NAT (Network Address Translation) для новичков и не только

Приветствую всех читателей данной статьи!

Данная статья будет полезна как новичкам, так и опытным системным администраторам/ сетевым инженерам. Здесь затрагиваются понятия и принцип работы технологии NAT, ее значение в наше время, виды и создание с конфигурированием в программе-симуляторе Cisco Packet Tracer.

Введение

Интернет - всемирная система, состоящая из объединенных компьютерных сетей на базе протокола TCP/IP.

Сейчас интернет - это не просто сеть, а целая информационная вселенная, подчиняющаяся техническим, социальным и государственным законам в различных ее частях. В современном мире люди не обходятся без доступа во всемирную паутину. Интернет открывает множество возможностей получения информации из любой точки мира.

На данный момент в интернете больше всего распространены IP адреса версии - IPv4. Это позволяет создать 4.3 млрд. IP-адресов. Однако этого, казалось бы, большого количества критично не хватает. Чтобы решить эту проблему - был создан механизм преобразования сетевых адресов - NAT.

С задачей объединения устройств в единую сеть помогают различные компании, занимающиеся разработкой и внедрением сетевого оборудования.На сей момент на рынке сетевого оборудования доминируют компании Cisco Systems и Huawei. В данной статье будем вести работу с оборудованием Cisco.

Cisco Systems разработала собственную специальную межсетевую ОС для работы с оборудованием под названием IOS (Internet Operating System). IOS - многозадачная операционная система, выполняющая функции сетевой организации, маршрутизации, коммутации и передачи данных. ОС IOS представляет собой сложную операционную систему реального времени, состоящую из нескольких подсистем и имеющую множество возможных параметров конфигурирования.

В операционной системе IOS представлен специфичный интерфейс командой строки CLI (Command Line Interface). В этом интерфейсе возможно использовать некоторое количество команд. Количество зависит от выбранного режима и от уровня привилегий пользователя (пользовательский, привилегированный, глобальной конфигурации и специфической конфигурации).

Нехватка IP адресов. Технология NAT

В 80х годах ХХ века заложили основу IPv4, позволяющую создавать ~4.3 млрд. адресов, но никто не предполагал, что этот запас так быстро иссякнет. С каждым годом появлялось все больше и больше пользователей и с 25 ноября 2019г. в России и в Европе официально закончились IP адреса. Лимит исчерпан.

Для решения этой проблемы было придумано несколько способов:
Первый способ заключается в усилении контроля за IP адресами.

Пусть существует некоторый сайт N с IPv4 xxx.xxx.xxx.xxx, и его хост решил прекратить его поддержание данного сайта. Сайт заброшен, а IP продолжает числиться как занятый и таких случаев может быть очень много. То бишь необходимо провести "инвентаризацию" IP адресов и изъять неиспользуемые/заброшенные.

Второй способ - в массовом использовании системы IPv6.

Протокол IPv6 разработан как преемник протокола IPv4. Основные преимущества IPv6 над IPv4 заключаются в увеличенном адресном пространстве (IPv4 имел 32 бита, что ровнялось 2³² адресам, а IPv6 имел 128 бит, что ровнялось 2¹²⁸ адресам), 6 версия протокола стала безопаснее (т.к. в v4 не предусматривались многие аспекты безопасности, ибо расчет был на сторонние ПО, а в v6 появились контрольные суммы и шифрование пакетов), однако это далеко не все преимущества IPv6 над IPv4.

Проблема, казалось бы, решена, однако перейти с протокола IPv4 на IPv6 вызывает трудности, потому что эти протоколы несовместимы. И изюминкой причины тяжелого перехода на 6 версию протокола является денежная стоимость. Многие кампании не готовы вложить достаточное кол-во средств для перехода, хоть и стоит отметить, что процесс перехода с 4 на 6 версию постепенно идет.

И третий способ - использование технологии трансляции сетевых адресов - NAT.

Cогласно документу RFC 1918, IANA зарезервировала 3 блока адресов для частных IP (серых) (рис 1), остальные же IP адреса носят название публичных адресов (белых).

Network Address Translation - это механизм в сетях TCP/IP, позволяющий изменять IP адрес в заголовке пакета, проходящего через устройство маршрутизации трафика.
Принимая пакет от локального компьютера, маршрутизатор смотрит на IP-адрес назначения. Если это локальный адрес, то пакет пересылается другому локальному компьютеру. Если нет, то пакет надо переслать наружу в интернет.

Маршрутизатор подменяет обратный IP-адрес пакета на свой внешний (видимый из интернета) IP-адрес и меняет номер порта (чтобы различать ответные пакеты, адресованные разным локальным компьютерам). Комбинацию, нужную для обратной подстановки, маршрутизатор сохраняет у себя во временной таблице. Через некоторое время после того, как клиент и сервер закончат обмениваться пакетами, маршрутизатор сотрет у себя в таблице запись об n-ом порте за сроком давности.

Основная функция NAT - сохранение публичных адресов, однако дополнительной функцией является конфиденциальность сети, путем скрытия внутренних IPv4 адресов от внешней.

Существует множество типов технологии NAT, однако основными  принято считать: Статический NAT (Static Network Address Translation), Динамический NAT (Dynamic Network Address Translation) и Перегруженный NAT (Network Address Translation Overload).

Статический NAT применяют для отображения незарегистрированного IP-адреса на зарегистрированный IP-адрес на основании один к одному. Особенно полезно, когда устройство должно быть доступным снаружи сети.

Статический NAT используется чаще всего в корпоративных сетях, когда необходимо, чтобы какой-либо IP адрес всегда был доступен из глобальной сети. Зачастую статическим IP наделяют сервера и помещают их в DМZ (рис 2).

Динамический NAT отображает незарегистрированный IP-адрес на зарегистрированный адрес из группы зарегистрированных IP-адресов. Динамический NAT также устанавливает непосредственное отображение между незарегистрированными и зарегистрированными адресами, но отображение может меняться в зависимости от зарегистрированного адреса, доступного в пуле (pool - диапазон) адресов, во время коммуникации.

Перегруженный NAT. Этот тип NAT'a имеет множество названий:
NAT Overload, Many-to-One, PAT (Port Address Translation) и IP Masquerading, однако в большинстве источников указывается как NAT Overload. Перегруженный NAT - форма динамического NAT, который отображает несколько незарегистрированных адресов в единственный зарегистрированный IP-адрес, используя различные порты. При перегрузке каждый компьютер в частной сети транслируется в тот же самый адрес, но с различным номером порта.

Подготовка компьютерной сети
Логическая схема топологии сети будет выглядеть как показано на изображении (рис 3)

Отнесем PC - станции во VLAN 2, а сервер во VLAN 3. Для этого нужно настроить коммутатор S0 (рис 4). Для того, чтобы определить PC пользователей в отдельный VLAN, необходимо создать VLAN 2 и в 3 запихнуть сам сервер (удобства ради еще и обзовем VLAN'ы именами) (показано синим на рис 4), определить область портов коммутатора, которые будут входить во VLAN 2,3 и прописать соответствующие команды (показано красным на рис 4).  Следующая задача – определить один порт типа trunk, для взаимодействия с маршрутизатором (показано зеленым рис 4). Таким образом, коммутатор выступает в роли "посредника" между оконечными устройствами и маршрутизатором.

Теперь нужно настроить непосредственно маршрутизатор. Технология sub-interface позволяет объединять несколько виртуальных интерфейсов в один и подключить их к физическому интерфейсу (на маршрутизаторе выбран физический интерфейс fa0/0). Необходимо  дать для каждого VLAN'а свой под-интерфейс (показано красным на рис 5) и выдать им IP адрес (показано зеленым на рис 5).
Таким образом, в будущем мы будем NAT'ить трафик.

Дальше я бы посоветовал бы настроить протокол динамической выдачи IP адреса - DHCP, ибо прописывать каждому PC свой адрес - то еще "удовольствие"...

! Важно, чтобы сервер(а) всегда были со статичным IP адресом !

Дадим серверу статичный IP 192.168.3.2, а остальных оставим для динамического распределения адресов.

После настройки DHCP, нужно прописать на каждом саб-интерфейсе в R0 команду "ip helper-address 192.168.3.2", тем самым указывая, куда стоит обращаться для получения IP адреса.
После данной команды, устройства получат запрашиваемые IP адреса.

Пингуем с рандомного ПК сам сервер (1 пинг) и шлюзы маршрутизатора (2- 3 пинг) (рис 6).

Дальше для удобства будем эмулировать подключение к провайдеру, путем создания в программе-симуляторе РС провайдера, сервера Serv2 с IP 213.234.60.2 (эмулирующий остальную сеть интернет) и роутера R3.

Настройка NAT

Ну и наконец-то мы дошли до самой настройки NAT...
Для внедрения NAT нужно определиться какие порты будут внешними(outside), а какие внутренними(inside).

Статичный NAT сопоставляет внутренний и внешний адреса один к одному, поэтому настроим Serv2 таким образом, чтобы любой компьютер мог подключиться к серверу, а сервер к компьютеру - нет. Для этого необходимо прописать следующие команды (рис 7):

По итогу, любой компьютер, находящийся во 2 VLAN'е может пинговать сервер провайдера, а обратно - нет (рис 8). Аналогично проделываем для Serv1, находящимся во VLAN 3.

А теперь, на финал, внедрим NAT Overload на R0.

Для этого создадим ACL и пропишем там сети, которые должны "натиться" (показано синим на рис 9) и, показав что нужно "натить", активируем лист (показано красным на рис 9).

Таким образом, реализовав статическую и динамическую (типа PAT) настройку NAT, мы смогли защитить небольшую сеть от подключения извне.

Надеюсь вам понравилась данная статья.

Спасибо за ее чтение, всем хорошего настроения :)

P.S. Статью пишу впервые, не судите строго :)