考慮到UDP的無(wú)狀態(tài)特性，目前針對(duì)其的NAT實(shí)現(xiàn)大致可分為Full Cone、Restricted Cone、Port Restricted Cone和Symmetric NAT四種。值得指出的是，對(duì)于TCP協(xié)議而言，一般來(lái)說(shuō)，目前NAT中針對(duì)TCP的實(shí)現(xiàn)基本上是一致的，其間并不存在太大差異，這是因?yàn)門(mén)CP協(xié)議本身 便是面向連接的，因此無(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò)連接無(wú)狀態(tài)所帶來(lái)復(fù)雜性。
用語(yǔ)定義
- 內(nèi)部Tuple：指內(nèi)部主機(jī)的私有地址和端口號(hào)所構(gòu)成的二元組，即內(nèi)部主機(jī)所發(fā)送報(bào)文的源地址、端口所構(gòu)成的二元組
- 外部Tuple：指內(nèi)部Tuple經(jīng)過(guò)NAT的源地址/端口轉(zhuǎn)換之后，所獲得的外部地址、端口所構(gòu)成的二元組，即外部主機(jī)收到經(jīng)NAT轉(zhuǎn)換之后的報(bào)文時(shí)，它所看到的該報(bào)文的源地址（通常是NAT設(shè)備的地址）和源端口
- 目標(biāo)Tuple：指外部主機(jī)的地址、端口所構(gòu)成的二元組，即內(nèi)部主機(jī)所發(fā)送報(bào)文的目標(biāo)地址、端口所構(gòu)成的二元組
詳細(xì)釋義
- Full Cone NAT：“全錐形NAT”，所有來(lái)自同一 個(gè)內(nèi)部Tuple X的請(qǐng)求均被NAT轉(zhuǎn)換至同一個(gè)外部Tuple Y，而不管這些請(qǐng)求是不是屬于同一個(gè)應(yīng)用或者是多個(gè)應(yīng)用的。除此之外，當(dāng)X-Y的轉(zhuǎn)換關(guān)系建立之后，任意外部主機(jī)均可隨時(shí)將Y中的地址和端口作為目標(biāo)地址 和目標(biāo)端口，向內(nèi)部主機(jī)發(fā)送UDP報(bào)文，由于對(duì)外部請(qǐng)求的來(lái)源無(wú)任何限制，因此這種方式雖然足夠簡(jiǎn)單，但卻不那么安全
- Restricted Cone NAT： “限制錐形NAT”，它是Full Cone的受限版本：所有來(lái)自同一個(gè)內(nèi)部Tuple X的請(qǐng)求均被NAT轉(zhuǎn)換至同一個(gè)外部Tuple Y，這與Full Cone相同，但不同的是，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Z）后，外部主機(jī)才能以Y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請(qǐng)求報(bào)文，這意味著，NAT設(shè)備只向內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)（目標(biāo)地址/端口轉(zhuǎn)換）那些來(lái)自于當(dāng)前已知的外部主機(jī)的UDP報(bào)文，從而保障了外部請(qǐng)求來(lái)源的安 全性
- Port Restricted Cone NAT：“端口限制錐形NAT”，它是Restricted Cone NAT的進(jìn)一步受限版。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Z且端口為P）之后，外部主機(jī)才能以Y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)文的源端口必須為P，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
- Symmetric NAT：“對(duì)稱型NAT”，這是一種比所有Cone NAT都要更為靈活的轉(zhuǎn)換方式：在Cone NAT中，內(nèi)部主機(jī)的內(nèi)部Tuple與外部Tuple的轉(zhuǎn)換映射關(guān)系是獨(dú)立于內(nèi)部主機(jī)所發(fā)出的UDP報(bào)文中的目標(biāo)地址及端口的，即與目標(biāo)Tuple無(wú)關(guān)； 在Symmetric NAT中，目標(biāo)Tuple則成為了NAT設(shè)備建立轉(zhuǎn)換關(guān)系的一個(gè)重要考量：只有來(lái)自于同一個(gè)內(nèi)部Tuple 、且針對(duì)同一目標(biāo)Tuple的請(qǐng)求才被NAT轉(zhuǎn)換至同一個(gè)外部Tuple，否則的話，NAT將為之分配一個(gè)新的外部Tuple；打個(gè)比方，當(dāng)內(nèi)部主機(jī)以相 同的內(nèi)部Tuple對(duì)2個(gè)不同的目標(biāo)Tuple發(fā)送UDP報(bào)文時(shí)，此時(shí)NAT將會(huì)為內(nèi)部主機(jī)分配兩個(gè)不同的外部Tuple，并且建立起兩個(gè)不同的內(nèi)、外部 Tuple轉(zhuǎn)換關(guān)系。與此同時(shí)，只有接收到了內(nèi)部主機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包的外部主機(jī)才能向內(nèi)部主機(jī)返回UDP報(bào)文，這里對(duì)外部返回報(bào)文來(lái)源的限制是與Port Restricted Cone一致的。不難看出，如果說(shuō)Full Cone是要求最寬松NAT UDP轉(zhuǎn)換方式，那么，Symmetric NAT則是要求最嚴(yán)格的NAT方式，其不僅體現(xiàn)在轉(zhuǎn)換關(guān)系的建立上，而且還體現(xiàn)在對(duì)外部報(bào)文來(lái)源的限制方面。
P2P的NAT研究
第一部分：NAT介紹
第二部分：NAT類型檢測(cè)
第一部分： NAT介紹
各種不同類型的NAT(according to RFC)
Full Cone NAT:
內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，任何外部主機(jī)只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包
Restricted Cone NAT:
內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)并且內(nèi)網(wǎng)主機(jī)之前用這個(gè)socket曾向這個(gè)外部主機(jī)IP發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)。只要滿足這兩個(gè)條件，這個(gè)外部主機(jī)就可以用自己的(IP,任何端口)發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包
Port Restricted Cone NAT:
內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)并且內(nèi)網(wǎng)主機(jī)之前用這個(gè)socket曾向這個(gè)外部主機(jī)(IP,Port)發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)。只要滿足這兩個(gè)條件，這個(gè)外部主機(jī)就可以用自己的(IP,Port)發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包
Symmetric NAT:
內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)UDP socket(LocalIP,LocalPort),當(dāng)用這個(gè)socket第一次發(fā)數(shù)據(jù)給外部主機(jī)1時(shí),NAT為其映射一個(gè)(PublicIP-1,Port-1),以后內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送給外部主機(jī)1的所有數(shù)據(jù)都是用這個(gè)(PublicIP-1,Port-1)，如果內(nèi)網(wǎng)主機(jī)同時(shí)用這個(gè)socket給外部主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)，第一次發(fā)送時(shí)，NAT會(huì)為其分配一個(gè)(PublicIP-2,Port-2), 以后內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送給外部主機(jī)2的所有數(shù)據(jù)都是用這個(gè)(PublicIP-2,Port-2).如果NAT有多于一個(gè)公網(wǎng)IP，則PublicIP-1和PublicIP-2可能不同，如果NAT只有一個(gè)公網(wǎng)IP,則Port-1和Port-2肯定不同，也就是說(shuō)一定不能是PublicIP-1等于 PublicIP-2且Port-1等于Port-2。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，那么它首先應(yīng)該收到內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)給他的數(shù)據(jù)，然后才能往回發(fā)送，否則即使他知道內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的一個(gè)(PublicIP,Port)也不能發(fā)送數(shù)據(jù)給內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，這種NAT無(wú)法實(shí)現(xiàn)UDP-P2P通信。
第二部：NAT類型檢測(cè)（探針技術(shù)）
前提條件:有一個(gè)公網(wǎng)的Server并且綁定了兩個(gè)公網(wǎng)IP(IP-1,IP-2)。這個(gè)Server做UDP監(jiān)聽(tīng)(IP-1,Port-1),(IP-2,Port-2)并根據(jù)客戶端的要求進(jìn)行應(yīng)答。
第一步：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？
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，要設(shè)定socket Timeout（300ms），防止無(wú)限堵塞. 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)明客戶端無(wú)法進(jìn)行UDP通信，可能是防火墻或NAT阻止UDP通信，這樣的客戶端也就 不能P2P了（檢測(cè)停止）。
當(dāng)客戶端能夠接收到服務(wù)器的回應(yīng)時(shí)，需要把服務(wù)器返回的客戶端（IP,Port）和這個(gè)客戶端socket的 （LocalIP，LocalPort）比較。如果完全相同則客戶端不在NAT后，這樣的客戶端具有公網(wǎng)IP可以直接監(jiān)聽(tīng)UDP端口接收數(shù)據(jù)進(jìn)行通信（檢 測(cè)停止）。否則客戶端在NAT后要做進(jìn)一步的NAT類型檢測(cè)(繼續(xù))。
第二步：檢測(cè)客戶端NAT是否是Full Cone NAT？
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，要設(shè)定socket Timeout（300ms），防止無(wú)限堵塞. 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))。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（檢測(cè)停止）。
第三步：檢測(cè)客戶端NAT是否是Symmetric NAT？
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，要設(shè)定socket Timeout（300ms），防止無(wú)限堵塞. 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）。否則是Restricted Cone NAT，是否為Port Restricted Cone NAT有待檢測(cè)(繼續(xù))。
第四步：檢測(cè)客戶端NAT是否是Restricted Cone NAT還是Port Restricted Cone NAT？
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，要設(shè)定socket Timeout（300ms），防止無(wú)限堵塞. 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。
注：以上檢測(cè)過(guò)程中只說(shuō)明了可否進(jìn)行UDP-P2P的打洞通信，具體怎么通信一般要借助于Rendezvous Server。另外對(duì)于Symmetric NAT不是說(shuō)完全不能進(jìn)行UDP-P2P達(dá)洞通信，可以進(jìn)行端口預(yù)測(cè)打洞，不過(guò)不能保證成功。
上面的NAT類型檢測(cè)過(guò)程，實(shí)際上是一種常見(jiàn)的NAT穿越技術(shù)：探針技術(shù)，關(guān)于探針技術(shù)STUN和TURN：
所謂探針技術(shù)，是通過(guò)在所有參與通信的實(shí)體上安裝探測(cè)插件，以檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中是否存在NAT網(wǎng)關(guān)，并對(duì)不同NAT模型實(shí)施不同穿越方法的一種技術(shù)。
STUN服務(wù)器被部署在公網(wǎng)上，用于接收來(lái)自通信實(shí)體的探測(cè)請(qǐng)求，服務(wù)器會(huì)記錄收到請(qǐng)求的報(bào)文地址和端口，并填寫(xiě)到回送的響應(yīng)報(bào)文中。客戶端根據(jù)接收到的響應(yīng)消息中記錄的地址和端口與本地選擇的地址和端口進(jìn)行比較，就能識(shí)別出是否存在NAT網(wǎng)關(guān)。如果存在NAT網(wǎng)關(guān)，客戶端會(huì)使用之前的地址和端口向服務(wù)器的另外一個(gè)IP發(fā)起請(qǐng)求，重復(fù)前面的探測(cè)。然后再比較兩次響應(yīng)返回的結(jié)果判斷出NAT工作的模式。由前述的一對(duì)多轉(zhuǎn)換模型得知，除 對(duì)稱型NAT 以外的模型，NAT網(wǎng)關(guān)對(duì)內(nèi)部主機(jī)地址端口的映射都是相對(duì)固定的，所以比較容易實(shí)現(xiàn)NAT穿越。而 對(duì)稱型NAT 為每個(gè)連接提供一個(gè)映射，使得轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)地址和端口對(duì)不可預(yù)測(cè)。
此時(shí)，就用到了TURN轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，TURN可以與STUN綁定實(shí)現(xiàn)穿越NAT的服務(wù)，即在公網(wǎng)服務(wù)器上提供一個(gè)“地址端口對(duì)”，所有此“地址端口對(duì)”接收到的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由探測(cè)建立的連接轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)網(wǎng)主機(jī)上。TURN分配的這個(gè)映射“地址端口對(duì)”會(huì)通過(guò)STUN響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)部主機(jī)，后者將此信息放入建立連接的信令中通知通信的對(duì)端。這種探針技術(shù)是一種通用方法，不用在NAT設(shè)備上為每種應(yīng)用協(xié)議開(kāi)發(fā)功能，相對(duì)于ALG方式有一定普遍性。但是TURN中繼服務(wù)會(huì)成為通信瓶頸。而且在客戶端中增加探針功能要求每個(gè)應(yīng)用都要增加代碼才能支持。
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