解决外网与内网或内网之间的通信,NAT穿透
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在网络编码中会发现程序在局域网中是可以适用的,但是在外网与内网之间和内网与内网之间就不可行。
问题就在于NAT。首先介绍下NAT。
NAT的作用
NAT(Network Address Translator)
,网络地址转换。顾名思义,它是一种把内部私有网络IP
地址翻译成公有网络IP
地址的技术,如图5-1
所示。NAT
是在IP
地址日益缺乏的情况下产生的,它的主要目的是使地址能够重用[9]
。
图5-1 NAT 模型
IP地址分为五类:A类,B类,C类,D类,E类(这里不考虑保留的IP地址)。A、B、C类可被计算机作为IP地址,D类为组播地址,E类为特殊用途的地址。A、B、C类中,又可分为公有地址和私有地址,私有地址用于内网,不同的内网,私有地址可重用,从而节省了公网地址,它不可在公网中被路由,所以内网的主机要访问公网的服务器,便要经过NAT。公有地址是全球唯一的,能在公网上被路由。
内网主机用私有地址在内网能与其它的内网主机无误地通信,但它不能直接用私有地址访问外网的主机,因为私有地址不能被路由。它要与外网通信,必须经过NAT 设备(如网关,路由器),如图5-2
所示。主机A
与服务器S
通信,它须先通过网关,此时网关改变它的数据包地址及端口,把私有地址(10.0.0.2
)改为公有地址(155.99.25.11
),使数据包能在公网上被路由,送至服务器端。服务器端返回的数据包到达网关后,网关把公网地址改为相应的私有地址,然后转发到主机A
。通过这种方法,一个内网只需一个公有IP
地址,就把整个内网的计算机接入Internet
,从而解决IP
地址缺乏的问题。
NAT 功能通常被集成到路由器、防火墙、ISDN
路由器或者单独的NAT
设备中。也可通过软件实现这一功能,Windows 98 SE
、Windows 2000
都包含了这一功能。
NAT的分类及工作原理
基本NAT与NAPT
如图5-3
所示,NAT
分为两大类,基本的NAT
和NAPT
(Network Address/Port Translator
)[10][11]
。
基本的NAT ,它仅将内网主机的私有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,有动态与静态之区分。由于现在大部分都属于另一种类型,即NAPT
,故这里不详细讨论基础NAT
。
另外一种NAT叫做NAPT(Network Address/Port Translator),从名称上我们也可以看得出,NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址,还会改变IP数据报的TCP/UDP端口。NAPT的地址及端口的转换过程,请看图5-4:
私有网络中某一主机Client A(10.0.0.2),它的某个进程通过1234端口,想访问外网服务器18.181.0.31的1235端口。那么当数据包通过NAT时,这个NAT的外网地址是155.99.25.11,首先NAT会改变这个数据包的原IP地址,改为155.99.25.11。并分配一个端口(如62000)给Client A,把数据包的原端口号改为62000。所以本来是(10.0.0.2:1234->18.181.0.31:1235)的数据包到了互联网上变为了(155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235),如图5-4左图所示。NAT会记住62000端口对应的是10.0.0.2的1234端口,以后从外网服务器18.181.0.31发送到62000端口的数据会被NAT自动的改变目的IP和端口号,然后转发到10.0.0.2上(如图5-4右图所示)
锥型NAT与对称型NAT
NAPT 又分为锥型(Cone
)和对称型(Symmetric
),如图5-5
所示,它们的区别在于,在NAT
已分配端口号给Client A
的情况下,如果Client A
继续用1235
端口与另一外网服务器通讯,锥型NAT
还会继续用原来62000
端口,即所分配的端口号不变。而对于对等型NAT
,NAT
将会分配另一端口号(如62001
)给Client A
的1235
端口。也就是说,同一内网主机同一端口号,对于锥型NAT
,无论与哪一外网主机通讯,都不改变所分配的端口号;而对于对等型NAT
,同一内网主机同一端口号,每一次与不同的外网主机通讯,就重新分配另一个端口号。
完全锥型NAT、受限制锥型NAT与端口受限制型NAT
锥型NAT可另外分类为完全锥形(Full Cone)NAT,受限制锥形(Restricted Cone)NAT,端口受限制锥形(Port Restricted Cone)NAT。
①完全锥形(Full Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网主机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[12]。
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受限制锥形(Restricted Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网的主机C后,NAT打开一个端口。然后C可以用任何端口和A通信,但其他的外网主机不可以。
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端口受限制锥形(Port Restricted Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网的主机C后,NAT打开一个端口。然后C只能用原来的端口和A通信,其他的外网主机不可以。
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)
只有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)。
NAT产生的问题
NAT 很好地解决了地址紧缺的问题,屏蔽了内部网络,但也带来一些问题。内网的主机向外连接是很容易的(NAT
相当于透明的,内网的和外网的主机均不用知道NAT
的情况)。但如果外部的计算机想访问子网内的计算机就比较困难了,这可以使内网主机先发起连接从而解决问题。但是如果两台主机都分别位于两不同NAT
后面时,两台主机无法通信。当分别位于两不同NAT
(NAT A
,NAT B
)后面的两台主机A
和B
欲进行通讯时,若主机B
主动发起连接,它该连哪个地址呢?第一种情况:试图直接连到主机A
的内网私有地址(10.0.0.2:1234
)肯定会失败,因为10.0.0.2
根本就不是一个可以在公网上路由的IP
地址;第二种情况,试图直接连到B
的NAT
公有地址(155.99.25.11:62000
),NAT A
会拒绝这个数据包,因为这个端口并无绑定内网主机的某个端口,或即使有所绑定,但这个端口所绑定的外网地址和端口并不是B
的地址和端口。若A
主动连接B
,结果一样。
有两种方法解决这个问题。方法一:通过服务器,服务器作为中间人,转发主机间的数据。但若用户数量到达一定数目时,这方法浪费带宽且给服务器带来很大压力,所以方法不可行。方法二,还是通过服务器,但服务器只充当“介绍人”,不转发主机间的数据,具体请看下面的“UDP打孔技术” (UDP hole punching)
穿透NAT——UDP打孔技术
所谓的“ 打孔技术”
,就是在内网的NAT
设备上打上一个“
孔”
(也就是在NAT
上建立一个会话,绑定地址和端口号),这个孔不能由外部来打,只能由内网内的主机来打。而且这个孔可能是有方向的,比如从内部某台主机(比如:192.168.0.10
)向外部的某个IP(
比如:219.237.60.1)
发送一个UDP
包,那么就在这个内网的NAT
设备上打了一个方向为219.237.60.1
的“
孔”
,以后219.237.60.1
就可以通过这个孔与内网的192.168.0.10
联系了[13]
。
下面就根据NAT 的各种类型详细解析如何“
打孔”
,如何穿透NAT
。
1 .完全锥形(Full Cone
)NAT
处于不同内网的主机A 和主机B
,各自先连接服务器,从而在各自NAT
设备上打开了一个“
孔”
,服务器收到主机A
和主机B
的连接后,知道A
与B
的公网地址和NAT
分配给它们的端口号,然后把这些NAT
地址与端口号告诉A
与B
,由于在完全锥形NAT
的特点,A
和B
给服务器所打开的“
孔”
,能给别的任何的主机使用。故A
与B
可连接对方的公网地址和端口直接进行通信。服务器在这里充当“
介绍人”
,告诉A
与B
对方的地址和端口号。
2 .受限制锥形(Restricted Cone
)NAT
A 和B
还是要先连接服务器,服务器发送A
和B
的地址和端口信息给A
和B
,但由于受限制锥形NAT
的特点,他们所打开的“
孔”
,只能与服务器通信。要使他们可以直接通信,解决办法如下:
假如主机A 开始发送一个UDP
信息到主机B
的公网地址上,与此同时,它又通过服务器中转发送了一个邀请信息给主机B
,请求主机B
也给主机A
发送一个UDP
信息到主机A
的公网地址上。这时主机A
向主机B
的公网IP
发送的信息导致NAT A
打开一个处于主机A
的和主机B
之间的会话,与此同时,NAT B
也打开了一个处于主机B
和主机A
的会话。一旦这个新的UDP
会话各自向对方打开了,主机A
和主机B
之间就可以直接通信了[14]
。
3 .端口受限制锥形(Port Restricted Cone
)NAT
对于该类型的NAT ,解决办法跟上面的方法一样。
4 .对称型(Symmetric
)NAT
对称型NAT ,对于不同的外网主机地址,它都会分配不同的端口号,所以进行UDP
打孔比较困难,但也可以进行端口预测打孔,不过不能保证成功。
以上的穿透NAT ,是对NAPT
来进行穿透,主要是针对UDP
协议。TCP
协议也有可能,但是可行性非常小,要求更高。并且,语音视频通信是用UDP
传输的,故针对TCP
的NAT
穿透在这里不作讨论。基础NAT
不修改经过的数据包的端口号,它们可以看作是完全锥形NAT
的精简版本,即基础NAT
也可以被穿透。NAT
设备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,服务器或客户端必须要周期性地发送UDP
包,保持映射不被关闭。
目前比较常用的NAT类型是完全锥型NAT
如图6-7 所示,步骤如下:
①客户端A 发UDP
数据报经NAT A
,把数据发送到服务器。NAT A
分配端口给客户端A
。服务器接收到信息后,把客户端A
经NAT A
后的地址及端口信息记录下来。
②客户端B 发UDP
数据报经NAT B
,把数据发送到服务器。NAT B
分配端口给客户端B
。服务器接收到信息后,把客户端B
经NAT B
后的地址及端口信息记录下来。
③ 服务器把客户端B的地址及端口信息发送给客户端A,把客户端A的地址及端口信息发送给客户端B,客户端A、B就可以通过所获得的对方的地址及端口号进行通信了。
问题就在于NAT。首先介绍下NAT。

图5-1 NAT
IP地址分为五类:A类,B类,C类,D类,E类(这里不考虑保留的IP地址)。A、B、C类可被计算机作为IP地址,D类为组播地址,E类为特殊用途的地址。A、B、C类中,又可分为公有地址和私有地址,私有地址用于内网,不同的内网,私有地址可重用,从而节省了公网地址,它不可在公网中被路由,所以内网的主机要访问公网的服务器,便要经过NAT。公有地址是全球唯一的,能在公网上被路由。

内网主机用私有地址在内网能与其它的内网主机无误地通信,但它不能直接用私有地址访问外网的主机,因为私有地址不能被路由。它要与外网通信,必须经过NAT
NAT

基本NAT与NAPT
基本的NAT
另外一种NAT叫做NAPT(Network Address/Port Translator),从名称上我们也可以看得出,NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址,还会改变IP数据报的TCP/UDP端口。NAPT的地址及端口的转换过程,请看图5-4:

私有网络中某一主机Client A(10.0.0.2),它的某个进程通过1234端口,想访问外网服务器18.181.0.31的1235端口。那么当数据包通过NAT时,这个NAT的外网地址是155.99.25.11,首先NAT会改变这个数据包的原IP地址,改为155.99.25.11。并分配一个端口(如62000)给Client A,把数据包的原端口号改为62000。所以本来是(10.0.0.2:1234->18.181.0.31:1235)的数据包到了互联网上变为了(155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235),如图5-4左图所示。NAT会记住62000端口对应的是10.0.0.2的1234端口,以后从外网服务器18.181.0.31发送到62000端口的数据会被NAT自动的改变目的IP和端口号,然后转发到10.0.0.2上(如图5-4右图所示)

NAPT
锥型NAT可另外分类为完全锥形(Full Cone)NAT,受限制锥形(Restricted Cone)NAT,端口受限制锥形(Port Restricted Cone)NAT。
①完全锥形(Full Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网主机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[12]。
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受限制锥形(Restricted Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网的主机C后,NAT打开一个端口。然后C可以用任何端口和A通信,但其他的外网主机不可以。
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端口受限制锥形(Port Restricted Cone)NAT
这种NAT内部的主机A连接过外网的主机C后,NAT打开一个端口。然后C只能用原来的端口和A通信,其他的外网主机不可以。
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)
只有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)。
NAT
有两种方法解决这个问题。方法一:通过服务器,服务器作为中间人,转发主机间的数据。但若用户数量到达一定数目时,这方法浪费带宽且给服务器带来很大压力,所以方法不可行。方法二,还是通过服务器,但服务器只充当“介绍人”,不转发主机间的数据,具体请看下面的“UDP打孔技术” (UDP hole punching)
所谓的“
下面就根据NAT
1
处于不同内网的主机A
2
A
假如主机A
3
对于该类型的NAT
4
对称型NAT
以上的穿透NAT
目前比较常用的NAT类型是完全锥型NAT

如图6-7
①客户端A
②客户端B
③ 服务器把客户端B的地址及端口信息发送给客户端A,把客户端A的地址及端口信息发送给客户端B,客户端A、B就可以通过所获得的对方的地址及端口号进行通信了。