.NET(C#)：使用UPnP來穿透NAT使內網介面對外網可見

在寫完Object 672後，軟體的一個致命問題暴露出來，如果伺服器和用戶端都在內網環境下，即雙方都通過NAT來接觸外網，那麼此時用戶端是無法直接和伺服器交流的。

解決方案可以是：

1：把伺服器部署在不存在NAT的公網環境下。

2：使用常見的NAT穿透方法比如UDP打洞，或者STUN協議，但是這些方法都需要另一個已知的部署在公網環境下的伺服器。

3：就是這篇文章主要討論的方案，即不需要部署任何公網環境下的伺服器，通過路由器支援的UPnP協議來把內網的介面綁定到公網介面上。

UPnP的一大優勢就是不會像UDP打洞那樣，內網介面不需要先向外部介面發送UDP包來把綁定的公網介面告訴NAT，而且對於對稱NAT，UDP打洞是無效的。而UPnP一旦設定成功後，內網介面完全以綁定的公網介面暴露在公網中。

 

示範程式的運行是這樣的：

 

具體過程：

1. 輸出使用者Host Name和內網IP地址。

2. 通過UPnP把內網IP地址，內部連接埠號碼綁定到一個外部連接埠號碼上。

3. 通過HTTP從外部網站擷取公網IP地址。

4. 在內網中建立TCP Socket伺服器。

5. 建立另一個TCP Socket用戶端，然後嘗試串連上面擷取的公網IP和UPnP綁定的外部連接埠。

6. 如果一切沒有問題的話，此時會成功串連到伺服器，並收到回應！

 

在.NET環境下使用Windows的UPnP組件需要現在工程中引用：NATUPnP 1.0 Type Library，這是一個COM類庫。

下面開始逐句分析原始碼，原始碼均擬使用者已加入下列命名空間：

using System.Net;                     

using System.Net.Sockets;            

using System.Text.RegularExpressions;  //提取IP時的正則

using System.Threading.Tasks;          //Task

using System.IO;                       //讀取伺服器資訊用到StreamReader

using NATUPNPLib;                      //Windows UPnP COM組件

 

首先輸出本機（也就是內網介面資訊），這個很簡單了：

//擷取Host Name

var name = Dns.GetHostName();

Console.WriteLine("使用者：" + name);

//從當前Host Name解析IP地址，篩選IPv4地址是原生內網IP地址。

var ipv4 = Dns.GetHostEntry(name).AddressList.Where(i => i.AddressFamily == AddressFamily.InterNetwork).FirstOrDefault();

Console.WriteLine("內網IP：" + ipv4);

 

接下來就是設定UPnP了，首先需要初始化UPnPNAT類型（他是一個介面，只不過通過CoClass特性把執行導向UPnPNATClass類型），接著通過UPnPNAT的StaticPortMappingCollection來添加或者刪除UPnP綁定。注意在沒有路由器或者路由器的UPnP不開啟的情況下，StaticPortMappingCollection屬性可能會返回null。

 

代碼如下：

Console.WriteLine("設定UPnP");

//UPnP綁定資訊

var eport = 8733;

var iport = 8733;

var description = "Mgen測試";

 

//建立COM類型

var upnpnat = new UPnPNAT();

var mappings = upnpnat.StaticPortMappingCollection;

 

//錯誤判斷

if (mappings == null)

{

    Console.WriteLine("沒有檢測到路由器，或者路由器不支援UPnP功能。");

    return;

}

 

//添加之前的ipv4變數（內網IP），內部連接埠，和外部連接埠

mappings.Add(eport, "TCP", iport, ipv4.ToString(), true, description);

 

Console.WriteLine("外部連接埠：{0}", eport);

Console.WriteLine("內部連接埠：{0}", iport);

 

如果成功後，你應該可以在路由器的UPnP選項中看到這些資料：

 

設定好UPnP後，開始擷取外網IP地址，可以通過這個網址（http://checkip.dyndns.org/）。此時只需要發送一個HTTP GET請求，然後把返回的HTML中的IP地址提取出來就可以了，我們用正則來提取IP地址。

代碼如下：

//外網IP變數

string eip;

//正則

var regex = @"\b\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\b";

using (var webclient = new WebClient())

{

    var rawRes = webclient.DownloadString("http://checkip.dyndns.org/");

    eip = Regex.Match(rawRes, regex).Value;

}

 

Console.WriteLine("外網IP：" + eip);

 

OK，這個時候（如果一切順利的話），一切準備工作都做好了。我們有了：內網IP，內部連接埠，外網IP，外部連接埠。那麼就可以做一個TCP串連做測試了。

 

直接建立一個TCP服務端，代表在NAT下的伺服器，注意連接埠號碼要綁定到UPnP設定時的內部連接埠。

代碼：

//在NAT下的伺服器

var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//綁定內網IP和內部連接埠

socket.Bind(new IPEndPoint(ipv4, iport));

socket.Listen(1);

 

//在另一個線程中運行用戶端Socket

Task.Run(() =>

    {

        Task.Delay(1000).Wait();

        ClientSocket(eip, eport);

    });

 

//成功串連

var client = socket.Accept();

//伺服器向用戶端發送資訊

client.Send(Encoding.Unicode.GetBytes("=== 歡迎來到Mgen的伺服器！===" + Environment.NewLine));

 

Console.ReadKey(false);

 

上面的ClientSocket方法就是用戶端的Socket串連執行，注意TCP協議是不保留資料邊界的，因此伺服器在發送訊息時，後面加了個分行符號（Environment.NewLine），然後在用戶端接受資料時，使用Socket –> NetworkStream –> StreamReader的嵌套組合，最後由StreamReader的ReadLine讀取資料，這樣確保會讀到最後的分行符號。

 

ClientSocket方法的執行代碼：

//ip參數和port參數是公網的IP地址，和UPnP中的外部連接埠

static void ClientSocket(string ip, int port)

{

    try

    {

        Console.WriteLine("建立用戶端TCP串連");

        var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

        socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ip), port));

        using (var ns = new NetworkStream(socket))

        using (var sr = new StreamReader(ns, Encoding.Unicode))

        {

            Console.WriteLine("收到來自伺服器的回應：");

            Console.WriteLine(sr.ReadLine());

        }

    }

    catch (Exception ex)

    {

        Console.WriteLine(ex.Message);

    }

}

OK。

 

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