導(dǎo)語(yǔ)
最近介入測(cè)試P2P的相關(guān)邏輯，因此對(duì)NAT穿透原理做了一定程度的了解（當(dāng)然也沒(méi)有很深入）。。寫本文的目的就是，用自己的語(yǔ)言描述了這個(gè)過(guò)程，同時(shí)也在描述過(guò)程中加入了一些自己的理解，形成一篇文章作為要點(diǎn)的記錄。對(duì)于這一塊的知識(shí)，自己也有很多盲點(diǎn)，還請(qǐng)各路大神多多指教。
一、背景知識(shí)介紹
1.什么是NAT？
NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換），也叫做網(wǎng)絡(luò)掩蔽或者IP掩蔽。NAT是一種網(wǎng)絡(luò)地址翻譯技術(shù)，主要是將內(nèi)部的私有IP地址（private IP）轉(zhuǎn)換成可以在公網(wǎng)使用的公網(wǎng)IP（public IP）。
2.為什么會(huì)有NAT？
時(shí)光回到上個(gè)世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的人們?cè)谠O(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)地址的時(shí)候，覺(jué)得再怎么樣也不會(huì)有超過(guò)32bits位長(zhǎng)即2的32次冪臺(tái)終端設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)，再加上增加ip的長(zhǎng)度（即使是從4字節(jié)增到6字節(jié)）對(duì)當(dāng)時(shí)設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸成本也是相當(dāng)巨大的。后來(lái)逐漸發(fā)現(xiàn)IP地址不夠用了，然后就NAT就誕生了！（雖然ipv6也是解決辦法，但始終普及不開(kāi)來(lái)，而且未來(lái)到底ipv6夠不夠用仍是未知）。
因此，NAT技術(shù)能夠興起的原因還是因?yàn)樵谖覀儑?guó)家公網(wǎng)IP地址太少了，不夠用，所以才會(huì)采取這種地址轉(zhuǎn)換的策略。可見(jiàn)，NAT的本質(zhì)就是讓一群機(jī)器公用同一個(gè)IP，這樣就暫時(shí)解決了IP短缺的問(wèn)題。
3.NAT有什么優(yōu)缺點(diǎn)？
優(yōu)勢(shì)其實(shí)上面已經(jīng)剛剛討論過(guò)了，根據(jù)定義，比較容易看出，NAT可以同時(shí)讓多個(gè)計(jì)算機(jī)同時(shí)聯(lián)網(wǎng)，并隱藏其內(nèi)網(wǎng)IP，因此也增加了內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全性；此外，NAT對(duì)來(lái)自外部的數(shù)據(jù)查看其NAT映射記錄，對(duì)沒(méi)有相應(yīng)記錄的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拒絕，提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。
那么，NAT與此同時(shí)也帶來(lái)一些弊端：首先是，NAT設(shè)備會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編輯修改，這樣就降低了發(fā)送數(shù)據(jù)的效率；此外，各種協(xié)議的應(yīng)用各有不同，有的協(xié)議是無(wú)法通過(guò)NAT的（不能通過(guò)NAT的協(xié)議還是蠻多的），這就需要通過(guò)穿透技術(shù)來(lái)解決。我們后面會(huì)重點(diǎn)討論穿透技術(shù)。
簡(jiǎn)單的背景了解過(guò)后，下面介紹下NAT實(shí)現(xiàn)的主要方式，以及NAT都有哪些類型。
二、NAT實(shí)現(xiàn)方式及主要類型
1.NAT實(shí)現(xiàn)方式
1）靜態(tài)NAT：也就是靜態(tài)地址轉(zhuǎn)換。是指一個(gè)公網(wǎng)IP對(duì)應(yīng)一個(gè)私有IP，是一對(duì)一的轉(zhuǎn)換，同時(shí)注意，這里只進(jìn)行了IP轉(zhuǎn)換，而沒(méi)有進(jìn)行端口的轉(zhuǎn)換。舉個(gè)栗子：
2）NAPT：端口多路復(fù)用技術(shù)。與靜態(tài)NAT的差別是，NAPT不但要轉(zhuǎn)換IP地址，還要進(jìn)行傳輸層的端口轉(zhuǎn)換。具體的表現(xiàn)形式就是，對(duì)外只有一個(gè)公網(wǎng)IP，通過(guò)端口來(lái)區(qū)別不同私有IP主機(jī)的數(shù)據(jù)。再舉個(gè)栗子。
通過(guò)上面NAT實(shí)現(xiàn)方式的介紹，我們其實(shí)不難看出，現(xiàn)實(shí)環(huán)境中NAPT的應(yīng)用顯然是更廣泛的。因此下面就重點(diǎn)介紹下NAPT的主要類型有哪些。
2.NAT的主要類型
對(duì)于NAPT我們主要分為兩大類：錐型NAT和對(duì)稱型NAT。其中錐型NAT又分：完全錐型，受限錐型和端口受限錐型。概括的說(shuō)：對(duì)稱型NAT是一個(gè)請(qǐng)求對(duì)應(yīng)一個(gè)端口；錐型NAT（非對(duì)稱NAT）是多個(gè)請(qǐng)求（外部發(fā)向內(nèi)部）對(duì)應(yīng)一個(gè)端口，只要源IP端口不變，無(wú)論發(fā)往的目的IP是否相同，在NAT上都映射為同一個(gè)端口，形象的看起來(lái)就像錐子一樣。下面分別介紹這四種類型及其差異。
1）完全錐型NAT（Full Cone NAT，后面簡(jiǎn)稱FC）
特點(diǎn)：IP和端口都不受限。
表現(xiàn)形式：將來(lái)自內(nèi)部同一個(gè)IP地址同一個(gè)端口號(hào)（IP_IN_A : PORT_IN_A）的主機(jī)監(jiān)聽(tīng)/請(qǐng)求，映射到公網(wǎng)IP某個(gè)端口（IP_OUT_B : PORT_OUT_B）的監(jiān)聽(tīng)。任意外部IP地址與端口對(duì)其自己公網(wǎng)的IP這個(gè)映射后的端口訪問(wèn)（IP_OUT_B : PORT_OUT_B），都將重新定位到內(nèi)部這個(gè)主機(jī)（IP_IN_A : PORT_IN_A）。該技術(shù)中，基于C/S架構(gòu)的應(yīng)用可以在任何一端發(fā)起連接。是不是很繞啊。再簡(jiǎn)單一點(diǎn)的說(shuō)，就是，只要客戶端，由內(nèi)到外建立一個(gè)映射（NatIP:NatPort -> A:P1）之后，其他IP的主機(jī)B或端口A:P2都可以使用這個(gè)洞給客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。見(jiàn)下圖（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）。
2）受限錐型NAT（Restricted Cone NAT）
特點(diǎn)：IP受限，端口不受限。
表現(xiàn)形式：與完全錐形NAT不同的是，在公網(wǎng)映射端口后，并不允許所有IP進(jìn)行對(duì)于該端口的訪問(wèn)，要想通信必需內(nèi)部主機(jī)對(duì)某個(gè)外部IP主機(jī)發(fā)起過(guò)連接，然后這個(gè)外部IP主機(jī)就可以與該內(nèi)部主機(jī)通信了，但端口不做限制。舉個(gè)栗子。當(dāng)客戶端由內(nèi)到外建立映射(NatIP:NatPort –> A:P1)，A機(jī)器可以使用他的其他端口（P2）主動(dòng)連接客戶端，但B機(jī)器則不被允許。因?yàn)镮P受限啦，但是端口隨便。見(jiàn)下圖（綠色是允許通信，紅色是禁止通信）。
3）端口受限型NAT（Port Restricted Cone NAT）
特點(diǎn)：IP和端口都受限。
表現(xiàn)形式：該技術(shù)與受限錐形NAT相比更為嚴(yán)格。除具有受限錐形NAT特性，對(duì)于回復(fù)主機(jī)的端口也有要求。也就是說(shuō)：只有當(dāng)內(nèi)部主機(jī)曾經(jīng)發(fā)送過(guò)報(bào)文給外部主機(jī)（假設(shè)其IP地址為A且端口為P1）之后，外部主機(jī)才能以公網(wǎng)IP:PORT中的信息作為目標(biāo)地址和目標(biāo)端口，向內(nèi)部主機(jī)發(fā)送UDP報(bào)文，同時(shí)，其請(qǐng)求報(bào)文的IP必須是A，端口必須為P1（使用IP地址為A，端口為P2，或者IP地址為B，端口為P1都將通信失敗）。例子見(jiàn)下圖。這一要求進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)外部報(bào)文請(qǐng)求來(lái)源的限制，從而較Restrictd Cone更具安全性。
4）對(duì)稱型NAT（Symmetric NAT）
特點(diǎn)：對(duì)每個(gè)外部主機(jī)或端口的會(huì)話都會(huì)映射為不同的端口（洞）。
表現(xiàn)形式：只有來(lái)自同一內(nèi)部IP:PORT、且針對(duì)同一目標(biāo)IP:PORT的請(qǐng)求才被NAT轉(zhuǎn)換至同一個(gè)公網(wǎng)（外部）IP:PORT，否則的話，NAT將為之分配一個(gè)新的外部（公網(wǎng)）IP:PORT。并且，只有曾經(jīng)收到過(guò)內(nèi)部主機(jī)請(qǐng)求的外部主機(jī)才能向內(nèi)部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包。內(nèi)部主機(jī)用同一IP與同一端口與外部多IP通信。客戶端想和服務(wù)器A（IP_A:PORT_A）建立連接，是通過(guò)NAT映射為NatIP:NatPortA來(lái)進(jìn)行的。而客戶端和服務(wù)器B（IP_B:PORT_B）建立連接，是通過(guò)NAT映射為NatIP:NatPortB來(lái)進(jìn)行的。即同一個(gè)客戶端和不同的目標(biāo)IP:PORT通信，經(jīng)過(guò)NAT映射后的公網(wǎng)IP:PORT是不同的。此時(shí)，如果B想要和客戶端通信，也只能通過(guò)NatIP:NatPortB（也就是紫色的洞洞）來(lái)進(jìn)行，而不能通過(guò)NatIP:NatPortA（也就是黃色的洞洞）。
以上，就是NAPT的四種NAT類型。可以看出由類型1）至類型4），NAT的限制是越來(lái)越大的。
三、NAT路由類型判斷
根據(jù)上面的介紹，我們可以了解到，在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況中，各個(gè)設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是不同的。那么，如果這些設(shè)備想要進(jìn)行通信，首先判斷出設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)類型就是非常重要的一步。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)：對(duì)于視頻會(huì)議和VoIP軟件，對(duì)位于不同NAT內(nèi)部的主機(jī)通信需要靠服務(wù)器來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)完成，這樣就會(huì)增加服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。為了解決這種問(wèn)題，要盡量使位于不同NAT內(nèi)部的主機(jī)建立直接通信，其中，最重要的一點(diǎn)就是要判斷出NAT的類型，然后才能根據(jù)NAT的類型，設(shè)計(jì)出直接通信方案。不然的話，兩個(gè)都在NAT的終端怎么通信呢？我們不知道對(duì)方的內(nèi)網(wǎng)IP，即使把消息發(fā)到對(duì)方的網(wǎng)關(guān)，然后呢？網(wǎng)關(guān)怎么知道這條消息給誰(shuí)，而且誰(shuí)允許網(wǎng)關(guān)這么做了？
為了解決這個(gè)問(wèn)題，也就是處于內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)之間能夠穿越它們之間的NAT建立直接通信，已經(jīng)提出了許多方法，STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT會(huì)話穿越應(yīng)用程序）技術(shù)就是其中比較重要的一種解決方法，并得到了廣泛的應(yīng)用。在這個(gè)部分，我們將重點(diǎn)介紹下STUN技術(shù)的原理。（PS：除此之外，還有UPNP技術(shù)，ALG應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)識(shí)別技術(shù)，SBC會(huì)話邊界控制，ICE交互式連接建立，TURN中繼NAT穿越技術(shù)等等，本文不一一做介紹。）
四、STUN協(xié)議
STUN是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它允許位于NAT（或多重NAT）后的客戶端找出自己的公網(wǎng)地址，查出自己位于哪種類型的NAT之后以及NAT為某一個(gè)本地端口所綁定的Internet端端口。這些信息被用來(lái)在兩個(gè)同時(shí)處于NAT路由器之后的主機(jī)之間建立UDP通信。該協(xié)議由RFC 5389定義。STUN由三部分組成：STUN客戶端、STUN服務(wù)器端、NAT路由器。STUN服務(wù)端部署在一臺(tái)有著兩個(gè)公網(wǎng)IP的服務(wù)器上。大概的結(jié)構(gòu)參考下圖。STUN客戶端通過(guò)向服務(wù)器端發(fā)送不同的消息類型，根據(jù)服務(wù)器端不同的響應(yīng)來(lái)做出相應(yīng)的判斷，一旦客戶端得知了Internet端的UDP端口，通信就可以開(kāi)始了。
STUN協(xié)議定義了三類測(cè)試過(guò)程來(lái)檢測(cè)NAT類型。
Test1：STUN Client通過(guò)端口{IP-C1:Port-C1}向STUN Server{IP-S1:Port-S1}發(fā)送一個(gè)Binding Request（沒(méi)有設(shè)置任何屬性）。STUN Server收到該請(qǐng)求后，通過(guò)端口{IP-S1:Port-S1}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-M1,Port-M1}作為Binding Response的內(nèi)容回送給STUN Client。 Test1#2：STUN Client通過(guò)端口{IP-C1:Port-C1}向STUN Server{IP-S2:Port-S2}發(fā)送一個(gè)Binding Request（沒(méi)有設(shè)置任何屬性）。STUN Server收到該請(qǐng)求后，通過(guò)端口{IP-S2:Port-S2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-M1#2,Port-M1#2}作為Binding Response的內(nèi)容回送給STUN Client。
Test2：STUN Client通過(guò)端口{IP-C1:Port-C1}向STUN Server{IP-S1:Port-S1}發(fā)送一個(gè)Binding Request（設(shè)置了Change IP和Change Port屬性）。STUN Server收到該請(qǐng)求后，通過(guò)端口{IP-S2:Port-S2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-M2,Port-M2}作為Binding Response的內(nèi)容回送給STUN Client。
Test3：STUN Client通過(guò)端口{IP-C1:Port-C1}向STUN Server{IP-S1:Port-S1}發(fā)送一個(gè)Binding Request（設(shè)置了Change Port屬性）。STUN Server收到該請(qǐng)求后，通過(guò)端口{IP-S1:Port-S2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-M3,Port-M3}作為Binding Response的內(nèi)容回送給STUN Client。
STUN協(xié)議的輸出是： 1）公網(wǎng)IP和Port 2）防火墻是否設(shè)置 3）客戶端是否在NAT之后，及所處的NAT的類型
因此我們進(jìn)而整理出，通過(guò)STUN協(xié)議，我們可以檢測(cè)的類型一共有以下七種：
A：公開(kāi)的互聯(lián)網(wǎng)IP。主機(jī)擁有公網(wǎng)IP，并且沒(méi)有防火墻，可自由與外部通信 B：完全錐形NAT。 C：受限制錐形NAT。 D：端口受限制形NAT。 E：對(duì)稱型UDP防火墻。主機(jī)出口處沒(méi)有NAT設(shè)備,但有防火墻,且防火墻規(guī)則如下：從主機(jī)UDP端口A發(fā)出的數(shù)據(jù)包保持源地址，但只有從之前該主機(jī)發(fā)出包的目的IP/PORT發(fā)出到該主機(jī)端口A的包才能通過(guò)防火墻。 F：對(duì)稱型NAT G：防火墻限制UDP通信。
輸入和輸出準(zhǔn)備好后，附上一張維基百科的流程圖，就可以描述STUN協(xié)議的判斷過(guò)程了。
STEP1：檢測(cè)客戶端是否有能力進(jìn)行UDP通信以及客戶端是否位于NAT后 -- Test1 客戶端建立UDP socket，然后用這個(gè)socket向服務(wù)器的（IP-1，Port-1）發(fā)送數(shù)據(jù)包要求服務(wù)器返回客戶端的IP和Port，客戶端發(fā)送請(qǐng)求后立即開(kāi)始接受數(shù)據(jù)包。重復(fù)幾次。 a）如果每次都超時(shí)收不到服務(wù)器的響應(yīng)，則說(shuō)明客戶端無(wú)法進(jìn)行UDP通信，可能是：G防火墻阻止UDP通信 b）如果能收到回應(yīng)，則把服務(wù)器返回的客戶端的（IP:PORT）同（Local IP: Local Port）比較： 如果完全相同則客戶端不在NAT后，這樣的客戶端是：A具有公網(wǎng)IP可以直接監(jiān)聽(tīng)UDP端口接收數(shù)據(jù)進(jìn)行通信或者E。 否則客戶端在NAT后要做進(jìn)一步的NAT類型檢測(cè)（繼續(xù)）。
STEP2：檢測(cè)客戶端防火墻類型 -- Test2 STUN客戶端向STUN服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，要求服務(wù)器從其他IP和PORT向客戶端回復(fù)包： a）收不到服務(wù)器從其他IP地址的回復(fù)，認(rèn)為包前被前置防火墻阻斷，網(wǎng)絡(luò)類型為E b）收到則認(rèn)為客戶端處在一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)類型為A
STEP3：檢測(cè)客戶端NAT是否是FULL CONE NAT -- Test2 客戶端建立UDP socket然后用這個(gè)socket向服務(wù)器的(IP-1,Port-1)發(fā)送數(shù)據(jù)包要求服務(wù)器用另一對(duì)(IP-2,Port-2)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求往回發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包，客戶端發(fā)送請(qǐng)求后立即開(kāi)始接受數(shù)據(jù)包。 重復(fù)這個(gè)過(guò)程若干次。 a）如果每次都超時(shí)，無(wú)法接受到服務(wù)器的回應(yīng)，則說(shuō)明客戶端的NAT不是一個(gè)Full Cone NAT，具體類型有待下一步檢測(cè)（繼續(xù)）。 b）如果能夠接受到服務(wù)器從(IP-2,Port-2)返回的應(yīng)答UDP包，則說(shuō)明客戶端是一個(gè)Full Cone NAT，這樣的客戶端能夠進(jìn)行UDP-P2P通信。
STEP4：檢測(cè)客戶端NAT是否是SYMMETRIC NAT -- Test1#2 客戶端建立UDP socket然后用這個(gè)socket向服務(wù)器的(IP-1,Port-1)發(fā)送數(shù)據(jù)包要求服務(wù)器返回客戶端的IP和Port, 客戶端發(fā)送請(qǐng)求后立即開(kāi)始接受數(shù)據(jù)包。 重復(fù)這個(gè)過(guò)程直到收到回應(yīng)（一定能夠收到，因?yàn)榈谝徊奖ＷC了這個(gè)客戶端可以進(jìn)行UDP通信）。 用同樣的方法用一個(gè)socket向服務(wù)器的(IP-2,Port-2)發(fā)送數(shù)據(jù)包要求服務(wù)器返回客戶端的IP和Port。 比較上面兩個(gè)過(guò)程從服務(wù)器返回的客戶端(IP,Port),如果兩個(gè)過(guò)程返回的(IP,Port)有一對(duì)不同則說(shuō)明客戶端為Symmetric NAT，這樣的客戶端無(wú)法進(jìn)行UDP-P2P通信（檢測(cè)停止）因?yàn)閷?duì)稱型NAT，每次連接端口都不一樣，所以無(wú)法知道對(duì)稱NAT的客戶端，下一次會(huì)用什么端口。否則是Restricted Cone NAT，是否為Port Restricted Cone NAT有待檢測(cè)（繼續(xù)）。
STEP5：檢測(cè)客戶端NAT是Restricted Cone 還是 Port Restricted Cone -- Test3 客戶端建立UDP socket然后用這個(gè)socket向服務(wù)器的(IP-1,Port-1)發(fā)送數(shù)據(jù)包要求服務(wù)器用IP-1和一個(gè)不同于Port-1的端口發(fā)送一個(gè)UDP 數(shù)據(jù)包響應(yīng)客戶端, 客戶端發(fā)送請(qǐng)求后立即開(kāi)始接受數(shù)據(jù)包。重復(fù)這個(gè)過(guò)程若干次。如果每次都超時(shí)，無(wú)法接受到服務(wù)器的回應(yīng)，則說(shuō)明客戶端是一個(gè)Port Restricted Cone NAT，如果能夠收到服務(wù)器的響應(yīng)則說(shuō)明客戶端是一個(gè)Restricted Cone NAT。以上兩種NAT都可以進(jìn)行UDP-P2P通信。
通過(guò)以上過(guò)程，至此，就可以分析和判斷出客戶端是否處于NAT之后，以及NAT的類型及其公網(wǎng)IP，以及判斷客戶端是否具備P2P通信的能力了。
