Version vom 12. März 2021, 11:13 Uhr

Netzwerkadressübersetzung (engl. Network Address Translation, kurz NAT) ist in Rechnernetzen der Sammelbegriff bei Änderungen von Adressen im IP-Header von IPv4-Paketen (Layer-3 des OSI-Modells).

NAT (genauer SNAT) ermöglicht u. a. die gleichzeitige Verwendung einer öffentlichen Adresse durch mehrere Hosts.
Üblicherweise übernimmt der Router im Netzwerk die SNAT, der die Verbindung zum Internet herstellt.
Daher ist in der Regel dieser Router das Default-Gateway eines Hosts.

NAT-Typen

NAT wird in Source-NAT (SNAT; dt.: „Quellen-NAT“) und Destination-NAT(DNAT; dt.: „Ziel-NAT“) unterschieden.
Beim Source-NAT wird die Adresse des verbindungsaufbauenden Computers (Quelle) umgeschrieben.
Beim Destination-NAT wird die Adresse des angesprochenen Computers (Ziel) umgeschrieben.

Verwendung von NAT

Verwendung von Source-NAT

Source-NAT findet Anwendung aufgrund der Knappheit öffentlicher IPv4-Adressen.
Eine spezielle Form der SNAT wird auch Masquerading bzw. Masquerade[[1]] oder
Port and Address Translation (PAT) oder Network Address Port Translation (NAPT) genannt.
Wird vor allem bei Einwahlverbindungen genutzt.
Beim Maskieren wird automatisch durch einen Algorithmus die Absender-Adresse des Pakets in die IP-Adresse des Interfaces geändert, auf dem das Paket den Router verlässt.
Beim SNAT muss die (neue) Quell-Adresse explizit angegeben werden.
In privaten oder möglichst preisgünstigen Netzinstallationen wird Source-NAT als eine Art Sicherheitsmerkmal und zur Trennung von internen und externen Netzen eingesetzt
Durch das Maskieren der Quell-IP-Adresse können die internen Rechner nicht mehr von außen direkt angesprochen werden.

Verwendung von Destination-NAT

Destination-NAT wird verwendet, um das Ziel eines IP-Pakets zu ändern.
Meist findet DNAT Verwendung beim Ändern der öffentlichen IP eines Internet-Anschlusses in die private IP-Adresse eines Servers im privaten Subnetz.
Diese Methode ist als „Port-Forwarding“ in Verbindung mit UDP / TCP - Verbindungen bekannt.
DNAT kann daher auch dazu genutzt werden, um mehrere, unterschiedliche Serverdienste, die auf verschiedenen Computern betrieben werden, unter einer einzigen (öffentlichen) IP-Adresse anzubieten(s. Abgrenzung von DNAT auch NAT-Traversal bzw. NAT-T).

Funktionsweise

NAT-Router, NAT-Session und NAT-Table

Ein moderner Router mit NAT-Funktion ist zustandsbehaftet (stateful).
Beim stateful firewalling werden für jede seitens eines Clients angefragte Verbindung die zugehörigen Verbindungsinformationen (unter anderem IP-Adressen, Protokoll / Ports und Timeouts) in einer Session-Table gespeichert.
Anhand der gespeicherten Informationen kann der NAT-Router dann das jeweilige Antwort-Datenpaket dem richtigen Client wieder zuordnen.
Nach Ablauf einer Session wird ihr Eintrag aus der Session-Table gelöscht.
Die Anzahl der Sessions, die ein NAT-Router gleichzeitig offen halten kann, ist durch seinen Arbeitsspeicher begrenzt.
10.000 Sessions belegen nur etwa 3 MB.

Source NAT (SNAT)

Bei jedem Verbindungsaufbau durch einen internen Client wird die interne Quell-IP-Adresse durch die öffentliche IP-Adresse des Routers ersetzt.
Ist der Ursprungsport belegt wird der Quellport des internen Clients durch einen freien Port des Routers ersetzt.
Diese Zuordnung wird in der Session-Table (NAT-Table) des Routers gespeichert.
Anhand der gespeicherten Informationen kann der NAT-Router dann das jeweilige Antwort-Datenpaket dem richtigen Client wieder zuordnen.
Der Vorgang wird als Port Address Translation (PAT) bezeichnet.

Quelle	Ziel	Quelle	Ziel
lokales Netz (Local Area Network/LAN)		öffentliches Netz (Wide Area Network/WAN)
192.168.0.2:49701	170.0.0.1:80	205.0.0.2:49701	170.0.0.1:80
192.168.0.3:50387	170.0.0.1:80	205.0.0.2:50387	170.0.0.1:80
192.168.0.4:49152	170.0.0.1:23	205.0.0.2:49152	170.0.0.1:23

Beispiel Source-NAT und IP-Routing

In diesem Beispiel nutzt das private Netz die IP-Adressen 192.168.0.0/24.
Zwischen diesem Netz und dem öffentlichen Internet befindet sich ein Source-NAT-Router mit der öffentlichen Adresse 205.0.0.2/32.
Ein Routing ist erforderlich, wenn Absender und Empfänger in verschiedenen Netzen liegen.
Möchte eine über einen Source-NAT-Router angebundene Station ein Paket an einen Empfänger außerhalb seines (privaten) Netzes senden, so funktioniert der Kommunikationsprozess (vereinfacht dargestellt) wie folgt:

Ermittlungen

Zuerst ermittelt die Station über DNS die Ziel-IP des Servers, und über die Routing-Tabelle den für das gewünschte Ziel nächstgelegenen Router, das sei hier der Source-NAT-Router.
Dann ermittelt die Station per Address Resolution Protocol (ARP) dessen MAC-Adresse und baut ein Paket wie folgt zusammen:

Es erhält als Ziel-MAC-Adresse die MAC-Adresse des Source-NAT-Routers.
Die Ziel-IP-Adresse des Empfängers (hier 170.0.0.1)
Die Ziel-Portadresse für den Server.
Die MAC- und IP-Adresse des Absenders (hier 192.168.0.4).
Einen Absenderport (irgendeinen freien Port (high dynamic Port)) für die gerade anfragende Sitzung sowie andere Daten.

Empfang

Der Source-NAT-Router empfängt und verarbeitet das Paket, weil es an seine MAC-Adresse gerichtet ist.
- Bei der Verarbeitung im Router wird das Paket in abgeänderter Form weitergeleitet.
- Der Router ermittelt anhand der Empfänger-IP-Adresse den nächsten Router.
- Er ermittelt per ARP dessen MAC-Adresse und baut das Paket wie folgt um:
  - Es erhält nun abweichend die MAC-Adresse des nächsten Routers.
  - Die Ziel-IP-Adresse des Empfängers (170.0.0.1), Ziel-Port
  - Die öffentliche MAC- und IP-Adresse des Source-NAT-Routers (205.0.0.2), einen gerade freien Absender-Port aus dem Reservoir des Routers (hier 49152) und die Nutzdaten, die gleich bleiben.

Verarbeitung

Diese Zuordnung der ursprünglichen Absenderadresse und des Ports (192.168.0.4:49152) zum jetzt enthaltenen Adress-Tupel[[2]](205.0.0.2:49152) wird im Router solange gespeichert, bis die Sitzung abläuft oder beendet wird.
- Durch NAT wird das Paket auf Schicht 3 also wesentlich verändert.
Bei der Bearbeitung in nachfolgenden IP-Routern wird das Paket lediglich auf Schicht 2 verändert.
Der Router ermittelt den nächsten Router, ermittelt per ARP dessen MAC-Adresse und baut das Paket wie folgt um:
- Es erhält nun abweichend als Ziel-MAC-Adresse die MAC-Adresse des nächsten Routers
- Die Absender-MAC-Adresse wird gegen die eigene ausgetauscht.
- Die IP-Adresse des Empfängers (170.0.0.1), Ziel-Port sowie die Absender-IP-Adresse des Source-NAT-Routers (205.0.0.2), dessen Absender-Port 49152 und die Nutzdaten bleiben erhalten.
Das bedeutet: Auf Schicht 3 wird das Paket hier nicht verändert.
Dieser Vorgang wiederholt sich, bis ein letzter Router die Zielstation in einem direkt angeschlossenen Netz findet.
Dann setzt sich das Paket wie folgt zusammen:
- Es erhält als Absender-MAC-Adresse die des letzten Routers, als Ziel die MAC-Adresse der Zielstation, die IP-Adresse des Empfängers (170.0.0.1), Ziel-Port sowie die IP-Adresse des Absender-Source-NAT-Routers (205.0.0.2), dessen Absender-Port 49152 und natürlich Nutzdaten.

Abschluss

Nach erfolgreicher Verarbeitung durch den Server wird die Antwort dann wie folgt zusammengestellt:
- MAC-Adresse des für den Rückweg zuständigen Routers (wobei Hin- und Rückroute nicht unbedingt identisch sein müssen).
- Die IP-Adresse des anfragenden Source-NAT-Routers (205.0.0.2), die Ziel-Portadresse 49152 sowie die MAC- und IP-Adresse des Servers (170.0.0.1) und dessen Absenderport , sowie Antwort-Daten (Payload).
Nachdem alle Router durchlaufen wurden, wird daraus schließlich im Source-NAT-Router (205.0.0.2):
- MAC-Adresse und IP-Adresse des anfragenden Rechners (hier 192.168.0.4), und dessen Portadresse 49152 sowie die MAC des Source-NAT-Routers und IP-Adresse des Servers (170.0.0.1) und dessen Absenderport, sowie Antwort-Daten.
Wird diese Sitzung beendet, wird auch Port 49152 wieder freigegeben.

Destination NAT (DNAT)

Bei jedem Verbindungsaufbau durch den Client wird die Ziel-IP-Adresse durch die des eigentlichen Empfängers im LAN ersetzt.
Außerdem wird der Zielport durch einen freien Port des Routers ersetzt, der dadurch belegt wird.
Diese Zuordnung wird in der NAT-Table des Routers gespeichert.

Quelle	Ziel	Quelle	Ziel
öffentliches Netz (WAN)		lokales Netz (LAN)
170.0.0.1:1001	171.4.2.1:80	170.0.0.1:1001	192.168.0.2:80
170.0.0.1:1001	171.4.2.1:22	170.0.0.1:1001	192.168.0.3:22
170.0.0.1:1001	171.4.2.1:81	170.0.0.1:1001	192.168.0.3:81

Kategorisierung

RFC 3489, der das Protokoll STUN zur Traversierung von NAT-Gateways beschreibt, ordnet diese in vier verschiedene Klassen ein :

Im Full Cone NAT-Szenario setzt ein Gateway interne Adressen und Ports nach einem statischen Muster in eine externe Adresse und deren Ports um.
Externe Hosts bauen über die externen Adressen des NAT-Gateways Verbindungen zu internen Hosts auf.
Full Cone NAT ist auch unter der Bezeichnung EnS port forwarding bekannt.

Im Restricted Cone NAT-Szenario erlaubt das Gateway die Kontaktaufnahme eines externen mit einem internen Host.
Dem Verbindungsversuch muss eine Kontaktaufnahme des internen Hosts mit dem externen Host vorausgehen.
Es wird dabei der gleiche Zielport verwendet.

Im Port Restricted Cone NAT-Szenario erlaubt das Gateway die Kontaktaufnahme eines externen mit einem internen Host.
Dem Verbindungsversuch muss eine Kontaktaufnahme des internen Hosts mit dem externen Host vorausgehen.
Es wird dabei der gleiche Zielport und der gleiche Quellport verwendet.

Im Symmetric-NAT-Szenario wird jede einzelne Verbindung mit einem unterschiedlichen Quellport ausgeführt.
Die Beschränkungen sind wie bei Restricted Cone NAT-Szenario.
Jeder Verbindung wird ein eigener Quellport zugewiesen.
Eine Initiierung von Verbindungen durch externe Hosts nach Intern ist nicht möglich.

Diese prototypischen Grundszenarien bilden in modernen NAT-Systemen allerdings oft nur Anhaltspunkte zur Klassifizierung punktuellen Verhaltens der Gateways.
Diese benutzen teilweise Mischformen der klassischen Ansätze zur Adressumsetzung.
Oder sie wechseln dynamisch zwischen zwei oder mehreren Verhaltensmustern.
RFC 3489 ist durch RFC 5389 ersetzt worden, der diese Kategorisierung nicht mehr versucht.

Vorteile

NAT hilft die Verknappung der IPv4 Adressen zu entschleunigen.
Dies geschieht durch die Ersetzung mehrerer Adressen für mehrere Endsysteme durch eine einzige IP-Adresse.
IP-Adressen eines Netzes können vor einem anderen Netz verborgen werden.
Somit kann NAT zur Verbesserung der Privatsphäre eingesetzt werden.
Dieselben IP-Adressbereiche können von mehreren abgeschlossenen privaten Netzwerken verwendet werden.
Es kommt zu keinen Adresskollisionen, da nach außen nur die IP-Adresse des NAT-Routers sichtbar ist.

Nachteile

Ein Problem an NAT ist, dass die saubere Zuordnung „1 Host mit eindeutiger IP-Adresse“ nicht eingehalten wird.
Durch die Umschreibung von Protokoll-Headern, die einem Man-in-the-middle-Angriff ähnelt, haben so insbesondere ältere Protokolle und Verschlüsselungsverfahren auf Netzwerk- und Transportebene durch diesen Designbruch Probleme.
Ebenso leiden insbesondere Netzwerkdienste, die Out-of-Band-Signalisierung und Rückkanäle einsetzen, etwa IP-Telefonie-Protokolle, unter Komplikationen durch NAT-Gateways.
Das Ende-zu-Ende Prinzip wird verletzt, indem der NAT-Router das IP-Paket bzw. TCP-Segment verändert, ohne dass er selbst der verschickende Host ist.

NAT-Traversal

Network Address Translation bricht das Gebot der Ende-zu-Ende-Konnektivität.
Anwendungen, die sich typischerweise von Host zu Host verbinden (z. B. bei Peer-to-Peer- und IP-Telefonie-Anwendungen oder VPN-Verbindungen) benötigen NAT-Durchdringungstechniken.
Es gibt keine universell anwendbarenTechniken
Viele Techniken benötigen die Hilfe eines für beide Parteien direkt öffentlich zugänglichen Servers.
Manche Methoden nutzen einen solchen Server nur für den Verbindungsaufbau.
Andere leiten allen Verkehr der Verbindung über diesen Hilfs-Server.
Die meisten Methoden umgehen damit oft Unternehmens-Sicherheitsrichtlinien.
Deswegen werden in Unternehmensnetzwerken Techniken bevorzugt, die sich ausdrücklich kooperativ mit NAT und Firewalls verhalten.
Sie müssen administrative Eingriffe an der NAT-Übergabestelle erlauben.
Die Standards Realm-Specific IP (RFC 3102, RFC 3103, RFC 3104) und Middlebox Communication (MIDCOM) finden aber kaum Anwendung.
SOCKS, das älteste Protokoll zur NAT-Durchdringung, ist weit verbreitet, findet aber wenig Anwendung.
Bei SOCKS baut der Client eine Verbindung zum SOCKS-Gateway auf (dieser ist meistens direkt mit dem Internet verbunden).
Die Kommunikation wirkt für den Kommunikationspartner so, als würde sie direkt vom SOCKS-Gateway stammen.
Bei Heimanwendungen wird Universal Plug and Play (UPnP) genutzt, was eine dynamische Konfiguration eines port-forwardings durch den Client selbst ermöglicht.
NAT-T findet Gebrauch bei IPsec-VPN, wenn IPsec (Encapsulating Security Payload) ESP-Pakete an Internet-Anschlüssen mit NATenden Routern genutzt wird.
Dabei werden die ESP-Pakete in UDP/4500 Pakete gepackt.
Einige Router unterstützen auch ESP-pass-through.
Dabei werden die ESP-Pakete direkt an das VPN-Gateway durchgereicht und auf NAT-T wird verzichtet.

Ein weiteres Beispiel für ein NAT-Traversal-Protokoll ist STUN[[3]], das eine hohe Bedeutung bei VoIP hat.

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 * Anwendungen, die sich typischerweise von Host zu Host verbinden (z. B. bei Peer-to-Peer- und IP-Telefonie-Anwendungen oder VPN-Verbindungen) benötigen NAT-Durchdringungstechniken.
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 * Viele Techniken benötigen die Hilfe eines für beide Parteien direkt öffentlich zugänglichen Servers.
 * Manche Methoden nutzen einen solchen Server nur für den Verbindungsaufbau.