NAT 与 PAT 的区别及其在网络配置中的应用

NAT（网络地址转换）和 PAT（端口地址转换）都是网络地址转换技术，NAT 改变 IP 地址，PAT 在改变 IP 地址的同时还改变端口号，PAT 是 NAT 的一种特殊形式。NAT 适用于需要隐藏内部网络结构、减少公网 IP 使用量的场景；PAT 则适用于设备数量远超公网 IP 数量，需要多设备共享同一公网 IP 访问网络的情况。下面将详细介绍它们的原理、区别及在网络配置中的应用。

一、NAT 与 PAT 的原理
NAT 原理
NAT（Network Address Translation）即网络地址转换，它的核心功能是在数据包通过路由器或防火墙时，改变其源或目的 IP 地址。在一个内部使用私有 IP 地址的网络中，NAT 允许网络通过少量的公网 IP 地址与公共互联网进行通信。例如，在一个家庭网络或小型企业网络中，内部设备可能使用诸如 192.168.x.x、10.x.x.x 或 172.16.x.x - 172.31.x.x 这些私有 IP 地址段 ，而当这些设备需要访问互联网时，NAT 设备（通常是路由器）会将内部私有 IP 地址转换为一个或多个公网 IP 地址。
NAT 的实现方式主要有静态转换（Static Nat）和动态转换（Dynamic Nat）：
-静态转换：是将内部网络的私有 IP 地址与公有 IP 地址进行一对一的固定映射。比如，将内部服务器的私有 IP 地址 192.168.1.100 固定映射为公有 IP 地址 202.100.1.10，这样外部网络可以通过 202.100.1.10 访问到内部的这台服务器。这种方式适用于需要外部网络稳定访问内部特定设备的场景，如企业对外提供服务的 Web 服务器、邮件服务器等。
-动态转换：内部网络的私有 IP 地址转换为公用 IP 地址时，IP 地址是随机的。网络管理员只需指定哪些内部地址可以进行转换，以及可用的合法公网 IP 地址范围，NAT 设备会从合法公网 IP 地址池中随机选取一个地址进行转换。当 ISP 提供的合法 IP 地址略少于网络内部的计算机数量时，可以采用动态转换的方式。
PAT 原理
PAT（Port Address Translation）即端口地址转换，它是 NAT 的一种特殊形式，也被称为 NAT Overload（地址超载）。PAT 不仅改变数据包的源或目的 IP 地址，还会改变其源或目的端口号。通过这种方式，PAT 允许多个内部设备共享同一个公网 IP 地址，为每个设备分配不同的端口号来区分不同的连接会话。
例如，家庭中有多台设备（如手机、电脑、智能电视等）都需要访问互联网，但家庭网络只有一个公网 IP 地址。当这些设备同时访问互联网时，PAT 设备（通常是家用路由器）会将每个设备的内部 IP 地址和端口号映射到公网 IP 地址的不同端口上。假设公网 IP 地址为 202.100.1.1，手机的内部 IP 地址 192.168.1.10 访问互联网时，PAT 设备可能将其映射为 202.100.1.1:1024；电脑的内部 IP 地址 192.168.1.11 访问互联网时，可能被映射为 202.100.1.1:1025，以此类推。理论上，PAT 可以同时支持（65535 - 1024） = 64511 个连接会话，但实际使用中受设备性能和物理连接特性限制，无法达到这个数量，例如 CISCO 的路由器 NAT 功能中每个 Public IP 最多能有效地支持大约 4000 个会话。

二、NAT 与 PAT 的区别
地址映射方式
-NAT：静态 NAT 是一对一的固定 IP 地址映射，动态 NAT 是从公网 IP 地址池中随机选取 IP 地址进行映射，但都是 IP 地址层面的转换，不涉及端口号的改变。
-PAT：将多个内部 IP 地址映射到同一个公网 IP 地址上，通过改变端口号来区分不同的内部设备连接，实现多对一的映射关系 。
公网 IP 使用效率
-NAT：无论是静态还是动态 NAT，每个内部设备在访问外网时都需要占用一个公网 IP 地址（虽然动态 NAT 可复用公网 IP 地址池，但同一时刻每个设备仍占用一个公网 IP），所以对公网 IP 地址的需求量较大。
-PAT：多个内部设备可以共享同一个公网 IP 地址，极大地提高了公网 IP 地址的使用效率，尤其适用于公网 IP 地址匮乏的场景，如家庭网络和大多数小型企业网络。
适用场景
-NAT：适用于内部网络需要与外部网络进行通信，同时希望隐藏内部网络拓扑结构、增强网络安全性的场景。例如，企业内部网络使用私有 IP 地址，通过 NAT 转换后与外部网络通信，外部网络无法直接访问内部网络的具体设备，提高了安全性。另外，当需要让外部网络稳定访问内部特定设备（如服务器）时，可使用静态 NAT。
-PAT：更适用于设备数量众多，但公网 IP 地址有限的场景，如家庭网络中有多个智能设备都需要连接互联网，通过 PAT 技术，这些设备可以共享一个公网 IP 地址实现上网需求。

三、NAT 与 PAT 在网络配置中的应用
家庭网络配置
在家庭网络中，通常使用的是宽带路由器，它集成了 PAT 功能。当家庭中的各种设备（如手机、电脑、平板、智能摄像头等）连接到路由器并访问互联网时，路由器会自动进行 PAT 转换。用户无需进行复杂的配置，只需将设备连接到路由器的 Wi-Fi 或 LAN 口，路由器会自动为设备分配私有 IP 地址，并在设备访问外网时，将其私有 IP 地址和端口号映射到路由器的公网 IP 地址的不同端口上。例如，常见的家用路由器（如 TP - Link、D - Link、小米路由器等），在默认设置下就开启了 PAT 功能，用户只需完成基本的上网设置（如输入宽带账号密码），即可实现多设备共享一个公网 IP 地址上网。
小型企业网络配置
1.NAT 配置示例（以 Cisco 路由器为例）：假设小型企业内部网络使用 192.168.1.0/24 的私有 IP 地址段，路由器的公网 IP 地址为 202.100.1.10。如果企业中有一台 Web 服务器，其私有 IP 地址为 192.168.1.100，需要对外提供服务，可配置静态 NAT：
进入全局配置模式
Router(config)#
定义内部源地址静态转换关系，将内部私有IP 192.168.1.100映射为外部公网IP 202.100.1.10
Router(config)# ip nat inside source static 192.168.1.100 202.100.1.10
进入连接内部网络的接口配置模式，假设为FastEthernet0/0
Router(config)# interface FastEthernet0/0
定义该接口连接内部网络
Router(config - if)# ip nat inside
进入连接外部网络的接口配置模式，假设为Serial0/0
Router(config)# interface Serial0/0
定义该接口连接外部网络
Router(config - if)# ip nat outside
配置完成后，外部网络可以通过 202.100.1.10 访问到企业内部的 Web 服务器。
1.PAT 配置示例（同样以 Cisco 路由器为例）：若企业内部有大量设备需要访问互联网，且只有一个公网 IP 地址 202.100.1.10，可配置 PAT：
进入全局配置模式
Router(config)#
定义内部源地址NAPT配置，将内部所有IP地址（192.168.1.0/24）映射到外部公网IP 202.100.1.10
Router(config)# ip nat inside source list 1 interface Serial0/0 overload
定义访问控制列表1，允许192.168.1.0/24网段的IP地址通过
Router(config)# access - list 1 permit 192.168.1.0 0.0.0.255
进入连接内部网络的接口配置模式，假设为FastEthernet0/0
Router(config)# interface FastEthernet0/0
定义该接口连接内部网络
Router(config - if)# ip nat inside
进入连接外部网络的接口配置模式，假设为Serial0/0
Router(config)# interface Serial0/0
定义该接口连接外部网络
Router(config - if)# ip nat outside
配置完成后，企业内部 192.168.1.0/24 网段的所有设备都可以通过公网 IP 地址 202.100.1.10 访问互联网。

四、总结
NAT 和 PAT 作为网络地址转换技术，在网络配置中发挥着重要作用。它们能够有效解决 IP 地址不足的问题，同时增强网络的安全性。了解它们的原理、区别及适用场景，有助于网络管理员根据实际需求进行合理的网络配置，提高网络的性能和稳定性。无论是家庭网络还是企业网络，合理运用 NAT 和 PAT 技术，都能在有限的网络资源下实现高效的网络通信。

拓展阅读
1.什么是私有 IP 地址：私有 IP 地址是专门为内部网络或主机保留的 IP 地址，不会在因特网上被分配，常见的私有 IP 地址段有 A 类 10.0.0.0 - 10.255.255.255、B 类 172.16.0.0 - 172.31.255.255、C 类 192.168.0.0 - 192.168.255.255 ，企业和家庭内部网络常使用这些地址。
2.如何查看路由器是否支持 NAT 和 PAT 功能：可以查看路由器的产品说明书，或登录路由器管理界面，在网络设置、高级设置等相关选项中查找是否有 NAT、PAT、网络地址转换、端口地址转换等类似功能选项，若有则支持。
3.NAT 穿透技术是什么：NAT 穿透技术是指在 NAT 环境下，实现不同网络之间的设备直接通信的技术，常用于解决如视频通话、在线游戏等应用中，让处于不同 NAT 后面的设备能够建立连接并传输数据 ，常见的 NAT 穿透方法有 STUN、TURN、ICE、uPnP 等。