UDP穿透NAT原理解析
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NAT(Network Address Translators)，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換是在IP地址日益缺乏的情況下產(chǎn)生的，它的主要目的就是為了能夠地址重用。NAT分為兩大類(lèi)，基本的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。 最開(kāi)始NAT是運(yùn)行在路由器上的一個(gè)功能模塊。
???????? 最先提出的是基本的NAT，它的產(chǎn)生基于如下事實(shí)：一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)（域）中的節(jié)點(diǎn)中只有很少的節(jié)點(diǎn)需要與外網(wǎng)連接（呵呵，這是在上世紀(jì)90年代中期提出的）。那么這個(gè)子網(wǎng)中其實(shí)只有少數(shù)的節(jié)點(diǎn)需要全球唯一的IP地址，其他的節(jié)點(diǎn)的IP地址應(yīng)該是可以重用的。
因此，基本的NAT實(shí)現(xiàn)的功能很簡(jiǎn)單，在子網(wǎng)內(nèi)使用一個(gè)保留的IP子網(wǎng)段，這些IP對(duì)外是不可見(jiàn)的。子網(wǎng)內(nèi)只有少數(shù)一些IP地址可以對(duì)應(yīng)到真正全球唯一的IP地址。如果這些節(jié)點(diǎn)需要訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)，那么基本NAT就負(fù)責(zé)將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)內(nèi)IP轉(zhuǎn)化為一個(gè)全球唯一的IP然后發(fā)送出去。(基本的NAT會(huì)改變IP包中的原IP地址，但是不會(huì)改變IP包中的端口)
關(guān)于基本的NAT可以參看RFC 1631
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另外一種NAT叫做NAPT，從名稱上我們也可以看得出，NAPT不但會(huì)改變經(jīng)過(guò)這個(gè)NAT設(shè)備的IP數(shù)據(jù)報(bào)的IP地址，還會(huì)改變IP數(shù)據(jù)報(bào)的TCP/UDP端口。
??????? 網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)化NAPT（Network Address Port Translation）是人們比較熟悉的一種轉(zhuǎn)化方式。NAPT普遍應(yīng)用于接入設(shè)備中，它可以將中小型的網(wǎng)絡(luò)隱藏在一個(gè)合法的IP地址后面。NAPT與動(dòng)態(tài)地址NAT不同，它將內(nèi)部連接映射到外部網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)單獨(dú)的IP地址上，同時(shí)在該地址上加一個(gè)由NAT設(shè)備選定的TCP端口號(hào)。
??? NAPT使得一組主機(jī)可以共享唯一的外部地址，當(dāng)位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)通過(guò)NAT設(shè)備向外部主機(jī)發(fā)起會(huì)話請(qǐng)求時(shí)，NAT設(shè)備就會(huì)查詢NAT表，看是否有相關(guān)的會(huì)話記錄，如果有記錄就將內(nèi)部IP地址及端口同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)發(fā)出去嗎；如果沒(méi)有相關(guān)記錄，進(jìn)行IP地址和端口轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還會(huì)在NAT表中增加一個(gè)該會(huì)話的記錄。外部主機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，用接收到的合法公網(wǎng)地址及端口作為目的IP地址及端口來(lái)回應(yīng)，NAT設(shè)備接收到外部回來(lái)的數(shù)據(jù)包，再根據(jù)NAT表中的記錄把目的地址及端口轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的內(nèi)部IP地址及端口，轉(zhuǎn)發(fā)給該內(nèi)部主機(jī)。
NAPT是把內(nèi)部地址映射到外部網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)IP地址的不同端口上。
基本NAT的設(shè)備可能我們見(jiàn)的不多（呵呵，我沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)），NAPT才是我們真正討論的主角。看下圖：
Server S1
18.181.0.31:1235
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^ Session 1 (A-S1) ^ |
| 18.181.0.31:1235 | |
v 155.99.25.11:62000 v |
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NAT
155.99.25.11
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^ Session 1 (A-S1) ^ |
| 18.181.0.31:1235 | |
v 10.0.0.1:1234 v |
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Client A
10.0.0.1:1234
有一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)10.*.*.*，Client A是其中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)（一個(gè)NAT設(shè)備）的外網(wǎng)IP是155.99.25.11(應(yīng)該還有一個(gè)內(nèi)網(wǎng)的IP地址，比如10.0.0.10)。如果Client A中的某個(gè)進(jìn)程（這個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建了一個(gè)UDP Socket,這個(gè)Socket綁定1234端口）想訪問(wèn)外網(wǎng)主機(jī)18.181.0.31的1235端口，那么當(dāng)數(shù)據(jù)包通過(guò)NAT時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情呢？
首先NAT會(huì)改變這個(gè)數(shù)據(jù)包的原IP地址，改為155.99.25.11。接著NAT會(huì)為這個(gè)傳輸創(chuàng)建一個(gè)Session（Session是一個(gè)抽象的概念，如果是TCP，也許Session是由一個(gè)SYN包開(kāi)始，以一個(gè)FIN包結(jié)束。而UDP呢，以這個(gè)IP的這個(gè)端口的第一個(gè)UDP開(kāi)始，結(jié)束呢，呵呵，也許是幾分鐘，也許是幾小時(shí)，這要看具體的實(shí)現(xiàn)了）并且給這個(gè)Session分配一個(gè)端口，比如62000，然后改變這個(gè)數(shù)據(jù)包的源端口為62000。所以本來(lái)是（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的數(shù)據(jù)包到了互聯(lián)網(wǎng)上變?yōu)榱?#xff08;155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
一旦NAT創(chuàng)建了一個(gè)Session后，NAT會(huì)記住62000端口對(duì)應(yīng)的是10.0.0.1的1234端口，以后從18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會(huì)被NAT自動(dòng)的轉(zhuǎn)發(fā)到10.0.0.1上。（注意：這里是說(shuō)18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)，其他的IP發(fā)送到這個(gè)端口的數(shù)據(jù)將被NAT拋棄）這樣Client A就與Server S1建立以了一個(gè)連接。
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呵呵，上面的基礎(chǔ)知識(shí)可能很多人都知道了，那么下面是關(guān)鍵的部分了。
看看下面的情況：
Server S1 Server S2
18.181.0.31:1235 138.76.29.7:1235
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+----------------------+----------------------+
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^ Session 1 (A-S1) ^ | ^ Session 2 (A-S2) ^
| 18.181.0.31:1235 | | | 138.76.29.7:1235 |
v 155.99.25.11:62000 v | v 155.99.25.11:62000 v
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Cone NAT
155.99.25.11
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^ Session 1 (A-S1) ^ | ^ Session 2 (A-S2) ^
| 18.181.0.31:1235 | | | 138.76.29.7:1235 |
v 10.0.0.1:1234 v | v 10.0.0.1:1234 v
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Client A
10.0.0.1:1234
接上面的例子，如果Client A的原來(lái)那個(gè)Socket(綁定了1234端口的那個(gè)UDP Socket)又接著向另外一個(gè)Server S2發(fā)送了一個(gè)UDP包，那么這個(gè)UDP包在通過(guò)NAT時(shí)會(huì)怎么樣呢？
這時(shí)可能會(huì)有兩種情況發(fā)生，一種是NAT再次創(chuàng)建一個(gè)Session，并且再次為這個(gè)Session分配一個(gè)端口號(hào)（比如：62001）。另外一種是NAT再次創(chuàng)建一個(gè)Session，但是不會(huì)新分配一個(gè)端口號(hào)，而是用原來(lái)分配的端口號(hào)62000。前一種NAT叫做Symmetric NAT，后一種叫做Cone NAT。我們期望我們的NAT是第二種，呵呵，如果你的NAT剛好是第一種，那么很可能會(huì)有很多P2P軟件失靈。（可以慶幸的是，現(xiàn)在絕大多數(shù)的NAT屬于后者，即Cone NAT）
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好了，我們看到，通過(guò)NAT,子網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)向外連結(jié)是很容易的（NAT相當(dāng)于透明的，子網(wǎng)內(nèi)的和外網(wǎng)的計(jì)算機(jī)不用知道NAT的情況）。
但是如果外部的計(jì)算機(jī)想訪問(wèn)子網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)就比較困難了（而這正是P2P所需要的）。
那么我們?nèi)绻霃耐獠堪l(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)給內(nèi)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)有什么辦法呢？首先，我們必須在內(nèi)網(wǎng)的NAT上打上一個(gè)“洞”（也就是前面我們說(shuō)的在NAT上建立一個(gè)Session），這個(gè)洞不能由外部來(lái)打，只能由內(nèi)網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)來(lái)打。而且這個(gè)洞是有方向的，比如從內(nèi)部某臺(tái)主機(jī)（比如：192.168.0.10）向外部的某個(gè)IP(比如：219.237.60.1)發(fā)送一個(gè)UDP包，那么就在這個(gè)內(nèi)網(wǎng)的NAT設(shè)備上打了一個(gè)方向?yàn)?19.237.60.1的“洞”，（這就是稱為UDP Hole Punching的技術(shù)）以后219.237.60.1就可以通過(guò)這個(gè)洞與內(nèi)網(wǎng)的192.168.0.10聯(lián)系了。（但是其他的IP不能利用這個(gè)洞）。
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呵呵，現(xiàn)在該輪到我們的正題P2P了。有了上面的理論，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)通訊就差最后一步了：那就是雞生蛋還是蛋生雞的問(wèn)題了，兩邊都無(wú)法主動(dòng)發(fā)出連接請(qǐng)求，誰(shuí)也不知道誰(shuí)的公網(wǎng)地址，那我們?nèi)绾蝸?lái)打這個(gè)洞呢？我們需要一個(gè)中間人來(lái)聯(lián)系這兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)。
現(xiàn)在我們來(lái)看看一個(gè)P2P軟件的流程，以下圖為例：
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Server S （219.237.60.1）
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+----------------------+----------------------+
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NAT A (外網(wǎng)IP:202.187.45.3)???? NAT B (外網(wǎng)IP:187.34.1.56)
| (內(nèi)網(wǎng)IP:192.168.0.1)???? |????????????? (內(nèi)網(wǎng)IP:192.168.0.1)
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Client A (192.168.0.20:4000)????? Client B (192.168.0.10:40000)
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首先，Client A登錄服務(wù)器，NAT A為這次的Session分配了一個(gè)端口60000，那么Server S收到的Client A的地址是202.187.45.3:60000，這就是Client A的外網(wǎng)地址了。同樣，Client B登錄Server S，NAT B給此次Session分配的端口是40000，那么Server S收到的B的地址是187.34.1.56:40000。
此時(shí)，Client A與Client B都可以與Server S通信了。如果Client A此時(shí)想直接發(fā)送信息給Client B，那么他可以從Server S那兒獲得B的公網(wǎng)地址187.34.1.56:40000，是不是Client A向這個(gè)地址發(fā)送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因?yàn)槿绻@樣發(fā)送信息，NAT B會(huì)將這個(gè)信息丟棄（因?yàn)檫@樣的信息是不請(qǐng)自來(lái)的，為了安全，大多數(shù)NAT都會(huì)執(zhí)行丟棄動(dòng)作）。現(xiàn)在我們需要的是在NAT B上打一個(gè)方向?yàn)?02.187.45.3（即Client A的外網(wǎng)地址）的洞，那么Client A發(fā)送到187.34.1.56:40000的信息,Client B就能收到了。這個(gè)打洞命令由誰(shuí)來(lái)發(fā)呢，呵呵，當(dāng)然是Server S。
總結(jié)一下這個(gè)過(guò)程：如果Client A想向Client B發(fā)送信息，那么Client A發(fā)送命令給Server S，請(qǐng)求Server S命令Client B向Client A方向打洞。呵呵，是不是很繞口，不過(guò)沒(méi)關(guān)系，想一想就很清楚了，何況還有源代碼呢（侯老師說(shuō)過(guò)：在源代碼面前沒(méi)有秘密8）），然后Client A就可以通過(guò)Client B的外網(wǎng)地址與Client B通信了。
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注意：以上過(guò)程只適合于Cone NAT的情況，如果是Symmetric NAT，那么當(dāng)Client B向Client A打洞的端口已經(jīng)重新分配了，Client B將無(wú)法知道這個(gè)端口（如果Symmetric NAT的端口是順序分配的，那么我們或許可以猜測(cè)這個(gè)端口號(hào)，可是由于可能導(dǎo)致失敗的因素太多，我們不推薦這種猜測(cè)端口的方法）。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的UDP穿透NAT原理解析的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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