如何在公司訪問家裡的電腦
因為IPv4地址有限，最大42億個。為了更好的利用這有限的IP數量，網路分為區域網和廣域網，將IP分為了私有IP和公網IP，一個區域網裡的N多臺機器都可以共用一個公網IP，從而大大增加了"可用IP數量"。
當我們需要傳送網路包的時候，在IP層，需要填入源IP地址，和目的IP地址，也就是對應快遞的發貨地址和收貨地址。
但是我們家裡的區域網內，基本上都用192.168.xx.xx這樣的私有IP。
如果我們在傳送網路包的時候，這麼填。對方在回資料包的時候該怎麼回？畢竟千家萬戶人用的都是192.168.0.1，網路怎麼知道該發給誰？
所以肯定需要將這個192.168.xx私有IP轉換成公有IP。
因此在上篇文章最後，留了這麼個問題。區域網內用的是私有IP，公網用的都是公有IP。一個區域網裡的私有IP想訪問區域網外的公有IP，必然要做個IP轉換，這是在哪裡做的轉換呢？
答案是NAT裝置，全稱Network Address Translation，網路地址轉換。基本上家用路由器都支援這功能。
我們來聊下它是怎麼工作的：
NAT的工作原理
為了簡單，我們假設你很富，你家裡分到了一個公網IP地址 20.20.20.20，對應配到了你家自帶NAT功能的家用路由器上，你家裡需要上網的裝置有很多，比如你的手機，電腦都需要上網，他們構成了一個區域網，用的都是私有IP，比如192.168.xx。其中你在電腦上執行ifconfig命令，發現家裡的電腦IP是192.168.30.5。 你要訪問的公網IP地址是30.30.30.30。
於是就有下面這樣一張圖
當你準備傳送資料包的時候，你的電腦核心協議棧就會構造一個IP資料包。這個IP資料包報頭裡的傳送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。將資料包發到NAT路由器中。
此時NAT路由器會將IP資料包裡的源IP地址修改一下，私有IP地址192.168.30.5改寫為公網IP地址20.20.20.20，這叫SNAT（Source Network Address Translation，源地址轉換）。並且還會在NAT路由器內部留下一條 192.168.30.5 -> 20.20.20.20的對映記錄，這個資訊會在後面用到。之後IP資料包經過公網裡各個路由器的轉發，發到了接收端30.30.30.30，到這裡傳送流程結束。
如果接收端處理完資料了，需要發一個響應給你的電腦，那就需要將傳送端IP地址填上自己的30.30.30.30，將接收端地址填為你的公網IP地址20.20.20.20，發往NAT路由器。NAT路由器收到公網來的訊息之後，會檢查下自己之前留下的對映資訊，發現之前留下了這麼一條 192.168.30.5 -> 20.20.20.20記錄，就會將這個資料包的目的IP地址修改一下，變成內網IP地址192.168.30.5, 這也叫DNAT（Destination Network Address Translation，目的地址轉換）。 之後將其轉發給你的電腦上。
整個過程下來，NAT悄悄的改了IP資料包的傳送和接收端IP地址，但對真正的傳送方和接收方來說，他們卻對這件事情，一無所知。
這就是NAT的工作原理。
NAPT的原理
到這裡，相信大家都有一個很大的疑問。
區域網裡並不只有一臺機器，區域網內每臺機器都在NAT下留下的對映資訊都會是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，傳送訊息是沒啥事，但接收訊息的時候就不知道該回給誰了。
這問題相當致命，因此實際上大部分時候不會使用普通的NAT。
那怎麼辦呢？
問題出在我們沒辦法區分內網裡的多個網路連線。
於是乎：
我們可以加入其他資訊去區分內網裡的各個網路連線，很自然就能想到埠。
但IP資料包（網路層）本身是沒有埠資訊的。常見的傳輸層協議TCP和UDP資料包文裡才有埠的資訊。
於是流程就變成了下面這樣子：
當你準備傳送資料包的時候，你的電腦核心協議棧就會先構造一個TCP或者UDP資料包頭，裡面寫入埠號，比如傳送埠是5000，接收埠是3000，然後在這個基礎上，加入IP資料包頭，填入傳送端和接收端的IP地址。
那資料包長這樣。
假設，傳送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。
將資料包發到NAT路由器中。
此時NAT路由器會將IP資料包裡的源IP地址和埠號修改一下，從192.168.30.5:5000改寫成20.20.20.20:6000。並且還會在NAT路由器內部留下一條 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的對映記錄。之後資料包經過公網裡各個路由器的轉發，發到了接收端30.30.30.30:3000，到這裡傳送流程結束。
接收端響應時，就會在資料包裡填入傳送端地址是30.30.30.30:3000，將接收端是20.20.20.20:6000，發往NAT路由器。NAT路由器發現下自己之前留下過這麼一條 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的記錄，就會將這個資料包的目的IP地址和埠修改一下，變回原來的192.168.30.5:5000。 之後將其轉發給你的電腦上。
如果區域網內有多個裝置，他們就會對映到不同的公網埠上，畢竟埠最大可達65535，完全夠用。這樣大家都可以相安無事。
像這種同時轉換IP和埠的技術，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 網路地址埠轉換 ）。
看到這裡，問題就來了。
那這麼說只有用到埠的網路協議才能被NAT識別出來並轉發？
但這怎麼解釋ping命令？ping基於ICMP協議，而ICMP協議報文裡並不帶埠資訊。我依然可以正常的ping通公網機器並收到回包。
事實上針對ICMP協議，NAT路由器做了特殊處理。ping報文頭裡有個Identifier的資訊，它其實指的是放出ping命令的程序id。
對NAT路由器來說，這個Identifier的作用就跟埠一樣。
另外，當我們去抓包的時候，就會發現有兩個Identifier，一個後面帶個BE（Big Endian），另一個帶個LE（Little Endian）。
其實他們都是同一個數值，只不過大小端不同，讀出來的值不一樣。就好像同樣的數字345，反著讀就成了543。這是為了相容不同作業系統（比如linux和Windows）下大小端不同的情況。
內網穿透是什麼
看到這裡，我們大概也發現了。使用了NAT上網的話，前提得內網機器主動請求公網IP，這樣NAT才能將內網的IP埠轉成外網IP埠。
反過來公網的機器想主動請求內網機器，就會被攔在NAT路由器上，此時由於NAT路由器並沒有任何相關的IP埠的對映記錄，因此也就不會轉發資料給內網裡的任何一臺機器。
舉個現實中的場景就是，你在你家裡的電腦上啟動了一個HTTP服務，地址是192.168.30.5:5000，此時你在公司辦公室裡想通過手機去訪問一下，卻發現訪問不了。
那問題就來了，有沒有辦法讓外網機器訪問到內網的服務？
有。
大家應該聽過一句話叫，"沒有什麼是加中間層不能解決的，如果有，那就再加一層"。
放在這裡，依然適用。
說到底，因為NAT的存在，我們只能從內網主動發起連線，否則NAT裝置不會記錄相應的對映關係，沒有對映關係也就不能轉發資料。
所以我們就在公網上加一臺伺服器x，並暴露一個訪問域名，再讓內網的服務主動連線伺服器x，這樣NAT路由器上就有對應的對映關係。接著，所有人都去訪問伺服器x，伺服器x將資料轉發給內網機器，再原路返回響應，這樣資料就都通了。這就是所謂的內網穿透。
像上面提到的伺服器x，你也不需要自己去搭，已經有很多現成的方案，花錢就完事了，比如花某殼。
到這裡，我們就可以回答文章標題的問題。
為什麼我在公司裡訪問不了家裡的電腦？
那是因為家裡的電腦在區域網內，區域網和廣域網之間有個NAT路由器。由於NAT路由器的存在，外網服務無法主動連通區域網內的電腦。
兩個內網的聊天軟體如何建立通訊
好了，問題就叒來了。
我家機子是在我們小區的區域網裡，班花家的機子也是在她們小區的區域網裡。都在區域網裡，且NAT只能從內網連到外網，那我電腦上登入的QQ是怎麼和班花電腦裡的QQ連上的呢？
上面這個問法其實是存在個誤解，誤以為兩個qq客戶端應用是直接建立連線的。
然而實際上並不是，兩個qq客戶端之間還隔了一個伺服器。
也就是說，兩個在內網的客戶端登入qq時都會主動向公網的聊天伺服器建立連線，這時兩方的NAT路由器中都會記錄有相應的對映關係。當在其中一個qq上傳送訊息時，資料會先到伺服器，再通過伺服器轉發到另外一個客戶端上。反過來也一樣，通過這個方式讓兩臺內網的機子進行資料傳輸。
兩個內網的應用如何直接建立連線
上面的情況，是兩個客戶端通過第三方伺服器進行通訊，但有些場景就是要拋開第三端，直接進行兩端通訊，比如P2P下載，這種該怎麼辦呢？
這種情況下，其實也還是離不開第三方伺服器的幫助。
假設還是A和B兩個區域網內的機子，A內網對應的NAT裝置叫NAT_A，B內網裡的NAT裝置叫NAT_B，和一個第三方伺服器server。
流程如下：
step1和2: A主動去連server，此時A對應的NAT_A就會留下A的內網地址和外網地址的對映關係，server也拿到了A對應的外網IP地址和埠。
step3和4: B的操作和A一樣，主動連第三方server，NAT_B內留下B的內網地址和外網地址的對映關係，然後server也拿到了B對應的外網IP地址和埠。
step5和step6以及step7: 重點來了。此時server發訊息給A，讓A主動發UDP訊息到B的外網IP地址和埠。此時NAT_B收到這個A的UDP資料包時，這時候根據NAT_B的設定不同，導致這時候有可能NAT_B能直接轉發資料到B，那此時A和B就通了。但也有可能不通，直接丟包，不過丟包沒關係，這個操作的目的是給NAT_A上留下有關B的對映關係。
step8和step9以及step10: 跟step5一樣熟悉的配方，此時server再發訊息給B，讓B主動發UDP訊息到A的外網IP地址和埠。NAT_B上也留下了關於A到對映關係，這時候由於之前NAT_A上有過關於B的對映關係，此時NAT_A就能正常接受B的資料包，並將其轉發給A。到這裡A和B就能正常進行資料通訊了。這就是所謂的NAT打洞。
step11: 注意，之前我們都是用的UDP資料包，目的只是為了在兩個區域網的NAT上打個洞出來，實際上大部分應用用的都是TCP連線，所以，這時候我們還需要在A主動向B發起TCP連線。到此，我們就完成了兩端之間的通訊。
這裡估計大家會有疑惑。
埠已經被udp用過了，TCP再用，那豈不是埠重複佔用（address already in use）？
其實並不會，埠重複佔用的報錯常見於兩個TCP連線在不使用SO_REUSEADDR的情況下，重複使用了某個IP埠。而UDP和TCP之間卻不會報這個錯。之所以會有這個錯，主要是因為在一個linux核心中，核心收到網路資料時，會通過五元組（傳輸協議，源IP，目的IP，源埠，目的埠）去唯一確定資料接受者。當五元組都一模一樣的時候，核心就不知道該把資料發給誰。而UDP和TCP之間"傳輸協議"不同，因此五元組也不同，所以也就不會有上面的問題。
NAPT還分為好多種型別，上面的nat打洞方案，都能成功嗎？
關於NAPT，確實還細分為好幾種型別，比如完全錐形NAT和限制型NAT啥的，但這並不是本文的重點。所以我就略過了。我們現在常見的都是錐形NAT。上面的打洞方案適用於大部分場景，這其中包括限制最多的埠受限錐形NAT。
總結
- IPV4地址有限，但通過NAT路由器，可以使得整個內網N多臺機器，對外只使用一個公網IP，大大節省了IP資源。
- 內網機子主動連線公網IP，中間的NAT會將內網機子的內網IP轉換為公網IP，從而實現內網和外網的資料互動。
- 普通的NAT技術，只會修改網路包中的傳送端和接收端IP地址，當內網裝置較多時，將有可能導致衝突。因此一般都會使用NAPT技術，同時修改傳送端和接收端的IP地址和埠。
- 由於NAT的存在，公網IP是無法訪問內網服務的，但通過內網穿透技術，就可以讓公網IP訪問內網服務。一波操作下來，就可以在公司的網路裡訪問家裡的電腦。
最後留個問題，有了NAT之後，原本並不富裕的IPv4地址突然就變得非常夠用了。
那我們為什麼還需要IPv6？
另外IPv6號稱地址多到每粒沙子都能擁有自己的IP地址，那我們還需要NAT嗎？
作者：小白debug
連結：
https://juejin.cn/post/7170850066473680927
來源：稀土掘金