[ZT]NAT的完全分析及其UDP穿透的完全解决方案

男娘i 2022-08-25 15:50 7阅读 0赞

源： [http://blog.csdn.net/colinchan/archive/2006/05/08/712773.aspx][http_blog.csdn.net_colinchan_archive_2006_05_08_712773.aspx]

**一:基本术语**

**防火墙**

防火墙限制了私网与公网的通信，它主要是将（防火墙）认为未经授权的的包丢弃，防火墙只是检验包的数据，并不修改数据包中的 IP地址和TCP/UDP端口信息。

**网络地址转换（NAT）**

当有数据包通过时，网络地址转换器不仅检查包的信息，还要将包头中的 IP地址和端口信息进行修改。以使得处于NAT之后的机器共享几个仅有的公网IP地址（通常是一个）。网络地址转换器主要有两种类型.

**P2P** **应用程序**

P2P应用程序是指，在已有的一个公共服务器的基础上，并分别利用自己的私有地址或者公有地址（或者两者兼备）来建立一个端到端的会话通信。

**P2P** **防火墙**

P2P防火墙是一个提供了防火墙的功能的 P2P代理，但是不进行地址转换.

**P2P-NAT**

P2P-NAT 是一个 P2P代理,提供了NAT的功能,也提供了防火墙的功能,一个最简的P2P代理必须具有锥形NAT对Udp通信支持的功能,并允许应用程序利用Udp打洞技术建立强健的P2P连接。

**回环转换**

当 NAT的私网内部机器想通过公共地址来访问同一台局域网内的机器的时，NAT设备等价于做了两次NAT的事情，在包到达目标机器之前，先将私有地址转换为公网地址，然后再将公网地址转换回私有地址。我们把具有上叙转换功能的NAT设备叫做“回环转换”设备。

**二:NAT分类**

**可以分为** **基础NAT** **与** **网络地址和端口转换(NAPT)** **两大类**

**(** **一):基础NAT**

基础NAT 将私网主机的私有 IP地址转换成公网IP地址，但并不将TCP/UDP端口信息进行转换。 基础NAT一般用在当NAT拥有很多公网IP地址的时候，它将公网IP地址与内部主机进行绑定，使得外部可以用公网IP地址访问内部主机。（实际上是只将IP转换，192.168.0.23 <-> 210.42.106.35,这与直接设置IP地址为公网IP还是有一定区别的，特别是对于企业来说，外部的信息都要经过统一防火墙才能到达内部，但是内部主机又可以使用公网IP）

**(** **二):网络地址和端口转换 （NAPT）**

这是最普遍的情况，网络地址 /端口转换器检查、修改包的IP地址和TCP/UDP端口信息，这样，更多的内部主机就可以同时使用一个公网IP地址。

请参考 \[RFC1631\]和\[RFC2993\]及\[RFC2663\]这三个文档了解更多的NAT分类和术语信息。另外，关于NAPT的分类和术语，\[RFC2663\]做了更多的定义。当一个内部网主机通过NAT打开一个“外出”的TCP或UDP会话时，NAPT分配给这个会话一个公网IP和端口，用来接收外网的响应的数据包，并经过转换通知内部网的主机。这样做的效果是，NAPT在 \[私有IP:私有端口\] 和\[公网IP:公网端口\]之间建立了一个端口绑定。

端口绑定指定了 NAPT将在这个会话的生存期内进行地址转换任务。这中间存在一个这样的问题，如果P2P应用程序从内部网络的一个 \[ 私有IP地址:端口\]对同时发出多条会话给不同的外网主机，那么NAT会怎样处理呢？这又可以分为 **锥形NAT** ( **CONE NAT)与对称NAT (SYMMTRIC NAT)两大类来考虑:**

**A.** **锥形NAT**

（为什么叫做锥形呢？请看以下图形 ,终端和外部服务器，都通过NAT分派的这个绑定地址对来传送信息，就象一个漏斗一样，筛选并传递信息）

当建立了一个 \[私有IP:端口\]-\[公网IP:端口\] 端口绑定之后，对于来自同一个\[私有IP:端口\]会话，锥形NAT服务器允许发起会话的应用程序 重复使用这个端口绑定，一直到这个会话结束才解除（端口绑定）。

例如，假设 Client A（IP地址信息如上图所示）通过一个锥形NAT 同时发起两个外出的连接，它使用同一个内部端口（10.0.0.1:1234）给公网的两台不同的服务器，S1和S2。锥形NAT 只分配一个公网IP和端口（155.99.25.11:62000）给这个两个会话，通过地址转换可以确保 Client使用端口的“同一性”（即这个Client只使用这个端口）。而基础NATs和防火墙却不能修改经过的数据包端口号，它们可以看作是锥形NAT的精简版本。

进一步分析可以将 **CONE NAT受限制锥形NAT (RESTRICT CONE) 与端口受限锥形NAT (PORT RESTRICT CONE) 三大类,以下是详细论述:** 分为 **全双工锥形NAT** **(FULL CONE)** ,

**1.** **全双工锥形NAT**

当内部主机发出一个 “外出”的连接会话，就会创建了一个公网/私网 地址，一旦这个地址对被创建，全双工锥形NAT会接收随后任何外部端口传入这个公共端口地址的通信。因此，全双工锥形NAT有时候又被称为"混杂"NAT。

**2.** **受限制锥形NAT**

受限制的锥形 NAT会对传入的数据包进行筛选，当内部主机发出“外出”的会话时，NAT会记录这个外部主机的IP地址信息，所以，也只有这些有记录的外部IP地址，能够将信息传入到NAT内部，受限制的锥形NAT 有效的给防火墙提炼了筛选包的原则——即限定只给那些已知的外部地址“传入”信息到NAT内部。

**3.** **端口受限锥形NAT**

端口受限制的锥形 NAT，与受限制的锥形NAT不同的是：它同时记录了外部主机的IP地址和端口信息，端口受限制的锥形NAT给内部节点提供了同一级别的保护，在维持端口“同一性”过程中，将会丢弃对称NAT传回的信息。

**B.** **对称NAT**

对称 NAT，与Cone NAT是大不相同的，并不对会话进行端口绑定，而是分配一个全新的公网端口 给每一个新的会话。

还是上面那个例子：如果 Client A (10.0.0.1:1234)同时发起两个 "外出" 会话,分别发往S1和S2。对称Nat会分配公共地址155.99.25.11:62000给Session1，然后分配另一个不同的公共地址155.99.25.11:62001给Session2。对称Nat能够区别两个不同的会话并进行地址转换，因为在 Session1 和 Session2中的外部地址是不同的，正是因为这样，Client端的应用程序就迷失在这个地址转换边界线了，因为这个应用程序每发出一个会话都会使用一个新的端口，无法保障只使用同一个端口了。

在 TCP和UDP通信中，（到底是使用同一个端口，还是分配不同的端口给同一个应用程序），锥形NAT和对称NAT各有各的理由。当然锥形NAT在根据如何公平地将NAT接受的连接直达一个已创建的地址对上有更多的分类。这个分类一般应用在Udp通信（而不是Tcp通信上），因为NATs和防火墙阻止了试图无条件传入的TCP连接，除非明确设置NAT不这样做。

**三:NAT对session的处理**

以下分析 NAPT是依据什么策略来判断是否要为一个请求发出的UDP数据包建立Session的.主要有一下几个策略:

A. 源地址 (内网IP地址)不同，忽略其它因素, 在NAPT上肯定对应不同的Session

B. 源地址 (内网IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，则在NAPT上也肯定对应不同的Session

C. 源地址 (内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)相同，目的端口不同，则在NAPT上肯定对应同一个Session

D. 源地址 (内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)不同，忽略目的端口，则在NAPT上是如何处理Session的呢？

A,B,C三种情况的都是比较简单的 ,可以很容易的实现.而D的情况就比较复杂了.所以D情况才是我们要重点关心和讨论的问题。

**四:完全解决方案**

以下针对四种 SESSION与四种NAT的完全解决方案,为了方便将使用以下缩写形式:

C代表 CONE NAT

S代表 SYMMETRIC NAT,

FC代表  FULL CONE NAT,

RC代表  RESTRICT CONE NAT,

PC 代表  PORT RESTRICT CONE NAT.

首先依据 CLIENT (客户)端在NAT后 的个数不同可以分为两大类:

**TYPE ONE *:*** ***一个在NAT后 + 一个在公网中*** **.**

这种情况下可以分为两大类 :

**A.**  **S**  **VS**  **公网:** **此种情况下,由于公网的地址在一个SESSION内是不变的,所以可以打洞是可以成功的.**

**B.**  **C**  **VS**  **公网** **:**  **与上面类似,这种情口下打洞是可以成功的.**

**TYPE TWO:** ***两个客户都在NAT后面.***

这种情况下也可以细分为两大类 :

**A.**  **其中一个NAT 是**  **S(SYMMETRIC NAT)**  **型** **的,既:** **S**  **VS**  **C** **或者是** **S**  **VS**  **S**  **.**

下面论证这种情口下按照常规打洞是行不通的 ,在常规打洞中,所有的客户首先登陆到一个服务器上去.服务器记录下每个客户的 \[ 公网IP:端口\],然后在打洞过程中就使用这个记录的值,然而对于 S 型的NAT来说,它并不绑定 \[ 私网IP:端口\]和 \[ 公网IP:端口\]的映射.所以在不同的SESSION中,NAT将会重新分配一对 \[ 公网IP:端口\].这样一来对 于S型的NAT来说打洞的 \[ 公网IP:端口\]与登记在服务器上的 \[ 公网IP:端口\]是不同的.而且也没有办法将打洞的 \[ 公网IP:端口\]通知到 另一个位于NAT下的客户端, 所以打洞是不会成功的.然而如果 另一个客户端是在公网时,打洞是可以的.前面已经论证了这种情况.

这种情况下的解决方案是只能通过端口预测来进行打洞 ,具体解决方法如下:例如 (以两个都是S型的为例)  NAT A 分配了它自己的 UDP 端口62000 ，用来保持  客户端A 与 服务器S的通信会话 ，  NAT B 也分配了 31000端口 ，用来保持 客户端B与 服务器S 的通信会话 。通过与  服务器S的对话 ， 客户端A 和 客户端B都相互知道了对方所映射的真实 IP和端口 。

客户端A发送一条 UDP消息到 138.76.29.7:31001(请注意到端口号的增加 ) ，同时 客户端B发送一条 UDP消息到 155.99.25.11:62001 。 如果NAT A 和NAT B继续分配端口给新的会话，并且从 A-S和B-S的会话时间消耗得并不多的话，那么一条处于客户端A和客户端B之间的双向会话通道就建立了。

客户端A发出的消息送达 B导致了NAT A打开了一个新的会话，并且我们希望 NAT A将会指派 62001端口给这个新的会话，因为62001是继62000后 ，NAT会自动指派给 从服务器S到客户端A之间的新会话的端口号；类似的，客户端B发出的消息送达A导致了 NAT B打开了一个新的会话，并且我们希望 NAT B将会指派 31001这个端口给新的会话；如果两个客户端都正确的猜测到了对方新会话被指派的端口号，那么这个 客户端A－客户端B的双向连接就被打通了。其结果如下图所示：

明显的，有许多因素会导致这个方法失败：如果这个预言的新端口（ 62001和31001） 恰好已经被一个不相关的会话所使用，那么NAT就会跳过这个端口号，这个连接就会宣告失败；如果两个NAT有时或者总是不按照顺序来生成新的端口号，那么这个方法也是行不通的 。

如果隐藏在 NAT A后的一个不同的 客户端X（或者在NAT B后）打开了一个新的“外出”UDP 连接，并且无论这个连接的目的如何；只要这个动作发生在 客户端A 建立了与服务器S的连接之后 ， 客户端A 与 客户端B 建立连接之前；那么这个无关的 客户端X 就会趁人不备地“偷” 到这个我们渴望分配的端口。所以，这个方法变得如此脆弱而且不堪一击，只要任何一个NAT方包含以上碰到的问题，这个方法都不会奏效。

在处于 cone NAT 系列的网络环境中这个方法还是实用的；如果有一方为 cone NAT 而另外一方为 symmetric NAT，那么应用程序就应该预先发现另外一方的 NAT 是什么类型，再做出正确的行为来处理通信，这样就增大了算法的复杂度，并且降低了在真实网络环境中的普适性。

最后，如果 P2P的一方处在两级或者两级以上的NAT下面，并且这些NATS 接近这个客户端是SYMMETRIC NAT的话，端口号预言是无效的！

因此，并不推荐使用这个方法来写新的 P2P应用程序，这也是历史的经验和教训！

**B.**  **两个** **都是CONE NAT型** **的** **.**

这种情况下可以分为六大类型 :

A: FC + FC

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

虽然有这么多种情况 ,但是由于CONE NAT 的特性,所以还是很好办的,因为对于CONE NAT 来说,在同一个SESSION中它会绑定一对 \[ 私网IP:端口\]和 \[ 公网IP:端口\]的映射,所以它们打洞用的 \[ 公网IP:端口\]与登记在服务器上的 \[ 公网IP:端口\]是一致的,所以打洞是可以行的通的.

综上所述 ,就已经完全的概括了所有类型的NAT之间的可能的通信情况了.并且都提供了可行的解决方案.

**五:对前一阶段的总结**

1.前一阶段使用的打洞方法是有缺陷的 ,它只适应于两个都是 **FULL CONE NAT**的类型的CLIENT(客户端).以下论证它不适应于 **两个都是CONE NAT的类型**中的

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

这五种情况 .

因为对于 受限的NAT它登记了外出包的\[IP地址＆端口\],它仅仅接受这些已登记地址发过来的包,所以它们报告服务器的端口只能接受来自服务器的包.不能接受来自另一客户端的包.所以前一阶段的打洞方法是不可行的.

**六: 存在的问题**

按照理论 .NAT将在一定时间后关闭UDP的一个映射,所以为了保持与服务器能够一直通信,服务器必须要发送UDP心跳包,来保持映射不被关闭.这就需要一个合适的时间值.