本节的内容是网络地址转换，这也是我们的家用光猫和路由器一般都会具备的基本功能。介绍公网和私网IP地址，以及网络地址转换的方法，主要是NAT和NAPT。
公网IP与私网IP
前面的内容中我们学习过IP地址分类以及几类特殊的IP地址，现在我们从公网和私网的角度对IP地址进行分类，理解并记忆它们的区别。
首先，必须要解释一下公网和私网的概念：
公网，顾名思义，就是指“公共的网络”，不是由个人或某个单位内部自行搭建的，而是由国家的网络运营商进行建设和维护的，进行大范围远距离的网络通信。
私网，也就是“私有的网络”，也可以叫做“内网”，一般是某个单位内部自行建设的，比如一个公司、一个学校内部搭建的局域网，就属于私网。
那么为什么要区分公网和私网呢？这就要从IP地址资源的问题来谈，其实把IP地址分为公网的IP和私网的IP也是一种节约IP地址数量的手段，私网的IP只允许在某个内部网络中存在，而不能在公网上存在。互联网上的所有路由器，对于目的IP地址是私网IP的数据包一律不进行转发。
规定把这三类范围的IP地址作为私网地址：
10.0.0.0~10.255.255.255、172.16.0.0~172.31.255.255、192.168.0.0~192.168.255.255。
只要是在这三个范围之内的一个IP地址，都属于是私网地址，只能在内部网络中存在，在进行网络工程项目的IP地址规划的时候，这些IP地址都是可以用的，根据需求来规划。
NAT
上面说到，属于那三个地址范围的IP地址都是私网IP，只能在私网里面使用，但是私网的主机想要去访问公网，而发出去的数据包的源IP地址又是私网IP，不能在公网上使用，这时候就要借助于NAT技术进行地址的转换，使具有NAT功能的路由器作为公私网之间“沟通的中介”。
如下图所示，四台内网的主机（它们的IP地址可能是10.x.x.x/172.16.x.x~172.31.x.x/192.168.x.x）通过一个具有NAT功能的路由器访问公网：
NAT就是“Network Address Translation”，即网络地址转换，功能就是用来把私网IP地址转换为公网IP地址，公网IP地址转换为私网IP地址的。
那么路由器怎么运用这个NAT的功能对IP地址进行转换的呢？其实说到本质，就是在IP数据包首部上做文章，IP首部包含源IP地址和目的IP地址这两个字段，只要数据包经过这个NAT路由器时，在这两个字段的内容上做一下修改即可完成地址的转换。
一个具有NAT功能的路由器可以具有多个公网IP、多个私网IP，路由器完成NAT转换，依据的是NAT转换表，在这个转换表里面记录着内网的某个IP访问外网要转换成某个公网的IP。
下面举一个例子，如图所示：
上图的左半边是一个单位的私网，右半边是公网，中间一个NAT路由器作为该单位的出口路由器， 两台私网的主机A和B通过NAT路由器和公网的一台主机C实现互访：
NAT路由器存储的NAT转换表是这样的：
| 方向 | 字段 | IP地址（NAT转换前） | IP地址（NAT转换后） |
|---|---|---|---|
| 出 | 源IP | 192.168.5.1 | 172.38.1.4 |
| 出 | 源IP | 192.168.5.2 | 172.38.1.5 |
| 入 | 目的IP | 172.38.1.4 | 192.168.5.1 |
| 入 | 目的IP | 172.38.1.5 | 192.168.5.2 |
主机A发出数据包（目的IP地址是66.66.66.66，源IP地址是192.168.5.1），数据包到达路由器之后，路由器发现这是一个私网主机要去访问公网的数据包，而192.168.5.1这个私网IP不能在公网上存在啊，路由器就开始运用NAT，把此数据包首部的源IP替换为172.38.1.4，发送到公网上，而原数据包的目的IP是不能变的。
主机C收到数据之后，要给主机A回复应答数据包，主机C发出数据包（目的IP为172.38.1.4，源IP为66.66.66.66），中间可能会经过好多路由器，最终到达离主机A最近的那个NAT路由器，路由器通过查询自己NAT表发现，要把此数据包的目的IP转换为192.168.5.1，交给主机A。
这就是路由器进行NAT转换的工作原理。
你可能会有这样的疑问：为什么主机C发出的数据包，目的IP是172.38.1.4，而不直接是主机A的IP呢？
这是因为：首先，主机C第一次收到A发来的数据包的时候，数据包的源IP是172.38.1.4，主机C就会以为这就是A的IP地址，它并不知道A的真实IP其实是192.168.5.1，实际上即使它知道A的真实IP，数据包也到达不了A，因为公网上的所有路由器不会转发带有私网IP的数据包。
NAPT
上面我们讲的例子，是一个极其简单的情况，内网有两台主机，路由器也有两个公网IP，当内网的主机想要访问外网的时候，轮流使用这两个公网IP。
但是在很多的情况下，往往比较复杂，一个公司可能有几十台主机，要同时访问公网的话，那么就需要出口路由器具备几十个公网IP吗？显然不现实，因为公网IP资源很宝贵，而且要这样做的话，也不会体现出使用NAT技术之后，能够节约IP地址的资源。
在很多情况下，一般是几十个私网IP都转换成同一个公网IP去访问公网。这种一个公网IP同时可以分配给多个私网的主机去访问公网使用的技术正是NAPT。
NAPT是指“Network Address Port Translation”，即“网络地址与端口号转换”，这个技术应用了端口号的概念，而端口号是传输层的一个概念，现在先不用深入了解，学到传输层的时候会介绍到。
使用了NAPT技术以后，多个私网的主机同时访问公网的时候，路由器会把多个私网IP转换为同一个公网IP，只不过是使用不同的端口号，这样内网的规模越大，就越能体现出NAT技术能够节约公网IP地址资源的效果。
本节内容我们学习了公网、私网、NAT以及NAPT，简单的介绍了其转换过程，这一部分内容还是比较重要的，尤其是我们家庭入网的无线路由器一般也是这样的。下一节我们介绍网络层的另一个重要的协议——ICMP协议。
参考教材：谢希仁《计算机网络》第七版