基于UDP協(xié)議的NAT穿透技術(shù)研究與仿真

魏紹亮 周廣平 王學(xué)慧

摘 要： NAT穿透技術(shù)能夠有效解決由于IP地址短缺和路由表增大造成的用戶接入困難的問(wèn)題，可緩解因網(wǎng)絡(luò)地址的嚴(yán)重消耗造成的IPv4資源稀缺的情況。針對(duì)這種情況進(jìn)行了基于UDP協(xié)議的NAT穿透技術(shù)研究與仿真。首先分析NAT穿透的類(lèi)型及各自的原理，提出對(duì)于NAT穿透相對(duì)有效的UDP打洞方案，然后通過(guò)穿透原理得出算法結(jié)構(gòu)流程，最后在VC++環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法結(jié)構(gòu)能夠有效地實(shí)現(xiàn)NAT穿透目的，而且具有可拓展性，可在較多情況下適用。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)地址； NAT穿透； NAT類(lèi)型； UDP打洞

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-88228（2014）06-12-03

0 引言

NAT又名網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，在如今IP地址越來(lái)越稀缺的情況下產(chǎn)生，主要為了解決地址重用的問(wèn)題。眾所周知，在TCP/IP協(xié)議中，有三個(gè)IP地址區(qū)域作為私有地址而被專(zhuān)門(mén)保留。

1 NAT分類(lèi)

1.1 基本的NAT

由于內(nèi)網(wǎng)的IP地址不允許在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)，內(nèi)部數(shù)據(jù)包的 IP地址需轉(zhuǎn)換后才能對(duì)外發(fā)送，所以在同一時(shí)間內(nèi)，全子網(wǎng)內(nèi)只有小部分IP地址能夠?qū)?yīng)到外部全球惟一的IP地址[2]。基本的NAT設(shè)備將會(huì)改變數(shù)據(jù)包中的原IP地址，但是不會(huì)改變數(shù)據(jù)包中相應(yīng)的端口數(shù)據(jù)。

1.2 NAPT

NAPT全名為網(wǎng)絡(luò)地址/端口轉(zhuǎn)換器，由其名稱(chēng)可以看出凡是經(jīng)過(guò)此設(shè)備的IP數(shù)據(jù)包，不僅數(shù)據(jù)包內(nèi)的IP地址會(huì)被修改，而且數(shù)據(jù)包內(nèi)的TCP/UDP端口數(shù)據(jù)也會(huì)被修改。它可允許內(nèi)網(wǎng)多個(gè)計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)全球惟一的IP地址[3]。由于端口修改的方法不同，因而又可分為圓錐型和對(duì)稱(chēng)型兩種。

⑴ Cone NAT（圓錐型）

在一個(gè)客戶機(jī)（擁有私有地址與端口號(hào)）與另一個(gè)客戶機(jī)（擁有公有地址與端口號(hào)）建立端口映射之后，只要是當(dāng)前仍然存在會(huì)話在利用此端口映射，那么它就可以用這個(gè)端口映射繼續(xù)處理后續(xù)的會(huì)話。然而，當(dāng)位于NAT后的主機(jī)與外網(wǎng)的主機(jī)建立連接之后，NAT接受外部連接的自由程度是不同的，由此可以把此類(lèi)型進(jìn)一步分類(lèi)。但是要注意這個(gè)分類(lèi)一般只適用于UDP傳輸，因?yàn)閷?duì)于TCP連接，只有在有專(zhuān)門(mén)的配置情況下才會(huì)建立。Cone NAT分類(lèi)之后為下面三種情況。

① Full Cone NAT（完全圓錐型）

2 NAT穿透原理分析

若想用軟件實(shí)現(xiàn)NAT技術(shù)，一種方法是通過(guò)擴(kuò)展應(yīng)用層協(xié)議，使其具有NAT路由的功能；另一種方法則是把應(yīng)用層協(xié)議中的私有地址直接修改為公網(wǎng)地址。但是，由于NAT類(lèi)型的不同，通過(guò)修改應(yīng)用層協(xié)議地址[4]的方法并不能通用，尤其當(dāng)是Symmetric NAT類(lèi)型的時(shí)候，其預(yù)先獲得的公網(wǎng)地址與實(shí)際轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)地址有可能不相同[5]。

NAT穿透需要分析下面三種情況。首先，雙方都是Symmetric NAPT。此情況由于端口號(hào)分配的不同，不支持穿透。其次，雙方都是Cone NAPT。這種情況是我們所期望的，可以進(jìn)行穿透。最后，兩方分別是Symmetric NAPT和Cone NAPT。這種情況稍復(fù)雜些，假設(shè)A是Symmetric NAT，B是Cone NAT，由文獻(xiàn)分析[6]可知，不管是A先連接B還是B先連接A，在一方的NAT接收到數(shù)據(jù)包后，由于查詢自己的映射表無(wú)法找到相對(duì)應(yīng)映射項(xiàng)而會(huì)將包丟棄，從而導(dǎo)致連接失敗。

因此，根據(jù)上述分析可以得出，只有當(dāng)連接兩端的設(shè)備都為Cone NAT的情況下，才能實(shí)現(xiàn)基于UDP協(xié)議的內(nèi)網(wǎng)穿透。

3 UDP打洞技術(shù)

當(dāng)前發(fā)展較快的穿透技術(shù)是一種借助于公網(wǎng)服務(wù)器來(lái)完成NAT穿透的技術(shù)，稱(chēng)為Hole Punching技術(shù)[7]。此技術(shù)屬于一種中繼方案，主要用來(lái)解決通信兩端都在NAT設(shè)備之后的情況，如今這類(lèi)情況比較常見(jiàn)。與其他解決方案相比，此技術(shù)比較簡(jiǎn)單通用，穿透原理如圖5所示。

從圖5可以看出，客戶機(jī)A和客戶機(jī)B（下面簡(jiǎn)稱(chēng)A和B）分別向服務(wù)器S注冊(cè)，因此服務(wù)器知道了它們的私網(wǎng)地址和轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)地址。在A希望與B建立連接時(shí)，A會(huì)先向服務(wù)器S發(fā)送連接請(qǐng)求，服務(wù)器S會(huì)把B的公網(wǎng)、私網(wǎng)的地址都返回給A，同時(shí)還會(huì)把A的連接請(qǐng)求和A的公網(wǎng)與私網(wǎng)地址發(fā)給 B。至此A和B都能知道彼此的公、私網(wǎng)地址。可知A、B與服務(wù)器之間的通訊僅僅是為了打開(kāi)通往服務(wù)器的通道，并通過(guò)不斷發(fā)送消息保持通道的存在。

接下來(lái)，當(dāng)A得知B的公網(wǎng)、私網(wǎng)地址后，A會(huì)同時(shí)向這兩個(gè)地址發(fā)起連接。如果A和B同在一個(gè)NAT之后，B會(huì)先在私網(wǎng)地址上收到A的連接請(qǐng)求，這樣A與B之間的通訊就不會(huì)有NAT的介入；而如果A和B處在不同NAT之后，那么A發(fā)往B私網(wǎng)地址的連接將會(huì)無(wú)法路由或者被錯(cuò)誤路由到不相關(guān)的終端，從而被丟棄，而A發(fā)往B公網(wǎng)地址的連接會(huì)順利到達(dá)B所在的NAT。同樣，在B得知A的公網(wǎng)、私網(wǎng)地址之后也會(huì)發(fā)起連接，情況與A相同。

此時(shí)，A和B前的NAT設(shè)備已經(jīng)記住了對(duì)方的IP地址和端口信息，對(duì)彼此處于敞開(kāi)狀態(tài)，即被在內(nèi)部打洞，因此可建立新的對(duì)話，建立連接。由于發(fā)送的連接數(shù)據(jù)包都為UDP包，因此被稱(chēng)為UDP打洞技術(shù)。而且，建立連接之后，雙方的NAT還可以作為中介將對(duì)方“介紹”給其他設(shè)備[8]，從而降低S的工作量。

綜上所述，Hole Punching技術(shù)是通過(guò)公網(wǎng)Server保存的地址從而使客戶機(jī)之間能夠直接通信。但是，Server只幫助建立連接，而在建立連接之后就不會(huì)再介入了。

4 編程測(cè)試

既然上述基于UDP協(xié)議的穿透主要是靠公網(wǎng)服務(wù)器作為連接中介，那么，通信協(xié)議是必不可少的。根據(jù)上節(jié)所述的穿透原理可編寫(xiě)通信協(xié)議。我們需要自定義以下幾種STRUCT：Client登錄時(shí)向服務(wù)器發(fā)送的消息格式、Client注銷(xiāo)時(shí)發(fā)送的消息格式、Client向服務(wù)器請(qǐng)求另外一個(gè)Client向自己方向發(fā)送UDP打洞消息格式、Client向服務(wù)器發(fā)送的消息格式、客戶節(jié)點(diǎn)信息格式、Server向Client發(fā)送的消息格式、客戶端之間發(fā)送消息格式。

關(guān)于所編寫(xiě)的Server部分，由穿透原理可知，Server端主要負(fù)責(zé)兩件事，一是循環(huán)讀取客戶機(jī)登錄和注銷(xiāo)消息，并記錄客戶列表；二是循環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)客戶P2P連接請(qǐng)求。這里要注意的是，我們應(yīng)事先定義一個(gè)循環(huán)最大值（MAXC），防止丟包之后進(jìn)入無(wú)限死循環(huán)，下面的Client部分也一樣。Client端則主要有三部分：第一，登錄服務(wù)端，并接收服務(wù)器端發(fā)送的已登錄消息；第二，向外網(wǎng)IP發(fā)送消息，若發(fā)送超時(shí)，則發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求打洞信息到服務(wù)器端，此過(guò)程循環(huán)（MAXC）次；第三，循環(huán)讀取當(dāng)前服務(wù)器用戶。

我們選用Visual C++6.0作為編程環(huán)境，進(jìn)行此穿透實(shí)驗(yàn)的仿真實(shí)驗(yàn)。

5 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

由于此程序只是為了實(shí)現(xiàn)穿透通信，因此功能并不是很完善。部分源程序參考相關(guān)資料改編。首先需運(yùn)行服務(wù)器端，如圖6所示，由圖6可見(jiàn)，服務(wù)器端可以將已登錄用戶記錄在案，中轉(zhuǎn)連接功能則由后臺(tái)運(yùn)行。

由于編程條件的限制，現(xiàn)將服務(wù)器端與兩個(gè)客戶機(jī)端在同一臺(tái)電腦上運(yùn)行，因此要指向的服務(wù)器IP為同一個(gè)地址。將客戶機(jī)端分別命名為11和22，先模擬登錄客戶端主機(jī)11，然后模擬登錄客戶端主機(jī)22，所發(fā)送信息為“hello！”，兩個(gè)客戶機(jī)端的運(yùn)行結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可見(jiàn)，兩個(gè)客戶端主機(jī)已連接成功，并且發(fā)送的信息也已送達(dá)目的客戶機(jī)。

根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，UDP穿透的目的已經(jīng)達(dá)到。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)分析，由于客戶端主機(jī)運(yùn)行背景不同，同一局域網(wǎng)內(nèi)可能需要在路由器端開(kāi)通端口映射功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文淺析了NAT的相關(guān)分類(lèi)以及基于UDP協(xié)議穿透NAT的相關(guān)技術(shù)，并根據(jù)研究結(jié)果將其進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。該程序主要是根據(jù)UDP打洞技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)有關(guān)NAT穿透的基本功能，程序具有一定的適應(yīng)性（針對(duì)Cone NAT），若結(jié)合硬件設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，因此有擴(kuò)展開(kāi)發(fā)空間。NAT穿透技術(shù)涉及很多內(nèi)容，就傳輸層的穿透而言，本文只限于UDP協(xié)議，但就實(shí)際而言是不夠的。目前網(wǎng)絡(luò)上使用最多的傳輸層協(xié)議是TCP協(xié)議，而在實(shí)際應(yīng)用中，基于TCP協(xié)議的穿透比基于UDP協(xié)議的穿透復(fù)雜的多。綜上所述，本文所研究的NAT穿透技術(shù)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余以勝.P2P網(wǎng)絡(luò)的NAT穿越技術(shù)研究[J].微型電腦應(yīng)用，2012.1：34-36

[2] 張靜頤，趙雪巖，陳愛(ài)網(wǎng).基于NAT穿透P2P即時(shí)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011.7：96-98

[3] 杜經(jīng)緯，王春紅.在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于UDP協(xié)議穿越NAT的研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012.1：93-94

[4] 劉健，周仲文，劉洋.基于P2P的TCP穿透NAT技術(shù)研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2011.3：40-41

[5] Guha S， Francis P. Characterization and Measurement of TCPTaversal through NATs and Firewalls [EB/0L].http：//nutss.gforge.cis.cornell.edu/pub/imc05-tcp nat.pdf.

[6] 孔令旺.NAT技術(shù)及應(yīng)用淺析[J].科技資訊，2011.32：26-26

[7] 張知青，王碧玉.淺談網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）的三種方式[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2011.10：206-207

[8] 劉澤陽(yáng)，徐武平.P2P應(yīng)用中一種多層NAT穿透解決方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011.7：1980-1983