NAT的完全分析及其UDP穿透的完全解决方案

一:基本术语
防火墙
防火墙限制了私网与公网的通信，它主要是将（防火墙）认为未经授权的的包丢弃，防火墙只是检验包的数据，并不修改数据包中的IP地址和TCP/UDP端口信息。
网络地址转换（NAT）
当有数据包通过时，网络地址转换器不仅检查包的信息，还要将包头中的IP地址和端口信息进行修改。以使得处于NAT之后的机器共享几个仅有的公网IP地址（通常是一个）。网络地址转换器主要有两种类型.
P2P应用程序
P2P应用程序是指，在已有的一个公共服务器的基础上，并分别利用自己的私有地址或者公有地址（或者两者兼备）来建立一个端到端的会话通信。
P2P防火墙
P2P防火墙是一个提供了防火墙的功能的P2P代理，但是不进行地址转换.
P2P-NAT
P2P-NAT   是一个   P2P代理,提供了NAT的功能,也提供了防火墙的功能,一个最简的P2P代理必须具有锥形NAT对Udp通信支持的功能,并允许应用程序利用Udp打洞技术建立强健的P2P连接。
回环转换
当NAT的私网内部机器想通过公共地址来访问同一台局域网内的机器的时，NAT设备等价于做了两次NAT的事情，在包到达目标机器之前，先将私有地址转换为公网地址，然后再将公网地址转换回私有地址。我们把具有上叙转换功能的NAT设备叫做“回环转换”设备。
二:NAT分类
可以分为基础NAT与网络地址和端口转换(NAPT)两大类
(一):基础NAT
基础NAT   将私网主机的私有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。基础NAT一般用在当NAT拥有很多公网IP地址的时候，它将公网IP地址与内部主机进行绑定，使得外部可以用公网IP地址访问内部主机。（实际上是只将IP转换，192.168.0.23   <->   210.42.106.35,这与直接设置IP地址为公网IP还是有一定区别的，特别是对于企业来说，外部的信息都要经过统一防火墙才能到达内部，但是内部主机又可以使用公网IP）
(二):网络地址和端口转换   （NAPT）
这是最普遍的情况，网络地址/端口转换器检查、修改包的IP地址和TCP/UDP端口信息，这样，更多的内部主机就可以同时使用一个公网IP地址。
请参考[RFC1631]和[RFC2993]及[RFC2663]这三个文档了解更多的NAT分类和术语信息。另外，关于NAPT的分类和术语，[RFC2663]做了更多的定义。当一个内部网主机通过NAT打开一个“外出”的TCP或UDP会话时，NAPT分配给这个会话一个公网IP和端口，用来接收外网的响应的数据包，并经过转换通知内部网的主机。这样做的效果是，NAPT在   [私有IP:私有端口]   和[公网IP:公网端口]之间建立了一个端口绑定。
端口绑定指定了NAPT将在这个会话的生存期内进行地址转换任务。这中间存在一个这样的问题，如果P2P应用程序从内部网络的一个[私有IP地址:端口]对同时发出多条会话给不同的外网主机，那么NAT会怎样处理呢？这又可以分为锥形NAT   (CONE   NAT)与对称NAT   (SYMMTRIC   NAT)两大类来考虑:  
A.锥形NAT
（为什么叫做锥形呢？请看以下图形,终端和外部服务器，都通过NAT分派的这个绑定地址对来传送信息，就象一个漏斗一样，筛选并传递信息）
                                                               
    当建立了一个   [私有IP:端口]-[公网IP:端口]   端口绑定之后，对于来自同一个[私有IP:端口]会话，锥形NAT服务器允许发起会话的应用程序   重复使用这个端口绑定，一直到这个会话结束才解除（端口绑定）。
    例如，假设   Client   A（IP地址信息如上图所示）通过一个锥形NAT   同时发起两个外出的连接，它使用同一个内部端口（10.0.0.1:1234）给公网的两台不同的服务器，S1和S2。锥形NAT   只分配一个公网IP和端口（155.99.25.11:62000）给这个两个会话，通过地址转换可以确保   Client使用端口的“同一性”（即这个Client只使用这个端口）。而基础NATs和防火墙却不能修改经过的数据包端口号，它们可以看作是锥形NAT的精简版本。
进一步分析可以将CONE   NAT受限制锥形NAT   (RESTRICT   CONE)   与端口受限锥形NAT   (PORT   RESTRICT   CONE)   三大类,以下是详细论述:   分为全双工锥形NAT   (FULL   CONE)   ,
1.全双工锥形NAT
当内部主机发出一个“外出”的连接会话，就会创建了一个公网/私网   地址，一旦这个地址对被创建，全双工锥形NAT会接收随后任何外部端口传入这个公共端口地址的通信。因此，全双工锥形NAT有时候又被称为 "混杂 "NAT。
2.受限制锥形NAT
受限制的锥形NAT会对传入的数据包进行筛选，当内部主机发出“外出”的会话时，NAT会记录这个外部主机的IP地址信息，所以，也只有这些有记录的外部IP地址，能够将信息传入到NAT内部，受限制的锥形NAT   有效的给防火墙提炼了筛选包的原则——即限定只给那些已知的外部地址“传入”信息到NAT内部。
3.端口受限锥形NAT
端口受限制的锥形NAT，与受限制的锥形NAT不同的是：它同时记录了外部主机的IP地址和端口信息，端口受限制的锥形NAT给内部节点提供了同一级别的保护，在维持端口“同一性”过程中，将会丢弃对称NAT传回的信息。
B.对称NAT
对称NAT，与Cone   NAT是大不相同的，并不对会话进行端口绑定，而是分配一个全新的公网端口   给每一个新的会话。
还是上面那个例子：如果   Client   A   (10.0.0.1:1234)同时发起两个   "外出 "   会话,分别发往S1和S2。对称Nat会分配公共地址155.99.25.11:62000给Session1，然后分配另一个不同的公共地址155.99.25.11:62001给Session2。对称Nat能够区别两个不同的会话并进行地址转换，因为在   Session1   和   Session2中的外部地址是不同的，正是因为这样，Client端的应用程序就迷失在这个地址转换边界线了，因为这个应用程序每发出一个会话都会使用一个新的端口，无法保障只使用同一个端口了。
在TCP和UDP通信中，（到底是使用同一个端口，还是分配不同的端口给同一个应用程序），锥形NAT和对称NAT各有各的理由。当然锥形NAT在根据如何公平地将NAT接受的连接直达一个已创建的地址对上有更多的分类。这个分类一般应用在Udp通信（而不是Tcp通信上），因为NATs和防火墙阻止了试图无条件传入的TCP连接，除非明确设置NAT不这样做。

三:NAT对session的处理
以下分析NAPT是依据什么策略来判断是否要为一个请求发出的UDP数据包建立Session的.主要有一下几个策略:  
A.   源地址(内网IP地址)不同，忽略其它因素,   在NAPT上肯定对应不同的Session
B.   源地址(内网IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，则在NAPT上也肯定对应不同的Session
C.   源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)相同，目的端口不同，则在NAPT上肯定对应同一个Session
D.   源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)不同，忽略目的端口，则在NAPT上是如何处理Session的呢？
A,B,C三种情况的都是比较简单的,可以很容易的实现.而D的情况就比较复杂了.所以D情况才是我们要重点关心和讨论的问题。
四:完全解决方案
以下针对四种SESSION与四种NAT的完全解决方案,为了方便将使用以下缩写形式:
C代表   CONE   NAT
S代表SYMMETRIC   NAT,
FC代表   FULL   CONE   NAT,
RC代表   RESTRICT   CONE   NAT,
PC   代表   PORT   RESTRICT   CONE   NAT.
首先依据CLIENT   (客户)端在NAT后   的个数不同可以分为两大类:
TYPE   ONE   :一个在NAT后   +   一个在公网中.
这种情况下可以分为两大类:
A.   S   VS   公网:此种情况下,由于公网的地址在一个SESSION内是不变的,所以可以打洞是可以成功的.
B.   C   VS   公网:   与上面类似,这种情口下打洞是可以成功的.
TYPE   TWO:两个客户都在NAT后面.
这种情况下也可以细分为两大类:
A.   其中一个NAT   是   S(SYMMETRIC   NAT)   型的,既:S   VS   C或者是S   VS   S   .
下面论证这种情口下按照常规打洞是行不通的,在常规打洞中,所有的客户首先登陆到一个服务器上去.服务器记录下每个客户的[公网IP:端口],然后在打洞过程中就使用这个记录的值,然而对于S型的NAT来说,它并不绑定[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射.所以在不同的SESSION中,NAT将会重新分配一对[公网IP:端口].这样一来对于S型的NAT来说打洞的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是不同的.而且也没有办法将打洞的[公网IP:端口]通知到另一个位于NAT下的客户端,   所以打洞是不会成功的.然而如果另一个客户端是在公网时,打洞是可以的.前面已经论证了这种情况.
这种情况下的解决方案是只能通过端口预测来进行打洞,具体解决方法如下:例如(以两个都是S型的为例)   NAT   A   分配了它自己的UDP端口62000，用来保持   客户端A   与服务器S的通信会话，   NAT   B   也分配了31000端口，用来保持客户端B与服务器S   的通信会话。通过与   服务器S的对话，客户端A   和   客户端B都相互知道了对方所映射的真实IP和端口。
    客户端A发送一条UDP消息到138.76.29.7:31001(请注意到端口号的增加)，同时客户端B发送一条UDP消息到155.99.25.11:62001。如果NAT   A   和NAT   B继续分配端口给新的会话，并且从A-S和B-S的会话时间消耗得并不多的话，那么一条处于客户端A和客户端B之间的双向会话通道就建立了。
    客户端A发出的消息送达B导致了NAT   A打开了一个新的会话，并且我们希望NAT   A将会指派62001端口给这个新的会话，因为62001是继62000后，NAT会自动指派给   从服务器S到客户端A之间的新会话的端口号；类似的，客户端B发出的消息送达A导致了   NAT   B打开了一个新的会话，并且我们希望   NAT   B将会指派31001这个端口给新的会话；如果两个客户端都正确的猜测到了对方新会话被指派的端口号，那么这个   客户端A－客户端B的双向连接就被打通了。其结果如下图所示：
明显的，有许多因素会导致这个方法失败：如果这个预言的新端口（62001和31001）   恰好已经被一个不相关的会话所使用，那么NAT就会跳过这个端口号，这个连接就会宣告失败；如果两个NAT有时或者总是不按照顺序来生成新的端口号，那么这个方法也是行不通的。
如果隐藏在NATA后的一个不同的客户端X（或者在NAT   B后）打开了一个新的“外出”UDP   连接，并且无论这个连接的目的如何；只要这个动作发生在客户端A   建立了与服务器S的连接之后，客户端A   与   客户端B   建立连接之前；那么这个无关的客户端X   就会趁人不备地“偷”   到这个我们渴望分配的端口。所以，这个方法变得如此脆弱而且不堪一击，只要任何一个NAT方包含以上碰到的问题，这个方法都不会奏效。
在处于   cone   NAT   系列的网络环境中这个方法还是实用的；如果有一方为   cone   NAT   而另外一方为   symmetric   NAT，那么应用程序就应该预先发现另外一方的   NAT   是什么类型，再做出正确的行为来处理通信，这样就增大了算法的复杂度，并且降低了在真实网络环境中的普适性。
        最后，如果P2P的一方处在两级或者两级以上的NAT下面，并且这些NATS   接近这个客户端是SYMMETRIC   NAT的话，端口号预言是无效的！
因此，并不推荐使用这个方法来写新的P2P应用程序，这也是历史的经验和教训！
B.   两个都是CONE   NAT型的.
这种情况下可以分为六大类型:
A:   FC   +   FC
B:   FC   +   RC
C:   FC   +   PC  
D:   PC   +   RC  
E:   PC   +   PC  
F:   RC   +   RC  
虽然有这么多种情况,但是由于CONE   NAT   的特性,所以还是很好办的,因为对于CONE   NAT   来说,在同一个SESSION中它会绑定一对[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射,所以它们打洞用的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是一致的,所以打洞是可以行的通的.
综上所述,就已经完全的概括了所有类型的NAT之间的可能的通信情况了.并且都提供了可行的解决方案.
五:对前一阶段的总结
1.前一阶段使用的打洞方法是有缺陷的,它只适应于两个都是FULL   CONE   NAT的类型的CLIENT(客户端).以下论证它不适应于两个都是CONE   NAT的类型中的
B:   FC   +   RC
C:   FC   +   PC  
D:   PC   +   RC  
E:   PC   +   PC  
F:   RC   +   RC  
这五种情况.
因为对于受限的NAT它登记了外出包的[IP地址＆端口],它仅仅接受这些已登记地址发过来的包,所以它们报告服务器的端口只能接受来自服务器的包.不能接受来自另一客户端的包.所以前一阶段的打洞方法是不可行的.
六:   存在的问题
按照理论.NAT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,服务器必须要发送UDP心跳包,来保持映射不被关闭.这就需要一个合适的时间值.