Port-Exhaustion bei Client-NAT: Warum es passiert und wie man es mitigiert

Port-Exhaustion bei Client-NAT ist ein typisches Problem in Unternehmensnetzen, Campus-Umgebungen, Carrier-Access und Cloud-Edges: Nutzer melden „Internet langsam“, „Login geht nicht“, „nur manche Websites laden“, während klassische Layer-1–3-Signale unauffällig bleiben. Ursache ist häufig nicht Bandbreite, sondern ein Mangel an verfügbaren Quellports für die Network-Address-Translation (NAT). Sobald ein Client-NAT (z. B. ein Gateway, eine Firewall, ein Router oder ein Cloud-NAT) keine freien Ports mehr zuweisen kann, scheitern neue Verbindungen – oft sporadisch, abhängig von Ziel, Protokoll, Timeout und App-Verhalten. Besonders perfide: Bestehende Sessions laufen weiter, während neue Sessions unzuverlässig werden. Für NOC- und On-Call-Teams ist deshalb entscheidend, Port-Exhaustion schnell zu erkennen, sauber zu belegen und mit einem klaren Mitigation-Plan zu stabilisieren. Dieser Artikel erklärt, warum Port-Exhaustion entsteht, welche Anzeichen wirklich aussagekräftig sind, wie Sie die Kapazität grob kalkulieren und welche Maßnahmen kurzfristig und langfristig helfen.

Was bedeutet Port-Exhaustion bei Client-NAT?

Bei Client-NAT (häufig als SNAT, PAT oder „NAT Overload“ umgesetzt) teilen sich viele interne Clients eine oder wenige öffentliche IP-Adressen. Damit Rückverkehr korrekt zugeordnet werden kann, erzeugt das NAT pro Flow ein Mapping aus interner Quell-IP/Port auf externe Quell-IP/Port. Da die externe IP begrenzt ist und Ports nur in einer endlichen Menge zur Verfügung stehen, kann das System irgendwann keine weiteren Mappings mehr anlegen. Das nennt man Port-Exhaustion: Die Port-Ressource ist erschöpft, neue Verbindungen können nicht mehr etabliert werden.

• Symptomatisch: Neue TCP-Verbindungen timeouten oder werden sofort abgelehnt; UDP-Anfragen (z. B. DNS) werden unzuverlässig.
• Strukturell: Die NAT-Box hat zu viele gleichzeitige oder „hängende“ Einträge, oder sie verwaltet Ports zu konservativ.
• Betrieblich: Häufig ausgelöst durch Traffic-Spikes, Retry-Stürme, viele Kurzzeitverbindungen oder zu lange Timeouts.

Warum passiert das? Die häufigsten Ursachen in der Praxis

Port-Exhaustion ist selten ein einzelner „Bug“. Meist ist es eine Kombination aus Lastprofil, Timeout-Policy, Applikationsverhalten und NAT-Design. Die folgenden Auslöser sind besonders häufig:

• Hohe Verbindungsrate: Viele neue Sessions pro Sekunde (z. B. Web-Apps ohne Keep-Alive, Microservice-Gateways, Bot-/Crawler-Spitzen).
• Viele parallele Kurzzeitverbindungen: Clients öffnen pro Nutzeraktion viele TCP-Verbindungen (z. B. Browser mit vielen Subrequests, aggressive API-Clients).
• Retry-Storm: Anwendungen oder Clients wiederholen fehlgeschlagene Requests zu schnell und erzeugen dadurch noch mehr NAT-States.
• UDP-State wächst: Obwohl UDP verbindungslos ist, wird es häufig stateful gemappt; hohe UDP-PPS (DNS, QUIC/HTTP/3, Telemetrie) kann Ports binden.
• Zu lange Timeouts: NAT hält Mappings länger als nötig (besonders kritisch bei UDP und bei „half-open“ TCP-Situationen).
• Ungünstige Port-Allocation: Port-Blöcke werden zu klein pro Client reserviert oder „port preservation“ reduziert effektiv verfügbare Ports.
• Limitierungen/Reserven: Geräte reservieren Portbereiche oder schützen sich mit konservativen Limits, bevor echte Erschöpfung erreicht wäre.
• Single-Public-IP-Design: Zu wenige öffentliche IPs für die tatsächliche Client- und Flow-Anzahl (Kapazitätsplanung fehlt).

Wie sieht der Impact aus? Typische Fehlerbilder für NOC und On-Call

Port-Exhaustion wirkt für Nutzer oft wie „Internet kaputt“, ist aber häufig selektiv. Das liegt daran, dass einige Verbindungen schon bestehen, andere Ziele/Ports weniger genutzt werden und manche Protokolle schneller neu versuchen. Typische Muster:

• Nur neue Sessions brechen: Bestehende TCP-Verbindungen funktionieren weiter, neue Logins/Requests schlagen fehl.
• „Nur manche Websites“: Ziele mit vielen parallelen Requests oder kurzen Timeouts fallen zuerst auf.
• DNS wird unzuverlässig: UDP-DNS-Queries verlieren Mappings oder werden gedroppt; dadurch erscheinen viele Dienste „down“.
• Erhöhte Latenz durch Retries: Anwendungen benötigen mehrere Versuche, bis ein Port verfügbar ist.
• Spitzenzeit-Phänomen: Problem tritt zu bestimmten Tageszeiten oder nach Deployments auf.
• Fehlercodes variieren: Timeout, Connection Refused, Reset – je nach Implementierung und ob das NAT aktiv ablehnt oder still dropt.

Die Kernmechanik: Warum Ports endlich sind

Pro öffentliche IP stehen nur 16 Bit Portraum zur Verfügung (0–65535). Ein Teil ist reserviert (Well-known Ports) oder in der Praxis nicht sinnvoll nutzbar. Zusätzlich werden Ports durch Timeouts „blockiert“, obwohl die Anwendung den Flow längst abgeschlossen hat. Für TCP kommt außerdem TIME_WAIT ins Spiel: Je nach Implementierung und Szenario bleiben Ports länger gebunden, um späte Pakete zu verhindern.

Grobe Kapazitätsrechnung für SNAT/PAT (MathML)

$\mathrm{Kapazitaet}\approx \mathrm{PublicIPs}\times \mathrm{NutzbarePortsProIP}$

„NutzbarePortsProIP“ ist in der Realität kleiner als 65535, weil Portbereiche reserviert sind, Policies greifen oder pro Client Portblöcke zugewiesen werden. Zudem ist Kapazität nicht nur eine Zahl, sondern auch eine Zeitfrage: Je länger Mappings leben, desto schneller wird der Portraum voll.

Telemetrie, die Sie zwingend sammeln müssen

Wenn Port-Exhaustion im Raum steht, braucht es eindeutige Belege. Ein gutes Ticket enthält nicht nur „NAT voll“, sondern auch: Wie schnell wachsen Mappings, welche Clients dominieren, welche Ziele/Ports sind Haupttreiber und welche Limits greifen.

• NAT-Port-Auslastung: belegte Ports pro Public-IP, High-Watermarks, Trend über das Incident-Fenster.
• NAT-Mapping-Counts: aktive Übersetzungen (TCP/UDP getrennt), NEW-Rate (Mappings pro Sekunde).
• Allocation Failures: Zähler/Logs für „no ports available“, „resource exhausted“, „NAT pool exhausted“.
• Top Talkers: interne Quell-IPs/Subnetze mit den meisten Mappings (häufig ein einzelner Client oder ein Proxy).
• Top Destinations: Ziele/Ports, die den Großteil erzeugen (z. B. DNS, bestimmte APIs, Telemetrie-Endpunkte).
• Timeout-Profile: konfiguriertes UDP-Timeout, TCP-Established-Timeout, TCP-Transitory-Timeouts.
• Fehlerraten in Apps: Connect-Timeouts, DNS-Failures, Retry-Raten, QUIC-Fallbacks.
• Systemressourcen: CPU/Memory/Conntrack-Auslastung (bei Linux-basiertem NAT), Drops im Fastpath/Softwarepath.

Port-Exhaustion vs. Conntrack-Table voll: sauber unterscheiden

In vielen Umgebungen sind Port-Exhaustion und eine volle Conntrack-Tabelle eng verwandt, aber nicht identisch. Conntrack beschreibt den Zustandsspeicher, Port-Exhaustion die knappe Ressource „extern verfügbare Ports“. Sie können das eine ohne das andere sehen.

• Conntrack voll: Der State-Speicher ist erschöpft; selbst wenn Ports frei wären, kann kein neuer Eintrag erzeugt werden.
• Port-Exhaustion: Ports im NAT-Pool sind erschöpft; Conntrack kann noch Platz haben, aber Portzuweisung scheitert.
• Kombination: Häufig bei Spikes: erst Ports knapp, dann State knapp, oder umgekehrt.

Warum es oft „nur manche Nutzer“ trifft: Port-Allocation und Fairness

Viele NAT-Implementierungen arbeiten nicht als „ein großer Porttopf für alle“, sondern nutzen Fairness-Mechanismen: pro Client Portblöcke, pro Ziel Limits, oder heuristische „port preservation“. Das ist aus Security- und Stabilitätsgründen sinnvoll, kann aber bei hoher Last zu selektiven Ausfällen führen.

• Port-Block pro Client: Ein einzelner Heavy-User kann sich selbst erschöpfen, ohne alle zu reißen.
• Port-Block pro Ziel: Bestimmte Destinationen/Services geraten zuerst unter Druck.
• Symmetrie/Asymmetrie: Wenn Rückwege anders laufen, können Mappings „verloren“ wirken, obwohl Ports existieren.
• Mehrere NAT-Instanzen: Hashing/Load-Balancing verteilt Clients; nur eine Instanz ist überlastet.

Root-Cause-Klassen: Was Sie wirklich fixen müssen

Wenn Port-Exhaustion bestätigt ist, sollten Sie die Ursache in eine von vier Klassen einordnen. Das hilft, die richtige Mitigation zu wählen.

• Kapazitätsproblem: Zu wenige Public IPs/Portressourcen für die reale Last.
• Timeout-/Policy-Problem: Mappings leben zu lang oder werden zu konservativ gehalten.
• Traffic-/App-Problem: Unnötig viele Verbindungen, fehlendes Pooling, Retry-Sturm, fehlerhafte Clients.
• Architektur-/Hotspot-Problem: Zu viel konzentriert auf ein Gateway, fehlendes Scale-out, falsches Traffic-Steering.

Mitigation im Incident: Stabilisieren ohne Nebenwirkungen

Im akuten Incident geht es zuerst um Stabilisierung: neue Verbindungen sollen wieder funktionieren, ohne dass Sie kritische Sicherheits- oder Compliance-Regeln aufweichen. Die folgenden Maßnahmen sind in der Praxis bewährt – aber sie sollten kontrolliert und messbar eingesetzt werden.

Sofortmaßnahmen zur Entlastung

• Traffic-Shifting: Outbound-Traffic auf weitere NAT-Gateways oder zusätzliche Public IPs verteilen.
• Zusätzliche Public IPs: NAT-Pool erweitern (sofern verfügbar) – oft die schnellste Kapazitätsmaßnahme.
• Rate-Limits für Top Talkers: Auffällige Clients/Proxies drosseln, um Portverbrauch zu senken.
• Retry-Sturm bremsen: Applikationsseitig Backoff erhöhen, Circuit Breaker aktivieren, Timeouts anpassen.
• UDP kritisch prüfen: DNS/QUIC-Last beobachten; ggf. Resolver-Design anpassen oder Caching stärken.

Timeouts pragmatisch anpassen

• UDP-Timeout reduzieren: Wenn UDP-Mappings zu lange leben und viele kurzlebige UDP-Flows existieren.
• Transitory TCP-Timeouts optimieren: Für SYN-Sent/Handshake-Fails können kürzere Timeouts Mappings schneller freigeben.
• Vorsicht bei zu aggressiven Timeouts: Zu kurze Timeouts können „one-way audio“ oder sporadische UDP-Probleme verstärken.

Langfristige Lösungen: Design und Betrieb so aufstellen, dass es nicht wieder passiert

Nach der Stabilisierung ist das Ziel, Port-Exhaustion strukturell unwahrscheinlicher zu machen. Hier gewinnen Teams, die Kapazität, Applikationsverhalten und Observability gemeinsam betrachten.

• Public-IP-Kapazität planen: Dimensionierung nach Peak-NEW-Rate und durchschnittlicher Mapping-Lebensdauer, nicht nach Durchschnittstraffic.
• Scale-out statt Scale-up: Mehr NAT-Instanzen, bessere Verteilung, weniger Hotspots.
• Connection Pooling fördern: HTTP Keep-Alive, gRPC Reuse, Datenbank-Pools, weniger Kurzzeitverbindungen.
• Proxy-/Egress-Architektur prüfen: Zentraler Proxy kann Portverbrauch bündeln; manchmal besser, Egress zu verteilen.
• DNS-Caching und Resolver-Design: Weniger externe DNS-Flows reduziert UDP-State erheblich.
• IPv6-Enablement: Wo möglich, reduziert IPv6 NAT-Druck, weil End-to-End-Adressen ohne SNAT auskommen können (abhängig von Sicherheitsmodell).
• Abuse- und Bot-Controls: Scans und unkontrollierte Clients früh begrenzen.

Wie Sie Portbedarf überschlagen: Einfluss von Verbindungsrate und Timeout

Für eine grobe Planung hilft ein einfaches Modell: Wie viele neue Mappings pro Sekunde entstehen, und wie lange bleiben sie im Mittel bestehen? Daraus folgt der durchschnittliche „Bestand“ an gleichzeitigen Mappings.

Durchschnittlicher Mapping-Bestand (MathML)

$\mathrm{AktiveMappings}\approx \mathrm{NewRate}\times \mathrm{DurchschnittlicheLebensdauer}$

Wenn die durchschnittliche Lebensdauer steigt (z. B. lange UDP-Timeouts oder viele halboffene TCP-Verbindungen), wächst der Bestand auch ohne Traffic-Steigerung. Genau deshalb sind Timeouts ein zentraler Hebel.

Operative Checks: Schneller Nachweis ohne Rätselraten

Für NOC-Teams ist ein kurzer, reproduzierbarer Check besonders wertvoll. Ziel ist: Port-Exhaustion binnen Minuten bestätigen oder ausschließen.

• 1) Fehlerbild verifizieren: Scheitern neue Verbindungen, während bestehende weiterlaufen?
• 2) NAT-Stats prüfen: Belegte Ports pro Public IP, Allocation Failures, Pool-Auslastung.
• 3) Top Talkers identifizieren: Welche internen Quellen erzeugen den größten Mapping-Bestand?
• 4) Zielprofil prüfen: Welche Destinationen/Ports dominieren (DNS, QUIC, API-Endpunkte)?
• 5) Timeouts und Retries prüfen: Gibt es ein Deployment oder eine Konfigänderung, die Retries/Keepalives verändert hat?
• 6) Mitigation messen: Nach jeder Maßnahme Fehlerquote, NEW-Rate und Portauslastung erneut prüfen.

Dokumentation fürs Ticket: Was eine gute RCA enthalten muss

Damit aus dem Incident eine belastbare Verbesserung wird, sollte das Ticket nicht nur die Mitigation nennen, sondern den Mechanismus. Eine gute Dokumentation reduziert Wiederholungen und beschleunigt künftige Incidents.

• Trigger: Was hat die NewRate oder Mapping-Lebensdauer erhöht (Release, Traffic-Spike, Failover, Abuse)?
• Beleg: NAT-Pool-Auslastung, Allocation Failures, Top Talkers, Zeitfenster.
• Impact: Welche Nutzergruppen/Standorte/Services waren betroffen (nur neue Sessions, nur Outbound, nur bestimmte Ports)?
• Mitigation: Welche Maßnahmen wurden umgesetzt und wie hat sich die Telemetrie verändert?
• Prevention: Konkrete Änderungen (Pool-Erweiterung, Timeout-Tuning, Connection Pooling, Alerting) inkl. Owner.

Outbound-Links für Standards und vertiefende Grundlagen

• RFC 3022 (Traditional NAT) als Basis für NAT-Konzepte und Terminologie.
• RFC 4787 (NAT Behavioral Requirements for UDP) für UDP-spezifisches NAT-Verhalten, Timeouts und State-Aspekte.
• RFC 5382 (NAT Behavioral Requirements for TCP) für TCP-spezifische NAT-Anforderungen und Zustandsmodelle.
• RFC 6888 (CGN Requirements) für Skalierung, Ressourcenengpässe und Betriebsanforderungen bei großflächigem NAT.
• RFC 6335 (Internet Assigned Numbers Authority (IANA) Procedures for Ports) für Portbereiche, Registrierungen und Begriffsdefinitionen rund um Portnutzung.

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