NAT穿透的详细讲解及分析

前几天在做一个网络视频应用的原型，选来选去，决定采用WebRTC作为临时方案先顶着，优点是连接建立后不需要服务端转发流量，方案实现相对简单。缺点是该技术还不成熟，表现在浏览器API完善程度、浏览器版本支持、硬件资源支持等方面有较多限制。期间遇到了NAT和STUN相关的问题，这里转载了一篇对NAT详细通俗介绍的一篇文章。

以下内容转自NAT穿透的详细讲解及分析，这里只做了重新排版，让易读性更好一点。

一、什么是NAT？为什么要使用NAT？

NAT是将私有地址转换为合法IP地址的技术，通俗的讲就是将内网与内网通信时怎么将内网私有IP地址转换为可在网络中传播的合法IP地址。NAT的出现完美地解决了lP地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

二、NAT的分类

STUN标准中，根据内部终端的地址(LocalIP:LocalPort)到NAT出口的公网地址(PublicIP:PublicPort)的影射方式，把NAT分为四种类型：

  1. Full Cone NAT: 内网主机建立一个socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，任何外部主机只要知道这个(PublicIP:PublicPort)就可以发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包。

  2. Restricted Cone NAT: 内网主机建立一个socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP:PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机IP发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,任何端口)发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包。

  3. Port Restricted Cone NAT: 内网主机建立一个socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP:PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机(IP,Port)发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,Port)发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包。

  4. Symmetric NAT: 内网主机建立一个socket(LocalIP,LocalPort),当用这个socket第一次发数据给外部主机1时,NAT为其映射一个(PublicIP-1,Port-1),以后内网主机发送给外部主机1的所有数据都是用这个(PublicIP-1,Port-1)，如果内网主机同时用这个socket给外部主机2发送数据，NAT会为其分配一个(PublicIP-2,Port-2), 以后内网主机发送给外部主机2的所有数据都是用这个(PublicIP-2,Port-2).如果NAT有多于一个公网IP，则PublicIP-1和PublicIP-2可能不同，如果NAT只有一个公网IP,则Port-1和Port-2肯定不同，也就是说一定不能是PublicIP-1等于 PublicIP-2且Port-1等于Port-2。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，那么它首先应该收到内网主机发给他的数据，然后才能往回发送，否则即使他知道内网主机的一个(PublicIP,Port)也不能发送数据给内网主机，这种NAT无法实现P2P通信，但是如果另一方是Full Cone NAT，还是可以实现穿透的，下面我会详细分析各种类型NAT穿透的情况。

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。所以我们大家很少会知道NAT，上面NAT类型的概念描述是比较通俗的，但为了更便于理解，我再举例阐述一下NAT的原理。

三、示例详解

描述

现有通信的双方A和B，当A和B都是在公网的时候，通信是不用NAT的。假设A在内网，内网IP是192.168.1.3，端口号是5000，A经过NAT后的IP是221.221.221.100，端口号是8000，B的IP是202.105.124.100，端口是8500。如果B要去主动连接A，即使B知道A经过NAT后的IP和端口也是无法连接成功的，因为A没有向B(202.105.124.100:8500)发送过数据，所以B的数据包会被A的NAT丢弃，于是连接失败。但是A如果去主动连接B，由于B是在公网，所以会连接成功，通信也就会建立。这也就是反弹连接木马“反弹”二字的精髓。

当客户端A和B都是处在内网的时候，双方由于都不知道对方的公网IP和端口，就会无从下手，所以要在客户端A和B之间架设一台服务器S来为它们牵线，而且S是处在公网，以保证A和B都能连接到S。客户端A和B登录时都首先连接S，S就会知道A和B经过NAT后的IP和端口，当A想要连接B时，就像S发出请求，S会把B经过NAT后的IP和端口告诉A，同时S向B发送A经过NAT后的IP和端口，并要求B发送数据给A，B发送数据到达A时会被A的NAT抛弃，但是B的NAT会有B发送数据到A的记录，这是A再向B发送数据时就会被B的NAT放行，因为B曾经向A的外网IP和端口发送过数据。可能有点乱，下面以故事的形式叙述一下这个情景。

例子

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人物：A（男） NAT_A(A家接线员)   B（女） NAT_B  （B家接线员） S
场景介绍：A想认识B，但是不知道B的电话，S跟A、B都是朋友，并且知道A和B的电话。接线员的职责：对往外转接的电话不做询问，对往内转接的电话则要过滤以免有骚扰电话。过滤规则：在一定时间内没有拨打过的号码就过滤。
首先A给S打电话：
         A说：我想认识你朋友B，你把她电话给我呗。
         S说：行，她的电话是PublicIP_B，我让她先给你打个电话，要不她家接线员不帮你转接。
         A说：好。

S跟B打电话：
         S说：我有一个朋友A，人挺好的，他想认识你，你给他打个电话，他的电话号码是PublicIP_A。
         B说：行，打完告诉你。
         S说：好的。

B打电话到A家，B家接线员NET_B看到女主人想往PublicIP_A打电话就转接到A家了，同时把号码PublicIP_A记录下来，A家接线员NAT_A一看号码是个近期没打过的号，就给挂断了。
 
B给S打电话：
         B说：我打完电话了
         S说：好，等着吧，一会他就给你打进来了。

S给A打电话：
         S说：他给你打完电话了，你快点给她打。
  
A打电话到B家， A家接线员NET_A看到男主人想往PublicIP_B打电话就转接到B家了，B家接线员NET_B看到是刚刚拨过的PublicIP_A号码打过来的，就转接给B了，A和B的电话也就打通了。
A和B通话：
           A说：电话终于打通了，想认识你挺困难的。
           B说：是啊。
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以上虽然和实际不太一样，但穿透的整体过程基本就是这样。A往B发送数据的唯一阻碍就是NET_B，所以想要成功发送数据，必须把NET_B穿一个洞，A是无法完成这项工作的，所以就得让B完成这个打洞操作，也就是让B往A发送数据，这样NET_B就会误以为A发送的数据是上次会话的一部分从而不予阻拦。
但是，由于NAT的类型没有一个统一的标准，所以NAT穿透使用的技术有很多种，穿透的成功率也不一样。还有些NAT类型的内网之间几乎无法穿透。

四、各种NAT类型穿透的可行性

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A机器在私网（192.168.0.3）     
A侧NAT服务器（221.221.221.100）     
B机器在另一个私网（192.168.0.5）     
B侧NAT服务器（210.30.224.70）     
C机器在公网（210.202.14.36）作为A和B之间的中介     
A机器连接C机器，假使是A（192.168.0.3:5000）-> A侧NAT（转换后221.221.221.100:8000）-> C（210.202.14.36:2000）     
B机器也连接C机器，假使是B（192.168.0.5:5000）-> B侧NAT（转换后210.30.224.70:8000）-> C（210.202.14.36:2000）     
A机器连接过C机器后，A向C报告了自己的内部地址（192.168.0.3:5000），
此时C不仅知道了A的外部地址（C通过自己看到的221.221.221.100:8000）也知道了A的内部地址。
同理C也知道了B的外部地址（210.30.224.70:8000）和内部地址（192.168.0.5:5000）。
之后，C作为中介，把A的两个地址告诉了B，同时也把B的两个地址告诉了A。

假设A先知道了B的两个地址，则A从192.168.0.3:5000处同时向B的两个地址192.168.0.5:5000和210.30.224.70:8000发包，由于A和B在两个不同的NAT后面，故从A（192.168.0.3:5000）到B（192.168.0.5:5000）的包肯定不通，现在看A（192.168.0.3:5000）到B（210.30.224.70:8000）的包，分如下两种情况：

第一种： B侧NAT属于Full Cone NAT

则无论A侧NAT属于Cone NAT还是Symmetric NAT，包都能顺利到达B。如果程序设计得好，使得B主动到A的包也能借用A主动发起建立的通道的话，则即使A侧NAT属于Symmetric NAT，B发出的包也能顺利到达A。

结论1：只要单侧NAT属于Full Cone NAT，即可实现双向通信.

第二种：B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone

包不能到达B。再细分两种情况:

（1）A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone

虽然先前那个初始包不曾到达B，但该发包过程已经在A侧NAT上留下了足够的记录：A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8000）->B（210.30.224.70:8000）。如果在这个记录没有超时之前，B也重复和A一样的动作，即向A（221.221.221.100:8000）发包，虽然A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，但先前A侧NAT已经认为A已经向B（210.30.224.70:8000）发过包，故B向A（221.221.221.100:8000）发包能够顺利到达A。同理，此后A到B的包，也能顺利到达。

结论2：只要两侧NAT都不属于Symmetric NAT，也可双向通信。换种说法，只要两侧NAT都属于Cone NAT，即可双向通信。

（2）A侧NAT属于Symmetric NAT

因为A侧NAT属于Symmetric NAT，且最初A到C发包的过程在A侧NAT留下了如下记录：A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8000）-> C（210.202.14.36:2000），故A到B发包过程在A侧NAT上留下的记录为：

A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8001）->B（210.30.224.70:8000）（注意，转换后端口产生了变化）。而B向A的发包，只能根据C给他的关于A的信息，发往A（221.221.221.100:8000），因为A端口受限，故此路不通。再来看B侧NAT，由于B也向A发过了包，且B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，故在B侧NAT上留下的记录为：B（192.168.0.5:5000）->（210.30.224.70:8000）->A（221.221.221.100:8000），此后，如果A还继续向B发包的话（因为同一目标，故仍然使用前面的映射），如果B侧NAT属于Restricted Cone，则从A（221.221.221.100:8001）来的包能够顺利到达B；如果B侧NAT属于Port Restricted Cone，则包永远无法到达B。

结论3：一侧NAT属于Symmetric NAT，另一侧NAT属于Restricted Cone，也可双向通信。

反过来想，则可以得出另一个结论：两个都是Symmetric NAT或者一个是Symmetric NAT、另一个是Port Restricted Cone，则不能双向通信，因为NAT无法穿透。

上面的例子虽然只是分析了最初发包是从A到B的情况，但是，由于两者的对称性，前面得出的几条结论没有方向性，双向都适用。

我们上面得出了四条结论，natcheck网站则把他归结为一条：只要两侧NAT都属于Cone NAT（含Full Cone、Restricted Cone和Port Restricted Cone三者），即可双向通信。没有把我们的结论3包括进去。

一般情况下，只有比较注重安全的大公司会使用Symmetric NAT，禁止使用P2P类型的通信，很多地方使用的都是Cone NAT，因此穿透技术还是有发展前景的。

五、使用UDP、TCP穿透NAT

上面讲的情况可以直接应用于UDP穿透技术中，使用TCP 协议穿透NAT 的方式和使用UDP 协议穿透NAT 的方式几乎一样，没有什么本质上的区别，只是将无连接的UDP 变成了面向连接的TCP 。值得注意是：B在向A打洞时，发送的SYN 数据包，而且同样会被NAT_A 丢弃。同时，B需要在原来的socket 上监听，由于重用socket ，所以需要将socket 属性设置为SO_REUSEADDR 。

A向B发送连接请求。同样，由于B到A方向的孔已经打好，所以连接会成功，经过3 次握手后，A到B之间的连接就建立起来了。具体过程如下：

1、 S启动两个网络侦听，一个叫【主连接】侦听，一个叫【协助打洞】的侦听。
2、 A和B分别与S的【主连接】保持联系。
3、 当A需要和B建立直接的TCP连接时，首先连接S的【协助打洞】端口，并发送协助连接申请。同时在该端口号上启动侦听。注意由于要在相同的网络终端上绑定到不同的套接字上，所以必须为这些套接字设置 SO_REUSEADDR 属性（即允许重用），否则侦听会失败。
4、 S的【协助打洞】连接收到A的申请后通过【主连接】通知B，并将A经过NAT-A转换后的公网IP地址和端口等信息告诉B。
5、 B收到S的连接通知后首先与S的【协助打洞】端口连接，随便发送一些数据后立即断开，这样做的目的是让S能知道B经过NAT-B转换后的公网IP和端口号。
6、 B尝试与A的经过NAT-A转换后的公网IP地址和端口进行connect，大多数路由器对于不请自到的SYN请求包直接丢弃而导致connect失败，但NAT-B会纪录此次连接的源地址和端口号，为接下来真正的连 接做好了准备，这就是所谓的打洞，即B向A打了一个洞，下次A就能直接连接到B刚才使用的端口号了。
7、 客户端B打洞的同时在相同的端口上启动侦听。B在一切准备就绪以后通过与S的【主连接】回复消息“我已经准备好”，S在收到以后将B经过NAT-B转换后的公网IP和端口号告诉给A。
8、 A收到S回复的B的公网IP和端口号等信息以后，开始连接到B公网IP和端口号，由于在步骤6中B曾经尝试连接过A的公网IP地址和端口，NAT-B纪录了此次连接的信息，所以当A主动连接B时，NAT-B会认为是合法的SYN数据，并允许通过，从而直接的TCP连接建立起来了。

参考网址：
http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt
http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1773