P2P 之 UDP穿透NAT的原理与实现

　　首先先介绍一些基本概念：

　　最开始NAT是运行在由器上的一个功能模块。

　　最先提出的是基本的NAT，它的产生基于如下事实：一个私有网络(域)中的节点中只有很少的节点需要与外网连接(呵呵，这是在上世纪

　　90年代中期提出的)。那么这个子网中其实只有少数的节点需要全球唯一的IP地址，其他的节点的IP地址应该是可以重用的。

　　因此，基本的NAT实现的功能很简单，在子网内使用一个保留的IP子网段，这些IP对外是不可见的。子网内只有少数一些IP地址可以对应到

　　真正全球唯一的IP地址。如果这些节点需要访问外部网络，那么基本NAT就负责将这个节点的子网内IP为一个全球唯一的IP然后发送出去。

　　(基本的NAT会改变IP包中的原IP地址，但是不会改变IP包中的端口)

　　另外一种NAT叫做NAPT，从名称上我们也可以看得出，NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址，还会改变IP数据报的TCP/UDP

　　端口。基本NAT的设备可能我们见的不多(呵呵，我没有见到过)，NAPT才是我们真正讨论的主角。看下图：

　　有一个私有网络10...，ClientA是其中的一台计算机，这个网络的网关(一个NAT设备)的外网IP是155.99.25.11(应该还有一个内网

　　18.181.0.31的1235端口，那么当数据包通过NAT时会发生什么事情呢?

　　首先NAT会改变这个数据包的原IP地址，改为155.99.25.11。接着NAT会为这个传输创建一个Session(Session是一个抽象的概念，如果是

　　TCP，也许Session是由一个SYN包开始，以一个FIN包结束。而UDP呢，以这个IP的这个端口的第一个UDP开始，结束呢，呵呵，也许是几分钟，

　　也许是几小时，这要看具体的实现了)并且给这个Session分配一个端口，比如62000，然后改变这个数据包的源端口为62000。所以本来是

　　动的转发到10.0.0.1上。(注意：这里是说18.181.0.31发送到62000端口的数据会被转发，其他的IP发送到这个端口的数据将被NAT抛弃)这样

　　呵呵，的基础知识可能很多人都知道了，那么下面是关键的部分了。

　　看看下面的情况：

　　这个UDP包在通过NAT时会怎么样呢?

　　这时可能会有两种情况发生，一种是NAT再次创建一个Session，并且再次为这个Session分配一个端口号(比如：62001)。另外一种是NAT

　　再次创建一个Session，但是不会新分配一个端口号，而是用原来分配的端口号62000。前一种NAT叫做SymmetricNAT，后一种叫做ConeNAT。

　　我们期望我们的NAT是第二种，呵呵，如果你的NAT刚好是第一种，那么很可能会有很多P2P软件失灵。(可以庆幸的是，现在绝大多数的NAT属于后者，即ConeNAT)

　　好了，我们看到，通过NAT,子网内的计算机向外连结是很容易的(NAT相当于透明的，子网内的和外网的计算机不用知道NAT的情况)。

　　但是如果外部的计算机想访问子网内的计算机就比较困难了(而这正是P2P所需要的)。

　　那么我们如果想从外部发送一个数据报给内网的计算机有什么办法呢?首先，我们必须在内网的NAT上打上一个“洞”(也就是前面我们说

　　的在NAT上建立一个Session)，这个洞不能由外部来打，只能由内网内的主机来打。而且这个洞是有方向的，比如从内部某台主机(比如：

　　呵呵，现在该轮到我们的正题P2P了。有了的理论，实现两个内网的主机通讯就差最后一步了：那就是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题了，两边都无法主动发出连接请求，谁也不知道谁的公网地址，那我们如何来打这个洞呢?我们需要一个中间人来联系这两个内网主机。

　　现在我们来看看一个P2P软件的流程，以下图为例：

　　http 192.168.1.1打公网地址187.34.1.56:40000，是不是ClientA向这个地址发送信息ClientB就能收到了呢?答案是不行，因为如果这样发送信息，NATB会将

　　这个信息丢弃(因为这样的信息是不请自来的，为了安全，大多数NAT都会执行丢弃动作)。现在我们需要的是在NATB上打一个方向为

　　向打洞。呵呵，是不是很绕口，不过没关系，想一想就很清楚了，何况还有源代码呢(侯老师说过：在源代码面前没有秘密8))，然后

　　法知道这个端口(如果SymmetricNAT的端口是顺序分配的，那么我们或许可以猜测这个端口号，可是由于可能导致失败的因素太多，我们不推荐这种猜测端口的方法)。

　　下面是一个模拟P2P聊天的过程的源代码，过程很简单，P2PServer运行在一个拥有公网IP的计算机上，P2PClient运行在两个不同的NAT后(注意，如果两个客户端运行在一个NAT后，本程序很可能不能运行正常，这取决于你的NAT是否支持loopbacktranslation，详见http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt，当然，此问题可以通过双方先尝试连接对方的内网IP来解决，但是这个代码只是为了验证原理，并没有处理这些问题)，后登录的计算机可以获得先登录计算机的用户名，后登录的计算机通过sendusernamemessage的格式来发送消息。如果发送成功，说明你已取得了直接与对方连接的成功。

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