一、什么是NAT？為什么要使用NAT？
NAT是將私有地址轉(zhuǎn)換為合法IP地址的技術(shù)，通俗的講就是將內(nèi)網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)通信時(shí)怎么將內(nèi)網(wǎng)私有IP地址轉(zhuǎn)換為可在網(wǎng)絡(luò)中傳播的合法IP地址。NAT的出現(xiàn)完美地解決了lP地址不足的問(wèn)題，而且還能夠有效地避免來(lái)自網(wǎng)絡(luò)外部的攻擊，隱藏并保護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)。
二、NAT的分類
STUN標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)內(nèi)部終端的地址(LocalIP:LocalPort)到NAT出口的公網(wǎng)地址(PublicIP:PublicPort)的影射方式，把NAT分為四種類型：
1、Full Cone NAT: 內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，任何外部主機(jī)只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包。
2、Restricted Cone NAT: 內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)并且內(nèi)網(wǎng)主機(jī)之前用這個(gè)socket曾向這個(gè)外部主機(jī)IP發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)。只要滿足這兩個(gè)條件，這個(gè)外部主機(jī)就可以用自己的(IP,任何端口)發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包。
3、Port Restricted Cone NAT: 內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用這個(gè)socket給外部主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)NAT會(huì)給其分配一個(gè)公網(wǎng)(PublicIP:PublicPort),以后用這個(gè)socket向外面任何主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)都將使用這對(duì)(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，只要知道這個(gè)(PublicIP:PublicPort)并且內(nèi)網(wǎng)主機(jī)之前用這個(gè)socket曾向這個(gè)外部主機(jī)(IP,Port)發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)。只要滿足這兩個(gè)條件，這個(gè)外部主機(jī)就可以用自己的(IP,Port)發(fā)送數(shù)據(jù)給(PublicIP:PublicPort)，內(nèi)網(wǎng)的主機(jī)就能收到這個(gè)數(shù)據(jù)包。
4、Symmetric NAT: 內(nèi)網(wǎng)主機(jī)建立一個(gè)socket(LocalIP,LocalPort),當(dāng)用這個(gè)socket第一次發(fā)數(shù)據(jù)給外部主機(jī)1時(shí),NAT為其映射一個(gè)(PublicIP-1,Port-1),以后內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送給外部主機(jī)1的所有數(shù)據(jù)都是用這個(gè)(PublicIP-1,Port-1)，如果內(nèi)網(wǎng)主機(jī)同時(shí)用這個(gè)socket給外部主機(jī)2發(fā)送數(shù)據(jù)，NAT會(huì)為其分配一個(gè)(PublicIP-2,Port-2), 以后內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)送給外部主機(jī)2的所有數(shù)據(jù)都是用這個(gè)(PublicIP-2,Port-2).如果NAT有多于一個(gè)公網(wǎng)IP，則PublicIP-1和PublicIP-2可能不同，如果NAT只有一個(gè)公網(wǎng)IP,則Port-1和Port-2肯定不同，也就是說(shuō)一定不能是PublicIP-1等于 PublicIP-2且Port-1等于Port-2。此外，如果任何外部主機(jī)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給這個(gè)內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，那么它首先應(yīng)該收到內(nèi)網(wǎng)主機(jī)發(fā)給他的數(shù)據(jù)，然后才能往回發(fā)送，否則即使他知道內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的一個(gè)(PublicIP,Port)也不能發(fā)送數(shù)據(jù)給內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，這種NAT無(wú)法實(shí)現(xiàn)P2P通信，但是如果另一方是Full Cone NAT，還是可以實(shí)現(xiàn)穿透的，下面我會(huì)詳細(xì)分析各種類型NAT穿透的情況。
NAT 功能通常被集成到路由器、防火墻、ISDN路由器或者單獨(dú)的NAT設(shè)備中。所以我們大家很少會(huì)知道NAT，上面NAT類型的概念描述是比較通俗的，但為了更便于理解，我再舉例闡述一下NAT的原理。
現(xiàn)有通信的雙方A和B，當(dāng)A和B都是在公網(wǎng)的時(shí)候，通信是不用NAT的。假設(shè)A在內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)IP是192.168.1.3，端口號(hào)是5000，A經(jīng)過(guò)NAT后的IP是221.221.221.100，端口號(hào)是8000，B的IP是202.105.124.100，端口是8500。如果B要去主動(dòng)連接A，即使B知道A經(jīng)過(guò)NAT后的IP和端口也是無(wú)法連接成功的，因?yàn)锳沒(méi)有向B(202.105.124.100:8500)發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)，所以B的數(shù)據(jù)包會(huì)被A的NAT丟棄，于是連接失敗。但是A如果去主動(dòng)連接B，由于B是在公網(wǎng)，所以會(huì)連接成功，通信也就會(huì)建立。這也就是反彈連接木馬“反彈”二字的精髓。
當(dāng)客戶端A和B都是處在內(nèi)網(wǎng)的時(shí)候，雙方由于都不知道對(duì)方的公網(wǎng)IP和端口，就會(huì)無(wú)從下手，所以要在客戶端A和B之間架設(shè)一臺(tái)服務(wù)器S來(lái)為它們牽線，而且S是處在公網(wǎng)，以保證A和B都能連接到S?？蛻舳薃和B登錄時(shí)都首先連接S，S就會(huì)知道A和B經(jīng)過(guò)NAT后的IP和端口，當(dāng)A想要連接B時(shí)，就像S發(fā)出請(qǐng)求，S會(huì)把B經(jīng)過(guò)NAT后的IP和端口告訴A，同時(shí)S向B發(fā)送A經(jīng)過(guò)NAT后的IP和端口，并要求B發(fā)送數(shù)據(jù)給A，B發(fā)送數(shù)據(jù)到達(dá)A時(shí)會(huì)被A的NAT拋棄，但是B的NAT會(huì)有B發(fā)送數(shù)據(jù)到A的記錄，這是A再向B發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)被B的NAT放行，因?yàn)锽曾經(jīng)向A的外網(wǎng)IP和端口發(fā)送過(guò)數(shù)據(jù)?？赡苡悬c(diǎn)亂，下面以故事的形式敘述一下這個(gè)情景。
人物：A（男） NAT_A(A家接線員) B（女） NAT_B （B家接線員） S
場(chǎng)景介紹：A想認(rèn)識(shí)B，但是不知道B的電話，S跟A、B都是朋友，并且知道A和B的電話。接線員的職責(zé)：對(duì)往外轉(zhuǎn)接的電話不做詢問(wèn)，對(duì)往內(nèi)轉(zhuǎn)接的電話則要過(guò)濾以免有騷擾電話。過(guò)濾規(guī)則：在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有撥打過(guò)的號(hào)碼就過(guò)濾。
首先A給S打電話：
A說(shuō)：我想認(rèn)識(shí)你朋友B，你把她電話給我唄。
S說(shuō)：行，她的電話是PublicIP_B，我讓她先給你打個(gè)電話，要不她家接線員不幫你轉(zhuǎn)接。
A說(shuō)：好。

S跟B打電話：
S說(shuō)：我有一個(gè)朋友A，人挺好的，他想認(rèn)識(shí)你，你給他打個(gè)電話，他的電話號(hào)碼是PublicIP_A。
B說(shuō)：行，打完告訴你。
S說(shuō)：好的。

B打電話到A家，B家接線員NET_B看到女主人想往PublicIP_A打電話就轉(zhuǎn)接到A家了，同時(shí)把號(hào)碼PublicIP_A記錄下來(lái)，A家接線員NAT_A一看號(hào)碼是個(gè)近期沒(méi)打過(guò)的號(hào)，就給掛斷了。

B給S打電話：
B說(shuō)：我打完電話了
S說(shuō)：好，等著吧，一會(huì)他就給你打進(jìn)來(lái)了。

S給A打電話：
S說(shuō)：他給你打完電話了，你快點(diǎn)給她打。

A打電話到B家， A家接線員NET_A看到男主人想往PublicIP_B打電話就轉(zhuǎn)接到B家了，B家接線員NET_B看到是剛剛撥過(guò)的PublicIP_A號(hào)碼打過(guò)來(lái)的，就轉(zhuǎn)接給B了，A和B的電話也就打通了。
A和B通話：
A說(shuō)：電話終于打通了，想認(rèn)識(shí)你挺困難的。
B說(shuō)：是啊。
∶
∶
以上雖然和實(shí)際不太一樣，但穿透的整體過(guò)程基本就是這樣。A往B發(fā)送數(shù)據(jù)的唯一阻礙就是NET_B，所以想要成功發(fā)送數(shù)據(jù)，必須把NET_B穿一個(gè)洞，A是無(wú)法完成這項(xiàng)工作的，所以就得讓B完成這個(gè)打洞操作，也就是讓B往A發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣NET_B就會(huì)誤以為A發(fā)送的數(shù)據(jù)是上次會(huì)話的一部分從而不予阻攔。
但是，由于NAT的類型沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以NAT穿透使用的技術(shù)有很多種，穿透的成功率也不一樣。還有些NAT類型的內(nèi)網(wǎng)之間幾乎無(wú)法穿透。下面我們用實(shí)例詳細(xì)分析一下各種NAT類型穿透的可行性。

A機(jī)器在私網(wǎng)（192.168.0.3）
A側(cè)NAT服務(wù)器（221.221.221.100）
B機(jī)器在另一個(gè)私網(wǎng)（192.168.0.5）
B側(cè)NAT服務(wù)器（210.30.224.70）
C機(jī)器在公網(wǎng)（210.202.14.36）作為A和B之間的中介
A機(jī)器連接C機(jī)器，假使是A（192.168.0.3:5000）-> A側(cè)NAT（轉(zhuǎn)換后221.221.221.100:8000）-> C（210.202.14.36:2000）
B機(jī)器也連接C機(jī)器，假使是B（192.168.0.5:5000）-> B側(cè)NAT（轉(zhuǎn)換后210.30.224.70:8000）-> C（210.202.14.36:2000）
A機(jī)器連接過(guò)C機(jī)器后，A向C報(bào)告了自己的內(nèi)部地址（192.168.0.3:5000），此時(shí)C不僅知道了A的外部地址（C通過(guò)自己看到的221.221.221.100:8000）也知道了A的內(nèi)部地址。同理C也知道了B的外部地址（210.30.224.70:8000）和 內(nèi)部地址（192.168.0.5:5000）。之后，C作為中介，把A的兩個(gè)地址告訴了B，同時(shí)也把B的兩個(gè)地址告訴了A。
假設(shè)A先知道了B的兩個(gè)地址，則A從192.168.0.3:5000處同時(shí)向B的兩個(gè)地址192.168.0.5:5000和210.30.224.70:8000發(fā)包，由于A和B在兩個(gè)不同的NAT后面，故從A（192.168.0.3:5000）到B（192.168.0.5:5000）的包肯定不通，現(xiàn)在看A（192.168.0.3:5000）到B（210.30.224.70:8000）的包，分如下兩種情況：
1、B側(cè)NAT屬于Full Cone NAT
則無(wú)論A側(cè)NAT屬于Cone NAT還是Symmetric NAT，包都能順利到達(dá)B。如果程序設(shè)計(jì)得好，使得B主動(dòng)到A的包也能借用A主動(dòng)發(fā)起建立的通道的話，則即使A側(cè)NAT屬于Symmetric NAT，B發(fā)出的包也能順利到達(dá)A。
結(jié)論1：只要單側(cè)NAT屬于Full Cone NAT，即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。
2、B側(cè)NAT屬于Restricted Cone或Port Restricted Cone
則包不能到達(dá)B。再細(xì)分兩種情況
（1）、A側(cè)NAT屬于Restricted Cone或Port Restricted Cone
雖然先前那個(gè)初始包不曾到達(dá)B，但該發(fā)包過(guò)程已經(jīng)在A側(cè)NAT上留下了足夠的記錄：A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8000）->B（210.30.224.70:8000）。如果在這個(gè)記錄沒(méi)有超時(shí)之前，B也重復(fù)和A一樣的動(dòng)作，即向A（221.221.221.100:8000）發(fā)包，雖然A側(cè)NAT屬于Restricted Cone或Port Restricted Cone，但先前A側(cè)NAT已經(jīng)認(rèn)為A已經(jīng)向B（210.30.224.70:8000）發(fā)過(guò)包，故B向A（221.221.221.100:8000）發(fā)包能夠順利到達(dá)A。同理，此后A到B的包，也能順利到達(dá)。
結(jié)論2：只要兩側(cè)NAT都不屬于Symmetric NAT，也可雙向通信。換種說(shuō)法，只要兩側(cè)NAT都屬于Cone NAT，即可雙向通信。
（2）、A側(cè)NAT屬于Symmetric NAT
因?yàn)锳側(cè)NAT屬于Symmetric NAT，且最初A到C發(fā)包的過(guò)程在A側(cè)NAT留下了如下記錄：A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8000）-> C（210.202.14.36:2000），故A到B發(fā)包過(guò)程在A側(cè)NAT上留下的記錄為：
A（192.168.0.3:5000）->（221.221.221.100:8001）->B（210.30.224.70:8000）（注意，轉(zhuǎn)換后端口產(chǎn)生了變化）。而B向A的發(fā)包，只能根據(jù)C給他的關(guān)于A的信息，發(fā)往A（221.221.221.100:8000），因?yàn)锳端口受限，故此路不通。再來(lái)看B側(cè)NAT，由于B也向A發(fā)過(guò)了包，且B側(cè)NAT屬于Restricted Cone或Port Restricted Cone，故在B側(cè)NAT上留下的記錄為：B（192.168.0.5:5000）->（210.30.224.70:8000）->A（221.221.221.100:8000），此后，如果A還繼續(xù)向B發(fā)包的話（因?yàn)橥荒繕?biāo)，故仍然使用前面的映射），如果B側(cè)NAT屬于Restricted Cone，則從A（221.221.221.100:8001）來(lái)的包能夠順利到達(dá)B；如果B側(cè)NAT屬于Port Restricted Cone，則包永遠(yuǎn)無(wú)法到達(dá)B。
結(jié)論3：一側(cè)NAT屬于Symmetric NAT，另一側(cè)NAT屬于Restricted Cone，也可雙向通信。
反過(guò)來(lái)想，則可以得出另一個(gè)結(jié)論：兩個(gè)都是Symmetric NAT或者一個(gè)是Symmetric NAT、另一個(gè)是Port Restricted Cone，則不能雙向通信，因?yàn)镹AT無(wú)法穿透。
上面的例子雖然只是分析了最初發(fā)包是從A到B的情況，但是，由于兩者的對(duì)稱性，前面得出的幾條結(jié)論沒(méi)有方向性，雙向都適用。
我們上面得出了四條結(jié)論，natcheck網(wǎng)站則把他歸結(jié)為一條：只要兩側(cè)NAT都屬于Cone NAT（含F(xiàn)ull Cone、Restricted Cone和Port Restricted Cone三者），即可雙向通信。沒(méi)有把我們的結(jié)論3包括進(jìn)去。
一般情況下，只有比較注重安全的大公司會(huì)使用Symmetric NAT，禁止使用P2P類型的通信，很多地方使用的都是Cone NAT，因此穿透技術(shù)還是有發(fā)展前景的。
三、使用UDP、TCP穿透NAT
上面講的情況可以直接應(yīng)用于UDP穿透技術(shù)中，使用TCP 協(xié)議穿透NAT 的方式和使用UDP 協(xié)議穿透NAT 的方式幾乎一樣，沒(méi)有什么本質(zhì)上的區(qū)別，只是將無(wú)連接的UDP 變成了面向連接的TCP 。值得注意是：
1、 B在向A打洞時(shí)，發(fā)送的SYN 數(shù)據(jù)包，而且同樣會(huì)被NAT_A 丟棄。同時(shí)，B需要在原來(lái)的socket 上監(jiān)聽(tīng)，由于重用socket ，所以需要將socket 屬性設(shè)置為SO_REUSEADDR 。
A向B發(fā)送連接請(qǐng)求。同樣，由于B到A方向的孔已經(jīng)打好，所以連接會(huì)成功，經(jīng)過(guò)3 次握手后，A到B之間的連接就建立起來(lái)了。具體過(guò)程如下：

1、 S啟動(dòng)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)，一個(gè)叫【主連接】偵聽(tīng)，一個(gè)叫【協(xié)助打洞】的偵聽(tīng)。
2、 A和B分別與S的【主連接】保持聯(lián)系。
3、 當(dāng)A需要和B建立直接的TCP連接時(shí)，首先連接S的【協(xié)助打洞】端口，并發(fā)送協(xié)助連接申請(qǐng)。同時(shí)在該端口號(hào)上啟動(dòng)偵聽(tīng)。注意由于要在相同的網(wǎng)絡(luò)終端上綁定到不同的套接字上，所以必須為這些套接字設(shè)置 SO_REUSEADDR 屬性（即允許重用），否則偵聽(tīng)會(huì)失敗。
4、 S的【協(xié)助打洞】連接收到A的申請(qǐng)后通過(guò)【主連接】通知B，并將A經(jīng)過(guò)NAT-A轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口等信息告訴B。
5、 B收到S的連接通知后首先與S的【協(xié)助打洞】端口連接，隨便發(fā)送一些數(shù)據(jù)后立即斷開(kāi)，這樣做的目的是讓S能知道B經(jīng)過(guò)NAT-B轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號(hào)。
6、 B嘗試與A的經(jīng)過(guò)NAT-A轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口進(jìn)行connect，大多數(shù)路由器對(duì)于不請(qǐng)自到的SYN請(qǐng)求包直接丟棄而導(dǎo)致connect失敗，但NAT-B會(huì)紀(jì)錄此次連接的源地址和端口號(hào)，為接下來(lái)真正的連 接做好了準(zhǔn)備，這就是所謂的打洞，即B向A打了一個(gè)洞，下次A就能直接連接到B剛才使用的端口號(hào)了。
7、 客戶端B打洞的同時(shí)在相同的端口上啟動(dòng)偵聽(tīng)。B在一切準(zhǔn)備就緒以后通過(guò)與S的【主連接】回復(fù)消息“我已經(jīng)準(zhǔn)備好”，S在收到以后將B經(jīng)過(guò)NAT-B轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號(hào)告訴給A。
8、 A收到S回復(fù)的B的公網(wǎng)IP和端口號(hào)等信息以后，開(kāi)始連接到B公網(wǎng)IP和端口號(hào)，由于在步驟6中B曾經(jīng)嘗試連接過(guò)A的公網(wǎng)IP地址和端口，NAT-B紀(jì)錄了此次連接的信息，所以當(dāng)A主動(dòng)連接B時(shí)，NAT-B會(huì)認(rèn)為是合法的SYN數(shù)據(jù)，并允許通過(guò)，從而直接的TCP連接建立起來(lái)了。


參考網(wǎng)址：
http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt
http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1773

該文章在 2014/2/7 18:12:39 編輯過(guò)