9.如何优化 NAT 性能？（上）
9.如何优化 NAT 性能？（上）
1 | |
上一篇文章介绍了在发现网络延迟增大的情况后，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。
这一篇文章我们来介绍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。
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。
NAT原理
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。
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。
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：
静态 NAT，即内网 IP 与公网 IP 是一对一的永久映射关系；
动态 NAT，即内网 IP 从公网 IP 池中，动态选择一个进行映射；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
下面演示一下这个过程：
本地服务器的内网 IP 地址为 192.168.0.2；
NAT 网关中的公网 IP 地址为 100.100.100.100；
要访问的目的服务器 baidu.com 的地址为 123.125.115.110。
那么 SNAT 和 DNAT 的过程，就如下图所示：
从图中，你可以发现：
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；
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。
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。
iptables与NAT
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。
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，流程图如下：
（图片来自 Wikipedia）
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。
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：
filter 表中，内置 INPUT、OUTPUT 和 FORWARD 链；
nat 表中，内置PREROUTING、POSTROUTING、OUTPUT 等。
当然，你也可以根据需要，创建你自己的链。
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。
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。
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：
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。
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。
OUTPUT，类似于 PREROUTING，但只处理从本机发送出去的包。
熟悉 iptables 中的表和链后，相应的 NAT 规则就比较简单了。下面以 NAPT 的三个分类为例，来具体解读一下。
SNAT
SNAT 需要在 nat 表的 POSTROUTING 链中配置。我们常用两种方式来配置它。
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（地址伪装，灵活分配ip）：
1 | |
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：
1 | |
DNAT
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）。
1 | |
双向地址转换
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：
1 | |
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。
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：
1 | |
如果还没开启，可以执行下面的命令，手动开启：
1 | |
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：
1 | |
小结
这篇文章分析了 Linux 网络地址转换 NAT 的原理。
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。
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。
思考
。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。
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，
当多个内网 IP 地址的端口号相同时，MASQUERADE 还可以正常工作吗？
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？
问题1：Linux的NAT时给予内核的连接跟踪模块实现，保留了源IP、源端口、目的IP、目的端口之间的关系，多个内网IP地址的端口相同，但是IP不同，再nf_conntrack中对应不同的记录，所以MASQUERADE可以正常工作。
问题2：NAT方式所有流量都要经过NAT服务器，所以NAT服务器本身的软中断导致CPU负载、网络流量、文件句柄、端口号上限、nf_conntrack table full都可能是性能瓶颈。