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网络中的NAT工作原理与NAT实现穿越教程

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最近在看东西的时候发现很多网络程序中都需要NAT穿越,特意在此总结一下。

先做一个约定:

内网A中有:A1(192.168.0.8)、A2(192.168.0.9)两用户

               网关X1(一个NAT设备)有公网IP 1.2.3.4

内网B中有:B1(192.168.1.8)、B2(192.168.1.9)两用户,

               网关Y1(一个NAT设备)有公网IP 1.2.3.5

公网服务器:C (6.7.8.9) D (6.7.8.10)

NAT原理

网络地址转换(NAT,Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术,是一种将私有(保留)地址转化为合法IP地址的转换技术。下面介绍两类不同方式实现的NAT:

1、NAT(Network Address Translators):称为基本的NAT

NAT原理与NAT穿越

NAT原理与NAT穿越


在客户机时      192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

在网关时         1.2.3.4:4000——6.7.8.9:8000

服务器C          6.7.8.9:8000

其核心是替换IP地址而不是端口,这会导致192.168.0.8使用4000端口后,192.168.0.9如何处理?具体参考RFC 1631

基本上这种类型的NAT设备已经很少了。或许根本我们就没机会见到。

2.   NAPT(Network Address/Port Translators):其实这种才是我们常说的 NAT

NAPT的特点是在网关时,会使用网关的 IP,但端口会选择一个和临时会话对应的临时端口。如下图:

NAT原理与NAT穿越

NAT原理与NAT穿越


在客户机时           192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

在网关时              1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000

服务器C               6.7.8.9:8000

网关上建立保持了一个1.2.3.4:62000的会话,用于192.168.0.8:4000与6.7.8.9:8000之间的通讯。

对于NAPT,又分了两个大的类型,差别在于,当两个内网用户同时与8000端口通信的处理方式不同:

2.1、Symmetric NAT型 (对称型)

NAT原理与NAT穿越

NAT原理与NAT穿越


在客户机时              192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000 192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

在网关时,两个不同session但端口号不同      1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000 1.2.3.4:62001——6.7.8.10:8000

服务器C      6.7.8.9:8000

服务器 D     6.7.8.10:8000

这种形式会让很多p2p软件失灵。

2.2、Cone NAT型(圆锥型)

NAT原理与NAT穿越

NAT原理与NAT穿越


在客户机时              192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000 192.168.0.8:4000——6.7.8.10:8000

在网关时,两个不同session但端口号相同      1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000 1.2.3.4:62000——6.7.8.10:8000

服务器C           6.7.8.9:8000

服务器D           6.7.8.10:8000

目前绝大多数属于这种。Cone NAT又分了3种类型:

a)Full Cone NAT(完全圆锥型):从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000 ,192.168.0.8可以收到任意外部主机发到1.2.3.4:62000的数据报

b)Address Restricted Cone NAT (地址限制圆锥型):从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000,只有当内部主机192.168.0.8先给服务器C 6.7.8.9发送一个数据报后,192.168.0.8才能收到6.7.8.9发送到1.2.3.4:62000的数据报

c)Port Restricted Cone NAT(端口限制圆锥型):从同一私网地址端口192.168.0.8:4000发至公网的所有请求都映射成同一个公网地址端口1.2.3.4:62000,只有当内部主机192.168.0.8先向外部主机地址端口6.7.8.9:8000发送一个数据报后,192.168.0.8才能收到6.7.8.9:8000发送到1.2.3.4:62000的数据报   

穿越NAT的实现

NAT原理与NAT穿越

NAT原理与NAT穿越


A1在客户机时                192.168.0.8:4000——6.7.8.9:8000

X1在网关时                   1.2.3.4:62000——6.7.8.9:8000

服务器C                       6.7.8.9:8000

B1在客户机时                192.168.1.8:4000——6.7.8.9:8000

Y1在网关时                   1.2.3.5:31000——6.7.8.9:8000

两内网用户要实现通过各自网关的直接呼叫,需要以下过程:

1、 客户机A1、B1顺利通过格子网关访问服务器C ,均没有问题(类似于登录)

2、 服务器C保存了 A1、B1各自在其网关的信息(1.2.3.4:62000、1.2.3.5:31000)没有问题。并可将该信息告知A1、B2。

3、 此时A1发送给B1网关的1.2.3.5:31000是否会被B1收到?答案是基本上不行(除非Y1设置为完全圆锥型,但这种设置非常少),因为Y1上检测到其存活的会话中没有一个的目的IP或端口于1.2.3.4:62000有关而将数据包全部丢弃!

4、 此时要实现A1、B1通过X1、Y1来互访,需要服务器C告诉它们各自在自己的网关上建立“UDP隧道”,即命令A1发送一个 192.168.0.8:4000——1.2.3.5:31000的数据报,B1发送一个192.168.1.8:4000——1.2.3.4:62000的数据报,UDP形式,这样X1、Y1上均存在了IP端口相同的两个不同会话(很显然,这要求网关为Cone NAT型,否则,对称型Symmetric NAT设置网关将导致对不同会话开启了不同端口,而该端口无法为服务器和对方所知,也就没有意义)。

5、 此时A1发给Y1,或者B1发给X1的数据报将不会被丢弃且正确的被对方收到.

综合P2P可实现的条件需要:

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。


一些现在常用的技术:

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。

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