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[原创]NAT穿透的详细讲解及分析

heyuehui 2011-4-6 22:27 39067
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。
    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。
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。
           ∶
           ∶
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。下面我们用实例详细分析一下各种NAT类型穿透的可行性。

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:     
1、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。   
    2、B侧NAT属于Restricted  Cone或Port  Restricted  Cone     
    则包不能到达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。
三、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:
        1、 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
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最新回复 (17)
5
zhuliang 2011-4-7 00:36
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深夜了,睡醒再看一下怎么样。王艳平有一本书第9章有这方面的讨论。
善良屠夫 2011-4-7 00:44
3
相当高深呢 谢楼主
tfzxyinhao 2011-4-7 01:34
4
其实熟悉路由器这类设备的工作原理就差不多了。有的路由器检查很严格,楼主能吧GFW打个洞吗?
1
iiii 2011-4-7 02:41
5
有一个西厢计划 可以搜索一下.
屏蔽GFW发来的RST信号
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heyuehui 2011-4-7 07:34
6
GFW没用过,不知道是使用的是锥形NAT还是对称式NAT,如果是对称式NAT,那就基本没希望了。。端口预测的概率太小了。。各位还有关于NAT穿透的思路没,分享一下。。
2
heyuehui 2011-4-7 07:35
7
有的软件还是能破GFW的,比如Puff,完全可以突破GFW的限制。
2
heyuehui 2011-4-7 07:51
8
不错,西厢计划我看了,有点意思,可以研究研究。。。谢了,我还不知道有个西厢计划呢,太孤陋寡闻了。不过西厢计划项目主页被GFW屏蔽了,只能翻墙进去看了。。
2
heyuehui 2011-4-7 13:01
9
不客气,共同学习嘛,我也是最近需要用到P2P方面的知识,所以才学习nat穿透的。
3
zouzhiyong 2011-4-10 12:53
10
mark~~~,学ndis的时候会深入这方面的学习
littlejia 2011-4-11 21:30
11
好文章 搜藏了
lingjin 2011-4-12 01:05
12
学习一下
谢谢了
5
bzhkl 2011-4-12 01:20
13
http://www.raknet.com/
这里有完整的p2p源码,包括检测nat类型,打洞不通,还提供了转发服务器模块。
街头篮球 就用了此库,它的udp传输算法用了udt (http://udt.sourceforge.net),百度hi的p2p部分就是用的udt库。
1
yulongying 2011-4-12 14:05
14
长见识了!!!
溯雪 2011-4-12 14:11
15
我以前曾仔细地读过这本书,觉得这本书的讲解清晰透彻。该书的这个章节关于NAT讲得挺详细的!
你读书涉猎好广啊,佩服。
forgives 2011-4-12 14:47
16
这个MARK下。
yzxdev 2011-6-3 18:21
17
嗯,翻libjingal翻到这里来了
广海混沌 2011-6-3 18:44
18
恩 益处良多。。。。。哈
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