Что такое симметричный nat в роутере

Время на прочтение
3 мин

Количество просмотров 34K

Задача прямого соединения машин, находящихся за NAT’ом стара как мир и я думаю, что многие слышали про UDP Hole Punching. Когда я только начинал интересоваться вопросом, я утвердился во мнении, что symmetric nat пробить невозможно и пытаться даже не стоит. Однако совсем недавно мне попалась статья в которой утверждалось, что симметричный нат — это не приговор.

Давайте разберемся.

Типы NAT

Традиционно во многих статьях в Интернете все NATы делят на четыре типа:

• Full-cone NAT;
• Address-restricted cone NAT;
• Port-restricted cone NAT;
• Symmetric NAT

На самом деле это неверно. Точнее не совсем верно. У любого NAT’a есть две основных характеристики:

1) фильтр входящих пакетов;
2) правило маппинга портов.

Первая характеристика как раз описана в большинстве статей и означает, какие входящие пакеты передавать машине за NAT’ом: все (no filter – Full cone), с конкретного адреса (address-restricted) или с конкретного адреса и порта (port-restricted).

Вторая характеристика же присуще только симметричному НАТ’у, так как первые три типа пытаются сделать отражение один в один. Например, если клиент посылает пакет с внутреннего адреса 192.168.10.24:62145, то от роутера пакет пойдет с адреса 1.2.3.4:62145. Причем вне зависимости от адреса получателя.

Symmetric NAT

А теперь детальнее про симметричный NAT. Сразу оговорюсь, что фильтры входящих пакетов тоже могут быть любые (no filter, address-restricted или port-restricted). И единственное отличие этого типа NAT’a от предыдущих как раз в выборе исходящего порта на роутере, он почти наверняка будет отличаться от исходного порта на клиенте. Вернувшись к предыдущему примеру отражение может быть таким: 192.168.10.24:62145 -> 1.2.3.4:1274.

Выбирается тот самый порт случайно (ну или не случайно, а по очереди, но это не важно, так как повлиять на его выбор извне мы не можем). Но есть определенные правила, они похожи на фильтр входящих пакетов:

• Порт может оставаться всегда одним и тем же, в не зависимости от получателя (cone);
• Порт может оставаться одним и тем же для конкретного адреса получателя (address);
• Порт может оставаться одним и тем же лишь для конкретного адреса и порта получателя (port);

При этом есть еще и правила для выбора следующего порта:
Это может быть какая-то дельта (+1/-1 или +10/-10) или вообще каждый раз случайно.
Кроме того видел один NAT у которого каждый последующий порт отстоял от предыдущего на случайное число, но всегда кратное 4096.

Вместо заключения

Итак, понятного, что зная правило распределения портов и дельту можно угадать, с какого порта пойдет исходящий пакет, соответственно пробить тот самый симметричный NAT. Разумеется, в случае выбора порта совсем случайно, этот фокус не пройдет.

Ну что же мы подобрались к сути и цели статьи. Ответу на вопрос

«Можно ли определить правило распределения портов и дельту, находясь за NAT’ом?»

Поможет нам в этом STUN, конечно. Наша задача сделать четыре запроса к разным адресам и портами используя один сокет (один локальный порт) и оценить результаты:
Мы сможем понять каким образом распределяются исходящие порты (адрес или порт) и попробовать рассчитать ту самую дельту.

И тут я призываю хабрасообщество мне помочь со статистикой. На просторах Интернета был найден простенький stun клиент, немножко допилен кувалдой и вот что получилось:

Исходник

Пользователи Линукса прекрасно знают как это скомпилировать.

Под винду отлично компилится студией, вот тут бинарник, если студии под рукой нет.

Да простит меня stun.counterpath.net за хабра эффект

Вот мои результаты, но у меня не симметричный НАТ и не интересно:

Results
tests: 1010
NAT present: 1
first preserved port: 1
preserves port: 0
type: Port restricted NAT
mapped ports: 55907 55907 55907 55907

Всем спасибо за помощь!

udp: Оставляйте, пожалуйста, ваши результаты в комментариях, даже если НАТ не симметричный. Ведь в любом случаю важно знать распиновку по типам.

tl;dr It comes from STUN and is symmetric because it identifies a 1:1 relationship between NAT mapping and L4 flow.

The name symmetric NAT is as far as I know introduced by the original STUN RFC 3489, with the following definition:

A symmetric NAT is one where all requests from the same internal IP
address and port, to a specific destination IP address and port, are
mapped to the same external IP address and port. If the same host
sends a packet with the same source address and port, but to a
different destination, a different mapping is used. Furthermore, only
the external host that receives a packet can send a UDP packet back to
the internal host.

This may not clarify things if you are not that familiar with NAT and the whole concept of STUN. Let me try to build this up.

The first important concept is the 5-tuple (protocol, host port, server port, host address, server address) where protocol is most commonly either UDP or TCP. This 5-tuple is used to identify a L4 protocol flow. I use host and server terminology to simplify some things and avoid directional terms such as source and destination.

Now, the whole concept of a NA(P)T device is to dynamically replace the (host port, host address) on the internal network (inside) with a (NAT port, NAT address) on the external network (outside). The state of such a translation is also called a NAT mapping. At its most simple the NAT function does not care about protocol, server ip, and server port. In this case multiple Layer 4 protocol flows may use the same NAT mapping, as long as the host ip and host-port used on the inside are the same. This N:1 model of multiplexing/demultiplexing flows to mappings is often represented via a funnel or cone.

The biggest alternative is to create a mapping for each new 5-tuple. So even if for example all of protocol, host ip, host port, and server ip are the same but server port is different, a new mapping will be created and the resulting NAT ip, NAT port will be different. There is thus a full 1:1 symmetry between a layer 4 flow and a NAT mapping.

Not relevant to the question, but just some history why this term is actually important for the STUN RFC and not left as an implementation detail. One of the goals of stun was to enable P2P connections between two clients behind NAT. The idea was that for many applications (e.g. VoIP) there would only be initial communication via servers, but all remaining communication would be P2P. To set up this P2P, the clients would make a connections to a stun server, which does three things:

1. It informs them on the type of NAT, as this only worked with the ‘full cone’ version. So detecting cone vs symmetric is important here (stun has a few variants of cone actually)
2. It creates a NAT mapping as explained above.
3. The stun sever informs the client of the outside port+IP of that mapping.

Then, the client would send the learned port+IP via the application (voip) server to the other client, and now that can be used to set up a P2P connection.

In practice this barely works, and stun as described there was obsoleted and replaced by RFC 5389. In addition, many NAT implementations have added Application-level Gateways to solve certain protocols directly. On top of that there are specific protocols to create NAT mappings on demand, most prominently UPnP IGD and PCP. But, as often happens, some of the original STUN concepts stuck forever anyway :).

NAT – трансляция сетевых адресов, позволяет локальным (частным) сетям, использующим незарегистрированные IP-адреса, подключаться к Интернету. NAT работает на маршрутизаторе, обычно соединяя две сети вместе, и преобразует частные адреса во внутренней сети в публичные адреса, прежде чем пакеты будут перенаправлены в другую сеть.

В рамках этой возможности NAT может быть настроен для объявления только одного адреса для всей сети внешнему миру. Это обеспечивает дополнительную безопасность, эффективно скрывая за этим адресом всю внутреннюю сеть. NAT предлагает двойные функции безопасности и сохранения адресов и обычно реализуется в средах удаленного доступа.

Как работает

NAT позволяет одному устройству, например маршрутизатору, действовать как агент между Интернетом и локальной сетью, представляя доступ устройствам за пределами своей сети.

Зачем это нужно

В качестве примера возьмем игровые консоли. Когда вы подключаете PlayStation 4/5 или Xbox к беспроводному маршрутизатору, хотя вы можете подключиться к Xbox Live / PlayStation Network, однако возникают следующие проблемы:

• Не слышно голоса друзей в онлайн-играх или на вечеринках
• Не можете организовать многопользовательскую онлайн-игру или присоединиться к ней

Например, PlayStation 4/5 необходимо установить Type NAT 1 (позволяет создавать многопользовательскую игру) или Type NAT 2 (не позволяет создавать многопользовательскую игру, но можно подключиться к другим игрокам).

Full Cone NAT

Все запросы с одного и того же внутреннего IP-адреса и порта с одним и тем же внешний IP-адресом и портом. Любой внешний хост может отправить пакет внутреннему хосту, отправив пакет на назначенный внешний адрес.

Restricted Cone NAT

Все запросы с одного и того же внутреннего IP-адреса и порта с одним и тем же внешний IP-адресом и портом. В отличие от Full Cone NAT, внешний хост (с IP-адресом X) может отправить пакет на внутренний хост только в том случае, если внутренний хост ранее отправил пакет на IP-адрес X.

Port Restricted NAT

То же, что и Restricted Cone NAT, но в этом случае обращается внимание на соответствие номера порта источника, и не обращает внимания на адрес источника. Маршрутизатор будет транслировать входящие пакеты с любым адресом источника, но порт источника при этом обязан быть 53, в противном случае пакет будет уничтожен маршрутизатором.

Symmetric NAT

Все запросы с одного и того же внутреннего IP-адреса и порта на определенный IP-адрес и порт назначения, сопоставляется с одним и тем же внешний IP-адресом и портом. Если один и тот же хост отправляет пакет с тем же адресом источника и портом, но в другое место назначения, используется другое сопоставление. Только внешний хост, который получает пакет от внутреннего хоста, может отправить пакет обратно.

Проблемы

В Symmetric NAT некоторые онлайн-игры или потоковые сервисы могут работать некорректно. В настоящее время вы можете переключиться на Fullcone NAT, чтобы обеспечить нормальное использование связанных сервисов, однако с менее безопасным.

Если у вас нет особых потребностей или после завершения игры, рекомендуется настроить тип NAT на Symmetric NAT по умолчанию, чтобы сделать внутреннюю сетевую среду более безопасной.

---

Дополнительные материалы

• Cisco: NAT
• NAT Types and Hole-Punching

Материал из MikroTik Wiki

NAT (от Network Address Translation — «преобразование сетевых адресов») — это механизм в компьютерных сетях TCP/IP, позволяющий преобразовывать IP-адреса транзитных пакетов. Также имеет названия IP Masquerading, Network Masquerading и Native Address Translation.

Функционирование

Преобразование адреса методом NAT может производиться почти любым маршрутизирующим устройством — маршрутизатором, сервером доступа, межсетевым экраном. Наиболее популярным является SNAT, суть механизма которого состоит в замене адреса источника (source) при прохождении пакета в одну сторону и обратной замене адреса назначения (destination) в ответном пакете. Наряду с адресами источник/назначение могут также заменяться номера портов источника и назначения.

Принимая пакет от локального компьютера, роутер смотрит на IP-адрес назначения. Если это локальный адрес, то пакет пересылается другому локальному компьютеру. Если нет, то пакет надо переслать наружу в интернет. Но ведь обратным адресом в пакете указан локальный адрес компьютера, который из интернета будет недоступен. Поэтому роутер «на лету» транслирует (подменяет) обратный IP-адрес пакета на свой внешний (видимый из интернета) IP-адрес и меняет номер порта (чтобы различать ответные пакеты, адресованные разным локальным компьютерам). Комбинацию, нужную для обратной подстановки, роутер сохраняет у себя во временной таблице. Через некоторое время после того, как клиент и сервер закончат обмениваться пакетами, роутер сотрет у себя в таблице запись о n-ом порте за сроком давности.

Помимо source NAT (предоставления пользователям локальной сети с внутренними адресами доступа к сети Интернет) часто применяется также destination NAT, когда обращения извне транслируются межсетевым экраном на компьютер пользователя в локальной сети, имеющий внутренний адрес и потому недоступный извне сети непосредственно (без NAT).

Существует 3 базовых концепции трансляции адресов: статическая (Static Network Address Translation), динамическая (Dynamic Address Translation), маскарадная (NAPT, NAT Overload, PAT).

Статический NAT — Отображение незарегистрированного IP-адреса на зарегистрированный IP-адрес на основании один к одному. Особенно полезно, когда устройство должно быть доступным снаружи сети.

Динамический NAT — Отображает незарегистрированный IP-адрес на зарегистрированный адрес из группы зарегистрированных IP-адресов. Динамический NAT также устанавливает непосредственное отображение между незарегистрированным и зарегистрированным адресом, но отображение может меняться в зависимости от зарегистрированного адреса, доступного в пуле адресов, во время коммуникации.

Перегруженный NAT (NAPT, NAT Overload, PAT, маскарадинг) — форма динамического NAT, который отображает несколько незарегистрированных адресов в единственный зарегистрированный IP-адрес, используя различные порты. Известен также как PAT (Port Address Translation). При перегрузке каждый компьютер в частной сети транслируется в тот же самый адрес, но с различным номером порта.

Механизм NAT определён в RFC 1631, RFC 3022.

Типы NAT

Симметричный NAT (Symmetric NAT) — Трансляция, при которой каждое соединение, инициируемое парой «внутренний адрес: внутренний порт» преобразуется в свободную уникальную случайно выбранную пару «публичный адрес: публичный порт». При этом инициация соединения из публичной сети невозможна.

Cone NAT, Full Cone NAT — Однозначная (взаимная) трансляция между парами «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт». Любой внешний хост может инициировать соединение с внутренним хостом (если это разрешено в правилах межсетевого экрана).

Address-Restricted cone NAT, Restricted cone NAT — Постоянная трансляция между парой «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт». Любое соединение, инициированное с внутреннего адреса, позволяет в дальнейшем получать ему пакеты с любого порта того публичного хоста, к которому он отправлял пакет(ы) ранее.

Port-Restricted cone NAT — Трансляция между парой «внутренний адрес: внутренний порт» и «публичный адрес: публичный порт», при которой входящие пакеты проходят на внутренний хост только с одного порта публичного хоста — того, на который внутренний хост уже посылал пакет.

Преимущества

NAT выполняет три важных функции.

1. Позволяет сэкономить IP-адреса (только в случае использования NAT в режиме PAT), транслируя несколько внутренних IP-адресов в один внешний публичный IP-адрес (или в несколько, но меньшим количеством, чем внутренних). По такому принципу построено большинство сетей в мире: на небольшой район домашней сети местного провайдера или на офис выделяется 1 публичный (внешний) IP-адрес, за которым работают и получают доступ интерфейсы с приватными (внутренними) IP-адресами.
2. Позволяет предотвратить или ограничить обращение снаружи ко внутренним хостам, оставляя возможность обращения изнутри наружу. При инициации соединения изнутри сети создаётся трансляция. Ответные пакеты, поступающие снаружи, соответствуют созданной трансляции и поэтому пропускаются. Если для пакетов, поступающих снаружи, соответствующей трансляции не существует (а она может быть созданной при инициации соединения или статической), они не пропускаются.
3. Позволяет скрыть определённые внутренние сервисы внутренних хостов/серверов. По сути, выполняется та же указанная выше трансляция на определённый порт, но возможно подменить внутренний порт официально зарегистрированной службы (например, 80-й порт TCP (HTTP-сервер) на внешний 54055-й). Тем самым, снаружи, на внешнем IP-адресе после трансляции адресов на сайт (или форум) для осведомлённых посетителей можно будет попасть по адресу http://example.org:54055, но на внутреннем сервере, находящемся за NAT, он будет работать на обычном 80-м порту. Повышение безопасности и скрытие «непубличных» ресурсов.

Недостатки

1. Старые протоколы. Протоколы, разработанные до массового внедрения NAT, не в состоянии работать, если на пути между взаимодействующими хостами есть трансляция адресов. Некоторые межсетевые экраны, осуществляющие трансляцию IP-адресов, могут исправить этот недостаток, соответствующим образом заменяя IP-адреса не только в заголовках IP, но и на более высоких уровнях (например, в командах протокола FTP).
2. Идентификация пользователей. Из-за трансляции адресов «много в один» появляются дополнительные сложности с идентификацией пользователей и необходимость хранить полные логи трансляций.
3. Иллюзия DoS-атаки. Если NAT используется для подключения многих пользователей к одному и тому же сервису, это может вызвать иллюзию DoS-атаки на сервис (множество успешных и неуспешных попыток). Например, избыточное количество пользователей ICQ за NAT приводит к проблеме с подключением к серверу некоторых пользователей из-за превышения допустимой скорости подключений. Частичным решением проблемы является использование пула адресов (группы адресов), для которых осуществляется трансляция.
4. Пиринговые сети. В NAT-устройствах, не поддерживающих технологию Universal Plug & Play, в некоторых случаях, необходима дополнительная настройка при работе с пиринговыми сетями и некоторыми другими программами, в которых необходимо не только инициировать исходящие соединения, но также принимать входящие.

Пример

Трансляция локальной сети с диапазоном адресов 172.17.14.0/24 в глобальную сеть будет осуществляться через один внешний IP-адрес (адрес маршрутизатора, выполняющего трансляцию).

IP сети через единственный IP-адрес

• Экономическая выгода вследствие приобретения единственного IP-подключения, а не IP-сети.

• Сокрытие от внешнего наблюдателя структуры внутренней IP-сети.

• Организация системы с распределенной нагрузкой.

• При общем доступе через NAT прозрачно открывается доступ к внутренней структуре с защитой без использования межсетевого экрана и т. п.

• Через NAT корректно работают многие сетевые протоколы. Конструктивные реализации (общий доступ — это и есть подключение NAT) есть аппаратная реализация NAT (интегрированы межсетевые экраны).

NAT loopback

Смысл технологии NAT loopback (или NAT hairpinning) прост: если пакет приходит из внутренней сети на внешний IP-адрес маршрутизатора, он считается пришедшим извне — а значит, работают правила брандмауэра, относящиеся ко внешним соединениям. И если пакет успешно пройдёт сквозь брандмауэр, сработает NAT, взяв на себя посредничество между двумя внутрисетевыми машинами. Это даёт две вещи.

1. Прямо изнутри локальной сети можно проверить, как настроены сетевые службы.
2. Доступ к серверу, находящемуся в локальной сети, по доменному имени. Без NAT loopback пришлось бы править файл hosts на каждой машине для каждого задействованного домена и поддомена.

Недостатком NAT loopback можно считать повышенную нагрузку на хаб и маршрутизатор (по сравнению с прямым доступом к серверу).

NAT Traversal

NAT Traversal (прохождение или автонастройка NAT) — это набор возможностей, позволяющих сетевым приложениям определять, что они находятся за устройством, обеспечивающим NAT, узнавать внешний IP-адрес этого устройства и выполнять сопоставление портов для пересылки пакетов из внешнего порта NAT на внутренний порт, используемый приложением; все это выполняется автоматически, пользователю нет необходимости вручную настраивать сопоставления портов или вносить изменения в какие-либо другие параметры. Однако существуют меры предосторожности в доверии к таким приложениям — они получают обширный контроль над устройством, появляются потенциальные уязвимости.

Программная реализация NAT

При наличии уже существующего сервера под управлением серверной ОС возможно организовать трансляцию адресов без необходимости закупки дополнительных, аппаратных устройств. Как правило для программной реализации NAT требуется наличие по крайней мере двух сетевых адаптеров в сервере (возможны варианты с одним, но при наличии trunk-VLAN).

Все существующие и использующиеся серверные ОС поддерживают простейшую трансляцию адресов.

С точки зрения отказоустойчивости, гибкости и производительности, используются операционные системы семейства UNIX (большинство GNU/Linux, *BSD-системы, а также OpenSolaris и др.). Во многих из них NAT доступен «из коробки», в других возможна реализация за счёт добавления модулей в сочетании с межсетевыми экранами с функциями трансляции адресов (IPFW,IPtables и др.). Также, NAT работает «из коробки» в семействе операционных систем Windows Server.

Network address translation (NAT) is a method of mapping an IP address space into another by modifying network address information in the IP header of packets while they are in transit across a traffic routing device.^[1] The technique was originally used to bypass the need to assign a new address to every host when a network was moved, or when the upstream Internet service provider was replaced, but could not route the network’s address space. It has become a popular and essential tool in conserving global address space in the face of IPv4 address exhaustion. One Internet-routable IP address of a NAT gateway can be used for an entire private network.^[2]

As network address translation modifies the IP address information in packets, NAT implementations may vary in their specific behavior in various addressing cases and their effect on network traffic. The specifics of NAT behavior are not commonly documented by vendors of equipment containing NAT implementations.^[2]

Basic NAT

The simplest type of NAT provides a one-to-one translation of IP addresses (RFC 1631). RFC 2663 refers to this type of NAT as basic NAT; it is also called a one-to-one NAT. In this type of NAT, only the IP addresses, IP header checksum, and any higher-level checksums that include the IP address are changed. Basic NAT can be used to interconnect two IP networks that have incompatible addressing.^[2]

One-to-many NAT

The majority of network address translators map multiple private hosts to one publicly exposed IP address.

Here is a typical configuration:

1. A local network uses one of the designated private IP address subnets (RFC 1918^[3]).
2. The network has a router having both a private and a public address. The private address is used by the router for communicating with other devices in the private local network. The public address (typically assigned by an Internet service provider) is used by the router for communicating with the rest of the Internet.
3. As traffic passes from the network to the Internet, the router translates the source address in each packet from a private address to the router’s own public address. The router tracks basic data about each active connection (particularly the destination address and port). When the router receives inbound traffic from the Internet, it uses the connection tracking data it stored during the outbound phase to determine to which private address (if any) it should forward the reply.^[2]

All IP packets have a source IP address and a destination IP address. Typically, packets passing from the private network to the public network will have their source address modified, while packets passing from the public network back to the private network will have their destination address modified. To avoid ambiguity in how replies are translated, further modifications to the packets are required. The vast bulk of Internet traffic uses Transmission Control Protocol (TCP) or User Datagram Protocol (UDP). For these protocols, the port numbers are changed so that the combination of IP address (within the IP header) and port number (within the Transport Layer header) on the returned packet can be unambiguously mapped to the corresponding private network destination. RFC 2663 uses the term network address and port translation (NAPT) for this type of NAT.^[3] Other names include port address translation (PAT), IP masquerading, NAT overload and many-to-one NAT. This is the most common type of NAT and has become synonymous with the term «NAT» in common usage.

This method allows communication through the router only when the conversation originates in the private network, since the initial originating transmission is what establishes the required information in the translation tables. Thus a web browser within the private network would be able to browse websites that are outside the network, whereas web browsers outside the network would be unable to browse a website hosted within.^[a] Protocols not based on TCP and UDP require other translation techniques.

An additional benefit of one-to-many NAT is that it mitigates IPv4 address exhaustion by allowing entire networks to be connected to the Internet using a single public IP address.^[b]

Methods of translation

Network address and port translation may be implemented in several ways. Some applications that use IP address information may need to determine the external address of a network address translator. This is the address that its communication peers in the external network detect. Furthermore, it may be necessary to examine and categorize the type of mapping in use, for example when it is desired to set up a direct communication path between two clients both of which are behind separate NAT gateways.

For this purpose, RFC 3489 specified a protocol called Simple Traversal of UDP over NATs (STUN) in 2003. It classified NAT implementations as full-cone NAT, (address) restricted-cone NAT, port-restricted cone NAT or symmetric NAT, and proposed a methodology for testing a device accordingly. However, these procedures have since been deprecated from standards status, as the methods are inadequate to correctly assess many devices. RFC 5389 standardized new methods in 2008 and the acronym STUN now represents the new title of the specification: Session Traversal Utilities for NAT.

NAT implementation classifications

Full-cone NAT, also known as one-to-one NAT Once an internal address (iAddr:iPort) is mapped to an external address (eAddr:ePort), any packets from iAddr:iPort are sent through eAddr:ePort. Any external host can send packets to iAddr:iPort by sending packets to eAddr:ePort.
(Address)-restricted-cone NAT Once an internal address (iAddr:iPort) is mapped to an external address (eAddr:ePort), any packets from iAddr:iPort are sent through eAddr:ePort. An external host (hAddr:any) can send packets to iAddr:iPort by sending packets to eAddr:ePort only if iAddr:iPort has previously sent a packet to hAddr:any. «Any» means the port number doesn’t matter.
Port-restricted cone NAT Like an address restricted cone NAT, but the restriction includes port numbers. Once an internal address (iAddr:iPort) is mapped to an external address (eAddr:ePort), any packets from iAddr:iPort are sent through eAddr:ePort. An external host (hAddr:hPort) can send packets to iAddr:iPort by sending packets to eAddr:ePort only if iAddr:iPort has previously sent a packet to hAddr:hPort.
Symmetric NAT The combination of one internal IP address plus a destination IP address and port is mapped to a single unique external source IP address and port; if the same internal host sends a packet even with the same source address and port but to a different destination, a different mapping is used. Only an external host that receives a packet from an internal host can send a packet back.

Many NAT implementations combine these types, so it is better to refer to specific individual NAT behavior instead of using the Cone/Symmetric terminology. RFC 4787 attempts to alleviate confusion by introducing standardized terminology for observed behaviors. For the first bullet in each row of the above table, the RFC would characterize Full-Cone, Restricted-Cone, and Port-Restricted Cone NATs as having an Endpoint-Independent Mapping, whereas it would characterize a Symmetric NAT as having an Address- and Port-Dependent Mapping. For the second bullet in each row of the above table, RFC 4787 would also label Full-Cone NAT as having an Endpoint-Independent Filtering, Restricted-Cone NAT as having an Address-Dependent Filtering, Port-Restricted Cone NAT as having an Address and Port-Dependent Filtering, and Symmetric NAT as having either an Address-Dependent Filtering or Address and Port-Dependent Filtering. Other classifications of NAT behavior mentioned in the RFC include whether they preserve ports, when and how mappings are refreshed, whether external mappings can be used by internal hosts (i.e., its hairpinning behavior), and the level of determinism NATs exhibit when applying all these rules.^[2] Specifically, most NATs combine symmetric NAT for outgoing connections with static port mapping, where incoming packets addressed to the external address and port are redirected to a specific internal address and port.

Type of NAT and NAT traversal, role of port preservation for TCP

The NAT traversal problem arises when peers behind different NATs try to communicate. One way to solve this problem is to use port forwarding. Another way is to use various NAT traversal techniques. The most popular technique for TCP NAT traversal is TCP hole punching.

TCP hole punching requires the NAT to follow the port preservation design for TCP. For a given outgoing TCP communication, the same port numbers are used on both sides of the NAT. NAT port preservation for outgoing TCP connections is crucial for TCP NAT traversal because, under TCP, one port can only be used for one communication at a time, so programs bind distinct TCP sockets to ephemeral ports for each TCP communication, rendering NAT port prediction impossible for TCP.^[2]

On the other hand, for UDP, NATs do not need port preservation. Indeed, multiple UDP communications (each with a distinct endpoint) can occur on the same source port, and applications usually reuse the same UDP socket to send packets to distinct hosts. This makes port prediction straightforward, as it is the same source port for each packet.

Furthermore, port preservation in NAT for TCP allows P2P protocols to offer less complexity and less latency because there is no need to use a third party (like STUN) to discover the NAT port since the application itself already knows the NAT port.^[2][4]

However, if two internal hosts attempt to communicate with the same external host using the same port number, the NAT may attempt to use a different external IP address for the second connection or may need to forgo port preservation and remap the port.^[2]: 9

As of 2006, roughly 70% of the clients in P2P networks employed some form of NAT.^[5]

Implementation

Establishing two-way communication

Every TCP and UDP packet contains a source port number and a destination port number. Each of those packets is encapsulated in an IP packet, whose IP header contains a source IP address and a destination IP address. The IP address/protocol/port number triple defines an association with a network socket.

For publicly accessible services such as web and mail servers the port number is important. For example, port 80 connects through a socket to the web server software and port 25 to a mail server’s SMTP daemon. The IP address of a public server is also important, similar in global uniqueness to a postal address or telephone number. Both IP address and port number must be correctly known by all hosts wishing to successfully communicate.

Private IP addresses as described in RFC 1918 are usable only on private networks not directly connected to the internet. Ports are endpoints of communication unique to that host, so a connection through the NAT device is maintained by the combined mapping of port and IP address. A private address on the inside of the NAT is mapped to an external public address. Port address translation (PAT) resolves conflicts that arise when multiple hosts happen to use the same source port number to establish different external connections at the same time.

Telephone number extension analogy

A NAT device is similar to a phone system at an office that has one public telephone number and multiple extensions. Outbound phone calls made from the office all appear to come from the same telephone number. However, an incoming call that does not specify an extension cannot be automatically transferred to an individual inside the office. In this scenario, the office is a private LAN, the main phone number is the public IP address, and the individual extensions are unique port numbers.^[6]

Translation process

With NAT, all communications sent to external hosts actually contain the external IP address and port information of the NAT device instead of internal host IP addresses or port numbers. NAT only translates IP addresses and ports of its internal hosts, hiding the true endpoint of an internal host on a private network.

When a computer on the private (internal) network sends an IP packet to the external network, the NAT device replaces the internal source IP address in the packet header with the external IP address of the NAT device. PAT may then assign the connection a port number from a pool of available ports, inserting this port number in the source port field. The packet is then forwarded to the external network. The NAT device then makes an entry in a translation table containing the internal IP address, original source port, and the translated source port. Subsequent packets from the same internal source IP address and port number are translated to the same external source IP address and port number. The computer receiving a packet that has undergone NAT establishes a connection to the port and IP address specified in the altered packet, oblivious to the fact that the supplied address is being translated.

Upon receiving a packet from the external network, the NAT device searches the translation table based on the destination port in the packet header. If a match is found, the destination IP address and port number is replaced with the values found in the table and the packet is forwarded to the inside network. Otherwise, if the destination port number of the incoming packet is not found in the translation table, the packet is dropped or rejected because the PAT device doesn’t know where to send it.

Visibility of operation

NAT operation is typically transparent to both the internal and external hosts. The NAT device may function as the default gateway for the internal host which is typically aware of the true IP address and TCP or UDP port of the external host. However, the external host is only aware of the public IP address for the NAT device and the particular port being used to communicate on behalf of a specific internal host.

Applications

Routing

Network address translation can be used to mitigate IP address overlap.^[7][8] Address overlap occurs when hosts in different networks with the same IP address space try to reach the same destination host. This is most often a misconfiguration and may result from the merger of two networks or subnets, especially when using RFC 1918 private network addressing. The destination host experiences traffic apparently arriving from the same network, and intermediate routers have no way to determine where reply traffic should be sent to. The solution is either renumbering to eliminate overlap or network address translation.

Load balancing

In client–server applications, load balancers forward client requests to a set of server computers to manage the workload of each server. Network address translation may be used to map a representative IP address of the server cluster to specific hosts that service the request.^{[9][10][11][12]}

IEEE Reverse Address and Port Translation (RAPT or RAT) allows a host whose real IP address changes from time to time to remain reachable as a server via a fixed home IP address.^[13] Cisco’s RAPT implementation is PAT or NAT overloading and maps multiple private IP addresses to a single public IP address. Multiple addresses can be mapped to a single address because each private address is tracked by a port number. PAT uses unique source port numbers on the inside global IP address to distinguish between translations.^[c] PAT attempts to preserve the original source port. If this source port is already used, PAT assigns the first available port number starting from the beginning of the appropriate port group 0–511, 512–1023, or 1024–65535. When there are no more ports available and there is more than one external IP address configured, PAT moves to the next IP address to try to allocate the original source port again. This process continues until it runs out of available ports and external IP addresses.

Mapping of Address and Port is a Cisco proposal that combines Address plus Port translation with tunneling of the IPv4 packets over an ISP provider’s internal IPv6 network. In effect, it is an (almost) stateless alternative to carrier-grade NAT and DS-Lite that pushes the IPv4 address/port translation function (and the maintenance of NAT state) entirely into the existing customer premises equipment NAT implementation. Thus avoiding the NAT444 and statefulness problems of carrier-grade NAT, and also provides a transition mechanism for the deployment of native IPv6 at the same time with very little added complexity.

Issues and limitations

Hosts behind NAT-enabled routers do not have end-to-end connectivity and cannot participate in some internet protocols. Services that require the initiation of TCP connections from the outside network, or that use stateless protocols such as those using UDP, can be disrupted. Unless the NAT router makes a specific effort to support such protocols, incoming packets cannot reach their destination. Some protocols can accommodate one instance of NAT between participating hosts («passive mode» FTP, for example), sometimes with the assistance of an application-level gateway (see § Applications affected by NAT), but fail when both systems are separated from the internet by NAT. The use of NAT also complicates tunneling protocols such as IPsec because NAT modifies values in the headers which interfere with the integrity checks done by IPsec and other tunneling protocols.

End-to-end connectivity has been a core principle of the Internet, supported, for example, by the Internet Architecture Board. Current Internet architectural documents observe that NAT is a violation of the end-to-end principle, but that NAT does have a valid role in careful design.^[14] There is considerably more concern with the use of IPv6 NAT, and many IPv6 architects believe IPv6 was intended to remove the need for NAT.^[15]

An implementation that only tracks ports can be quickly depleted by internal applications that use multiple simultaneous connections such as an HTTP request for a web page with many embedded objects. This problem can be mitigated by tracking the destination IP address in addition to the port thus sharing a single local port with many remote hosts. This additional tracking increases implementation complexity and computing resources at the translation device.

Because the internal addresses are all disguised behind one publicly accessible address, it is impossible for external hosts to directly initiate a connection to a particular internal host. Applications such as VOIP, videoconferencing, and other peer-to-peer applications must use NAT traversal techniques to function.

Fragmentation and checksums

Pure NAT, operating on IP alone, may or may not correctly parse protocols with payloads containing information about IP, such as ICMP. This depends on whether the payload is interpreted by a host on the inside or outside of the translation. Basic protocols as TCP and UDP cannot function properly unless NAT takes action beyond the network layer.

IP packets have a checksum in each packet header, which provides error detection only for the header. IP datagrams may become fragmented and it is necessary for a NAT to reassemble these fragments to allow correct recalculation of higher-level checksums and correct tracking of which packets belong to which connection.

TCP and UDP, have a checksum that covers all the data they carry, as well as the TCP or UDP header, plus a pseudo-header that contains the source and destination IP addresses of the packet carrying the TCP or UDP header. For an originating NAT to pass TCP or UDP successfully, it must recompute the TCP or UDP header checksum based on the translated IP addresses, not the original ones, and put that checksum into the TCP or UDP header of the first packet of the fragmented set of packets.

Alternatively, the originating host may perform path MTU Discovery to determine the packet size that can be transmitted without fragmentation and then set the don’t fragment (DF) bit in the appropriate packet header field. This is only a one-way solution, because the responding host can send packets of any size, which may be fragmented before reaching the NAT.

Variant terms

DNAT

Destination network address translation (DNAT) is a technique for transparently changing the destination IP address of a routed packet and performing the inverse function for any replies. Any router situated between two endpoints can perform this transformation of the packet.

DNAT is commonly used to publish a service located in a private network on a publicly accessible IP address. This use of DNAT is also called port forwarding, or DMZ when used on an entire server, which becomes exposed to the WAN, becoming analogous to an undefended military demilitarized zone (DMZ).

SNAT

The meaning of the term SNAT varies by vendor:^[16][17][18]

• source NAT is a common expansion and is the counterpart of destination NAT (DNAT). This is used to describe one-to-many NAT; NAT for outgoing connections to public services.
• stateful NAT is used by Cisco Systems^[19]
• static NAT is used by WatchGuard^[20]
• secure NAT is used by F5 Networks^[21] and by Microsoft (in regard to the ISA Server)

Secure network address translation (SNAT) is part of Microsoft’s Internet Security and Acceleration Server and is an extension to the NAT driver built into Microsoft Windows Server. It provides connection tracking and filtering for the additional network connections needed for the FTP, ICMP, H.323, and PPTP protocols as well as the ability to configure a transparent HTTP proxy server.

Dynamic network address translation

Dynamic NAT, just like static NAT, is not common in smaller networks but is found within larger corporations with complex networks. Where static NAT provides a one-to-one internal to public static IP address mapping, dynamic NAT uses a group of public IP addresses.^[22][23]

NAT hairpinning

NAT hairpinning, also known as NAT loopback or NAT reflection,^[24] is a feature in many consumer routers^[25] where a machine on the LAN is able to access another machine on the LAN via the external IP address of the LAN/router (with port forwarding set up on the router to direct requests to the appropriate machine on the LAN). This notion is officially described in 2008, RFC 5128.

The following describes an example network:

• Public address: 203.0.113.1. This is the address of the WAN interface on the router.
• Internal address of router: 192.168.1.1
• Address of the server: 192.168.1.2
• Address of a local computer: 192.168.1.100

If a packet is sent to 203.0.113.1 by a computer at 192.168.1.100, the packet would normally be routed to the default gateway (the router)^[d] A router with the NAT loopback feature detects that 203.0.113.1 is the address of its WAN interface, and treats the packet as if coming from that interface. It determines the destination for that packet, based on DNAT (port forwarding) rules for the destination. If the data were sent to port 80 and a DNAT rule exists for port 80 directed to 192.168.1.2, then the host at that address receives the packet.

If no applicable DNAT rule is available, the router drops the packet. An ICMP Destination Unreachable reply may be sent. If any DNAT rules were present, address translation is still in effect; the router still rewrites the source IP address in the packet. The local computer (192.168.1.100) sends the packet as coming from 192.168.1.100, but the server (192.168.1.2) receives it as coming from 203.0.113.1. When the server replies, the process is identical to an external sender. Thus, two-way communication is possible between hosts inside the LAN network via the public IP address.

NAT in IPv6

Network address translation is not commonly used in IPv6 because one of the design goals of IPv6 is to restore end-to-end network connectivity.^[26] The large addressing space of IPv6 obviates the need to conserve addresses and every device can be given a unique globally routable address. Use of unique local addresses in combination with network prefix translation can achieve results similar to NAT.

The large addressing space of IPv6 can still be defeated depending on the actual prefix length given by the carrier. It is not uncommon to be handed a /64 prefix – the smallest recommended subnet – for an entire home network, requiring a variety of techniques to be used to manually subdivide the range for all devices to remain reachable.^[27] Even actual IPv6-to-IPv6 NAT, NAT66, can turn out useful at times: the APNIC blog outlines a case where the author was only provided a single address (/128).^[28]

Applications affected by NAT

Some application layer protocols, such as File Transfer Protocol (FTP) and Session Initiation Protocol (SIP), send explicit network addresses within their application data. FTP in active mode, for example, uses separate connections for control traffic (commands) and for data traffic (file contents). When requesting a file transfer, the host making the request identifies the corresponding data connection by its network layer and transport layer addresses. If the host making the request lies behind a simple NAT firewall, the translation of the IP address or TCP port number makes the information received by the server invalid. SIP commonly controls voice over IP calls, and suffer the same problem. SIP and its accompanying Session Description Protocol may use multiple ports to set up a connection and transmit voice stream via Real-time Transport Protocol. IP addresses and port numbers are encoded in the payload data and must be known before the traversal of NATs. Without special techniques, such as STUN, NAT behavior is unpredictable and communications may fail. Application Layer Gateway (ALG) software or hardware may correct these problems. An ALG software module running on a NAT firewall device updates any payload data made invalid by address translation. ALGs need to understand the higher-layer protocol that they need to fix, and so each protocol with this problem requires a separate ALG. For example, on many Linux systems, there are kernel modules called connection trackers that serve to implement ALGs. However, ALG cannot work if the protocol data is encrypted.

Another possible solution to this problem is to use NAT traversal techniques using protocols such as STUN or Interactive Connectivity Establishment (ICE), or proprietary approaches in a session border controller. NAT traversal is possible in both TCP- and UDP-based applications, but the UDP-based technique is simpler, more widely understood, and more compatible with legacy NATs.^{[citation needed]} In either case, the high-level protocol must be designed with NAT traversal in mind, and it does not work reliably across symmetric NATs or other poorly behaved legacy NATs.

Other possibilities are Port Control Protocol (PCP),^[29] NAT Port Mapping Protocol (NAT-PMP), or Internet Gateway Device Protocol but these require the NAT device to implement that protocol.

Most client–server protocols (FTP being the main exception^[e]), however, do not send layer 3 contact information and do not require any special treatment by NATs. In fact, avoiding NAT complications is practically a requirement when designing new higher-layer protocols today.

NATs can also cause problems where IPsec encryption is applied and in cases where multiple devices such as SIP phones are located behind a NAT. Phones that encrypt their signaling with IPsec encapsulate the port information within an encrypted packet, meaning that NAT devices cannot access and translate the port. In these cases, the NAT devices revert to simple NAT operations. This means that all traffic returning to the NAT is mapped onto one client, causing service to more than one client behind the NAT to fail. There are a couple of solutions to this problem: one is to use TLS, which operates at layer 4 and does not mask the port number; another is to encapsulate the IPsec within UDP – the latter being the solution chosen by TISPAN to achieve secure NAT traversal, or a NAT with «IPsec Passthru» support; another is to use a session border controller to help traverse the NAT.

Interactive Connectivity Establishment is a NAT traversal technique that does not rely on ALG support.

The DNS protocol vulnerability announced by Dan Kaminsky on July 8, 2008,^[30] is indirectly affected by NAT port mapping. To avoid DNS cache poisoning, it is highly desirable not to translate UDP source port numbers of outgoing DNS requests from a DNS server behind a firewall that implements NAT. The recommended workaround for the DNS vulnerability is to make all caching DNS servers use randomized UDP source ports. If the NAT function de-randomizes the UDP source ports, the DNS server becomes vulnerable.

Examples of NAT software

• Internet Connection Sharing (ICS): NAT & DHCP implementation included with Windows desktop operating systems
• IPFilter: included with (Open)Solaris, FreeBSD and NetBSD, available for many other Unix-like operating systems
• ipfirewall (ipfw): FreeBSD-native packet filter
• Netfilter with iptables/nftables: the Linux packet filter
• NPF: NetBSD-native packet filter
• PF: OpenBSD-native packet filter
• Routing and Remote Access Service (RRAS): routing implementation included with Windows Server operating systems
• VPP: user space packet forwarding implementation for Linux
• WinGate: third-party routing implementation for Windows

See also

• Anything In Anything (AYIYA) – IPv6 over IPv4 UDP, thus working IPv6 tunneling over most NATs
• Carrier-grade NAT – NAT behind NAT within ISP.
• Gateway (telecommunications) – Connection between two network systems
• Internet Gateway Device Protocol (UPnP IGD) NAT-traversal method
• Middlebox – Intermediary box on the data path between a source host and destination host
• NAT Port Mapping Protocol (NAT-PMP) NAT-traversal method
• Port Control Protocol (PCP) NAT-traversal method
• Port triggering – NAT traversal mechanism
• Subnetwork – Logical subdivision of an IP network
• Teredo tunneling – NAT traversal using IPv6

Notes

References

External links

• Characterization of different TCP NATs at the Wayback Machine (archived 2006-01-11) – Paper discussing the different types of NAT
• Anatomy: A Look Inside Network Address Translators – Volume 7, Issue 3, September 2004
• Jeff Tyson, HowStuffWorks: How Network Address Translation Works
• Routing with NAT at archive.today (archived 2013-01-03) (Part of the documentation for the IBM iSeries)
• Network Address Translation (NAT) FAQ – Cisco Systems