UDP用打洞技術穿透NAT的原理與實現(xiàn) 收藏

            首先先介紹一些基本概念：
            NAT(Network Address
            Translators)，網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換：網(wǎng)絡地址轉(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是運行在路由器上的一個功能模塊。

            最先提出的是基本的NAT，它的產(chǎn)生基于如下事實：一個私有網(wǎng)絡（域）中的節(jié)點中只有很少的節(jié)點需要與外網(wǎng)連接（呵呵，這是在上世紀90年代中期提出 的）。那么這個子網(wǎng)中其實只有少數(shù)的節(jié)點需要全球唯一的IP地址，其他的節(jié)點的IP地址應該是可以重用的。
            因此，基本的NAT實現(xiàn)的功能很簡單，在子網(wǎng)內(nèi)使用一個保留的IP子網(wǎng)段，這些IP對外是不可見的。子網(wǎng)內(nèi)只有少數(shù)一些IP地址可以對應到真正全球唯一的 IP地址。如果這些節(jié)點需要訪問外部網(wǎng)絡，那么基本NAT就負責將這個節(jié)點的子網(wǎng)內(nèi)IP轉(zhuǎn)化為一個全球唯一的IP然后發(fā)送出去。(基本的NAT會改變IP 包中的原IP地址，但是不會改變IP包中的端口)
            關于基本的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不但會改變經(jīng)過這個NAT設備的IP數(shù)據(jù)報的IP地址，還會改變IP數(shù)據(jù)報的 TCP/UDP端口。基本NAT的設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
            有一個私有網(wǎng)絡10.*.*.*，Client
            A是其中的一臺計算機，這個網(wǎng)絡的網(wǎng)關（一個NAT設備）的外網(wǎng)IP是155.99.25.11(應該還有一個內(nèi)網(wǎng)的IP地址，比如10.0.0.10)。如果Client
            A中的某個進程（這個進程創(chuàng)建了一個UDP
            Socket,這個Socket綁定1234端口）想訪問外網(wǎng)主機18.181.0.31的1235端口，那么當數(shù)據(jù)包通過NAT時會發(fā)生什么事情呢？
            首先NAT會改變這個數(shù)據(jù)包的原IP地址，改為155.99.25.11。接著NAT會為這個傳輸創(chuàng)建一個Session（Session是一個抽象的概 念，如果是TCP，也許Session是由一個SYN包開始，以一個FIN包結(jié)束。而UDP呢，以這個IP的這個端口的第一個UDP開始，結(jié)束呢，呵呵， 也許是幾分鐘，也許是幾小時，這要看具體的實現(xiàn)了）并且給這個Session分配一個端口，比如62000，然后改變這個數(shù)據(jù)包的源端口為62000。所 以本來是（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? （155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
            一旦NAT創(chuàng)建了一個Session后，NAT會記住62000端口對應的是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)會被NAT自動的轉(zhuǎn)發(fā)到10.0.0.1上。（注意：這里是說18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)發(fā)，其他的 IP發(fā)送到這個端口的數(shù)據(jù)將被NAT拋棄）這樣Client
            A就與Server S1建立以了一個連接。

            呵呵，上面的基礎知識可能很多人都知道了，那么下面是關鍵的部分了。
            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的原來那個Socket(綁定了1234端口的那個UDP Socket)又接著向另外一個Server
            S2發(fā)送了一個UDP包，那么這個UDP包在通過NAT時會怎么樣呢？
            這時可能會有兩種情況發(fā)生，一種是NAT再次創(chuàng)建一個Session，并且再次為這個Session分配一個端口號（比如：62001）。另外一種是 NAT再次創(chuàng)建一個Session，但是不會新分配一個端口號，而是用原來分配的端口號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)的計算機向外連結(jié)是很容易的（NAT相當于透明的，子網(wǎng)內(nèi)的和外網(wǎng)的計算機不用知道NAT的情況）。
            但是如果外部的計算機想訪問子網(wǎng)內(nèi)的計算機就比較困難了（而這正是P2P所需要的）。
            那么我們?nèi)绻霃耐獠堪l(fā)送一個數(shù)據(jù)報給內(nèi)網(wǎng)的計算機有什么辦法呢？首先，我們必須在內(nèi)網(wǎng)的NAT上打上一個“洞”（也就是前面我們說的在NAT上建立一個 Session），這個洞不能由外部來打，只能由內(nèi)網(wǎng)內(nèi)的主機來打。而且這個洞是有方向的，比如從內(nèi)部某臺主機（比如：192.168.0.10）向外部 的某個IP(比如：219.237.60.1)發(fā)送一個UDP包，那么就在這個內(nèi)網(wǎng)的NAT設備上打了一個方向為219.237.60.1的“洞”，（這 就是稱為UDP
            Hole
            Punching的技術）以后219.237.60.1就可以通過這個洞與內(nèi)網(wǎng)的192.168.0.10聯(lián)系了。（但是其他的IP不能利用這個洞）。

            呵呵，現(xiàn)在該輪到我們的正題P2P了。有了上面的理論，實現(xiàn)兩個內(nèi)網(wǎng)的主機通訊就差最后一步了：那就是雞生蛋還是蛋生雞的問題了，兩邊都無法主動發(fā)出連接 請求，誰也不知道誰的公網(wǎng)地址，那我們?nèi)绾蝸泶蜻@個洞呢？我們需要一個中間人來聯(lián)系這兩個內(nèi)網(wǎng)主機。
            現(xiàn)在我們來看看一個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登錄服務器，NAT A為這次的Session分配了一個端口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，Client A與Client B都可以與Server S通信了。如果Client A此時想直接發(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向這個地址發(fā)送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因為如果這樣發(fā)送信息，NAT
            B會將這個信息丟棄（因為這樣的信息是不請自來的，為了安全，大多數(shù)NAT都會執(zhí)行丟棄動作）。現(xiàn)在我們需要的是在NAT
            B上打一個方向為202.187.45.3（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。這個打洞命令由誰來發(fā)呢，呵呵，當然是Server S。
            總結(jié)一下這個過程：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，不過沒關系，想一想就很清楚了，何況還有源代碼呢（侯老師說過：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Client B向Client
            A打洞的端口已經(jīng)重新分配了，Client B將無法知道這個端口（如果Symmetric
            NAT的端口是順序分配的，那么我們或許可以猜測這個端口號，可是由于可能導致失敗的因素太多，我們不推薦這種猜測端口的方法）。

             另一篇文章接上：

            下面解釋一下上面的文章中沒有提及或者說我覺得比較欠缺的地方.
             私有地址/端口和公有地址/端口:我們知道,現(xiàn)在大部分網(wǎng)絡采用的都是NAPT(Network Address/Port Translator)了, 這個東東的作用是一個對外的對話在經(jīng)過NAT之后IP地址和端口號都會被改寫,在這里把一次會話中客戶自己認為在使用的IP地址和端口號成為私有地址/端 口,而把經(jīng)過NAPT之后被改寫的IP地址和端口號稱為公有地址/端口.或者可以這么理解,私有地址/端口是你家里人對你的昵稱而公有地址/端口則是你真 正對外公開的名字.如何獲得用戶的私用地址/端口號,這個很簡單了,而要得到公有地址/端口號就要在連接上另一臺機器之后由那臺機器看到的IP地址和端口 號來表示.

             如果明白了上面的東西,下面進入我們的代碼,在這里解釋一下關鍵部分的實現(xiàn):

             客戶端首先得到自己的私有地址/終端,然后向server端發(fā)送登陸請求,server端在得到這個請求之后就可以知道這個client端的公有地址/終 端,server會為每一個登陸的client保存它們的私有地址/端口和公有地址/端口.

              OK,下面開始關鍵的打洞流程.假設client A要向client B對話,但是A不知道B的地址,即使知道根據(jù)NAT的原理這個對話在第一次會被拒 絕,因為client B的NAT認為這是一個從沒有過的外部發(fā)來的請求.這個時候,A如果發(fā)現(xiàn)自己沒有保存B的地址,或者說發(fā)送給B的會話請求失敗了, 它會要求server端讓B向A打一個洞,這個B->A的會話意義在于它使NAT B認為A的地址/端口是可以通過的地址/端口,這樣A再向B發(fā)送 對話的時候就不會再被NAT B拒絕了.打一個比方來說明打洞的過程,A想來B家做客,但是遭到了B的管家NAT B的拒絕,理由是:我從來沒有聽我家B 提過你的名字,這時A找到了A,B都認識的朋友server,要求server給B報一個信,讓B去跟管家說A是我的朋友,于是,B跟管家NAT B 說,A是我認識的朋友,這樣A的訪問請求就不會再被管家NAT B所拒絕了.簡而言之,UDP打洞就是一個通過server保存下來的地址使得彼此之間能 夠直接通信的過程,server只管幫助建立連接,在建立間接之后就不再介入了.

            下面是一個模擬P2P聊天的過程的源代碼，過程很簡單，P2PServer運行在一個擁有公網(wǎng)IP的計算機上，P2PClient運行在兩個不同的NAT 后（注意，如果兩個客戶端運行在一個NAT后，本程序很可能不能運行正常，這取決于你的NAT是否支持loopback
            translation，詳見http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt，當然，此問題可以通過雙方先嘗試連接對方的內(nèi)網(wǎng)IP來解決，但是這個代碼只是為了驗證原理，并沒有處理這些問題），后登錄的計算機可以獲得先登錄計算機的用戶名，后登錄的計算機通過send
            username message的格式來發(fā)送消息。如果發(fā)送成功，說明你已取得了直接與對方連接的成功。
            程序現(xiàn)在支持三個命令：send , getu , exit

            send格式：send username message
            功能：發(fā)送信息給username

            getu格式：getu
            功能：獲得當前服務器用戶列表

            exit格式：exit
            功能：注銷與服務器的連接（服務器不會自動監(jiān)測客戶是否吊線）

            代碼很短，相信很容易懂，如果有什么問題，可以給我發(fā)郵件zhouhuis22@sina.com
            或者在CSDN上發(fā)送短消息。同時，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)此文，但希望保留作者版權8-）。
            _05/04052509317298.rar"
            http://www.ppcn.net/upload/2004_05/04052509317298.rar 　

另一篇介紹打洞技術的（補充）

UDP打洞技術依賴于由公共防火墻和cone NAT，允許適當?shù)挠杏媱澋亩藢Χ藨贸绦蛲ㄟ^NAT"打洞"，即使當雙方的主機都處于NAT之后。這種技術在 RFC3027的5.1節(jié)[NAT PROT] 中進行了重點介紹，并且在Internet[KEGEL]中進行了非正式的描敘，還應用到了最新的一些協(xié)議，例如[TEREDO,ICE]協(xié)議中。不過， 我們要注意的是，"術"如其名，UDP打洞技術的可靠性全都要依賴于UDP。
這里將考慮兩種典型場景，來介紹連接的雙方應用程序如何按照計劃的進行通信的，第一種場景，我們假設兩個客戶端都處于不同的NAT之后；第二種場景，我們假設兩個客戶端都處于同一個NAT之后，但是它們彼此都不知道(他們在同一個NAT中)。


 
處于不同NAT之后的客戶端通信

    我們假設 Client A 和 Client B 都擁有自己的私有IP地址，并且都處在不同的NAT之后，端對端的程序運行于 CLIENT A,CLIENT B,S之間，并且它們都開放了UDP端口1234。 CLIENT A和CLIENT B首先分別與S建立通信會話，這時NAT A把它自己的UDP端口62000分配給CLIENT A與S的會話，NAT B也把自己的UDP端口31000分配給CLIENT B與S的會話。

假 如這個時候 CLIENT A 想與 CLIENT B建立一條UDP通信直連，如果 CLIENT A只是簡單的發(fā)送一個UDP信息到CLIENT B的公網(wǎng)地址138.76.29.7:31000的話，NAT B會不加考慮的將這個信息丟棄（除非NAT B是一個 full cone NAT），因為 這個UDP信息中所包含的地址信息，與CLIENT B和服務器S建立連接時存儲在NAT B中的服務器S的地址信息不符。同樣的，CLIENT B如果做同樣的事情，發(fā)送的UDP信息也會被 NAT A 丟棄。

 假如 CLIENT A 開始發(fā)送一個 UDP 信息到 CLIENT B 的公網(wǎng)地址上，與此同時，他又通過S中轉(zhuǎn)發(fā)送了一個邀請信息給CLIENT B，請求CLIENT B也給CLIENT A發(fā)送一個UDP信息到 CLIENT A的公網(wǎng)地址上。這時CLIENT A向CLIENT B的公網(wǎng)IP(138.76.29.7:31000)發(fā)送的信息導致 NAT A 打開一個處于 CLIENT A的私有地址和CLIENT B的公網(wǎng)地址之間的新的通信會話，與此同時，NAT B 也打開了一個處于CLIENT B的私有地址和CLIENT A的公網(wǎng)地址(155.99.25.11:62000)之間的新的通信會話。一旦這個新的UDP會話各自向?qū)Ψ酱蜷_了，CLIENT A和CLIENT B之間就可以直接通信，而無需S來牽線搭橋了。(這就是所謂的打洞技術)！