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# 41 | 案例篇：如何优化 NAT 性能？（上）
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你好，我是倪朋飞。
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上一节，我们探究了网络延迟增大问题的分析方法，并通过一个案例，掌握了如何用 hping3、tcpdump、Wireshark、strace 等工具，来排查和定位问题的根源。
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简单回顾一下，网络延迟是最核心的网络性能指标。由于网络传输、网络包处理等各种因素的影响，网络延迟不可避免。但过大的网络延迟，会直接影响用户的体验。
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所以，在发现网络延迟增大的情况后，你可以先从路由、网络包的收发、网络包的处理，再到应用程序等，从各个层级分析网络延迟，等到找出网络延迟的来源层级后，再深入定位瓶颈所在。
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今天，我再带你来看看，另一个可能导致网络延迟的因素，即网络地址转换（Network Address Translation），缩写为 NAT。
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接下来，我们先来学习 NAT 的工作原理，并弄清楚如何优化 NAT 带来的潜在性能问题。
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## NAT原理
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NAT 技术可以重写 IP 数据包的源 IP 或者目的 IP，被普遍地用来解决公网 IP 地址短缺的问题。它的主要原理就是，网络中的多台主机，通过共享同一个公网 IP 地址，来访问外网资源。同时，由于 NAT 屏蔽了内网网络，自然也就为局域网中的机器提供了安全隔离。
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你既可以在支持网络地址转换的路由器（称为 NAT 网关）中配置 NAT，也可以在 Linux 服务器中配置 NAT。如果采用第二种方式，Linux 服务器实际上充当的是“软”路由器的角色。
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NAT 的主要目的，是实现地址转换。根据实现方式的不同，NAT 可以分为三类：
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* 静态 NAT，即内网 IP 与公网 IP 是一对一的永久映射关系；
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* 动态 NAT，即内网 IP 从公网 IP 池中，动态选择一个进行映射；
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* 网络地址端口转换 NAPT（Network Address and Port Translation），即把内网 IP 映射到公网 IP 的不同端口上，让多个内网 IP 可以共享同一个公网 IP 地址。
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NAPT 是目前最流行的 NAT 类型，我们在 Linux 中配置的 NAT 也是这种类型。而根据转换方式的不同，我们又可以把 NAPT 分为三类。
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第一类是源地址转换SNAT，即目的地址不变，只替换源 IP 或源端口。SNAT 主要用于，多个内网 IP 共享同一个公网 IP ，来访问外网资源的场景。
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第二类是目的地址转换DNAT，即源 IP 保持不变，只替换目的 IP 或者目的端口。DNAT 主要通过公网 IP 的不同端口号，来访问内网的多种服务，同时会隐藏后端服务器的真实 IP 地址。
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第三类是双向地址转换，即同时使用 SNAT 和 DNAT。当接收到网络包时，执行 DNAT，把目的 IP 转换为内网 IP；而在发送网络包时，执行 SNAT，把源 IP 替换为外部 IP。
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双向地址转换，其实就是外网 IP 与内网 IP 的一对一映射关系，所以常用在虚拟化环境中，为虚拟机分配浮动的公网 IP 地址。
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为了帮你理解 NAPT，我画了一张图。我们假设：
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* 本地服务器的内网 IP 地址为 192.168.0.2；
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* NAT 网关中的公网 IP 地址为 100.100.100.100；
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* 要访问的目的服务器 baidu.com 的地址为 123.125.115.110。
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那么 SNAT 和 DNAT 的过程，就如下图所示：
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从图中，你可以发现：
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* 当服务器访问 baidu.com 时，NAT 网关会把源地址，从服务器的内网 IP 192.168.0.2 替换成公网 IP 地址 100.100.100.100，然后才发送给 baidu.com；
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* 当 baidu.com 发回响应包时，NAT 网关又会把目的地址，从公网 IP 地址 100.100.100.100 替换成服务器内网 IP 192.168.0.2，然后再发送给内网中的服务器。
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了解了 NAT 的原理后，我们再来看看，如何在 Linux 中实现 NAT 的功能。
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## iptables与NAT
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Linux 内核提供的 Netfilter 框架，允许对网络数据包进行修改（比如 NAT）和过滤（比如防火墙）。在这个基础上，iptables、ip6tables、ebtables 等工具，又提供了更易用的命令行接口，以便系统管理员配置和管理 NAT、防火墙的规则。
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其中，iptables 就是最常用的一种配置工具。要掌握 iptables 的原理和使用方法，最核心的就是弄清楚，网络数据包通过 Netfilter 时的工作流向，下面这张图就展示了这一过程。
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（图片来自 [Wikipedia](https://en.wikipedia.org/wiki/Iptables)）
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在这张图中，绿色背景的方框，表示表（table），用来管理链。Linux 支持 4 种表，包括 filter（用于过滤）、nat（用于NAT）、mangle（用于修改分组数据） 和 raw（用于原始数据包）等。
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跟 table 一起的白色背景方框，则表示链（chain），用来管理具体的 iptables 规则。每个表中可以包含多条链，比如：
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* filter 表中，内置 INPUT、OUTPUT 和 FORWARD 链；
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* nat 表中，内置PREROUTING、POSTROUTING、OUTPUT 等。
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当然，你也可以根据需要，创建你自己的链。
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灰色的 conntrack，表示连接跟踪模块。它通过内核中的连接跟踪表（也就是哈希表），记录网络连接的状态，是 iptables 状态过滤（-m state）和 NAT 的实现基础。
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iptables 的所有规则，就会放到这些表和链中，并按照图中顺序和规则的优先级顺序来执行。
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针对今天的主题，要实现 NAT 功能，主要是在 nat 表进行操作。而 nat 表内置了三个链：
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* PREROUTING，用于路由判断前所执行的规则，比如，对接收到的数据包进行 DNAT。
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* POSTROUTING，用于路由判断后所执行的规则，比如，对发送或转发的数据包进行 SNAT 或 MASQUERADE。
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* OUTPUT，类似于 PREROUTING，但只处理从本机发送出去的包。
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熟悉 iptables 中的表和链后，相应的 NAT 规则就比较简单了。我们还以 NAPT 的三个分类为例，来具体解读一下。
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### **SNAT**
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根据刚才内容，我们知道，SNAT 需要在 nat 表的 POSTROUTING 链中配置。我们常用两种方式来配置它。
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第一种方法，是为一个子网统一配置 SNAT，并由 Linux 选择默认的出口 IP。这实际上就是经常说的 MASQUERADE：
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$ iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.0/16 -j MASQUERADE
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```
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第二种方法，是为具体的 IP 地址配置 SNAT，并指定转换后的源地址：
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$ iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.2 -j SNAT --to-source 100.100.100.100
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### **DNAT**
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再来看DNAT，显然，DNAT 需要在 nat 表的 PREROUTING 或者 OUTPUT 链中配置，其中， PREROUTING 链更常用一些（因为它还可以用于转发的包）。
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```
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$ iptables -t nat -A PREROUTING -d 100.100.100.100 -j DNAT --to-destination 192.168.0.2
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### **双向地址转换**
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双向地址转换，就是同时添加 SNAT 和 DNAT 规则，为公网 IP 和内网 IP 实现一对一的映射关系，即：
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$ iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.168.0.2 -j SNAT --to-source 100.100.100.100
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$ iptables -t nat -A PREROUTING -d 100.100.100.100 -j DNAT --to-destination 192.168.0.2
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```
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在使用 iptables 配置 NAT 规则时，Linux 需要转发来自其他 IP 的网络包，所以你千万不要忘记开启 Linux 的 IP 转发功能。
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你可以执行下面的命令，查看这一功能是否开启。如果输出的结果是 1，就表示已经开启了 IP 转发：
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```
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$ sysctl net.ipv4.ip_forward
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net.ipv4.ip_forward = 1
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如果还没开启，你可以执行下面的命令，手动开启：
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$ sysctl -w net.ipv4.ip_forward=1
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net.ipv4.ip_forward = 1
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```
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当然，为了避免重启后配置丢失，不要忘记将配置写入 /etc/sysctl.conf 文件中：
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$ cat /etc/sysctl.conf | grep ip_forward
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net.ipv4.ip_forward=1
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讲了这么多的原理，那当碰到 NAT 的性能问题时，又该怎么办呢？结合我们今天学过的 NAT 原理，你先自己想想，动手试试，下节课我们继续“分解”。
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## 小结
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今天，我们一起学习了 Linux 网络地址转换 NAT 的原理。
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NAT 技术能够重写 IP 数据包的源 IP 或目的 IP，所以普遍用来解决公网 IP 地址短缺的问题。它可以让网络中的多台主机，通过共享同一个公网 IP 地址，来访问外网资源。同时，由于 NAT 屏蔽了内网网络，也为局域网中机器起到安全隔离的作用。
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Linux 中的NAT ，基于内核的连接跟踪模块实现。所以，它维护每个连接状态的同时，也会带来很高的性能成本。具体 NAT 性能问题的分析方法，我们将在下节课继续学习。
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## 思考
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最后，给你留一个思考题。MASQUERADE 是最常用的一种 SNAT 规则，常用来为多个内网 IP 地址提供共享的出口 IP。
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假设现在有一台 Linux 服务器，使用了 MASQUERADE 的方式，为内网的所有 IP 提供出口访问功能。那么，
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* 当多个内网 IP 地址的端口号相同时，MASQUERADE 还可以正常工作吗？
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* 如果内网 IP 地址数量或请求数比较多，这种方式有没有什么隐患呢？
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欢迎在留言区和我讨论，也欢迎你把这篇文章分享给你的同事、朋友。我们一起在实战中演练，在交流中进步。
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