NAT原理实验在仿真器中的设计与实现

2014-12-25田安红付承彪

实验技术与管理 2014年9期

田安红，付承彪

（曲靖师范学院计算机科学与工程学院，云南曲靖 655011）

计算机网络及实验课程是我院计算机专业学生必修的专业基础课程［1－3］，该课程注重理论与实践结合，实践性非常强。在计算机网络实验课中，一般都涉及到 NAT（network address translation）、ACL、VPN 等内容，其中NAT实验内容学生难于理解和掌握，主要原因在于高校实验设备环境缺乏［4－7］，NAT实验至少需要一个合法公有IP地址，然而对我校来说，ISP只分配了一个公有IP地址，显然无法完成NAT实验内容。为了让学生更好地理解与掌握网络实验知识，笔者在实际的实验教学过程中，引入了Cisco Packet Tracer模拟仿真软件［8－9］，该软件可模拟真实的网络环境，通过在模拟软件上配置NAT功能，便于学生理解和掌握NAT实验。

1 NAT技术原理

网络地址转换是将内部网络的私有地址转换为Internet中合法的、全局公有IP地址的转换技术［10－13］，现在的路由器一般都集成了 NAT功能。网络地址的转换过程如图1所示。

图1 网络地址转换过程

当内部网络主机PC1（192.168.2.23）需要与外网主机PC2（192.31.7.130）进行通信时，需要采用 NAT技术把内部的私有地址转化成Internet中合法的公有地址。此时，PC1向PC2发送数据报Packet1，NAT网关在检查数据报头信息时，获知该数据报的目的地址是外网，NAT网关将Packet1源地址中的私有地址192.168.2.23转换为Internet中合法的公有地址203.10.5.23，同时将 Packet1继续发送到外网主机PC2中；当外部主机PC2接收到该数据报，并且给内网PC1发送应答数据报文Packet2，Packet2到达网关后，网关再次检查报文的头部信息，且查询网络地址转换映射表信息，将内部PC1的私有地址192.168.2.23替换公有目的地址203.10.5.23。从NAT技术原理可知，NAT技术可以在两个方向上隐藏内部私有地址，并保护内网的主机［14－16］，同时 NAT技术也实现了内网访问外网的功能。

2 实验设计过程

2.1 实验拓扑结构图

结合网络地址的转换工作原理，本实验采用如图2所示的拓扑结构图。图2中有一个型号为2811的路由器，该路由器已经集成了NAT功能，它包含一个校园网络和一个因特网络。实验的目的在于通过NAT技术，实现校园网访问因特网的功能，并且因特网可以访问校园网的HTTP服务。

图2 实验拓扑结构图

在图2中，因特网中的Server1和PC0都不配置网关，而校园网中的主机和服务器要配置网关，按照实验拓扑结构图，主机和服务器的IP地址配置如表1所示。

表1 IP地址配置表

依据NAT技术原理，具体的主要仿真过程为：路由器IP地址配置、启用NAT服务并实现校园网访问因特网、配置NAT端口映射并实现因特网访问校园网的HTTP服务。

2.2 路由器IP地址配置

由图2可知，路由器的f0／1端口连接因特网，该端口的IP地址为200.200.200.1，子网掩码为255.255.255.0；f0／0端口连接校园网络，该端口的IP地址为192.168.0.1，子网掩码为255.255.255.0。因此配置路由器的IP地址步骤如下：

2.3 启用NAT服务，校园网访问因特网

为了实现校园网成功访问因特网的服务，需要进一步配置NAT服务，本实验的NAT配置过程如下：

用校园网中的Laptop0笔记本访问因特网中的服务器Server1和主机PC0，连接成功（如图3所示），说明NAT服务已经启用成功。

图3 校园网成功访问因特网

2.4 配置NAT端口映射，因特网访问校园网服务

为了进一步实现因特网能够访问校园的某些服务，如HTTP服务。假设修改校园网中服务器Server0的 HTTP服务的网页内容为“Welcom to qjnu？！”，HTTP设置为启用状态（如图4所示）。

当启用因特网中的主机PC0的Web浏览器，输入http：／／200.200.200.1，无法访问校园网的 HTTP服务。

校园网可以访问因特网，实际中是利用200.200.200.1地址和因特网通信，因特网并不知道真正通信的校园主机是哪一台，一定程度上保护了校园网的隐私，但有些时候，希望校园网的某些服务器可以被因特网访问。如果校园网的服务器想被因特网访问，需要继续配置路由器。Web服务器是80端口，用的是TCP协议。

图4 Server0服务器的HTTP服务设置界面

此时，启用因特网中的主机PC0的Web浏览器，输入http：／／200.200.200.1，显示 Welcome to qjnu？！，访问成功（如图5所示）。

图5 因特网成功访问校园网HTTP服务界面

以上详细介绍了在模拟软件环境下的NAT配置实验设计过程，并成功实现了校园网访问因特网的功能和因特网访问校园网的HTTP服务功能。

3 结论

随着Internet的日益飞速发展，IPv4的地址已日趋匮乏，IPv6还未大规模使用。对于逐渐壮大的校园网络来讲，学校所拥有的合法公有IP地址无法满足庞大的校园网络主机需求，针对这一问题，可以采用NAT技术，NAT技术利用少量公有IP地址能够实现校园网络中若干台主机访问Internet服务的功能。NAT技术是计算机网络课程的教学重点和难点内容，在本实验设计中，笔者采用Cisco Packet Tracer模拟软件搭建了NAT实验环境，降低了教学难度，使学生便于理解和掌握NAT工作原理，增强了学生的学习兴趣，培养了综合运用所学知识的能力，教学效果较好。

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