公网IP）
✅ 家用路由器都是这种
✅ 支持成千上万个内网设备
❌ 外网无法主动访问内网（需要端口映射）
应用场景：
- 家庭网络（最常见）
- 小型企业
- 移动网络
🎮 NAPT工作过程
详细流程：
步骤1：内网设备发起连接
内网电脑A（192.168.1.10:5000）访问百度（39.156.66.10:80）
步骤2：数据包到达NAT路由器
源地址：192.168.1.10:5000
目标地址：39.156.66.10:80
步骤3：NAT路由器修改源地址
原始包：
源IP：192.168.1.10
源端口：5000
目标IP：39.156.66.10
目标端口：80
NAT转换后：
源IP：203.0.113.1（公网IP）
源端口：50001（分配的外部端口）
目标IP：39.156.66.10
目标端口：80
步骤4：记录映射表
192.168.1.10:5000 ←→ 203.0.113.1:50001 ←→ 39.156.66.10:80
步骤5：发送到公网
百度服务器收到：
源：203.0.113.1:50001
目标：39.156.66.10:80
步骤6：百度回复
回复包：
源：39.156.66.10:80
目标：203.0.113.1:50001
步骤7：NAT路由器查表
查到：203.0.113.1:50001 ←→ 192.168.1.10:5000
步骤8：修改目标地址
转换后：
源：39.156.66.10:80
目标：192.168.1.10:5000
步骤9：转发给内网设备
电脑A收到回复！
🔧 端口映射（Port Forwarding）
问题：
外网无法主动访问内网设备
（因为外网不知道内网IP）
解决：
配置端口映射（静态映射）
示例：
内网有Web服务器：192.168.1.100:80
公网IP：203.0.113.1
配置：
外部端口8080 → 192.168.1.100:80
效果：
访问 203.0.113.1:8080 → 自动转到 192.168.1.100:80
NAT表：
外部地址 内部地址
203.0.113.1:8080 → 192.168.1.100:80
203.0.113.1:3389 → 192.168.1.101:3389（远程桌面）
203.0.113.1:22 → 192.168.1.102:22（SSH）
💻 Java代码示例
import java.net.*;
import java.io.*;
public class NATExample {
/**
* 获取私网IP
*/
public static String getPrivateIP() {
try {
InetAddress ip = InetAddress.getLocalHost();
return ip.getHostAddress();
} catch (Exception e) {
return "未知";
}
}
/**
* 获取公网IP（通过外部服务）
*/
public static String getPublicIP() {
try {
// 方法1：通过外部服务获取
URL url = new URL("https://api.ipify.org");
BufferedReader reader = new BufferedReader(
new InputStreamReader(url.openStream())
);
String publicIP = reader.readLine();
reader.close();
return publicIP;
} catch (Exception e) {
return "获取失败: " + e.getMessage();
}
}
/**
* 判断是否是私网IP
*/
public static boolean isPrivateIP(String ip) {
String[] parts = ip.split("\\.");
if (parts.length != 4) {
return false;
}
int first = Integer.parseInt(parts[0]);
int second = Integer.parseInt(parts[1]);
// 10.0.0.0/8
if (first == 10) {
return true;
}
// 172.16.0.0/12
if (first == 172 && second >= 16 && second <= 31) {
return true;
}
// 192.168.0.0/16
if (first == 192 && second == 168) {
return true;
}
return false;
}
/**
* 检测NAT类型（简化版）
*/
public static String detectNATType() {
String privateIP = getPrivateIP();
String publicIP = getPublicIP();
if (isPrivateIP(privateIP)) {
if (!publicIP.equals("获取失败")) {
return "NAPT/PAT（使用NAT）";
} else {
return "无公网访问";
}
} else {
return "公网IP（无NAT）";
}
}
/**
* 显示网络信息
*/
public static void showNetworkInfo() {
System.out.println("=== 网络信息 ===\n");
// 私网IP
String privateIP = getPrivateIP();
System.out.println("私网IP: " + privateIP);
System.out.println("是否私网: " + isPrivateIP(privateIP));
System.out.println();
// 公网IP
System.out.println("正在获取公网IP...");
String publicIP = getPublicIP();
System.out.println("公网IP: " + publicIP);
System.out.println();
// NAT类型
System.out.println("NAT类型: " + detectNATType());
System.out.println();
// 所有网络接口
try {
System.out.println("=== 所有网络接口 ===\n");
for (NetworkInterface ni :
Collections.list(NetworkInterface.getNetworkInterfaces())) {
if (!ni.isUp()) continue;
System.out.println("接口: " + ni.getName());
System.out.println(" 显示名: " + ni.getDisplayName());
for (InetAddress addr :
Collections.list(ni.getInetAddresses())) {
if (addr instanceof Inet4Address) {
String ip = addr.getHostAddress();
System.out.println(" IPv4: " + ip +
" (私网: " + isPrivateIP(ip) + ")");
}
}
System.out.println();
}
} catch (Exception e) {
System.err.println("获取接口失败: " + e.getMessage());
}
}
/**
* 测试端口映射
*/
public static void testPortMapping(String host, int port) {
System.out.println("=== 测试端口映射 ===\n");
System.out.println("目标: " + host + ":" + port);
try (Socket socket = new Socket()) {
socket.connect(new InetSocketAddress(host, port), 3000);
System.out.println("✓ 端口开放");
System.out.println(" 本地地址: " +
socket.getLocalAddress().getHostAddress() +
":" + socket.getLocalPort());
System.out.println(" 远程地址: " +
socket.getInetAddress().getHostAddress() +
":" + socket.getPort());
} catch (SocketTimeoutException e) {
System.out.println("✗ 连接超时（端口可能关闭或被防火墙阻止）");
} catch (ConnectException e) {
System.out.println("✗ 连接被拒绝（端口未开放）");
} catch (Exception e) {
System.out.println("✗ 错误: " + e.getMessage());
}
}
public static void main(String[] args) {
// 显示网络信息
showNetworkInfo();
// 测试公网连接
System.out.println("\n=== 测试公网连接 ===\n");
testPortMapping("www.baidu.com", 80);
// 测试本地端口（如果有服务）
// testPortMapping("localhost", 8080);
}
}
⚠️ NAT的问题
1. 无法被外网主动访问
问题：
外网主机不知道内网IP
无法主动发起连接
影响：
- P2P应用困难（如视频通话）
- 托管服务器需要端口映射
- 一些在线游戏无法联机
解决：
- 端口映射（Port Forwarding）
- UPnP（自动端口映射）
- NAT穿透技术（STUN/TURN）
- DMZ主机（将一台内网主机完全暴露）
2. 端口耗尽
问题：
一个公网IP只有65535个端口
大量内网设备同时上网可能耗尽端口
示例：
1000台设备，每台100个连接
总共需要100,000个端口 > 65535
解决：
- 使用多个公网IP
- 连接复用
- 限制每个设备的连接数
3. 性能开销
问题：
NAT路由器需要：
- 维护映射表
- 修改每个数据包
- 重新计算校验和
影响：
- 增加延迟（通常<1ms）
- 消耗CPU和内存
- 高并发时性能下降
解决：
- 使用硬件NAT（专用芯片）
- 优化NAT表大小
- 及时清理过期连接
🐛 常见面试题
Q1：NAT的工作原理是什么？
答案：
NAT（网络地址转换）允许私网设备使用公网IP访问互联网。
工作原理（以NAPT为例）：
出站（内网→公网）：
1. 内网设备发送数据包
源：192.168.1.10:5000
目标：8.8.8.8:53
2. 到达NAT路由器
- 分配外部端口：50001
- 记录映射：192.168.1.10:5000 ←→ 公网IP:50001
- 修改源地址为：公网IP:50001
3. 发送到公网
源：公网IP:50001
目标：8.8.8.8:53
入站（公网→内网）：
1. 公网回复
源：8.8.8.8:53
目标：公网IP:50001
2. NAT路由器查表
- 找到映射：50001 ←→ 192.168.1.10:5000
- 修改目标地址为：192.168.1.10:5000
3. 转发给内网设备
关键点：
- 修改IP地址和端口
- 维护映射表
- 重新计算校验和
- 出站时记录，入站时查表
Q2：NAT有哪些类型？各有什么特点？
答案：
NAT的3种类型：
1. 静态NAT（Static NAT）
- 一对一映射
- 私网IP ←→ 公网IP固定
- 不节约IP，但可被外网访问
- 用途：对外提供服务的服务器
2. 动态NAT（Dynamic NAT）
- 多对多映射
- 从公网IP池动态分配
- 节约部分IP
- 用途：中小型企业
3. NAPT/PAT（端口复用NAT）
- 多对一映射
- 所有内网设备共享1个公网IP
- 通过端口区分不同连接
- 最节约IP
- 用途：家庭、小企业（最常用）
比较：
静态NAT 动态NAT NAPT/PAT
映射关系 一对一 多对多 多对一
节约IP 不节约 部分节约 最节约
外网访问 可以 不可以 不可以
应用场景 服务器 企业 家庭/小企业
家用路由器都是NAPT！
🎓 总结
NAT的关键点：
- 作用：节约公网IP，私网访问公网
- 类型：静态、动态、NAPT
- 原理：修改地址+端口，维护映射表
- 问题：无法被动访问、端口耗尽
记忆口诀：
私网共享公网IP 🌐
修改地址加端口 🔄
出站记录映射表 📝
入站查表转发 📤
文档创建时间：2025-10-31
