為什麼我在公司裡訪問不了家裡的電腦？
為什麼我在公司裡訪問不了家裡的電腦？
上篇文章「為什麼我們家裡的IP都是192.168開頭的？」提到，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，網絡分為局域網和廣域網，將IP分為了私有IP和公網IP，一個局域網裡的N多台機器都可以共用一個公網IP，從而大大增加了"可用IP數量"。
收發數據就像收發快遞
當我們需要發送網絡包的時候，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。
IP報頭里含有發送和接收IP地址
但是我們家裡的局域網內，基本上都用192.168.xx.xx這樣的私有IP。
如果我們在發送網絡包的時候，這麼填。對方在回數據包的時候該怎麼回？畢竟千家萬戶人用的都是192.168.0.1，網絡怎麼知道該發給誰？
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。局域網內用的是私有IP，公網用的都是公有IP。一個局域網裡的私有IP想訪問局域網外的公有IP，必然要做個IP轉換，這是在哪裡做的轉換呢？
私有IP和公有IP在哪進行轉換
答案是NAT設備，全稱Network Address Translation，網絡地址轉換。基本上家用路由器都支持這功能。
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，你家里分到了一個公網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，你家裡需要上網的設備有很多，比如你的手機，電腦都需要上網，他們構成了一個局域網，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
內網IP訪問公網IP
當你準備發送數據包的時候，你的電腦內核協議棧就會構造一個IP數據包。這個IP數據包報頭里的發送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。將數據包發到NAT路由器中。
此時NAT路由器會將IP數據包裡的源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的映射記錄，這個信息會在後面用到。之後IP數據包經過公網裡各個路由器的轉發，發到了接收端30.30.30.30，到這裡發送流程結束。
SNAT
如果接收端處理完數據了，需要發一個響應給你的電腦，那就需要將發送端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消息之後，會檢查下自己之前留下的映射信息，發現之前留下了這麼一條 192.168.30.5 -> 20.20.20.20記錄，就會將這個數據包的目的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。
DNAT
整個過程下來，NAT悄悄的改了IP數據包的發送和接收端IP地址，但對真正的發送方和接收方來說，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。
局域網裡並不只有一台機器，局域網內每台機器都在NAT下留下的映射信息都會是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，發送消息是沒啥事，但接收消息的時候就不知道該回給誰了。
NAT的問題
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絡連接。
於是乎。
我們可以加入其他信息去區分內網裡的各個網絡連接，很自然就能想到端口。
但IP數據包（網絡層）本身是沒有端口信息的。常見的傳輸層協議TCP和UDP數據報文裡才有端口的信息。
TCP報頭有端口號
UDP報頭也有端口號
於是流程就變成了下面這樣子。
當你準備發送數據包的時候，你的電腦內核協議棧就會先構造一個TCP或者UDP數據報頭，裡面寫入端口號，比如發送端口是5000，接收端口是3000，然後在這個基礎上，加入IP數據報頭，填入發送端和接收端的IP地址。
那數據包長這樣。
數據包的構成
假設，發送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。
將數據包發到NAT路由器中。
此時NAT路由器會將IP數據包裡的源IP地址和端口號修改一下，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的映射記錄。之後數據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，到這裡發送流程結束。
NAPT發送數據
接收端響應時，就會在數據包裡填入發送端地址是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，就會將這個數據包的目的IP地址和端口修改一下，變回原來的192.168.30.5:5000。之後將其轉發給你的電腦上。
NAPT接收數據
如果局域網內有多個設備，他們就會映射到不同的公網端口上，畢竟端口最大可達65535，完全夠用。這樣大家都可以相安無事。
像這種同時轉換IP和端口的技術，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 網絡地址端口轉換 ）。
看到這裡，問題就來了。
那這麼說只有用到端口的網絡協議才能被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協議報文裡並不帶端口信息。我依然可以正常的ping通公網機器並收到回包。
ping報頭
事實上針對ICMP協議，NAT路由器做了特殊處理。ping報文頭里有個Identifier的信息，它其實指的是放出ping命令的進程id。
對NAT路由器來說，這個Identifier的作用就跟端口一樣。
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。這是為了兼容不同操作系統（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端口轉成外網IP端口。
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端口的映射記錄，因此也就不會轉發數據給內網裡的任何一台機器。
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接，否則NAT設備不會記錄相應的映射關係，沒有映射關係也就不能轉發數據。
所以我們就在公網上加一台服務器x，並暴露一個訪問域名，再讓內網的服務主動連接服務器x，這樣NAT路由器上就有對應的映射關係。接著，所有人都去訪問服務器x，服務器x將數據轉發給內網機器，再原路返迴響應，這樣數據就都通了。這就是所謂的內網穿透。
像上面提到的服務器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。
內網穿透
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局域網內，局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局域網內的電腦。
兩個內網的聊天軟件如何建立通訊
好了，問題就叒來了。
我家機子是在我們小區的局域網裡，班花家的機子也是在她們小區的局域網裡。都在局域網裡，且NAT只能從內網連到外網，那我電腦上登錄的QQ是怎麼和班花電腦裡的QQ連上的呢？
兩個局域網內的服務無法直接連通
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接的。
然而實際上並不是，兩個qq客戶端之間還隔了一個服務器。
聊天軟件會主動與公網服務器建立連接
也就是說，兩個在內網的客戶端登錄qq時都會主動向公網的聊天服務器建立連接，這時兩方的NAT路由器中都會記錄有相應的映射關係。當在其中一個qq上發送消息時，數據會先到服務器，再通過服務器轉發到另外一個客戶端上。反過來也一樣，通過這個方式讓兩台內網的機子進行數據傳輸。
兩個內網的應用如何直接建立連接
上面的情況，是兩個客戶端通過第三方服務器進行通訊，但有些場景就是要拋開第三端，直接進行兩端通信，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服務器的幫助。
假設還是A和B兩個局域網內的機子，A內網對應的NAT設備叫NAT_A，B內網裡的NAT設備叫NAT_B，和一個第三方服務器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映射關係，server也拿到了A對應的外網IP地址和端口。
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映射關係，然後server也拿到了B對應的外網IP地址和端口。
step5和step6以及step7: 重點來了。此時server發消息給A，讓A主動發UDP消息到B的外網IP地址和端口。此時NAT_B收到這個A的UDP數據包時，這時候根據NAT_B的設置不同，導致這時候有可能NAT_B能直接轉發數據到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的映射關係。
step8和step9以及step10: 跟step5一樣熟悉的配方，此時server再發消息給B，讓B主動發UDP消息到A的外網IP地址和端口。NAT_B上也留下了關於A到映射關係，這時候由於之前NAT_A上有過關於B的映射關係，此時NAT_A就能正常接受B的數據包，並將其轉發給A。到這裡A和B就能正常進行數據通信了。這就是所謂的NAT打洞。
step11: 注意，之前我們都是用的UDP數據包，目的只是為了在兩個局域網的NAT上打個洞出來，實際上大部分應用用的都是TCP連接，所以，這時候我們還需要在A主動向B發起TCP連接。到此，我們就完成了兩端之間的通信。
NAT打洞
這裡估計大家會有疑惑。
端口已經被udp用過了，TCP再用，那豈不是端口重複佔用（address already in use）？
其實並不會，端口重複佔用的報錯常見於兩個TCP連接在不使用SO_REUSEADDR的情況下，重複使用了某個IP端口。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內核中，內核收到網絡數據時，會通過五元組（傳輸協議，源IP，目的IP，源端口，目的端口）去唯一確定數據接受者。當五元組都一模一樣的時候，內核就不知道該把數據發給誰。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。
五元組
NAPT還分為好多種類型，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類型，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端口受限錐形NAT。
總結
• IPV4地址有限，但通過NAT路由器，可以使得整個內網N多台機器，對外只使用一個公網IP，大大節省了IP資源。
• 內網機子主動連接公網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數據交互。
• 普通的NAT技術，只會修改網絡包中的發送端和接收端IP地址，當內網設備較多時，將有可能導致衝突。因此一般都會使用NAPT技術，同時修改發送端和接收端的IP地址和端口。
• 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，就可以在公司的網絡裡訪問家裡的電腦。
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？