NAT, PAT und Portweiterleitung: private Netze mit dem Internet verbinden

NAT, PAT und Portweiterleitung: private Netze mit dem Internet verbinden

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NAT, PAT, Masquerading, Source NAT, Destination NAT, Portweiterleitung, Port Forwarding, Carrier-Grade NAT, DMZ, IPv6

tl/dr; (ca. 21 min Lesezeit): Fast jedes Firmen- und Heimnetz nutzt private IPv4-Adressen, die im Internet nicht geroutet werden. Der Router übersetzt sie deshalb per NAT und PAT in seine öffentliche Adresse und merkt sich in einer Übersetzungstabelle, welche Antwort zu welchem Gerät gehört. Du verfolgst ein Paket Abschnitt für Abschnitt mit Adressen, Ports, TTL und Prüfsumme, erfährst, warum das auch bei verschlüsselten Verbindungen funktioniert, und richtest Portweiterleitungen (Destination NAT) für Server ein. Zum Schluss geht es um Carrier-Grade NAT beim Provider, um NAT-Loopback und darum, warum IPv6 ohne Portweiterleitung auskommt [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 28.10.2026)

Dieser Artikel ist Teil einer Artikelreihe zu Netzwerken: IPv4-Adressierung und Subnetting / Routing / NAT, PAT und Portweiterleitung / Firewall, DMZ, Proxy und IDS/IPS / IPv6 / Übungsaufgaben zu NAT und Portweiterleitung

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Dieser Artikel baut auf den Kann-Listen der Artikel IPv4-Adressierung und Subnetting und Routing auf.

Als Kernwissen für alle Fachrichtungen kann ich nach Durchlesen des Artikels…

• … erläutern, warum Pakete mit privaten Absenderadressen beim Weg ins Internet übersetzt werden müssen.

• … die Begriffe NAT und PAT unterscheiden und die Funktionsweise auf Hin- und Rückweg erläutern.

• … Vor- und Nachteile von NAT/PAT nennen.

• … erläutern, was eine Portweiterleitung (Destination NAT) bewirkt, und einen Anwendungsfall nennen.

• … eine Tabelle mit Portweiterleitungen um interne Adresse, Dienst, externen Port und Protokoll ergänzen.

• … erläutern, warum bei IPv6 keine Portweiterleitung nötig ist, und welche Regel stattdessen gebraucht wird.

• … die zusätzliche Schutzfunktion einer DMZ gegenüber einer Portweiterleitung ins LAN benennen.

Darüber hinaus kann ich als Profilwissen Systemintegration…

• … für mehrere gleichzeitige Verbindungen Quelle und Ziel vor und hinter dem Router auf Hinweg und Antwort bestimmen, eine Übersetzungstabelle dazu lesen und anlegen und erläutern, warum der Router den Quellport ändert und wie er Antworten dem richtigen Client zuordnet.

• … Header-Felder (Quell- und Zieladresse, Ports, TTL, Prüfsumme) vor und nach Source- und Destination-NAT bestimmen und Änderungen begründen.

• … erläutern, warum NAT bei TLS-verschlüsselten Verbindungen funktioniert, und Protokolle nennen, die mit NAT Probleme haben.

• … Grund und Nachteile von Carrier-Grade NAT erläutern.

• … NAT-Loopback-Probleme erkennen und Lösungen (Split-DNS) beschreiben sowie ein NAT-Protokoll zur Nachverfolgung nutzen.

Im Büro, in der Schule und zu Hause haben Notebooks, Smartphones und Drucker Adressen wie 192.168.178.23 oder 10.12.3.45. Trotzdem erreichen sie Webseiten auf der ganzen Welt, und die Antworten kommen zurück. Möglich macht das der Router am Internetanschluss, der jedes Paket „umetikettiert“. Wie das funktioniert und wie man Server hinter einem solchen Router von außen erreichbar macht, zeigt dieser Artikel.

Das Problem: private Adressen im öffentlichen Internet

IPv4 bietet rund 4,3 Milliarden Adressen – viel zu wenige für alle Geräte. Deshalb sind drei Bereiche nach RFC 1918 für private Netze reserviert:

Private IPv4-Adressbereiche

Bereich	CIDR	typischer Einsatz
10.0.0.0 – 10.255.255.255	10.0.0.0/8	große Firmennetze
172.16.0.0 – 172.31.255.255	172.16.0.0/12	mittlere Netze
192.168.0.0 – 192.168.255.255	192.168.0.0/16	Heim- und kleine Büronetze

Jedes Unternehmen darf diese Adressen intern beliebig verwenden; dieselbe Adresse gibt es deshalb millionenfach. Router im Internet kennen für private Ziele keinen Weg und verwerfen solche Pakete. Ginge ein Paket mit dem Absender 192.168.40.11 unverändert hinaus, käme es vielleicht noch beim Webserver an – dessen Antwort an 192.168.40.11 bliebe aber beim ersten Router des Providers hängen, und selbst wenn nicht: Welches der vielen Netze mit dieser Adresse wäre gemeint?

Der Router am Übergang zum Internet ersetzt deshalb die private Absenderadresse durch seine eigene öffentliche Adresse. Das nennt man Network Address Translation (NAT).

NAT und PAT

• NAT (Network Address Translation): Der Router ändert die IP-Adresse im Paket. Beim reinen (statischen) NAT wird jeder internen Adresse eine eigene öffentliche Adresse fest zugeordnet (1:1-NAT). Dafür bräuchte man aber genauso viele öffentliche Adressen wie Geräte.

• PAT (Port Address Translation, auch NAPT, Masquerading oder NAT-Overload): Der Router ändert zusätzlich die Portnummer. So können viele Geräte gleichzeitig eine einzige öffentliche Adresse nutzen; die Verbindungen unterscheidet der Router an den Ports.

Im Alltag sagt man meist einfach „NAT“, gemeint ist fast immer die Kombination NAT/PAT. Weil dabei die Absenderangaben (Source) übersetzt werden, heißt das Verfahren genauer Source NAT (SNAT). Das Gegenstück, bei dem die Zielangaben übersetzt werden, ist die Portweiterleitung (Destination NAT, siehe unten).

Ablauf an einem Beispiel

Im Netz 192.168.40.0/24 öffnen ein Notebook (192.168.40.11) und ein Tablet (192.168.40.12) fast gleichzeitig dieselbe Webseite auf 203.0.113.94 (HTTPS, Port 443). Beide Betriebssysteme haben sich zufällig denselben Quellport 50731 ausgesucht. Nach außen hat der Router nur die Adresse 198.51.100.41. Die Tabelle verfolgt jede Verbindung einzeln: erst den Hinweg (im LAN, dann im Internet), dann die Antwort (im Internet, dann im LAN).

Kurz danach fragt das Tablet zusätzlich den DNS-Server 192.0.2.53 (UDP, Port 53) von Quellport 50744 aus. Jede Übersetzung landet als Zeile in der Übersetzungstabelle (NAT-Tabelle) des Routers:

Die Grafik fasst das Beispiel zusammen: links das private Netz, in der Mitte der Router mit seiner Übersetzungstabelle, rechts die Gegenstellen im Internet. Hervorgehoben ist der Port, den der Router für Verbindung B neu vergeben hat.

Kommt eine Antwort an, schaut der Router nach, an welchen seiner öffentlichen Ports sie gerichtet ist, findet die passende Zeile und schreibt Zieladresse und Zielport auf die internen Werte zurück. Zwei Dinge fallen am Beispiel auf:

1. Jede Verbindung braucht ihren eigenen öffentlichen Port. Verbindung A durfte 50731 behalten, für B war dieser Port zum selben Server schon vergeben. Hätte der Router ihn ein zweites Mal benutzt, kämen beide Antworten an 198.51.100.41:50731 an, und er wüsste nicht, ob sie zum Notebook oder zum Tablet gehört. Er weicht deshalb auf einen freien Port aus – welchen, entscheidet die Implementierung, üblich ist ein Wert oberhalb von 1023. Die DNS-Anfrage konnte ihren Port wieder behalten, weil er noch frei war.

2. Der Server kennt nur die öffentliche Seite. Er antwortet an genau die Adresse und den Port, die er als Absender gesehen hat; von 192.168.40.12 oder Port 50731 der Verbindung B erfährt er nichts.

Einträge für TCP verschwinden, wenn die Verbindung abgebaut ist oder nach einer Wartezeit ohne Verkehr (Timeout); bei UDP gibt es nur den Timeout. Mit den 65.535 Ports einer Adresse lassen sich so – je Zielserver – zehntausende gleichzeitige Verbindungen übersetzen.

Was sich im Header ändert

Beim Source NAT ändert der Router im ausgehenden Paket:

• Quell-IP-Adresse (privat → öffentlich) und bei PAT den Quellport,

• die TTL (Time to Live) – allerdings nicht wegen NAT, sondern weil jeder Router sie beim Weiterleiten um 1 verringert: Ein Paket, das ein Linux-Client mit TTL 64 abschickt, kommt nach drei Routern mit TTL 61 an,

• die Header-Prüfsumme des IP-Headers, weil sich Adresse und TTL geändert haben, und die Prüfsumme von TCP bzw. UDP, die über einen Pseudo-Header die Adressen und außerdem die Ports mit einbezieht.

Unverändert bleiben Zieladresse, Zielport, das Protokoll (z. B. 6 für TCP, 17 für UDP) und die Nutzdaten.

Und bei HTTPS? TLS sitzt oberhalb von TCP: Verschlüsselt und gegen Veränderung geschützt ist nur, was TCP als Inhalt transportiert. Adressen und Ports stehen in den IP- und TCP-Headern, die jeder Router zum Weiterleiten lesen muss und die TLS gar nicht absichert. Der NAT-Router tauscht dort Werte aus, die TLS-Sitzung zwischen Browser und Server bemerkt davon nichts.

Probleme bekommt NAT bei Protokollen, die Adressen oder Ports in den Nutzdaten übertragen oder den Header kryptografisch schützen:

• aktives FTP und SIP (Internet-Telefonie) nennen in den Nutzdaten die eigene, private Adresse, unter der die Gegenseite eine zweite Verbindung aufbauen soll; Router helfen mit Application Layer Gateways (ALG).

• IPsec mit AH schützt auch den IP-Header gegen Veränderung – nach NAT schlägt die Prüfung fehl. IPsec mit ESP funktioniert über NAT-Traversal (Kapselung in UDP-Port 4500).

Vor- und Nachteile

Vor- und Nachteile von NAT/PAT

Vorteile	Nachteile
viele Geräte teilen sich eine öffentliche IPv4-Adresse (Adressmangel)	Geräte im LAN sind von außen nicht direkt erreichbar (Server brauchen Portweiterleitung)
interne Adressen und Struktur sind von außen nicht sichtbar	Ende-zu-Ende-Prinzip verletzt; Probleme mit FTP, SIP, IPsec-AH, Peer-to-Peer
unaufgeforderte Pakete von außen finden keinen Tabelleneintrag und werden verworfen	Zuordnung „wer war es?“ nur über Protokolle des Routers möglich
interne Adressen bleiben beim Providerwechsel gleich	zusätzlicher Rechenaufwand und Zustand im Router (Tabelle kann volllaufen)

Wichtig: NAT ist keine Firewall. Dass Pakete ohne Tabelleneintrag verworfen werden, ist ein Nebeneffekt; Regeln, Protokollierung und Prüfung gehören in eine echte Firewall.

Nachverfolgung: Meldet ein Provider einen Angriff „von 198.51.100.41, Port 40112, um 11:42 Uhr“, steckt dahinter irgendein Gerät im LAN. Nur wenn der Router seine Übersetzungen mit Zeitstempel protokolliert (öffentliche Adresse und Port → interne Adresse), lässt sich das Gerät ermitteln; über die DHCP-Vergabe bzw. die Anmeldung an einem Captive Portal kommt man dann vom Gerät zur Person. Solche Protokolle enthalten personenbezogene Daten und brauchen eine Rechtsgrundlage und Löschfristen.

Portweiterleitung (Destination NAT)

NAT funktioniert nur für Verbindungen, die von innen aufgebaut werden. Ein Webserver, eine Kamera oder ein SSH-Zugang im LAN ist von außen nicht erreichbar: Ein ankommendes Paket an 198.51.100.41:443 findet keinen Eintrag in der Übersetzungstabelle. Abhilfe schafft eine Portweiterleitung (Port Forwarding, Destination NAT, DNAT): In einer festen Regel steht, dass Pakete an einen bestimmten Port der öffentlichen Adresse an ein bestimmtes internes Gerät gehen. Der Router schreibt dafür die Zieladresse (und auf Wunsch den Zielport) um, bevor er das Paket ins LAN schickt.

Im folgenden Beispiel stehen die Server nicht im Netz 192.168.40.0/24 der Notebooks und Tablets, sondern in einem eigenen Netz 172.16.10.0/24 hinter demselben Router; nach außen nutzen beide Netze dieselbe öffentliche Adresse 198.51.100.41.

Jeder externe Port einer öffentlichen Adresse kann nur einmal weitergeleitet werden. Sollen zwei Server per SSH erreichbar sein, bekommt einer einen anderen externen Port (z. B. 2222), den der Router auf den internen Port 22 umsetzt. Ein Server, an den weitergeleitet wird, braucht eine feste interne Adresse (statisch oder DHCP-Reservierung) – sonst läuft die Regel ins Leere.

Pakete vor und nach Destination NAT

Eine Administratorin im Homeoffice (203.0.113.77) verbindet sich per SSH mit dem Server aus der Tabelle:

Als Ablauf zwischen Client, Router und Server:

Diesmal bleiben die Quellangaben unverändert, übersetzt wird das Ziel. Auf dem Rückweg setzt der Router die Absenderangaben der Antwort wieder auf seine öffentliche Adresse und den externen Port – sonst würde der Client die Antwort nicht seiner Verbindung zuordnen.

Sicherheit: Portweiterleitung, DMZ und VPN

Eine Portweiterleitung macht genau einen Dienst eines internen Geräts aus dem ganzen Internet erreichbar. Wird dieser Dienst angegriffen und übernommen, stehen die Angreifenden mitten im LAN. Deshalb:

• Server in eine DMZ: Eine DMZ (demilitarisierte Zone) ist ein eigenes Netz für öffentlich erreichbare Server, das durch eine (zweite) Firewall vom LAN getrennt ist. Die Portweiterleitung zeigt dann in die DMZ, und ein übernommener Server kommt nicht ohne Weiteres ans LAN. Mehr im Artikel Firewall, DMZ, Proxy und IDS/IPS.

• Verwaltungszugänge nicht weiterleiten: SSH, Remotedesktop oder Weboberflächen von Kameras gehören hinter ein VPN; nur der VPN-Port des Routers ist dann von außen erreichbar.

• Kein „Exposed Host“: Manche Router bieten an, alle nicht zugeordneten Ports an ein Gerät weiterzuleiten. Das macht das Gerät praktisch ungeschützt.

NAT-Loopback: Warum der Server von innen nicht erreichbar ist

Ein häufiges Rätsel: Der Testserver ist unter https://test.example.org (öffentliche Adresse des Routers) aus dem Internet erreichbar – aus dem eigenen Büro aber nicht. Der Client im LAN schickt sein Paket an die öffentliche Adresse; der Router müsste es per Destination NAT zurück ins LAN leiten und die Quelle übersetzen, damit die Antwort nicht direkt vom Server zum Client geht (sonst passt sie nicht zur Verbindung). Diese Funktion heißt NAT-Loopback oder Hairpin-NAT und fehlt manchen Routern oder ist ausgeschaltet.

Lösungen: NAT-Loopback am Router aktivieren oder – sauberer – Split-DNS (Split-horizon DNS): Der interne DNS-Server liefert für test.example.org die interne Adresse, der öffentliche DNS die öffentliche.

Carrier-Grade NAT beim Provider

Auch Provider haben zu wenige IPv4-Adressen. Im Mobilfunk und bei vielen Glasfaser- und Kabelanschlüssen bekommt der Router der Kundschaft deshalb nur eine private oder geteilte Adresse (oft aus 100.64.0.0/10, dem Bereich für Shared Address Space, oder aus 10.0.0.0/8). Erst der Provider übersetzt in seinem Netz in eine öffentliche Adresse, die sich viele Kunden teilen: Carrier-Grade NAT (CGN, CGNAT). Bei DS-Lite bekommt der Anschluss ein öffentliches IPv6-Präfix, IPv4 läuft getunnelt über das CGN des Providers.

Folgen für die Kundschaft:

• Keine Portweiterleitung möglich: Die Kundschaft kann das CGN des Providers nicht konfigurieren; Server, Kameras oder VPN-Server am Anschluss sind über IPv4 von außen nicht erreichbar.

• Doppeltes NAT (Kundenrouter und Provider) – Probleme mit Spielen, VoIP und manchen VPN-Verfahren.

• Geteilte Reputation: Sperrt ein Dienst die öffentliche Adresse wegen eines anderen Anschlusses, trifft es alle.

Auswege: IPv6 nutzen, beim Provider eine öffentliche IPv4-Adresse buchen (Geschäftskundentarif) oder einen VPN-Dienst mit fester Adresse.

IPv6: Ende-zu-Ende statt Übersetzung

Mit IPv6 gibt es genug Adressen: Ein einzelnes /64-Netz enthält 2^{64} Adressen. Jedes Gerät, auch jeder Server, erhält eine eigene, global gültige Adresse. NAT und damit Portweiterleitungen sind nicht nötig: Ein Paket aus dem Internet kann direkt an die Adresse des Servers geschickt werden.

Das heißt aber nicht, dass alles offen ist. Der Router bzw. die Firewall verwirft eingehende Verbindungen standardmäßig; für den Server muss eine Firewall-Regel angelegt werden („TCP 443 an 2001:db8:…::80 erlauben“). Statt „Port weiterleiten“ heißt es also „Port freigeben“. Ein Präfix-Tausch (NPTv6) und NAT64 für den Übergang von IPv6-only-Netzen ins IPv4-Internet sind Sonderfälle, mehr im Artikel IPv6.

Typische Aufgabenformen

• Verbindungen verfolgen: Aus einer Übersetzungstabelle oder einem Mitschnitt Quelle und Ziel eines Pakets vor und hinter dem Router bestimmen. Prüfe, ob jede Verbindung einen eigenen öffentlichen Port hat und ob die Antwort genau an die öffentliche Absenderangabe des Hinwegs geht.

• Header lesen: Adressen, Ports, TTL und Protokoll aus einem Header (auch hexadezimal) ablesen; erklären, warum TTL und Prüfsumme sich auf dem Weg ändern.

• Portweiterleitung eintragen: interne Adresse, Dienst, externer (und ggf. interner) Port und Protokoll (TCP/UDP).

• Erläutern: Warum NAT nötig ist, warum es trotz Verschlüsselung funktioniert, was eine Portweiterleitung bewirkt, warum IPv6 sie nicht braucht, was CGN für den Kunden bedeutet.

Leitfragen

1. Warum müssen Pakete aus einem privaten Netz beim Weg ins Internet verändert werden? Antwort

Ihre Absenderadresse stammt aus einem privaten Bereich (RFC 1918), den es in unzähligen Netzen gibt und für den im Internet kein Weg existiert. Eine Antwort an diese Adresse käme nirgends an. Erst mit der öffentlichen Adresse des Routers als Absender findet die Antwort zurück, siehe Abschnitt „Das Problem“.

2. Worin unterscheiden sich NAT und PAT? Antwort

NAT ändert die IP-Adresse eines Pakets, PAT zusätzlich die Portnummer. Erst durch PAT können viele interne Geräte gleichzeitig eine einzige öffentliche Adresse nutzen, weil der Router ihre Verbindungen an den Ports unterscheidet, siehe Abschnitt „NAT und PAT“.

3. Zwei Clients verwenden denselben Quellport. Was macht der Router? Antwort

Für die zweite Verbindung wählt er einen noch freien öffentlichen Port und trägt „intern ↔︎ öffentlich“ in die Übersetzungstabelle ein. Andernfalls kämen zwei Antworten an denselben öffentlichen Port, und er könnte sie nicht auseinanderhalten, siehe Abschnitt „Ablauf an einem Beispiel“.

4. Welche Felder im IP-Header ändern sich, wenn ein Paket einen NAT-Router passiert, und warum funktioniert das auch bei HTTPS? Antwort

Quell-IP und (bei PAT) Quellport, die TTL (wie bei jedem Router um 1) und deshalb die Prüfsummen. TLS schützt nur den Inhalt, den TCP transportiert; Adressen und Ports stehen in den Headern darunter, die TLS nicht absichert, siehe Abschnitt „Was sich im Header ändert“.

5. Nenne je zwei Vor- und Nachteile von NAT/PAT. Antwort

Vorteile: viele Geräte mit einer öffentlichen Adresse; interne Struktur verborgen; unaufgeforderte Pakete werden verworfen. Nachteile: interne Geräte von außen nicht erreichbar; Probleme mit Protokollen wie aktivem FTP, SIP oder IPsec-AH; Nachverfolgung nur über Protokolle, siehe Abschnitt „Vor- und Nachteile“.

6. Was ist eine Portweiterleitung, und wofür braucht man sie? Antwort

Eine feste Regel im Router: Was an Port X der öffentlichen Adresse ankommt, geht an Gerät Y im LAN (ggf. an einen anderen Port); dafür wird das Ziel des Pakets umgeschrieben (Destination NAT). Gebraucht wird das z. B., wenn eine Kamera oder ein Webserver im LAN von außen erreichbar sein soll, siehe Abschnitt „Portweiterleitung“.

7. Warum bietet eine DMZ mehr Schutz als eine Portweiterleitung ins LAN? Antwort

Bei einer Portweiterleitung steht der erreichbare Server im LAN; wird er übernommen, ist das LAN offen. In einer DMZ ist er durch eine weitere Firewall vom LAN getrennt, siehe Abschnitt „Sicherheit“.

8. Ein Server ist aus dem Internet erreichbar, aus dem eigenen LAN unter seiner öffentlichen Adresse aber nicht. Woran kann das liegen? Antwort

Der Router beherrscht kein NAT-Loopback (Hairpin-NAT) oder es ist ausgeschaltet. Lösung: Loopback aktivieren oder per Split-DNS intern die interne Adresse auflösen, siehe Abschnitt „NAT-Loopback“.

9. Dein Router zeigt als WAN-Adresse 100.64.12.7. Was verrät das über Deinen Anschluss, und was folgt daraus für einen Server bei Dir zu Hause? Antwort

Die Adresse gehört zu 100.64.0.0/10 (RFC 6598, Shared Address Space): Der Router hängt hinter dem Carrier-Grade NAT des Providers, der viele Anschlüsse auf wenige öffentliche IPv4-Adressen abbildet. Eine Portweiterleitung am eigenen Router nützt nichts, weil eingehende Pakete schon beim Provider keinen Eintrag finden. Abhilfe: IPv6, ein von innen aufgebauter VPN-Tunnel oder ein Tarif mit öffentlicher IPv4-Adresse, siehe Abschnitt „Carrier-Grade NAT“.

10. Warum ist bei IPv6 keine Portweiterleitung nötig – und was muss man trotzdem einrichten? Antwort

Jeder Server erhält eine eigene, global erreichbare IPv6-Adresse; eine Übersetzung ist nicht nötig. Die Firewall muss den gewünschten Dienst aber mit einer Regel freigeben, siehe Abschnitt „IPv6“.

Links und weitere Informationen

• zum Nachschlagen (Normen): RFC 1918: Address Allocation for Private Internets, RFC 3022: Traditional IP Network Address Translator und RFC 6598: Shared Address Space (100.64.0.0/10)

• Grundlagen: IPv4-Adressierung und Subnetting, Routing

• Weiterführend: Firewall, DMZ, Proxy und IDS/IPS, IPv6, VPN

• Zum Üben: Übungsaufgaben zu NAT und Portweiterleitung

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Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

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