Network Address Translation

Network Address Translation, Netzwerkadressübersetzung (NAT) ist eine Technik zur Übersetzung von IP-Adressen

Beschreibung

• In Rechnernetzen der Sammelbegriff bei Änderungen von Adressen im IP-Header von IP-Paketen (Layer-3 des OSI-Modells)
• NAT (genauer SNAT) ermöglicht die gleichzeitige Verwendung einer öffentlichen Adresse durch mehrere Hosts.
• Üblicherweise übernimmt der Router im Netzwerk die SNAT, der die Verbindung zum Internet herstellt.
• Oft ist 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 [2] 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-Adresse 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

Grundfunktion

• 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 etwa 3 MB Speicherplatz

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.

lokales Netz (Local Area Network/LAN)			öffentliches Netz (Wide Area Network/WAN)
Quelle	Ziel	Router ===== = =====> NAT	Quelle	Ziel
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 enthält:

1. Als Ziel-MAC-Adresse die MAC-Adresse des Source-NAT-Routers.
2. Die Ziel-IP-Adresse des Empfängers (hier 170.0.0.1).
3. Die Ziel-Portadresse für den Server.
4. Die MAC- und IP-Adresse des Absenders (hier 192.168.0.4).
5. Einen Absenderport (irgendeinen freien Port (high dynamic Port)) für die gerade anfragende Sitzung.
6. Sowie andere (Nutz)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[3](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.

öffentliches Netz (WAN)			lokales Netz (LAN)
Quelle	Ziel	Router ===== = =====> NAT	Quelle	Ziel
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:

Full Cone NAT

• 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.

Restricted Cone NAT

• 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.

Port Restricted Cone NAT

• 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.

Symmetric-NAT

• 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 das Umschreiben von Protoko
• Ein Problem an NAT ist, dass die sall-Headern, was einem Man-in-the-middle-Angriff (MITM-Angriff[4]) ähnelt, haben insbesondere ältere Protokolle und Verschlüsselungsverfahren auf Netzwerk- und Transportebene durch diesen Designbruch Probleme.
• Ebenso leiden insbesondere Netzwerkdienste, die Out-of-Band-Signalisierung (Telekommunikationssignalisierung) und Rückkanäle einsetzen, etwa IP-Telefonie-Protokolle, unter Komplikationen durch NAT-Gateways.
• Das Ende-zu-Ende Prinzip (Direktverbindung) wird verletzt, indem der NAT-Router das IP-Paket bzw. TCP-Segment verändert, ohne dass er selbst der verschickende Host ist.

NAT-Traversal

• IPsec mit NAT-Traversal, oft nur als NAT-Traversal oder NAT-T bezeichnet, ist ein Verfahren zum Beheben von Problemen mit IPsec und Network Address Translation (NAT)[5].
• NAT-T findet Gebrauch bei IPsec-VPN, wenn IPsec (Encapsulating Security Payload) ESP-Pakete an Internet-Anschlüssen mit NATend Routern nutzt.
• Dabei werden die ESP-Pakete in UDP/4500 Pakete gepackt.
• Network Address Translation bricht das Gebot der Ende-zu-Ende-Konnektivität.

Techniken

• 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.

Protokolle

• 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.
• Einige Router unterstützen auch ESP-pass-through[6].
• 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[7], das eine hohe Bedeutung bei VoIP hat.

Links

Weblinks

1. https://de.wikipedia.org/wiki/Port_Address_Translation
2. http://www.hh.schule.de/ak/nt/einwahlv.htm
3. https://de.ryte.com/wiki/Tupel
4. https://de.wikipedia.org/wiki/Man-in-the-Middle-Angriff#
5. https://www.ip-insider.de/was-ist-nat-traversal-nat-t-a-921138/
6. https://de.wikipedia.org/wiki/IPsec#Encapsulating_Security_Payload_(ESP)
7. https://de.wikipedia.org/wiki/Session_Traversal_Utilities_for_NAT
8. https://de.wikipedia.org/wiki/Netzwerkadressübersetzung

Testfragen

Testfrage 1

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Testfrage 5

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