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分类: 系统运维

2013-09-22 22:29:06

原文地址:STUN协议 作者:Arthursky

STUN简介 STUNSimple Traversal of UDP over NATsNAT UDP简单穿越)是一种网络协议,它允许位于NAT(或多重NAT)后的客户端找出自己的公网地址,查出自己位于哪种类型的NAT之后以及NAT为某一 个本地端口所绑定的Internet端端口。这些信息被用来在两个同时处于NAT 路由器之后的主机之间建立UDP通信。该协议由RFC 3489定义。
一旦客户端得知了Internet端的UDP端口,通信就可以开始了。
SIP
之类的协议是使用UDP分组在Internet上传输音频和/或视频数据的。不幸的是,由于通信的两个末端往往位于NAT之后,因此用传统的方法是无法建立连接的。这也就是STUN发挥作用的地方。
STUN
是一个客户机-服务器协议。一个VoIP电话或软件包可能会包括一个STUN客户端。这个客户端会向STUN服务器发送请求,之后,服务器就会向STUN客户端报告NAT路由器的公网IP地址以及NAT为允许传入流量传回内网而开通的端口。
以上的响应同时还使得STUN客户端能够确定正在使用的NAT类型——因为不同的NAT类型处理传入的UDP分组的方式是不同的。四种主要类型中有三种是可以使用的:完全圆锥型NAT、受限圆锥型NAT和端口受限圆锥型NAT——但大型公司网络中经常采用的对称型NAT(又称为双向NAT)则不能使用。

NAT工作原理:NAT主要的通过对数据包头的地址替换来完成内网计算机访问外网服务的。当内部机器要访问外部网络时,NAT设备把内部的IP1与端口号1(网络层地址与传输层地址),转换成NAT的外部IP2与新的端口号2,再送给外部网络,数据返回时,再把目的为IP2:端口2的数据包替换为IP1:端口 1,送给内网机器。若通讯协议的内容中有IP地址的传递,如FTP协议,NAT在翻译时还要注意数据包内涉及协议地址交互的地方也要替换,否则协议就会出现地址混乱。在NAT设备中维护了这个要替换地址的映射表,并根据内部计算机的通讯需求维护该表。外部网络来数据包能否进入NAT,主要是看是否已经有可映射的表项,若没有就会丢弃

NAT给P2P带来的问题是:NAT只允许单方面发起连接,通讯的双方不是平等的,P2P网络的基础有了问题,具体的表现为:
  • 内网主机IP是私有的,外部主机看不到,也无法主动发起连接
  • 即使知道了内网IP,但NAT会丢弃没有在影射表的数据包
  • 内网主机可以作为客户端访问外网,但不能作为服务器提供服务
  • 当两个主机都位于各自的NAT之后,要实现P2P的连接,就不仅是谁主动的问题,而是如何解决在两个NAT上同时有对方映射表项的问题。
STUN标准中,根据内部终端的地址(P:p)到NAT出口的公网地址(A:b)的影射方式,把NAT分为四种类型:

1. Full Cone:来自相同的内部地址的请求消息映射为相同的外部地址,与外部地址(目的地址)无关。映射关系为P:p↔A:b,任何外部主机可通过(A:b)发送到数据到(P:p)上。

  2. Restricted Cone:来自相同的内部地址的请求消息映射为相同的外部地址,返回的数据只接受该内部节点曾发数据的那个目的计算机地址X。映射关系为P:p↔A:b↔X,只有来自X的数据包才可通过(A:b)发送到数据到(P:p)上。

  3. Port Restricted Cone:来自相同的内部地址的请求消息映射为相同的外部地址,返回的数据只接受该内部节点曾发数据的那个目的地址X:x。映射关系为 P:p↔A:b↔X:x,只有来自X:x的数据包才可通过(A:b)发送到数据到(P:p)上。

  4. Symmetric(对称) NAT:只有来自相同的内部地址(P:p),并且发送到同一个地址(X:x) 的请求消息,才被映射为相同的外部地址(A:b),返回的数据只接受该内部节点曾发数据的那个目的地址X:x。映射关系为P:p↔A:b↔X:x,当 (P:p)访问(Y:y)时,映射为P:p↔B:c↔Y:y。

P2P利用STUN穿越NAT

  位于NAT后面终端A与B要穿越NAT直接通讯,可以借助在公网上的第三者Server来帮助。

  穿越NAT的情况分为为两种方式:

1、一方在NAT之后,一方在公网上。这种情况相对简单,只要让NAT之后的终端先发起通讯,NAT就没有作用了,它可以从Server上取得另一个Peer的地址,主动连接,回来的数据包就可以方便地穿越NAT。

2、双方都在NAT之后,连接的成功与否与两个NAT的类型有关。

主要的思路的先通过终端与Server的连接,获得两个终端在NAT外部的地址(IP与端口号),再由终端向对方的外部地址发邀请包,获取自己与对方通讯的外部地址,俗称为“打洞”。关键是获取了NAT外部映射的地址,就可以发包直接沟通,建立连接。但当一方是对称型,另一方是Port Restricted或对称型时,无法有效获取外部地址,邀请包无法到达对方,也就无法穿越NAT。具体的分析可以根据两个NAT的类型分成若干情况分析,这里给一般的穿越例子。

实例:UDP穿越NAT

  A登录Server,NAT A分配端口11000,Server得到A的地址为100.10.10.10:11000

  B登录Server,NAT B分配端口22000,Server得到B的地址为200.20.20.20:22000

  此时B会把直接来自A的包丢弃,所以要在NAT B上打一个方向为A的洞,那么A就可以向200.20.20.20:22000发送数据了

  打洞的指令来自Server。B向A的地址100.10.10.10:11000发一个UDP报文,被NAT A丢弃,但在NAT B上建立映射记录,NAT B不在丢弃来自A的报文。

  Server通知A可以通讯,A发起数据UDP包给B,NAT B放行,B收到A的包,双方开始通讯

  注:若是对称NAT,当B向A打洞的端口要重新分配(NAT A不会再分配11000端口),B无法获取这个端口,所以不适用本方法。

  实例:TCP穿越NAT:

tcp打洞与udp打洞的区别:tcp在传输数据前要connect,connect 过程中两方要通信

  A登录Server,NAT A分配端口11000,Server得到A的地址为100.10.10.10:11000

  B登录Server,NAT B分配端口22000,Server得到B的地址为200.20.20.20:22000

  A向B发送TCP数据包SYN:192.168.10.11:1234=>200.20.20.20:22000,在NAT A上打洞

  B向A发送TCP数据包SYN:192.168.20.22:1234=>100.10.10.10:11000,在NAT B上打洞

  通道建立,A与B三次握手建立TCP连接


TCP(传输控制协议)和UDP(用户数据报协议是网络体系结构TCP/IP模型中传输层一层中的两个不同的通信协议。

TCP:传输控制协议,一种面向连接的协议,给用户进程提供可靠的全双工的字节流,TCP套接口是字节流套接口(stream socket)的一种。

UDP:用户数据报协议。UDP是一种无连接协议。UDP套接口是数据报套接口(datagram socket)的一种。

二、TCP和UDP介绍

1)基本TCP客户—服务器程序设计基本框架

说明:(三路握手)
        1.客户端发送一个SYN段(同步序号)指明客户打算连接的服务器端口,以及初始化序号(ISN) 。
        2.服务器发回包含服务器的初始序号的SYN报文段作为应答。同时,将确认序号(ACK)设置为客户的ISN加1以对客户的SYN 报文段进行确认。一个SYN将占用一个序号。
        3.客户必须将确认序号设置为服务器的ISN加1以对服务器的SYN报文段进行确认。

2) 基本TCP客户—服务器程序设计基本框架流程图

3) UDP和TCP的对比:

从上面的流程图比较我们可以很明显的看出UDP没有三次握手过程。

简单点说。UDP处理的细节比TCP少。UDP不能保证消息被传送到(它也报告消息没有传送到)目的地。UDP也不保证数据包的传送顺序。UDP把数据发出去后只能希望它能够抵达目的地。

TCP优缺点:

优点:
        1.TCP提供以认可的方式显式地创建和终止连接。
        2.TCP保证可靠的、顺序的(数据包以发送的顺序接收)以及不会重复的数据传输。
        3.TCP处理流控制。
        4.允许数据优先
        5.如果数据没有传送到,则TCP套接口返回一个出错状态条件。
        6.TCP通过保持连续并将数据块分成更小的分片来处理大数据块。—无需程序员知道

缺点: TCP在转移数据时必须创建(并保持)一个连接。这个连接给通信进程增加了开销,让它比UDP速度要慢。

UDP优缺点:
        1.UDP不要求保持一个连接
        2.UDP没有因接收方认可收到数据包(或者当数据包没有正确抵达而自动重传)而带来的开销。
        3.设计UDP的目的是用于短应用和控制消息
        4.在一个数据包连接一个数据包的基础上,UDP要求的网络带宽比TDP更小。


两个对称NAT,一个对称NAT和一个IP/port受限NAT这两种情况都无法直接穿透,可以用端口猜测。

多级NAT穿透?

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