Проведем аналогию, которая прояснит принцип использования портов. Допустим, у компании есть один общий телефонный номер. Когда человек набирает этот номер, он слышит голос оператора, который спрашивает, с кем именно нужно соединиться, и подключает звонящего к соответствующему добавочному номеру. Основной номер является аналогией IP-адреса абонента, а добавочные на обоих концах аналогичны портам. Для адресации портов используется 16-битное поле, которое идентифицирует процесс, получающий входящий пакет.

С помощью поля Source port решается проблема отображения адресов. Когда исходящий пакет приходит в NAT-блок, адрес источника вида 10.x.y.z заменяется настоящим IP-адресом. Кроме того, поле Source port TCP заменяется индексом таблицы перевода NAT-блока, содержащей 65 536 записей. Каждая запись включает исходный IP-адрес и номер исходного порта. Наконец, пересчитываются и вставляются в пакет контрольные суммы заголовков TCP и IP. Поле Source port нужно заменять, поскольку устройства с местными адресами 10.0.0.1 и 10.0.0.2 могут случайно пожелать воспользоваться одним и тем же портом (5000-м, например). Так что для однозначной идентификации процесса отправителя единственного поля Source port оказывается недостаточно.

Когда пакет прибывает на NAT-блок со стороны провайдера, извлекается значение поля Destination port заголовка TCP. Оно используется в качестве индекса таблицы отображения NAT-блока. По найденной в этой таблице записи определяются внутренний IP-адрес и настоящий порт TCP. Эти два значения вставляются в пакет. Затем заново подсчитываются контрольные суммы TCP и IP. Пакет передается на главный маршрутизатор абонента для нормальной доставки с адресом вида 10.x.y.z.

Хотя описанная выше схема частично решает проблему нехватки IP-адресов, сетевые пуристы из IP-сообщества рассматривают NAT как некую заразу, распространяющуюся по земле. И их можно понять. Во-первых, сам принцип NAT никак не вписывается в архитектуру IP, которая подразумевает, что каждый IP-адрес уникальным образом идентифицирует только одно устройство в мире. Вся программная структура интернета построена на этом факте. При использовании NAT получается, что тысячи компьютеров могут (и так происходит в действительности) иметь адрес 10.0.0.1.

Во-вторых, NAT нарушает «сквозной» принцип, согласно которому каждый хост должен уметь отправлять пакет любому другому хосту в любой момент времени. Поскольку отображение адресов в NAT-блоке задается исходящими пакетами, входящие пакеты не принимаются до тех пор, пока не отправлены исходящие. На деле это означает, что пользователь домашней сети с NAT может создать TCP/IP-соединение с удаленным сервером, но удаленный пользователь не может подключиться к игровому серверу в домашней сети. Чтобы это сделать, необходимы специальные настройки или методы обхода NAT (NAT traversal).

В-третьих, NAT превращает интернет из сети без установления соединения в нечто, напоминающее сеть, ориентированную на его установление. Проблема в том, что NAT-блок должен поддерживать таблицу отображения для всех соединений, проходящих через него. Запоминать состояние подключений — задача сетей, ориентированных на установление соединения, но никак не сетей без него. Если NAT-блок выходит из строя, а его таблицы отображения теряются, то про все проходящие через него TCP-соединения можно забыть. Без NAT сбой или перезагрузка маршрутизатора не оказывают никакого эффекта на TCP-соединение. Отправляющий процесс просто ждет несколько секунд и отправляет все неподтвержденные пакеты заново. С NAT интернет становится таким же восприимчивым к сбоям, как сеть с коммутацией каналов.

В-четвертых, NAT нарушает одно из фундаментальных правил построения многоуровневых протоколов: уровень k не должен строить никаких предположений относительно того, что именно уровень k + 1 поместил в поле Payload. Этот принцип обеспечивает независимость уровней друг от друга. Если когда-нибудь на смену ТСР придет ТСР-2, у которого будет другой формат заголовка (например, 32-битная адресация портов), то NAT потерпит фиаско. Вся идея многоуровневых протоколов состоит в том, чтобы изменения в одном уровне никак не влияли на остальные уровни. NAT разрушает эту независимость.

В-пятых, процессы в интернете вовсе не обязаны использовать только TCP или UDP. Если пользователь устройства А придумает новый протокол транспортного уровня для общения с пользователем устройства В (например, с целью поддержки какого-либо мультимедийного приложения), то ему придется бороться с тем, что NAT-блок не сможет корректно обработать поле TCP Source port.

В-шестых, некоторые приложения предусматривают использование множественных TCP/IP-соединений или UDP-портов. Так, стандартный протокол передачи файлов (File Transfer Protocol, FTP) вставляет IP-адрес в тело пакета, чтобы затем получатель извлек его оттуда и обработал. Так как NAT об этом не знает, он не сможет переписать адрес или как-то иначе его обработать. Это озна­чает, что FTP и другие приложения, например протокол интернет-телефонии H.323 (мы рассмотрим его в главе 7), не смогут работать с NAT, если не будут приняты специальные меры. Зачастую NAT можно исправить и заставить его корректно работать в этих случаях, но невозможно дорабатывать его всякий раз, когда появляется новое приложение.

Наконец, поскольку поле TCP Source port является 16-разрядным, то одному IP-адресу может соответствовать максимум 65 536 устройств. На самом деле это число несколько меньше: первые 4096 портов зарезервированы для служебных нужд. В общем, если есть несколько IP-адресов, то каждый из них может поддерживать до 61 440 устройств.

Эти и другие проблемы, связанные с NAT, обсуждаются в RFC 2993. Несмотря на все трудности, NAT представляет собой единственный работающий механизм борьбы с дефицитом IP-адресов. Поэтому он широко применяется на практике, особенно в домашних сетях и сетях небольших компаний. Теперь NAT активно использует межсетевые экраны и средства обеспечения конфиденциальности и по умолчанию блокирует все нежелательные входящие пакеты. Поэтому маловероятно, что эта технология исчезнет после внедрения IPv6.

5.7.3. Протокол IP версии 6

Протокол IP активно применяется вот уже десятки лет и работает превосходно, что подтверждается экспоненциальным ростом интернета. К сожалению, он стал жертвой собственной популярности: его адресное пространство заканчивается. Даже несмотря на то что CIDR и NAT используют это пространство достаточно экономно, последние адреса IPv4 были выделены 25 ноября 2019 года. Надвигающуюся угрозу заметили почти 20 лет назад, и вопрос о том, что с этим делать, вызвал в интернет-сообществе бурю дискуссий и скандалов.

В этом разделе мы обсудим проблему и несколько предлагаемых решений. Единственной перспективной идеей является переход к более длинным адресам. IP версии 6 (IP version 6, IPv6) — новая разработка, призванная заменить IPv4. IPv6 использует 128-битные адреса; в обозримом будущем дополнительного увеличения длины адреса, скорее всего, не потребуется. Но оказалось, что внедрить IPv6 не так просто. Это принципиально новый протокол сетевого уровня, несовместимый с IPv4, несмотря на многочисленные сходства с ним. Кроме того, компании и отдельные пользователи не понимают, почему им надо переходить