NAT原理与NAT穿透

NAT原理与NAT穿透
原创大鞭炮好大 发布于2019-02-26 14:22:56 阅读数 92  收藏
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NAT原理
     网络地址转换(NAT,Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有（保留）地址转化为合法IP地址的转换技术。下面介绍两类不同方式实现的NAT：

NAT(Network Address Translators)：称为基本的NAT
在客户机时      192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

在网关时         1.2.3.4:4000——6.7.8.9:8000

服务器C          6.7.8.9:8000

其核心是替换IP地址而不是端口，这会导致192.168.0.8使用4000端口后，192.168.0.9如何处理？具体参考RFC 1631

基本上这种类型的NAT设备已经很少了。或许根本我们就没机会见到。

     2.   NAPT(Network Address/Port Translators)：其实这种才是我们常说的 NAT

NAPT的特点是在网关时，会使用网关的 IP，但端口会选择一个和临时会话对应的临时端口。如下图：

在客户机时           192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

在网关时              1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000

服务器C               6.7.8.9:8000

网关上建立保持了一个1.2.3.4:62000的会话，用于192.168.0.8:4000与6.7.8.9:8000之间的通讯。

对于NAPT，又分了两个大的类型，差别在于，当两个内网用户同时与8000端口通信的处理方式不同：

         2.1、Symmetric NAT型 (对称型)

在客户机时              192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000 192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

在网关时，两个不同session但端口号不同      1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000 1.2.3.4:62001——6.7.8.10:8000

服务器C      6.7.8.9:8000

服务器 D     6.7.8.10:8000

这种形式会让很多p2p软件失灵。

        2.2、Cone NAT型（圆锥型）

在客户机时              192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000 192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

在网关时，两个不同session但端口号相同      1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000 1.2.3.4:62000——6.7.8.10:8000

服务器C           6.7.8.9:8000

服务器D           6.7.8.10:8000

目前绝大多数属于这种。Cone NAT又分了3种类型：

a)Full Cone NAT（完全圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000 ，192.168.0.8可以收到任意外部主机发到1.2.3.4:62000的数据报。
b)Address Restricted Cone NAT （地址限制圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先给服务器C 6.7.8.9发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9发送到1.2.3.4:62000的数据报。
c)Port Restricted Cone NAT（端口限制圆锥型）：从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000，只有当内部主机192.168.0.8先向外部主机地址端口6.7.8.9：8000发送一个数据报后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9：8000发送到1.2.3.4:62000的数据报。   
穿越NAT的实现

A1在客户机时                192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

X1在网关时                   1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000

服务器C                       6.7.8.9:8000

B1在客户机时                192.168.1.8:4000——6.7.8.9:8000

Y1在网关时                   1.2.3.5:31000——6.7.8.9:8000

两内网用户要实现通过各自网关的直接呼叫，需要以下过程：

1、 客户机A1、B1顺利通过格子网关访问服务器C ，均没有问题（类似于登录）

2、 服务器C保存了 A1、B1各自在其网关的信息（1.2.3.4:62000、1.2.3.5:31000）没有问题。并可将该信息告知A1、B2。

3、 此时A1发送给B1网关的1.2.3.5:31000是否会被B1收到？答案是基本上不行（除非Y1设置为完全圆锥型，但这种设置非常少），因为Y1上检测到其存活的会话中没有一个的目的IP或端口于1.2.3.4:62000有关而将数据包全部丢弃！

4、 此时要实现A1、B1通过X1、Y1来互访，需要服务器C告诉它们各自在自己的网关上建立“UDP隧道”，即命令A1发送一个 192.168.0.8:4000——1.2.3.5:31000的数据报，B1发送一个192.168.1.8:4000——1.2.3.4:62000的数据报，UDP形式，这样X1、Y1上均存在了IP端口相同的两个不同会话（很显然，这要求网关为Cone NAT型，否则，对称型Symmetric NAT设置网关将导致对不同会话开启了不同端口，而该端口无法为服务器和对方所知，也就没有意义）。

5、 此时A1发给Y1，或者B1发给X1的数据报将不会被丢弃且正确的被对方收到.

综合P2P可实现的条件需要：

1、 中间服务器保存信息、并能发出建立UDP隧道的命令

2、 网关均要求为Cone NAT类型。Symmetric NAT不适合。

3、 完全圆锥型网关可以无需建立udp隧道，但这种情况非常少，要求双方均为这种类型网关的更少。

4、 假如X1网关为Symmetric NAT， Y1为Address Restricted Cone NAT 或Full Cone NAT型网关，各自建立隧道后，A1可通过X1发送数据报给Y1到B1(因为Y1最多只进行IP级别的甄别)，但B2发送给X1的将会被丢弃（因为发送来的数据报中端口与X1上存在会话的端口不一致，虽然IP地址一致），所以同样没有什么意义。

5、 假如双方均为Symmetric NAT的情形，新开了端口，对方可以在不知道的情况下尝试猜解，也可以达到目的，但这种情形成功率很低，且带来额外的系统开支，不是个好的解决办法。

6、 不同网关型设置的差异在于，对内会采用替换IP的方式、使用不同端口不同会话的方式，使用相同端口不同会话的方式；对外会采用什么都不限制、限制IP地址、限制IP地址及端口。

7、 这里还没有考虑同一内网不同用户同时访问同一服务器的情形，如果此时网关采用AddressRestricted Cone NAT 或Full Cone NAT型，有可能导致不同用户客户端可收到别人的数据包，这显然是不合适的。

 UDP和TCP打洞

为什么网上讲到的P2P打洞基本上都是基于UDP协议的打洞？难道TCP不可能打洞？还是TCP打洞难于实现？
    假设现在有内网客户端A和内网客户端B，有公网服务端S。
    如果A和B想要进行UDP通信，则必须穿透双方的NAT路由。假设为NAT-A和NAT-B。
    
    A发送数据包到公网S,B发送数据包到公网S,则S分别得到了A和B的公网IP，
S也和A B 分别建立了会话，由S发到NAT-A的数据包会被NAT-A直接转发给A，
由S发到NAT-B的数据包会被NAT-B直接转发给B，除了S发出的数据包之外的则会被丢弃。
所以：现在A B 都能分别和S进行全双工通讯了，但是A B之间还不能直接通讯。

    解决办法是：A向B的公网IP发送一个数据包，则NAT-A能接收来自NAT-B的数据包
并转发给A了（即B现在能访问A了）；再由S命令B向A的公网IP发送一个数据包，则
NAT-B能接收来自NAT-A的数据包并转发给B了（即A现在能访问B了）。

以上就是“打洞”的原理。

为了保证A的路由器有与B的session，A要定时与B做心跳包，同样，B也要定时与A做心跳，这样，双方的通信通道都是通的，就可以进行任意的通信了。

    但是TCP和UDP在打洞上却有点不同。这是因为伯克利socket（标准socket规范）的
API造成的。
    UDP的socket允许多个socket绑定到同一个本地端口，而TCP的socket则不允许。
    这是这样一个意思：A B要连接到S，肯定首先A B双方都会在本地创建一个socket，
去连接S上的socket。创建一个socket必然会绑定一个本地端口（就算应用程序里面没写
端口，实际上也是绑定了的，至少java确实如此），假设为8888，这样A和B才分别建立了到
S的通信信道。接下来就需要打洞了，打洞则需要A和B分别发送数据包到对方的公网IP。但是
问题就在这里：因为NAT设备是根据端口号来确定session，如果是UDP的socket，A B可以
分别再创建socket，然后将socket绑定到8888，这样打洞就成功了。但是如果是TCP的
socket，则不能再创建socket并绑定到8888了，这样打洞就无法成功。
UDP打洞的过程大致如此：

1、双方都通过UDP与服务器通讯后，网关默认就是做了一个外网IP和端口号 与你内网IP与端口号的映射，这个无需设置的，服务器也不需要知道客户的真正内网IP

2、用户A先通过服务器知道用户B的外网地址与端口 

3、用户A向用户B的外网地址与端口发送消息， 

4、在这一次发送中，用户B的网关会拒收这条消息，因为它的映射中并没有这条规则。 

5、但是用户A的网关就会增加了一条允许规则，允许接收从B发送过来的消息 

6、服务器要求用户B发送一个消息到用户A的外网IP与端口号 

7、用户B发送一条消息，这时用户A就可以接收到B的消息，而且网关B也增加了允许规则 

8、之后，由于网关A与网关B都增加了允许规则，所以A与B都可以向对方的外网IP和端口号发送消息。

TCP打洞技术：
tcp打洞也需要NAT设备支持才行。
tcp的打洞流程和udp的基本一样，但tcp的api决定了tcp打洞的实现过程和udp不一样。
tcp按cs方式工作，一个端口只能用来connect或listen，所以需要使用端口重用，才能利用本地nat的端口映射关系。（设置SO_REUSEADDR，在支持SO_REUSEPORT的系统上，要设置这两个参数。）

连接过程：（以udp打洞的第2种情况为例（典型情况））
nat后的两个peer，A和B，A和B都bind自己listen的端口，向对方发起连接（connect），即使用相同的端口同时连接和等待连接。因为A和B发出连接的顺序有时间差，假设A的syn包到达B的nat时，B的syn包还没有发出，那么B的nat映射还没有建立，会导致A的连接请求失败（连接失败或无法连接，如果nat返回RST或者icmp差错，api上可能表现为被RST；有些nat不返回信息直接丢弃syn包（反而更好）），（应用程序发现失败时，不能关闭socket，closesocket（）可能会导致NAT删除端口映射；隔一段时间（1-2s）后未连接还要继续尝试）；但后发B的syn包在到达A的nat时，由于A的nat已经建立的映射关系，B的syn包会通过A的nat，被nat转给A的listen端口，从而进去三次握手，完成tcp连接。

从应用程序角度看，连接成功的过程可能有两种不同表现：（以上述假设过程为例）
1、连接建立成功表现为A的connect返回成功。即A端以TCP的同时打开流程完成连接。
2、A端通过listen的端口完成和B的握手，而connect尝试持续失败，应用程序通过accept获取到连接，最终放弃connect（这时可closesocket(conn_fd)）。
多数Linux和Windows的协议栈表现为第2种。

但有一个问题是，建立连接的client端，其connect绑定的端口号就是主机listen的端口号，或许这个peer后续还会有更多的这种socket。虽然理论上说，socket是一个五元组，端口号是一个逻辑数字，传输层能够因为五元组的不同而区分开这些socket，但是是否存在实际上的异常，还有待更多观察。

另外的问题：
1、Windows XP SP2操作系统之前的主机，这些主机不能正确处理TCP同时开启，或者TCP套接字不支持SO_REUSEADDR的参数。需要让AB有序的发起连接才可能完成。

上述tcp连接过程，仅对NAT1、2、3有效，对NAT4（对称型）无效。
由于对称型nat通常采用规律的外部端口分配方法，对于nat4的打洞，可以采用端口预测的方式进行尝试。

一些现在常用的技术：

ALG（应用层网关）：它可以是一个设备或插件，用于支持SIP协议，主要类似与在网关上专门开辟一个通道，用于建立内网与外网的连接，也就是说，这是一种定制的网关。更多只适用于使用他们的应用群体内部之间。

UpnP：它是让网关设备在进行工作时寻找一个全球共享的可路由IP来作为通道，这样避免端口造成的影响。要求设备支持且开启upnp功能，但大部分时候，这些功能处于安全考虑，是被关闭的。即时开启，实际应用效果还没经过测试。

STUN（Simple Traversalof UDP Through Network）：这种方式即是类似于我们上面举例中服务器C的处理方式。也是目前普遍采用的方式。但具体实现要比我们描述的复杂许多，光是做网关Nat类型判断就由许多工作，RFC3489中详细描述了。

TURN(Traveral Using Relay NAT)：该方式是将所有的数据交换都经由服务器来完成，这样NAT将没有障碍，但服务器的负载、丢包、延迟性就是很大的问题。目前很多游戏均采用该方式避开NAT的问题。这种方式不叫p2p。

ICE(Interactive Connectivity Establishment)：是对上述各种技术的综合，但明显带来了复杂性。

            参考资料：
         P2P 之 UDP穿透NAT的原理与实现（附源代码）
         http://www.cppblog.com/Lee7/archive/2008/01/25/41850.html

           
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