原創(chuàng)：shootingstars
參考：http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt
論壇上經(jīng)常有對(duì)P2P原理的討論，但是討論歸討論，很少有實(shí)質(zhì)的東西產(chǎn)生（源代碼）。呵呵，在這里我就用自己實(shí)現(xiàn)的一個(gè)源代碼來(lái)說(shuō)明UDP穿越NAT的原理。
首先先介紹一些基本概念：
??? NAT(Network Address Translators)，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換：網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換是在IP地址日益缺乏的情況下產(chǎn)生的，它的主要目的就是為了能夠地址重用。NAT分為兩大類，基本的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。
??? 最開始NAT是運(yùn)行在路由器上的一個(gè)功能模塊。
???
??? 最先提出的是基本的NAT，它的產(chǎn)生基于如下事實(shí)：一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)（域）中的節(jié)點(diǎn)中只有很少的節(jié)點(diǎn)需要與外網(wǎng)連接（呵呵，這是在上世紀(jì)90年代中期提出的）。那么這個(gè)子網(wǎng)中其實(shí)只有少數(shù)的節(jié)點(diǎn)需要全球唯一的IP地址，其他的節(jié)點(diǎn)的IP地址應(yīng)該是可以重用的。
??? 因此，基本的NAT實(shí)現(xiàn)的功能很簡(jiǎn)單，在子網(wǎng)內(nèi)使用一個(gè)保留的IP子網(wǎng)段，這些IP對(duì)外是不可見的。子網(wǎng)內(nèi)只有少數(shù)一些IP地址可以對(duì)應(yīng)到真正全球唯一的IP地址。如果這些節(jié)點(diǎn)需要訪問外部網(wǎng)絡(luò)，那么基本NAT就負(fù)責(zé)將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)內(nèi)IP轉(zhuǎn)化為一個(gè)全球唯一的IP然后發(fā)送出去。(基本的NAT會(huì)改變IP包中的原IP地址，但是不會(huì)改變IP包中的端口)
??? 關(guān)于基本的NAT可以參看RFC 1631
???
??? 另外一種NAT叫做NAPT，從名稱上我們也可以看得出，NAPT不但會(huì)改變經(jīng)過這個(gè)NAT設(shè)備的IP數(shù)據(jù)報(bào)的IP地址，還會(huì)改變IP數(shù)據(jù)報(bào)的TCP/UDP端口。基本NAT的設(shè)備可能我們見的不多（呵呵，我沒有見到過），NAPT才是我們真正討論的主角。看下圖：
??????????????????????????????? Server S1????????????????????????
???????????????????????? 18.181.0.31:1235?????????????????????????
????????????????????????????????????? |
????????? ^? Session 1 (A-S1)? ^????? |?
????????? |? 18.181.0.31:1235? |????? |??
????????? v 155.99.25.11:62000 v????? |???
????????????????????????????????????? |
???????????????????????????????????? NAT
???????????????????????????????? 155.99.25.11
????????????????????????????????????? |
????????? ^? Session 1 (A-S1)? ^????? |?
????????? |? 18.181.0.31:1235? |????? |?
????????? v?? 10.0.0.1:1234??? v????? |?
????????????????????????????????????? |
?????????????????????????????????? Client A
??????????????????????????????? 10.0.0.1:1234
??? 有一個(gè)私有網(wǎng)絡(luò)10.*.*.*，Client A是其中的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)（一個(gè)NAT設(shè)備）的外網(wǎng)IP是155.99.25.11(應(yīng)該還有一個(gè)內(nèi)網(wǎng)的IP地址，比如10.0.0.10)。如果Client A中的某個(gè)進(jìn)程（這個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建了一個(gè)UDP Socket,這個(gè)Socket綁定1234端口）想訪問外網(wǎng)主機(jī)18.181.0.31的1235端口，那么當(dāng)數(shù)據(jù)包通過NAT時(shí)會(huì)發(fā)生什么事情呢？
??? 首先NAT會(huì)改變這個(gè)數(shù)據(jù)包的原IP地址，改為155.99.25.11。接著NAT會(huì)為這個(gè)傳輸創(chuàng)建一個(gè)Session（Session是一個(gè)抽象的概念，如果是TCP，也許Session是由一個(gè)SYN包開始，以一個(gè)FIN包結(jié)束。而UDP呢，以這個(gè)IP的這個(gè)端口的第一個(gè)UDP開始，結(jié)束呢，呵呵，也許是幾分鐘，也許是幾小時(shí)，這要看具體的實(shí)現(xiàn)了）并且給這個(gè)Session分配一個(gè)端口，比如62000，然后改變這個(gè)數(shù)據(jù)包的源端口為62000。所以本來(lái)是（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的數(shù)據(jù)包到了互聯(lián)網(wǎng)上變?yōu)榱耍?55.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
??? 一旦NAT創(chuàng)建了一個(gè)Session后，NAT會(huì)記住62000端口對(duì)應(yīng)的是10.0.0.1的1234端口，以后從18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會(huì)被NAT自動(dòng)的轉(zhuǎn)發(fā)到10.0.0.1上。（注意：這里是說(shuō)18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)，其他的IP發(fā)送到這個(gè)端口的數(shù)據(jù)將被NAT拋棄）這樣Client A就與Server S1建立以了一個(gè)連接。
??? 呵呵，上面的基礎(chǔ)知識(shí)可能很多人都知道了，那么下面是關(guān)鍵的部分了。
??? 看看下面的情況：
??? Server S1???????????????????????????????????? Server S2
?18.181.0.31:1235????????????????????????????? 138.76.29.7:1235
??????? |???????????????????????????????????????????? |
??????? |???????????????????????????????????????????? |
??????? +----------------------+----------------------+
?????????????????????????????? |
?? ^? Session 1 (A-S1)? ^????? |????? ^? Session 2 (A-S2)? ^
?? |? 18.181.0.31:1235? |????? |????? |? 138.76.29.7:1235? |
?? v 155.99.25.11:62000 v????? |????? v 155.99.25.11:62000 v
?????????????????????????????? |
??????????????????????????? Cone NAT
????????????????????????? 155.99.25.11
?????????????????????????????? |
?? ^? Session 1 (A-S1)? ^????? |????? ^? Session 2 (A-S2)? ^
?? |? 18.181.0.31:1235? |????? |????? |? 138.76.29.7:1235? |
?? v?? 10.0.0.1:1234??? v????? |????? v?? 10.0.0.1:1234??? v
?????????????????????????????? |
??????????????????????????? Client A
???????????????????????? 10.0.0.1:1234
??? 接上面的例子，如果Client A的原來(lái)那個(gè)Socket(綁定了1234端口的那個(gè)UDP Socket)又接著向另外一個(gè)Server S2發(fā)送了一個(gè)UDP包，那么這個(gè)UDP包在通過NAT時(shí)會(huì)怎么樣呢？
??? 這時(shí)可能會(huì)有兩種情況發(fā)生，一種是NAT再次創(chuàng)建一個(gè)Session，并且再次為這個(gè)Session分配一個(gè)端口號(hào)（比如：62001）。另外一種是NAT再次創(chuàng)建一個(gè)Session，但是不會(huì)新分配一個(gè)端口號(hào)，而是用原來(lái)分配的端口號(hào)62000。前一種NAT叫做Symmetric NAT，后一種叫做Cone NAT。我們期望我們的NAT是第二種，呵呵，如果你的NAT剛好是第一種，那么很可能會(huì)有很多P2P軟件失靈。（可以慶幸的是，現(xiàn)在絕大多數(shù)的NAT屬于后者，即Cone NAT）
??
??? 好了，我們看到，通過NAT,子網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)向外連結(jié)是很容易的（NAT相當(dāng)于透明的，子網(wǎng)內(nèi)的和外網(wǎng)的計(jì)算機(jī)不用知道NAT的情況）。
??? 但是如果外部的計(jì)算機(jī)想訪問子網(wǎng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)就比較困難了（而這正是P2P所需要的）。
??? 那么我們?nèi)绻霃耐獠堪l(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)給內(nèi)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)有什么辦法呢？首先，我們必須在內(nèi)網(wǎng)的NAT上打上一個(gè)“洞”（也就是前面我們說(shuō)的在NAT上建立一個(gè)Session），這個(gè)洞不能由外部來(lái)打，只能由內(nèi)網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)來(lái)打。而且這個(gè)洞是有方向的，比如從內(nèi)部某臺(tái)主機(jī)（比如：192.168.0.10）向外部的某個(gè)IP(比如：219.237.60.1)發(fā)送一個(gè)UDP包，那么就在這個(gè)內(nèi)網(wǎng)的NAT設(shè)備上打了一個(gè)方向?yàn)?19.237.60.1的“洞”，（這就是稱為UDP Hole Punching的技術(shù)）以后219.237.60.1就可以通過這個(gè)洞與內(nèi)網(wǎng)的192.168.0.10聯(lián)系了。（但是其他的IP不能利用這個(gè)洞）。
呵呵，現(xiàn)在該輪到我們的正題P2P了。有了上面的理論，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)通訊就差最后一步了：那就是雞生蛋還是蛋生雞的問題了，兩邊都無(wú)法主動(dòng)發(fā)出連接請(qǐng)求，誰(shuí)也不知道誰(shuí)的公網(wǎng)地址，那我們?nèi)绾蝸?lái)打這個(gè)洞呢？我們需要一個(gè)中間人來(lái)聯(lián)系這兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)。
??? 現(xiàn)在我們來(lái)看看一個(gè)P2P軟件的流程，以下圖為例：
?????????????????????? Server S （219.237.60.1）
????????????????????????? |
????????????????????????? |
?? +----------------------+----------------------+
?? |???????????????????????????????????????????? |
?NAT A (外網(wǎng)IP:202.187.45.3)???????????????? NAT B (外網(wǎng)IP:187.34.1.56)
?? |?? (內(nèi)網(wǎng)IP:192.168.0.1)????????????????????? | (內(nèi)網(wǎng)IP:192.168.0.1)
?? |???????????????????????????????????????????? |
Client A? (192.168.0.20:4000)???????????? Client B (192.168.0.10:40000)
??? 首先，Client A登錄服務(wù)器，NAT A為這次的Session分配了一個(gè)端口60000，那么Server S收到的Client A的地址是202.187.45.3:60000，這就是Client A的外網(wǎng)地址了。同樣，Client B登錄Server S，NAT B給此次Session分配的端口是40000，那么Server S收到的B的地址是187.34.1.56:40000。
??? 此時(shí)，Client A與Client B都可以與Server S通信了。如果Client A此時(shí)想直接發(fā)送信息給Client B，那么他可以從Server S那兒獲得B的公網(wǎng)地址187.34.1.56:40000，是不是Client A向這個(gè)地址發(fā)送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因?yàn)槿绻@樣發(fā)送信息，NAT B會(huì)將這個(gè)信息丟棄（因?yàn)檫@樣的信息是不請(qǐng)自來(lái)的，為了安全，大多數(shù)NAT都會(huì)執(zhí)行丟棄動(dòng)作）。現(xiàn)在我們需要的是在NAT B上打一個(gè)方向?yàn)?02.187.45.3（即Client A的外網(wǎng)地址）的洞，那么Client A發(fā)送到187.34.1.56:40000的信息,Client B就能收到了。這個(gè)打洞命令由誰(shuí)來(lái)發(fā)呢，呵呵，當(dāng)然是Server S。
??? 總結(jié)一下這個(gè)過程：如果Client A想向Client B發(fā)送信息，那么Client A發(fā)送命令給Server S，請(qǐng)求Server S命令Client B向Client A方向打洞。呵呵，是不是很繞口，不過沒關(guān)系，想一想就很清楚了，何況還有源代碼呢（侯老師說(shuō)過：在源代碼面前沒有秘密 8）），然后Client A就可以通過Client B的外網(wǎng)地址與Client B通信了。
???
??? 注意：以上過程只適合于Cone NAT的情況，如果是Symmetric NAT，那么當(dāng)Client B向Client A打洞的端口已經(jīng)重新分配了，Client B將無(wú)法知道這個(gè)端口（如果Symmetric NAT的端口是順序分配的，那么我們或許可以猜測(cè)這個(gè)端口號(hào)，可是由于可能導(dǎo)致失敗的因素太多，我們不推薦這種猜測(cè)端口的方法）。