¿Qué es y cómo funciona NAT?

Se abarcan las características, la terminología, las operaciones generales de cómo funciona NAT (Network Address Translation o Traducción de Direcciones de Red).

1. Características de NAT

No existen suficientes direcciones IPv4 públicas para asignar una dirección única a cada dispositivo conectado a Internet. Las redes suelen implementarse mediante el uso de direcciones IPv4 privadas, según se definen en RFC 1918. En la Imagen 1, se muestra el rango de direcciones incluidas en RFC 1918. Es muy probable que la computadora que utiliza para ver esta web tenga asignada una dirección privada.

Imagen 1: Direcciones IPv4 privadas

Estas direcciones privadas se utilizan dentro de una organización o un sitio para permitir que los dispositivos se comuniquen localmente. Sin embargo, como estas direcciones no identifican empresas u organizaciones individuales, las direcciones privadas IPv4 no se pueden enrutar a través de Internet. Para permitir que un dispositivo con una dirección IPv4 privada acceda a recursos y dispositivos fuera de la red local, primero se debe traducir la dirección privada a una dirección pública.

Imagen 2: Traducción entre direcciones privadas y públicas

Como se muestra en la Imagen 2, NAT proporciona la traducción de direcciones privadas a direcciones públicas. Esto permite que un dispositivo con una dirección IPv4 privada acceda a recursos fuera de su red privada, como los que se encuentran en Internet. La combinación de NAT con las direcciones IPv4 privadas resultó ser un método útil para preservar las direcciones IPv4 públicas. Se puede compartir una única dirección IPv4 pública entre cientos o incluso miles de dispositivos, cada uno configurado con una dirección IPv4 privada exclusiva.

Sin NAT, el agotamiento del espacio de direcciones IPv4 habría ocurrido mucho antes del año 2000. Sin embargo, NAT presenta algunas limitaciones, las cuales se analizan más adelante. La solución al agotamiento del espacio de direcciones IPv4 y a las limitaciones de NAT es la transición final a IPv6.

2. ¿Qué es NAT?

NAT tiene muchos usos, pero el principal es conservar las direcciones IPv4 públicas. Esto se logra al permitir que las redes utilicen direcciones IPv4 privadas internamente y al proporcionar la traducción a una dirección pública solo cuando sea necesario. NAT tiene el beneficio adicional de proporcionar cierto grado de privacidad y seguridad adicional a una red, ya que oculta las direcciones IPv4 internas de las redes externas.

Los routers con NAT habilitada se pueden configurar con una o más direcciones IPv4 públicas válidas. Estas direcciones públicas se conocen como “conjunto de NAT“. Cuando un dispositivo interno envía tráfico fuera de la red, el router con NAT habilitada traduce la dirección IPv4 interna del dispositivo a una dirección pública del conjunto de NAT. Para los dispositivos externos, todo el tráfico entrante y saliente de la red parece tener una dirección IPv4 pública del conjunto de direcciones proporcionado.

Imagen 3: Frontera de NAT

En general, los routers NAT funcionan en la frontera de una red de rutas internas. Una red de rutas internas es aquella que tiene una única conexión a su red vecina, una entrada hacia la red y una salida desde ella. En el ejemplo de la Imagen 3, el R2 es un router de frontera. Visto desde el ISP, el R2 forma una red de rutas internas.

Cuando un dispositivo dentro de la red de rutas internas desea comunicarse con un dispositivo fuera de su red, el paquete se reenvía al router de frontera. El router de frontera realiza el proceso de NAT, es decir, traduce la dirección privada interna del dispositivo a una dirección pública, externa y enrutable.

3. Terminología de NAT

Según la terminología de NAT, la red interna es el conjunto de redes sujetas a traducción. La red externa se refiere a todas las otras redes.

Al utilizar NAT, las direcciones IPv4 se designan de distinto modo, según si están en la red privada o en la red pública (Internet), y si el tráfico es entrante o saliente.

NAT incluye cuatro tipos de direcciones:

• Dirección local interna
• Dirección global interna
• Dirección local externa
• Dirección global externa

Al determinar qué tipo de dirección se utiliza, es importante recordar que la terminología de NAT siempre se aplica desde la perspectiva del dispositivo con la dirección traducida:

• Dirección interna: la dirección del dispositivo que se traduce por medio de NAT.
• Dirección externa: la dirección del dispositivo de destino.

NAT también usa los conceptos de local o global con relación a las direcciones:

• Dirección local: cualquier dirección que aparece en la porción interna de la red.
• Dirección global: cualquier dirección que aparece en la porción externa de la red.

En la Imagen 4 la PC1 tiene la dirección local interna 192.168.10.10. Desde la perspectiva de la PC1, el servidor web tiene la dirección externa 209.165.201.1. Cuando se envían los paquetes de la PC1 a la dirección global del servidor web, la dirección local interna de la PC1 se traduce a 209.165.200.226 (dirección global interna). En general, la dirección del dispositivo externo no se traduce, ya que suele ser una dirección IPv4 pública.

Imagen 4: Tipos de direcciones NAT

Observe que la PC1 tiene distintas direcciones locales y globales, mientras que el servidor web tiene la misma dirección IPv4 pública en ambos casos. Desde la perspectiva del servidor web, el tráfico que se origina en la PC1 parece provenir de 209.165.200.226, la dirección global interna.

El router NAT, el R2 en la ilustración, es el punto de demarcación entre las redes internas y externas, así como entre las direcciones locales y globales.

3.1. Ejemplos de Direcciones NAT

Los términos “interna” y “externa” se combinan con los términos “global” y “local” para hacer referencia a direcciones específicas. En la Imagen 5, el router R2 se configuró para proporcionar NAT. Este tiene un conjunto de direcciones públicas para asignar a los hosts internos.

Imagen 5: Ejemplos de Direcciones NAT

• Dirección local interna: la dirección de origen vista desde el interior de la red. En la ilustración, la dirección IPv4 192.168.10.10 se asignó a la PC1. Esta es la dirección local interna de la PC1.
• Dirección global interna: la dirección de origen vista desde la red externa. En la ilustración, cuando se envía el tráfico de la PC1 al servidor web en 209.165.201.1, el R2 traduce la dirección local interna a una dirección global interna. En este caso, el R2 cambia la dirección IPv4 de origen de 192.168.10.10 a 209.165.200.226. De acuerdo con la terminología de NAT, la dirección local interna 192.168.10.10 se traduce a la dirección global interna 209.165.200.226.
• Dirección global externa: la dirección del destino vista desde la red externa. Es una dirección IPv4 enrutable globalmente y asignada a un host en Internet. Por ejemplo, se puede llegar al servidor web en la dirección IPv4 209.165.201.1. Por lo general, las direcciones externas globales y locales son iguales.
• Dirección local externa: la dirección del destino vista desde la red interna. En este ejemplo, la PC1 envía tráfico al servidor web en la dirección IPv4 209.165.201.1. Si bien es poco frecuente, esta dirección podría ser diferente de la dirección globalmente enrutable del destino.

En la ilustración, se muestra cómo se dirige el tráfico que se envía desde una computadora interna hacia un servidor web externo a través del router con NAT habilitada. También se muestra cómo se dirige y se traduce inicialmente el tráfico de retorno.

4. ¿Cómo funciona NAT?

En este ejemplo, la PC1 con la dirección privada 192.168.10.10 desea comunicarse con un servidor web externo con la dirección pública 209.165.201.1.

Imagen 6: NAT en acción

• La PC1 envía un paquete dirigido al servidor web. El R1 reenvía el paquete al R2.
• Cuando el paquete llega al R2, el router con NAT habilitada para la red, el R2 lee la dirección IPv4 de origen del paquete para determinar si este cumple con los criterios especificados para la traducción.
• En este caso, la dirección IPv4 de origen cumple con los criterios y se traduce de 192.168.10.10 (dirección local interna) a 209.165.200.226 (dirección global interna). El R2 agrega esta asignación de dirección local a global a la tabla de NAT.
• El R2 envía el paquete con la dirección de origen traducida hacia el destino.
• El servidor web responde con un paquete dirigido a la dirección global interna de la PC1 (209.165.200.226).
• El R2 recibe el paquete con la dirección de destino 209.165.200.226. El R2 revisa la tabla de NAT y encuentra una entrada para esta asignación. El R2 usa esta información y traduce la dirección global interna (209.165.200.226) a la dirección local interna (192.168.10.10), y el paquete se reenvía a la PC1.