NAT与内网穿透
在IPv4地址不够用的时候，我们需要使用NAT技术来让我们减少对公网IP的消耗，这样在在互联网上一个个的局域网可以消耗一个公网IP，但是随之而来的就是局域网中的设备的IP地址是内网IP地址，对于公网而言是没有意义的。
那么我们如果在自己的机器上开发了一个应用希望其他人可以访问到我们需要怎么做呢？
如果我们有一个静态的公网IP，那很简单，只需要做一下端口映射就可以了，将公网的IP+端口映射到我们内网的IP+端口，不过这种一般需要我们的路由器可以设置端口映射并具有公网的IP。
如果我们具有的是动态的公网IP，则我们需要在端口映射的基础上加上DDNS（动态域名解析），就是首先获取一个域名，并且内网的机器每隔一段时间对DDNS服务器发送请求，将自身内网IP与域名的映射关系不断刷新到DDNS服务器中。
如果你的机器隐藏在多重路由器之下或者NAT类型为NAPT，那么就需要内网穿透技术了。
NAT是什么
为什么需要NAT？
因为IPv4地址不够用，我们可以使用NAT去将局域网中的内部IP地址映射为公网的IP地址
定义
NAT名字很准确，网络地址转换，就是替换IP报文头部的地址信息。NAT通常部署在一个组织的网络出口位置，通过将内部网络IP地址替换为出口的IP地址提供公网可达性和上层协议的连接能力。那么，什么是内部网络IP地址？
RFC1918规定了三个保留地址段落：10.0.0.0-10.255.255.255；172.16.0.0-172.31.255.255；192.168.0.0-192.168.255.255。这三个范围分别处于A,B,C类的地址段，不向特定的用户分配，被IANA作为私有地址保留。这些地址可以在任何组织或企业内部使用，和其他Internet地址的区别就是，仅能在内部使用，不能作为全球路由地址。这就是说，出了组织的管理范围这些地址就不再有意义，无论是作为源地址，还是目的地址。对于一个封闭的组织，如果其网络不连接到Internet，就可以使用这些地址而不用向IANA提出申请，而在内部的路由管理和报文传递方式与其他网络没有差异。
对于有Internet访问需求而内部又使用私有地址的网络，就要在组织的出口位置部署NAT网关，在报文离开私网进入Internet时，将源IP替换为公网地址，通常是出口设备的接口地址。一个对外的访问请求在到达目标以后，表现为由本组织出口设备发起，因此被请求的服务端可将响应由Internet发回出口网关。出口网关再将目的地址替换为私网的源主机地址，发回内部。这样一次由私网主机向公网服务端的请求和响应就在通信两端均无感知的情况下完成了。依据这种模型，数量庞大的内网主机就不再需要公有IP地址了。
NAT原理
- 网络被分为私网和公网两个部分，NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置，双向流量必须都要经过NAT网关；
- 网络访问只能先由私网侧发起，公网无法主动访问私网主机；
- NAT网关在两个访问方向上完成两次地址的转换或翻译，出方向做源信息替换，入方向做目的信息替换；
- NAT网关的存在对通信双方是保持透明的；
- NAT网关为了实现双向翻译的功能，需要维护一张关联表，把会话的信息保存下来。
三种NAT技术
静态NAT
静态NAT就是一对一映射，内部有多少私有地址需要和外部通信，就要配置多少外网IP地址与其对应，并不节省外网IP，所以一般不用
动态NAT
动态NAT是在路由器上配置一个外网IP地址池，当内部有计算机需要和外部通信时，就从地址池里动态的取出一个外网IP，并将他们的对应关系绑定到NAT表中，通信结束后，这个外网IP才被释放，可供其他内部IP地址转换使用，这个DHCP租约IP有相似之处。
NPAT
这是最常用的NAT技术，也是IPv4能够维持到今天的最重要的原因之一，它提供了一种多对一的方式，对多个内网IP地址，边界路由可以给他们分配一个外网IP，利用这个外网IP的不同端口和外部进行通信。
内网穿透技术
NAT的弊端
NAT使IP会话的保持时效变短
因为一个会话建立后会在NAT设备上建立一个关联表，在会话静默的这段时间，NAT网关会进行老化操作。这是任何一个NAT网关必须做的事情，因为IP和端口资源有限，通信的需求无限，所以必须在会话结束后回收资源。通常TCP会话通过协商的方式主动关闭连接，NAT网关可以跟踪这些报文，但总是存在例外的情况，要依赖自己的定时器去回收资源。而基于UDP的通信协议很难确定何时通信结束，所以NAT网关主要依赖超时机制回收外部端口。通过定时器老化回收会带来一个问题，如果应用需要维持连接的时间大于NAT网关的设置，通信就会意外中断。因为网关回收相关转换表资源以后，新的数据到达时就找不到相关的转换信息，必须建立新的连接。当这个新数据是由公网侧向私网侧发送时，就会发生无法触发新连接建立，也不能通知到私网侧的主机去重建连接的情况。这时候通信就会中断，不能自动恢复。即使新数据是从私网侧发向公网侧，因为重建的会话表往往使用不同于之前的公网IP和端口地址，公网侧主机也无法对应到之前的通信上，导致用户可感知的连接中断。NAT网关要把回收空闲连接的时间设置到不发生持续的资源流失，又维持大部分连接不被意外中断，是一件比较有难度的事情。在NAT已经普及化的时代，很多应用协议的设计者已经考虑到了这种情况，所以一般会设置一个连接保活的机制，即在一段时间没有数据需要发送时，主动发送一个NAT能感知到而又没有实际数据的保活消息，这么做的主要目的就是重置NAT的会话定时器。
依赖IP进行主机跟踪的机制失效
NAT在实现上将多个内部主机发出的连接复用到一个IP上，这就使依赖IP进行主机跟踪的机制都失效了。如网络管理中需要的基于网络流量分析的应用无法跟踪到终端用户与流量的具体行为的关系。基于用户行为的日志分析也变得困难，因为一个IP被很多用户共享，如果存在恶意的用户行为，很难定位到发起连接的那个主机。即便有一些机制提供了在NAT网关上进行连接跟踪的方法，但是把这种变换关系接续起来也困难重重。基于IP的用户授权不再可靠，因为拥有一个IP的不等于一个用户或主机。一个服务器也不能简单把同一IP的访问视作同一主机发起的，不能进行关联。有些服务器设置有连接限制，同一时刻只接纳来自一个IP的有限访问(有时是仅一个访问)，这会造成不同用户之间的服务抢占和排队。有时服务器端这样做是出于DOS攻击防护的考虑，因为一个用户正常情况下不应该建立大量的连接请求，过度使用服务资源被理解为攻击行为。但是这在NAT存在时不能简单按照连接数判断。总之，因为NAT隐蔽了通信的一端，把简单的事情复杂化了。
对IP端到端模型的破坏
NAT通过修改IP首部的信息变换通信的地址。但是在这个转换过程中只能基于一个会话单位。当一个应用需要保持多个双向连接时，麻烦就很大。NAT不能理解多个会话之间的关联性，无法保证转换符合应用需要的规则。当NAT网关拥有多个公有IP地址时，一组关联会话可能被分配到不同的公网地址，这通常是服务器端无法接受的。更为严重的是，当公网侧的主机要主动向私网侧发送数据时，NAT网关没有转换这个连接需要的关联表，这个数据包无法到达私网侧的主机。这些反方向发送数据的连接总有应用协议的约定或在初始建立的会话中进行过协商。但是因为NAT工作在网络层和传输层，无法理解应用层协议的行为，对这些信息是无知的。
NAT工作机制依赖于修改IP包头的信息，这会妨碍一些安全协议的工作。因为NAT篡改了IP地址、传输层端口号和校验和，这会导致认证协议彻底不能工作，因为认证目的就是要保证这些信息在传输过程中没有变化。对于一些隧道协议，NAT的存在也导致了额外的问题，因为隧道协议通常用外层地址标识隧道实体，穿过NAT的隧道会有IP复用关系，在另一端需要小心处理。ICMP是一种网络控制协议，它的工作原理也是在两个主机之间传递差错和控制消息，因为IP的对应关系被重新映射，ICMP也要进行复用和解复用处理，很多情况下因为ICMP报文载荷无法提供足够的信息，解复用会失败。IP分片机制是在信息源端或网络路径上，需要发送的IP报文尺寸大于路径实际能承载最大尺寸时，IP协议层会将一个报文分成多个片断发送，然后在接收端重组这些片断恢复原始报文。IP这样的分片机制会导致传输层的信息只包括在第一个分片中，NAT难以识别后续分片与关联表的对应关系，因此需要特殊处理。
内网穿透的原理
内网穿透，又叫NAT（Network Address Translation）穿透。对于在NAT之后的节点来说，其不是不能主动访问公网端口，而是不能反过来有效的被公网访问。内网穿透的主要思路就是利用这一点，让在NAT之后的节点主动访问一个拥有公网IP地址的服务器，并由中间服务器搭桥，打通经过该服务器从其他主机到NAT之后节点的隧道。
同样该技术除了可以访问隐藏在NAT之后的节点，同样可以穿透防火墙。由于防火墙只拦截了入站没有拦截出站，所以可以让防火墙内的服务器主动连接到一个公网服务器打通隧道，并通过该隧道最终链接到本地的其他端口。
Step 1：打通隧道
出于安全起见，除非是主机主动向对方发出了连接请求（这时会在该主机的数据结构中留下一条记录），否则，当主机接收到数据包时，如果在其数据结构中查询不到对应的记录，那些不请自来的数据包将会被丢弃。因此，位于不同局域网内的两台主机，即使是知道了对方的 IP 地址和端口号，“一厢情愿”地将数据包发送过去，对方也是接收不到的，所以我们首先需要打通隧道。假设公网IP为X.X.X.X，内网IP为192.168.1.2。公网主机先监听80端口，监听这个端口是用于向外部提供一个HTTP服务，80是WEB服务器的默认端口。同时其他任意一个端口（这里我们假设为7777），监听这个端口是用于让内网服务器主动连接进来打通一个隧道。接着内网再主动向公网主机的7777发起一个请求，这样内网就成功与公网主机建立了一个连接通道。然后当有任何客户端主动连接公网的80端口时，公网接收到连接请求之后马上把这连接请求通过先前建立好的隧道转发到内网主机。Step 2：端口转发（公网主机80端口 转发至 内网80端口）
当有任何客户端主动连接公网的80端口时，公网接收到连接请求之后马上把这连接请求通过先前建立好的隧道转发到内网主机，内网主机接收到来自隧道的数据包后再主动连接内网主机自身的80端口，连接成功之后将数据包原封不动地转发数据包给80端口。Step 3：原路转发响应报文
内网主机接收到来自隧道的数据包后再主动连接内网主机自身的80端口，连接成功之后将数据包原封不动地转发数据包给80端口，待HTTP服务器程序处理完这个数据包，生成了响应报文之后再原路转发回去，最终到达公网的80端口，然后返回给最开始请求公网服务器80端口的客户端。
总的来说，内网穿透技术可以适用于所有能够连通公网的机器，提供了一个通用的打通内网的方式。
示例
参考文章：
https://www.jianshu.com/p/62028875d53e