NAT穿透（UDP打洞）

NAT有两大类，基本NAT和NAPT。

静态NAT：一个公网IP对应一个内部IP，一对一转换

动态NAT：N个公网IP对应M个内部IP，不固定的一对一转换关系

现在基本使用这种，又分为对称和锥型NAT。

锥型NAT ，有完全锥型、受限制锥型、端口受限制锥型三种：

对称NAT ：

把所有来自相同内部IP地址和端口号，到特定目的IP地址和端口号的请求映射到相同的外部IP地址和端口。如果同一主机使用不同的源地址和端口对，发送的目的地址不同，则使用不同的映射。只有收到了一个IP包的外部主机才能够向该内部主机发送回一个UDP包。对称的NAT不保证所有会话中的(私有地址，私有端口)和(公开IP，公开端口)之间绑定的一致性。相反，它为每个新的会话分配一个新的端口号。

对称NAT是一个请求对应一个端口，非对称NAT是多个请求对应一个端口(象锥形，所以叫Cone NAT)。

连接服务器为A，NAT检测服务器为B。

第一步：当一个接收客户端(Endpoint-Receiver ,简称 EP-R)需要接收文件信息时，在其向连接服务器发送文件请求的同时紧接着向检测服务器发送NAT检测请求。此处再次强调是“紧接着”，因为对于对称型NAT来说，这个操作可以直接算出其地址分配的增量(⊿p)。

第二步：当EP-R收到A或B的反馈信息时发现其外部地址与自身地址不同时就可以确定自己在NAT后面；否则，就是公网IP。

第三步：由服务器A向B发送其获得的EP-R的外部映射地址(IPa/Porta)，服务器B获得后进行比较，如果端口不同，则说明这是对称型NAT，同时可以直接计算出其分配增量：

⊿p=Portb-Porta

第四步：如果端口号相同，则由B向EP-R的Porta发送连接请求，如果EP-R有响应，则说明EP-R没有IP和Port的限制，属于全ConeNAT类型。

第五步：如果没有响应，则由服务器B使用其新端口b’向EP-R的Portb端口发送连接请求，如果有响应，则说明EP-R只对IP限制，属于限制性ConeNAT类型；否则就是对IP和port都限制，属于端口限制性ConeNAT类型。

通过上述五步基本可以全部检测出EP-R是否在公网，还是在某种NAT后面。

这也是一项可选配置任务，可根据需要为NAT 地址映射表配置老化时间，以控制用户对NAT 配置的使用，确保内、外网的通信安全。

配置NAT 地址映射表项老化时间的方法也很简单，只须在系统视图下使用firewall-nat session { dns | ftp | ftp-data | http | icmp | tcp | tcp-proxy | udp | sip | sip-media | rtsp |rtsp-media }aging-time time-value 命令配置即可。参数 time-value的取值范围为1～65 535的整数秒。如果要配置多个会话表项的超时时间需要分别用本命令配置。

缺省情况下，各协议的老化时间为：DNS（120 s）、ftp（120 s）、ftp-data（120 s）、HTTP（120 s）、icmp（20 s）、tcp（600 s）、tcp-proxy（10 s）、udp（120 s）、sip（1 800 s）、sip-media （ 120 s ）、rtsp （ 60 s ）、rtsp-media （ 120 s ）， 可用undo firewall-natsession { all | dns | ftp | ftp-data | http | icmp | tcp | tcp-proxy | udp | sip | sip-media | rtsp |rtsp-media } aging-time 命令恢复对应会话表项的超时时间为缺省值。

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。

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。

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。

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。

<pre style="margin: 0pxpadding: 0pxwhite-space: pre-wrapoverflow-wrap: break-word">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。</pre>

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。

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。

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。

UDP"打洞"原理

1. NAT分类

根据Stun协议(RFC3489),NAT大致分为下面四类

1) Full Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网机器C后,NAT会打开一个端口.然后外网的任何发到这个打开的端口的UDP数据报都可以到达A.不管是不是C发过来的.

例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88

A(192.168.8.100:5000) ->NAT(202.100.100.100 : 8000) ->C(292.88.88.88:2000)

任何发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

2) Restricted Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用任何端口和A通信.其他的外网机器不行.

例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88

A(192.168.8.100:5000) ->NAT(202.100.100.100 : 8000) ->C(292.88.88.88:2000)

任何从C发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

3) Port Restricted Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用原来的端口和A通信.其他的外网机器不行.

例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88

A(192.168.8.100:5000) ->NAT(202.100.100.100 : 8000) ->C(292.88.88.88:2000)

C(202.88.88.88:2000)发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

以上三种NAT通称Cone NAT.我们只能用这种NAT进行UDP打洞.

4) Symmetic

对于这种NAT.连接不同的外部目标.原来NAT打开的端口会变化.而Cone NAT不会.虽然可以用端口猜测.但是成功的概率很小.因此放弃这种NAT的UDP打洞.

2. UDP hole punching

对于Cone NAT.要采用UDP打洞.需要一个公网机器C来充当”介绍人”.内网的A,B先分别和C通信.打开各自的NAT端口.C这个时候知道A,B的公网IP:Port. 现在A和B想直接连接.比如A给B发.除非B是Full Cone.否则不能通信.反之亦然.但是我们可以这样.

A要连接B.A给B发一个UDP包.同时.A让那个介绍人给B发一个命令,让B同时给A发一个UDP包.这样双方的NAT都会记录对方的IP,然后就会允许互相通信.

3. 同一个NAT后面的情况

如果A,B在同一个NAT后面.如果用上面的技术来进行互连.那么如果NAT支持loopback(就是本地到本地的转换),A,B可以连接,但是比较浪费带宽和NAT.有一种办法是,A,B和介绍人通信的时候,同时把自己的local IP也告诉服务器.A,B通信的时候,同时发local ip和公网IP.谁先到就用哪个IP.但是local ip就有可能不知道发到什么地方去了.比如A,B在不同的NAT后面但是他们各自的local ip段一样.A给B的local IP发的UDP就可能发给自己内部网里面的某某某了.

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