分类： LINUX
2012-02-09 12:55:46
NAPT(The IP Network Address/Port Translator) 为何阻碍了P2P软件的应用?
通过 NAPT 上网的特点决定了只能由NAPT内的计算机主动向NAPT外部的主机发起连接，外部的主机想直接和NAPT内的计算机直接建立连接是不被允许的。IM(即 时通讯)而言，这意味着由于NAPT内的计算机和NAPT外的计算机只能通过服务器中转数据来进行通讯。对于P2P方式的下载程序而言，意味着NAPT内 的计算机不能接收到NAPT外部的连接，导致连接数用过少，下载速度很难上去。因此P2P软件必须要解决的一个问题就是要能够在一定的程度上解决NAPT 内的计算机不能被外部连接的问题。
NAT(The IP Network Address Translator) 进行UDP穿透的原理是什么?
TCP/IP传输时 主要用到TCP和UDP协议。TCP协议是可靠的，面向连接的传输协议。UDP是不可靠的，无连接的协议。根据TCP和UDP协议的实现原理，对于 NAPT来进行穿透，主要是指的UDP协议。TCP协议也有可能，但是可行性非常小，要求更高，我们此处不作讨论，如果感兴趣可以到Google上搜索， 有些文章对这个问题做了探讨性的描述。下面我们来看看利用UDP协议来穿透NAPT的原理是什么:
NAPT为每一个Session分配一个NAPT自己的端口号，依据此端口号来判断将收到的公网IP主机返回的TCP/IP数据包转发给那台内网 IP地址 的计算机。在这里Session是虚拟的，UDP通讯并不需要建立连接，但是对于NAPT而言，的确要有一个Session的概念存在。NAPT对于 UDP协议包的透明传输面临的一个重要的问题就是如何处理这个虚拟的Session。我们都知道TCP连接的Session以SYN包开始，以FIN包结 束，NAPT可以很容易的获取到TCP Session的生命周期，并进行处理。但是对于UDP而言，就麻烦了，NAPT并不知道转发出去的UDP协议包是否到达了目的主机，也没有办法知道。而 且鉴于UDP协议的特点，可靠很差，因此NAPT必须强制维持Session的存在，以便等待将外部送回来的数据并转发给曾经发起请求的内网IP地址的计 算机。NAPT具体如何处理UDP Session的超时呢？不同的厂商提供的设备对于NAPT的实现不近相同，也许几分钟，也许几个小时，些NAPT的实现还会根据设备的忙碌状态进行智能 计算超时时间的长短。
现在我们大概明白了NAPT如何实现内网计算机和外网主机间的透明通讯。现在来看一下我们最关心的问题，就是NAPT是依据什么策略来判断是否要为一个请求发出的UDP数据包建立Session的呢？主要有一下几个策略:
A. 源地址(内网IP地址)不同，忽略其它因素, 在NAPT上肯定对应不同的Session
B. 源地址(内网IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，则在NAPT上也肯定对应不同的Session
C. 源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)相同，目的端口不同，则在NAPT上肯定对应同一个Session
D. 源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)不同，忽略目的端口，则在NAPT上是如何处理Session的呢？
D的情况正式我们关心和要讨论的问题。依据目的地址(公网IP地址)对于Session的建立的决定方式我们将NAPT设备划分为两大类:
Symmetric NAPT:
对于到同一个IP地址，任意端口的连接分配使用同一个Session; 对于到不同的IP地址, 任意端口的连接使用不同的Session.
我们称此种NAPT为 Symmetric NAPT. 也就是只要本地绑定的UDP端口相同， 发出的目的IP地址不同，则会建立不同的Session.
由此可见，一台外网IP地址的计算机想和NAPT后面的内网计算机通讯的条件就是要求NAPT后面的内网计算机主动向外网IP地址的计算机发起一个 UDP数据包。外网IP地址的计算机利用收到的UDP数据包获取到NAPT的外网IP地址和映射的端口，以后就可以和内网IP的计算机透明的进行通讯了。
现 在我们再来分析一下我们最关心的两个NAPT后面的内网计算机如何实现直接通讯呢?
两者都无法主动发出连接请求，谁也不知道对方的NAPT的公网IP地址和NAPT上面映射的端口号。所以我们要靠一个公网IP地址的服务器帮助两者来建立
连接。当两个NAPT后面的内网计算机分别连接了公网IP地址的服务器后，服务器可以从收到的UDP数据包中获取到这两个NAPT设备的公网IP地址和这
两个连接建立的Session的映射端口。两个内网计算机可以从服务器上获取到对方的NAPT设备公网IP地址和映射的端口了。
我们假设两个内网计算机分别为A和B，对应的NAPT分别为AN和BN， 如果A在获取到B对应的BN的IP地址和映射的端口后，迫不急待的向这个IP
地 址和映射的端口发送了个UDP数据包，会有什么情况发生呢？依据上面的原理和数据结构我们会知道，AN会在自己的数据结构中生成一条记录，标识一个新 Session的存在。BN在收到数据包后，从自己的数据结构中查询，没有找到相关记录，因此将包丢弃。B是个慢性子，
此时才慢吞吞的向着AN的IP地址
和映射的端口发送了一个UDP数据包，结果如何呢？当然是我们期望的结构了，AN在收到数据包后，从自己的数据结构中查找到了记录，所以将数据包进行处理
发送给了A。A 再次向B发送数据包时，一切都时畅通无阻了。OK, 大工告成！且慢，这时对于Cone NAPT而言，对于Symmetric
NAPT呢？呵呵，自己分析一下吧...
NAPT(The IP Network Address/Port Translator) 进行UDP穿透的具体情况分析!
首先明确的将NAPT设备按照上面的说明分为: Symmetric NAPT 和 Cone NAPT, Cone NAPT 是我们需要的。Win9x/2K/XP/2003 自带的NAPT也为Cone NAPT。
第一种情况, 双方都是Symmetric NAPT:
此情况应给不存在什么问题，肯定是不支持UDP穿透。
第二种情况, 双方都是Cone NAPT:
此情况是我们需要的，可以进行UDP穿透。
第三种情况, 一个是Symmetric NAPT, 一个是Cone NAPT:
此情况比较复杂，但我们按照上面的描述和数据机构进行一下分析也很容易就会明白了, 分析如下,
假设: A -> Symmetric NAT, B -> Cone NAT
1. A 想连接 B, A 从服务器那儿获取到 B 的NAT地址和映射端口, A 通知服务器，服务器告知 B A的NAT地址和映射端口, B 向 A 发起连接，A 肯定无法接收到。此时 A 向 B 发起连接， A 对应的NAT建立了一个新的Session，分配了一个新的映射端口， B 的 NAT 接收到UDP包后，在自己的映射表中查询，无法找到映射项，因此将包丢弃了。
2. B 想连接 A, B 从服务器那儿获取到 A 的NAT地址和映射端口, B 通知服务器, 服务器告知 A B的NAT地址和映射端口,A 向 B 发起连接, A 对应的NAT建立了一个新的Session，分配了一个新的映射端口B肯定无法接收到。此时 B 向 A 发起连接, 由于 B 无法获取 A 建立的新的Session的映射端口，仍是使用服务器上获取的映射端口进行连接， 因此 A 的NAT在接收到UDP包后，在自己的映射表中查询，无法找到映射项, 因此将包丢弃了。
根据以上分析，只有当连接的两端的NAT都为Cone NAT的情况下，才能进行UDP的内网穿透互联。
NAPT(The IP Network Address/Port Translator) 进行UDP穿透如何进行现实的验证和分析!
需要的网络结构如下:
三个NAT后面的内网机器，两个外网服务器。其中两台Cone NAPT，一台 Symmetric NAPT。
验证方法:
可 以使用本程序提供的源码，编译，然后分别运行服务器程序和客户端。修改过后的源码增加了客户端之间直接通过IP地址和端口发送消息的命令，利用此命令，你 可以手动的验证NAPT的穿透情况。为了方便操作，推荐你使用一个远程登陆软件，可以直接在一台机器上操作所有的相关的计算机，这样很方便，一个人就可以 完成所有的工作了。呵呵，本人就是这么完成的。欢迎有兴趣和经验的朋友来信批评指正，共同进步。
