Технология преобразования сетевых адресов, механизмы PAT и NAT

Технология преобразования сетевых адресов (NAT)

Ещё одним механизмом, позволяющим поддерживать сетевую безопасность, является технология NAT.

NAT (Network Address Translation – преобразование сетевых адресов) – это механизм в сетях TCP/IP, позволяющий преобразовывать IP-адреса транзитных пакетов. Механизм NAT описан в RFC 1631, RFC 3022.

Преобразование адресов методом NAT может производиться почти любым маршрутизирующим устройством – Интернет-маршрутизатором, сервером доступа, межсетевым экраном. Наиболее популярным является Source NAT (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 источника/назначения могут также заменяться номера портов источника и назначения.

Помимо SNAT, т.е. предоставления пользователям локальной сети с внутренними адресами доступа к сети Интернет, часто применяется также Destination NAT, когда обращения извне транслируются межсетевым экраном на сервер в локальной сети, имеющий внутренний адрес и потому недоступный из внешней сети непосредственно (без NAT).

На рисунках ниже приведен пример действия механизма NAT.

Рис. 7.1. Подключение одного компьютера с доступом в Интернет

Пользователь корпоративной сети отправляет запрос в Интернет, который поступает на внутренний интерфейс маршрутизатора, сервер доступа или межсетевого экрана (устройство NAT).

увеличить изображение
Рис. 7.2. Объединение нескольких компьютеров в локальную сеть c доступом в Интернет

Устройство NAT получает пакет и делает запись в таблице отслеживания соединений, которая управляет преобразованием адресов.

увеличить изображение
Рис. 7.3. Запись в таблице соединений

Затем подменяет адрес источника пакета собственным внешним общедоступным IP-адресом и посылает пакет по месту назначения в Интернет.

увеличить изображение
Рис. 7.4. Преобразование адресов при использовании функции NAT

Узел назначения получает пакет и передает ответ обратно устройству NAT.

увеличить изображение
Рис. 7.5. Принятие запроса сервером и отправка ответа

Устройство NAT, в свою очередь, получив этот пакет, отыскивает отправителя исходного пакета в таблице отслеживания соединений, заменяет IP-адрес назначения на соответствующий частный IP-адрес и передает пакет на исходный компьютер. Поскольку устройство NAT посылает пакеты от имени всех внутренних компьютеров, оно изменяет исходный сетевой порт и данная информация хранится в таблице отслеживания соединений.

увеличить изображение
Рис. 7.6. Преобразование адресов при использовании функции NAT

Существует 3 базовых концепции трансляции адресов:

• статическая (SAT, Static Network Address Translation),
• динамическая (DAT, Dynamic Address Translation),
• маскарадная (NAPT, NAT Overload, PAT).

Статический NAT отображает локальные IP-адреса на конкретные публичные адреса на основании один к одному. Применяется, когда локальный хост должен быть доступен извне с использованием фиксированных адресов.

Динамический NAT отображает набор частных адресов на некое множество публичных IP-адресов. Если число локальных хостов не превышает число имеющихся публичных адресов, каждому локальному адресу будет гарантироваться соответствие публичного адреса. В противном случае, число хостов, которые могут одновременно получить доступ во внешние сети, будет ограничено количеством публичных адресов.

Маскарадный NAT (NAPT, NAT Overload, PAT, маскарадинг) – форма динамического NAT, который отображает несколько частных адресов в единственный публичный IP-адрес, используя различные порты. Известен также как PAT (Port Address Translation).

Механизмов взаимодействия внутренней локальной сети с внешней общедоступной сетью может быть несколько – это зависит от конкретной задачи по обеспечению доступа во внешнюю сеть и обратно и прописывается определенными правилами. Определены 4 типа трансляции сетевых адресов:

• Full Cone (Полный конус)
• Restricted Cone (Ограниченный конус)
• Port Restricted Cone (Порт ограниченного конуса)
• Symmetric (Симметричный)

В первых трех типах NAT для взаимодействия разных IP-адресов внешней сети с адресами из локальной сети используется один и тот же внешний порт. Четвертый тип – симметричный – для каждого адреса и порта использует отдельный внешний порт.

При использовании NAT, работающему по типу Full Cone, внешний порт устройства (маршрутизатора, сервера доступа, межсетевого экрана) открыт для приходящих с любых адресов запросов. Если пользователю из Интернета нужно отправить пакет клиенту, расположенному за NAT’ом, то ему необходимо знать только внешний порт устройства, через который установлено соединение. Например, компьютер за NAT’ом с IP-адресом 192.168.0.4 посылает и получает пакеты через порт 8000, которые отображаются на внешний IP-адрес и порт, как 10.1.1.1:12345. Пакеты из внешней сети приходят на устройство с IP-адресом:портом 10.1.1.1:12345 и далее отправляются на клиентский компьютер 192.168.0.4:8000.

Во входящих пакетах проверяется только транспортный протокол; адрес и порт назначения, адрес и порт источника значения не имеют.

увеличить изображение
Рис. 7.7. Использование NAT Full Cone

При использовании NAT, работающему по типу Restricted Cone, внешний порт устройства (маршрутизатора, сервера доступа, межсетевого экрана) открыт для любого пакета, посланного с клиентского компьютера, в нашем примере: 192.168.0.4:8000. А пакет, пришедший из внешней сети (например, от компьютера 172.16.0.5:4000) на устройство с адресом:портом 10.1.1.1:12345, будет отправлен на компьютер 192.168.0.4:8000 только в том случае, если 192.168.0.4:8000 предварительно посылал запрос на IP-адрес внешнего хоста ( в нашем случае – на компьютер 172.16.0.5:4000). То есть, маршрутизатор будет транслировать входящие пакеты только с определенного адреса источника (в нашем случае компьютер 172.16.0.5:4000), но номер порта источника при этом может быть любым. В противном случае, NAT блокирует пакеты, пришедшие с хостов, на которые 192.168.0.4:8000 не отправлял запроса.

увеличить изображение
Рис. 7.8. Использование NAT Restricted Cone

Механизм NAT Port Restricted Cone почти аналогичен механизму NAT Restricted Cone. Только в данном случае NAT блокирует все пакеты, пришедшие с хостов, на которые клиентский компьютер 192.168.0.4:8000 не отправлял запроса по какому-либо IP-адресу и порту. Mаршрутизатор обращает внимание на соответствие номера порта источника и не обращает внимания на адрес источника. В нашем примере маршрутизатор будет транслировать входящие пакеты с любым адресом источника, но порт источника при этом должен быть 4000. Если клиент отправил запросы во внешнюю сеть к нескольким IP-адресам и портам, то они смогут посылать пакеты клиенту на IP-адрес:порт 10.1.1.1:12345.

Symmetric NAT существенно отличается от первых трех механизмов способом отображения внутреннего IP-адреса:порта на внешний адрес:порт. Это отображение зависит от IP-адреса:порта компьютера, которому предназначен посланный запрос. Например, если клиентский компьютер 192.168.0.4:8000 посылает запрос компьютеру №1 (172.16.0.5:4000), то он может быть отображен как 10.1.1.1:12345, в тоже время, если он посылает с того же самого порта (192.168.0.4:8000) на другой IP-адрес, он отображается по-другому (10.1.1.1:12346).

Компьютер №1 (172.16.0.5:4000) может отправить пакет только на 10.1.1.1:12345, а компьютер №2 (169.10.2.8:6000) – только на 10.1.1.1:12346. Если любой из них попытается отправить пакеты на порт, с которого он не получал запроса, NAT заблокирует данные пакеты.

Внешний IP-адрес:порт открыт только тогда, когда клиентский компьютер отправляет данные во внешнюю сеть по определенному адресу:порту.

увеличить изображение
Рис. 7.9. Использование Symmetric NAT

NAT выполняет три важных функции.

1. Позволяет сэкономить IP-адреса, 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 частными (внутренними) IP-адресами.
2. Позволяет предотвратить или ограничить обращение снаружи к внутренним хостам, оставляя возможность обращения из внутренней сети во внешнюю. При инициации соединения изнутри сети создаётся трансляция. Ответные пакеты, поступающие снаружи, соответствуют созданной трансляции и поэтому пропускаются. Если для пакетов, поступающих из внешней сети, 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://dlink.ru:54055, но на внутреннем сервере, находящимся за NAT, он будет работать на обычном 80-м порту.

Однако следует упомянуть и о недостатках данной технологии:

1. Не все протоколы могут "преодолеть" NAT. Некоторые не в состоянии работать, если на пути между взаимодействующими хостами есть трансляция адресов. Опеределенные 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. Из-за трансляции адресов "много в один" появляются дополнительные сложности с идентификацией пользователей и необходимость хранить полные логи трансляций.
3. Атака DoS со стороны узла, осуществляющего NAT – 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.