计算机网络：（十）虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT

前言

• 前面我们讲解了计算机网络中网络层的相关知识，包括网络层转发分组的过程、网际控制报文协议（ICMP），以及网络层的重要概念和网际协议（IP），互联网的路由选择协议、IPV6与IP多播。

• 接下来，我们继续讲解计算机网络中网络层的其他知识。

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一、虚拟专用网 VPN

1. 基础概念与作用

VPN 是一种通过公共网络（如互联网）建立安全私有连接的技术。

• 想象一下，你在公共道路上开了一条 加密隧道，只有授权车辆（数据）能进入，且隧道内的内容被加密保护。例如，远程员工通过 VPN 连接公司内网，就像直接坐在办公室的电脑前一样。

核心功能：

• 加密通信：防止数据被窃取或篡改。
• 身份验证：确保只有合法用户能接入。
• 隐藏真实地址：让外部网络无法直接访问内部设备。

2. 工作原理

VPN 的核心是 隧道技术 和 加密协议：

• 隧道技术：将原始数据（如私有网络的数据包）封装在新的数据包中传输。

• 例如，GRE 协议可以封装多种协议（如 IPv6），而 IPsec 协议进一步加密隧道内容。

• 加密协议：
  • IPSec：网络层加密，分为 ESP（加密数据） 和 AH（验证数据完整性），常用于站点到站点 VPN。
  • SSL/TLS：应用层加密，通过浏览器即可访问（如 SSL VPN），无需安装客户端。

3. 常见类型

• 站点到站点 VPN：连接两个企业局域网（如总部与分支机构），使用 IPsec 协议构建固定隧道。
• 远程访问 VPN：允许个人设备（如手机、笔记本）通过互联网接入公司内网，常用 L2TP/IPsec 或 SSL VPN。

4. 协议对比

二、NAT：网络地址转换

1. 基础概念与作用

NAT 是一种解决 IPv4 地址短缺的技术，它将私有 IP 地址（如 192.168.1.1）转换为公有 IP 地址（如 202.100.1.1）。例如，家里的路由器通过 NAT 让多台设备共享一个公网 IP 上网。

核心功能：

• 节省公网 IP：多个私有地址共享一个公网地址。
• 隐藏内部网络：外部网络无法直接访问私有 IP 设备，提升安全性。

2. 工作原理与类型

当内部设备访问外网时，NAT 路由器会修改数据包的 源 IP 地址，并记录转换关系。返回时再反向转换。根据转换方式，NAT 分为三类：

• 静态 NAT：一对一固定映射，常用于服务器（如将 192.168.1.100 固定映射到 202.100.1.100）。
• 动态 NAT：多对多动态分配，从公网地址池中随机选择一个地址转换。
• PAT（端口地址转换）：多对一，通过端口号区分不同设备。

• 例如，三台设备（192.168.1.1:80, 192.168.1.2:80, 192.168.1.3:80）共享公网 IP 202.100.1.1，分别转换为 202.100.1.1:10000、202.100.1.1:10001、202.100.1.1:10002。

3. 优缺点与问题

• 优点：节省 IP、增强安全性。
• 缺点：
  • 某些协议（如 FTP、VoIP）因数据中包含 IP 地址，NAT 仅修改包头会导致通信失败，需 ALG（应用层网关） 处理数据内容。
  • 可能引发 P2P 应用（如 BitTorrent）连接困难。

4. 进阶类型

• 两次 NAT：对数据包的源和目的 IP 都进行转换，常用于地址重叠的 VPN 互访。
• 双向 NAT：同时转换源和目的地址，支持内网用户主动访问地址重叠的外网资源。
• NAT hairpin：允许内网设备通过公网 IP 访问内网服务器（如访问家庭路由器的公网 IP 进入管理界面）。

三、VPN 与 NAT 的对比与结合

1. 核心区别

2. 结合场景

• VPN 穿越 NAT：
  • 问题：NAT 会修改 VPN 数据包的 IP 头，导致加密验证失败。
  • 解决方案：
    • NAT-T（NAT 穿越）：用 UDP 封装 VPN 流量，绕过 NAT 对 IP 头的修改。
    • 使用支持 NAT 的 VPN 协议（如 SSL VPN）。
• NAT 在 VPN 中的应用：
  • 两次 NAT 可解决 VPN 两端地址重叠问题（如两个分支机构都使用 192.168.1.0/24 网段）。

以上就是本篇博客的全部内容，下一篇我们继续探讨计算机网络里面的知识。

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