为什么我在公司里访问不了家里的电脑？
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作者 | 小白
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上篇文章「为什么我们家里的IP都是192.168开头的？」提到，因为IPv4地址有限，最大42亿个。为了更好的利用这有限的IP数量，网络分为局域网和广域网，将IP分为了私有IP和公网IP，一个局域网里的N多台机器都可以共用一个公网IP，从而大大增加了"可用IP数量"。
当我们需要发送网络包的时候，在IP层，需要填入源IP地址，和目的IP地址，也就是对应快递的发货地址和收货地址。
但是我们家里的局域网内，基本上都用192.168.xx.xx这样的私有IP。
如果我们在发送网络包的时候，这么填。对方在回数据包的时候该怎么回？毕竟千家万户人用的都是192.168.0.1，网络怎么知道该发给谁？
所以肯定需要将这个192.168.xx私有IP转换成公有IP。
因此在上篇文章最后，留了这么个问题。局域网内用的是私有IP，公网用的都是公有IP。一个局域网里的私有IP想访问局域网外的公有IP，必然要做个IP转换，这是在哪里做的转换呢？
答案是NAT设备，全称Network Address Translation，网络地址转换。基本上家用路由器都支持这功能。
我们来聊下它是怎么工作的。
NAT的工作原理
为了简单，我们假设你很富，你家里分到了一个公网IP地址 20.20.20.20，对应配到了你家自带NAT功能的家用路由器上，你家里需要上网的设备有很多，比如你的手机，电脑都需要上网，他们构成了一个局域网，用的都是私有IP，比如192.168.xx。其中你在电脑上执行ifconfig命令，发现家里的电脑IP是192.168.30.5。你要访问的公网IP地址是30.30.30.30。
于是就有下面这样一张图
当你准备发送数据包的时候，你的电脑内核协议栈就会构造一个IP数据包。这个IP数据包报头里的发送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。将数据包发到NAT路由器中。
此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址修改一下，私有IP地址192.168.30.5改写为公网IP地址20.20.20.20，这叫SNAT（Source Network Address Translation，源地址转换）。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20的映射记录，这个信息会在后面用到。之后IP数据包经过公网里各个路由器的转发，发到了接收端30.30.30.30，到这里发送流程结束。
如果接收端处理完数据了，需要发一个响应给你的电脑，那就需要将发送端IP地址填上自己的30.30.30.30，将接收端地址填为你的公网IP地址20.20.20.20，发往NAT路由器。NAT路由器收到公网来的消息之后，会检查下自己之前留下的映射信息，发现之前留下了这么一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20记录，就会将这个数据包的目的IP地址修改一下，变成内网IP地址192.168.30.5, 这也叫DNAT（Destination Network Address Translation，目的地址转换）。之后将其转发给你的电脑上。
整个过程下来，NAT悄悄的改了IP数据包的发送和接收端IP地址，但对真正的发送方和接收方来说，他们却对这件事情，一无所知。
这就是NAT的工作原理。
NAPT的原理
到这里，相信大家都有一个很大的疑问。
局域网里并不只有一台机器，局域网内 每台机器都在NAT下留下的映射信息都会是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，发送消息是没啥事，但接收消息的时候就不知道该回给谁了。
这问题相当致命，因此实际上大部分时候不会使用普通的NAT。
那怎么办呢？
问题出在我们没办法区分内网里的多个网络连接。
于是乎。
我们可以加入其他信息去区分内网里的各个网络连接，很自然就能想到端口。
但IP数据包（网络层）本身是没有端口信息的。常见的传输层协议TCP和UDP数据报文里才有端口的信息。
于是流程就变成了下面这样子。
当你准备发送数据包的时候，你的电脑内核协议栈就会先构造一个TCP或者UDP数据报头，里面写入端口号，比如发送端口是5000，接收端口是3000，然后在这个基础上，加入IP数据报头，填入发送端和接收端的IP地址。
那数据包长这样。
假设，发送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。
将数据包发到NAT路由器中。
此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址和端口号修改一下，从192.168.30.5:5000改写成20.20.20.20:6000。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的映射记录。之后数据包经过公网里各个路由器的转发，发到了接收端30.30.30.30:3000，到这里发送流程结束。
接收端响应时，就会在数据包里填入发送端地址是30.30.30.30:3000，将接收端是20.20.20.20:6000，发往NAT路由器。NAT路由器发现下自己之前留下过这么一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的记录，就会将这个数据包的目的IP地址和端口修改一下，变回原来的192.168.30.5:5000。之后将其转发给你的电脑上。
如果局域网内有多个设备，他们就会映射到不同的公网端口上，毕竟端口最大可达65535，完全够用。这样大家都可以相安无事。
像这种同时转换IP和端口的技术，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 网络地址端口转换 ）。
看到这里，问题就来了。
那这么说只有用到端口的网络协议才能被NAT识别出来并转发？
但这怎么解释ping命令？ping基于ICMP协议，而ICMP协议报文里并不带端口信息。我依然可以正常的ping通公网机器并收到回包。
事实上针对ICMP协议，NAT路由器做了特殊处理。ping报文头里有个Identifier的信息，它其实指的是放出ping命令的进程id。
对NAT路由器来说，这个Identifier的作用就跟端口一样。
另外，当我们去抓包的时候，就会发现有两个Identifier，一个后面带个BE（Big Endian），另一个带个LE（Little Endian）。
其实他们都是同一个数值，只不过大小端不同，读出来的值不一样。就好像同样的数字345，反着读就成了543。这是为了兼容不同操作系统（比如linux和Windows）下大小端不同的情况。
内网穿透是什么
看到这里，我们大概也发现了。使用了NAT上网的话，前提得内网机器主动请求公网IP，这样NAT才能将内网的IP端口转成外网IP端口。
反过来公网的机器想主动请求内网机器，就会被拦在NAT路由器上，此时由于NAT路由器并没有任何相关的IP端口的映射记录，因此也就不会转发数据给内网里的任何一台机器。
举个现实中的场景就是，你在你家里的电脑上启动了一个HTTP服务，地址是192.168.30.5:5000，此时你在公司办公室里想通过手机去访问一下，却发现访问不了。
那问题就来了，有没有办法让外网机器访问到内网的服务？
有。
大家应该听过一句话叫，"没有什么是加中间层不能解决的，如果有，那就再加一层"。
放在这里，依然适用。
说到底，因为NAT的存在，我们只能从内网主动发起连接，否则NAT设备不会记录相应的映射关系，没有映射关系也就不能转发数据。
所以我们就在公网上加一台服务器x，并暴露一个访问域名，再让内网的服务主动连接服务器x，这样NAT路由器上就有对应的映射关系。接着，所有人都去访问服务器x，服务器x将数据转发给内网机器，再原路返回响应，这样数据就都通了。这就是所谓的内网穿透。
像上面提到的服务器x，你也不需要自己去搭，已经有很多现成的方案，花钱就完事了，比如花某壳。
到这里，我们就可以回答文章标题的问题。
为什么我在公司里访问不了家里的电脑？
那是因为家里的电脑在局域网内，局域网和广域网之间有个NAT路由器。由于NAT路由器的存在，外网服务无法主动连通局域网内的电脑。
两个内网的聊天软件如何建立通讯
好了，问题就叒来了。
我家机子是在我们小区的局域网里，班花家的机子也是在她们小区的局域网里。都在局域网里，且NAT只能从内网连到外网，那我电脑上登录的QQ是怎么和班花电脑里的QQ连上的呢？
上面这个问法其实是存在个误解，误以为两个qq客户端应用是直接建立连接的。
然而实际上并不是，两个qq客户端之间还隔了一个服务器。
也就是说，两个在内网的客户端登录qq时都会主动向公网的聊天服务器建立连接，这时两方的NAT路由器中都会记录有相应的映射关系。当在其中一个qq上发送消息时，数据会先到服务器，再通过服务器转发到另外一个客户端上。反过来也一样，通过这个方式让两台内网的机子进行数据传输。
两个内网的应用如何直接建立连接
上面的情况，是两个客户端通过第三方服务器进行通讯，但有些场景就是要抛开第三端，直接进行两端通信，比如P2P下载，这种该怎么办呢？
这种情况下，其实也还是离不开第三方服务器的帮助。
假设还是A和B两个局域网内的机子，A内网对应的NAT设备叫NAT_A，B内网里的NAT设备叫NAT_B，和一个第三方服务器server。
流程如下。
step1和2: A主动去连server，此时A对应的NAT_A就会留下A的内网地址和外网地址的映射关系，server也拿到了A对应的外网IP地址和端口。
step3和4: B的操作和A一样，主动连第三方server，NAT_B内留下B的内网地址和外网地址的映射关系，然后server也拿到了B对应的外网IP地址和端口。
step5和step6以及step7: 重点来了。此时server发消息给A，让A主动发UDP消息到B的外网IP地址和端口。此时NAT_B收到这个A的UDP数据包时，这时候根据NAT_B的设置不同，导致这时候有可能NAT_B能直接转发数据到B，那此时A和B就通了。但也有可能不通，直接丢包，不过丢包没关系，这个操作的目的是给NAT_A上留下有关B的映射关系。
step8和step9以及step10: 跟step5一样熟悉的配方，此时server再发消息给B，让B主动发UDP消息到A的外网IP地址和端口。NAT_B上也留下了关于A到映射关系，这时候由于之前NAT_A上有过关于B的映射关系，此时NAT_A就能正常接受B的数据包，并将其转发给A。到这里A和B就能正常进行数据通信了。这就是所谓的NAT打洞。
step11: 注意，之前我们都是用的UDP数据包，目的只是为了在两个局域网的NAT上打个洞出来，实际上大部分应用用的都是TCP连接，所以，这时候我们还需要在A主动向B发起TCP连接。到此，我们就完成了两端之间的通信。
这里估计大家会有疑惑。
端口已经被udp用过了，TCP再用，那岂不是端口重复占用（address already in use）？
其实并不会，端口重复占用的报错常见于两个TCP连接在不使用SO_REUSEADDR的情况下，重复使用了某个IP端口。而UDP和TCP之间却不会报这个错。之所以会有这个错，主要是因为在一个linux内核中，内核收到网络数据时，会通过五元组（传输协议，源IP，目的IP，源端口，目的端口）去唯一确定数据接受者。当五元组都一模一样的时候，内核就不知道该把数据发给谁。而UDP和TCP之间"传输协议"不同，因此五元组也不同，所以也就不会有上面的问题。
NAPT还分为好多种类型，上面的nat打洞方案，都能成功吗？
关于NAPT，确实还细分为好几种类型，比如完全锥形NAT和限制型NAT啥的，但这并不是本文的重点。所以我就略过了。我们现在常见的都是锥形NAT。上面的打洞方案适用于大部分场景，这其中包括限制最多的端口受限锥形NAT。
总结
• IPV4地址有限，但通过NAT路由器，可以使得整个内网N多台机器，对外只使用一个公网IP，大大节省了IP资源。
• 内网机子主动连接公网IP，中间的NAT会将内网机子的内网IP转换为公网IP，从而实现内网和外网的数据交互。
• 普通的NAT技术，只会修改网络包中的发送端和接收端IP地址，当内网设备较多时，将有可能导致冲突。因此一般都会使用NAPT技术，同时修改发送端和接收端的IP地址和端口。
• 由于NAT的存在，公网IP是无法访问内网服务的，但通过内网穿透技术，就可以让公网IP访问内网服务。一波操作下来，就可以在公司的网络里访问家里的电脑。
最后留个问题，有了NAT之后，原本并不富裕的IPv4地址突然就变得非常够用了。
那我们为什么还需要IPv6？
另外IPv6号称地址多到每粒沙子都能拥有自己的IP地址，那我们还需要NAT吗？
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