NAT类型及检测方法

 

NAT类型及检测方法

NAT(Network Address Translation)的相关术语及作用在这里不再赘述，网友如果需要可以参考文献：Peer-to-Peer Communication Across Network Address Translators。

原文地址：http://www.bford.info/pub/net/p2pnat

中文翻译（翻译后名为：穿越NAT的P2P通信方法的研究）：http://www.ppcn.net/n4690c38.aspx

（注：中文资料翻译了原文的四章内容，翻译的很好，在此对这位同僚的辛勤工作表示由衷的感谢）

（另外还必须说明的一点是：本文是我在学习《P2P的NAT研究》时写的，可以说是它的另一个版本，这样做仅仅为了加深自己对该技术的理解，做一个摘记，无意冒犯）

一 NAT的类型

NAT可以分为很多种，但是最为普遍的是传统NAT，或者称为向外NAT。向外NAT在默认情况下只允许向外的Session穿越NAT，这就是我们最为常见的情况。

这种向外NAT又可以分为基本NAT（Basic NAT）和NAPT(Network Address/Port Translation)。

1.  基本NAT

基本NAT只转换IP地址，而不转换端口。一个基本NAT往往需要具有多个公网IP来满足多个内网节点中具有相同端口的应用程序的同时访问。由于这种类型的NAT设备限制大，现在已不常见。

2.    NAPT

（注：Endpoint表示一个IP地址和端口对）

与基本NAT只转换IP地址不同，NAPT转换整个Endpoint。由于NAPT允许内网内的多个节点通过共享的方式使用同一个IP地址，因此，如今NAPT类型的NAT设备已经越来越多。

NAPT又可以进一步分为以下四种类型：

(1)   完全锥型NAT(FULL CONE NAT)

完全锥型NAT在内网用户A(Private Endpoint)首次向外部主机发送数据包时创建地址映射会话，并为A分配一个公网地址和端口(Public Endpoint)，以后任何A向外部发送的数据都将使用这个Public Endpoint。此后，任何外部主机想要与A通信，只要将数据包发送到Public Endpoint上，A就能够顺利的进行接收。

(2)   限制锥型NAT (RESTRICT CONE NAT)

限制锥型NAT在内网用户A(Private Endpoint)首次向外部主机发送数据包时创建地址映射会话，并为A分配一个公网地址和端口(Public Endpoint)，以后任何A向外部发送的数据包都将使用这个Public Endpoint。此后，如果某个外部主机（Endpoint IP:PORT）想要与A通信，只要将数据包发送到Public Endpoint并且保证A曾用当前与NAT的会话向该外部主机的IP地址发送过数据，A就能够正常收到外部主机（Endpoint IP:PORT）发送来的数据包。

(3)   端口限制锥型NAT(PORT RESTRICT CONE NAT)

端口限制锥型在内网用户A(Private Endpoint)首次向外部主机发送数据包时创建地址映射会话，并为A分配一个公网地址和端口(Public Endpoint)，以后任何A向外部发送的数据都将使用这个Public Endpoint。此后，如果某个外部主机（Endpoint IP:PORT）想要与A通信，只要将数据包发送到Public Endpoint并且保证A曾用当前与NAT的会话向该外部主机的Endpoint发送过数据，A就能够正常收到外部主机（Endpoint IP:PORT）发送来的数据包。

(4)   对称型NAT(SYMMETRIC NAT)

对称型NAT是一种比较特殊的NAT。内网用户A(Private Endpoint)首次向外部主机S1发送数据包时创建地址映射会话Session1，并为A分配一个公网地址和端口(Public Endpoint1)，以后A所有发向S1的数据包都使用这个Public Endpoint1。如果之后A用同一个Socket向外部主机S2发送数据包，这时对称型NAT又为其分配一个地址映射会话，并为A分配一个新的公网地址和端口对（Public Endpoint2），以后A所有发向S2的数据包都使用这个Public Endpoint2。对称型NAT规定Public Endpoint1和Public Endpoint2一定不相同。此外，如果任何外部主机想要发送数据给A，那么它首先应该收到A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Public Endpoint也不能发送数据给A。这种NAT可以通过端口猜测等方法进行穿透，但是效果并不是很好，很难实现UDP-P2P通信。

图1 NAT 类型结构图

 

二 NAT类型的检测

前提条件：一个提供两个公网地址（通信地址分别设为：Endpoint1与Endpoint2）的服务器S进行UDP端口数据监听并根据客户的要求给出响应；待检测的用户可以正常进行UDP通信。

步骤1.    检测主机是否位于NAT后

为了检测IP地址是不是公网地址，主机A首先发送任意一个UDP数据包给服务器S（Endpoint1），S收到包之后，用Endpoint1将接收到数据包头的IP地址和端口打成一个UDP反馈包发送给用户A。A在收到反馈包之后，比较自身的Endpoint和反馈包中的Endpoint，如果一样则说明A不位于任何NAT之后，否则，就是位于NAT之后，这里并不能判断NAT的具体属于哪一种类型。

步骤2.    检测NAT是否是完全锥型

为了检测所处的NAT是否是完全锥型的，主机A向服务器S（Endpoint1）发送UDP数据包后，服务器用Endpoint2将接收到数据包头的IP地址和端口打成一个UDP反馈包发送给用户A。另外，A在发送UDP数据包后，立即开始端口侦听，设定一个等待时间上限，防止无限堵塞（因为接收是一个While循环）。这样进行若干次，如果A每次都没有收到数据包，说明A所处的NAT类型不是完全锥型的；相反，在这整个过程中只要收到一次服务的包，就说明A所处的NAT类型是完全限制型的。

步骤3.    检测NAT是否是对称型

为了检测所处的NAT是否是对称型的，主机A向服务器S（Endpoint1）发送UDP数据包，服务器S（Endpoint1）在收到数据包后，用Endpoint1将接收到数据包头的IP地址和端口打成一个UDP反馈包发送给用户A。另外，A在发送数据包后，开始侦听端口并接收数据，设定一个等待时间上限，防止无限堵塞（因为接收是一个While循环）。与此同时，主机A用同一个套接字向服务器S （Endpoint2）发送UDP数据，Endpoint2发送与上面类似的UDP回馈包。在A的整个数据接收过程中，如果收到的服务器反馈数据包中标识自身的IP地址和端口存在不相同的情况，就说明NAT是对称型的，否则就不是。

步骤4.    检测NAT是限制锥型的还是端口限制锥型

最后，为了检测所处的NAT是限制锥型的还是端口限制锥型的，主机A向服务S的Endpoint1发送UDP数据包，服务器用与Endpoint1相同的IP地址和不同的端号将带有A的Public Endpoint的UDP反馈包发送给A。另外，A在发送数据包后，立即侦听端口和并进行数据接收，设定一个等待时间上限，防止无限堵塞（因为接收是一个While循环）。重复若干次。如过在整个过程中，用户A收到S发来的数据包，就说明NAT是限制型的；否则就说明NAT是端口限制型的。