NAT類型及檢測方法

NAT(Network Address Translation)的相關術語及作用在這裡不再贅述，網友如果需要可以參考文獻：Peer-to-Peer Communication Across Network Address Translators。

原文地址：http://www.bford.info/pub/net/p2pnat

中文翻譯（翻譯後名為：穿越NAT的P2P通訊方法的研究）：http://www.ppcn.net/n4690c38.aspx

（註：中文資料翻譯了原文的四章內容，翻譯的很好，在此對這位同僚的辛勤工作表示由衷的感謝）

（另外還必須說明的一點是：本文是我在學習《P2P的NAT研究》時寫的，可以說是它的另一個版本，這樣做僅僅為了加深自己對該技術的理解，做一個摘記，無意冒犯）

一 NAT的類型

NAT可以分為很多種，但是最為普遍的是傳統NAT，或者稱為向外NAT。向外NAT在預設情況下只允許向外的Session穿越NAT，這就是我們最為常見的情況。

這種向外NAT又可以分為基本NAT（Basic NAT）和NAPT(Network Address/Port Translation)。

1.  基本NAT

基本NAT只轉換IP地址，而不轉換連接埠。一個基本NAT往往需要具有多個公網IP來滿足多個內網節點中具有相同連接埠的應用程式的同時訪問。由於這種類型的NAT裝置限制大，現在已不常見。

2.    NAPT

（註：Endpoint表示一個IP地址和連接埠對）

與基本NAT只轉換IP地址不同，NAPT轉換整個Endpoint。由於NAPT允許內網內的多個節點通過共用的方式使用同一個IP地址，因此，如今NAPT類型的NAT裝置已經越來越多。

NAPT又可以進一步分為以下四種類型：

(1)   完全錐型NAT(FULL CONE NAT)

完全錐型NAT在內網使用者A(Private Endpoint)首次向外部主機發送資料包時建立地址映射會話，並為A分配一個公網地址和連接埠(Public Endpoint)，以後任何A向外部發送的資料都將使用這個Public Endpoint。此後，任何外部主機想要與A通訊，只要將資料包發送到Public Endpoint上，A就能夠順利的進行接收。

(2)   限制錐型NAT (RESTRICT CONE NAT)

限制錐型NAT在內網使用者A(Private Endpoint)首次向外部主機發送資料包時建立地址映射會話，並為A分配一個公網地址和連接埠(Public Endpoint)，以後任何A向外部發送的資料包都將使用這個Public Endpoint。此後，如果某個外部主機（Endpoint IP:PORT）想要與A通訊，只要將資料包發送到Public Endpoint並且保證A曾用當前與NAT的會話向該外部主機的IP地址發送過資料，A就能夠正常收到外部主機（Endpoint IP:PORT）發送來的資料包。

(3)   連接埠限制錐型NAT(PORT RESTRICT CONE NAT)

連接埠限制錐型在內網使用者A(Private Endpoint)首次向外部主機發送資料包時建立地址映射會話，並為A分配一個公網地址和連接埠(Public Endpoint)，以後任何A向外部發送的資料都將使用這個Public Endpoint。此後，如果某個外部主機（Endpoint IP:PORT）想要與A通訊，只要將資料包發送到Public Endpoint並且保證A曾用當前與NAT的會話向該外部主機的Endpoint發送過資料，A就能夠正常收到外部主機（Endpoint IP:PORT）發送來的資料包。

(4)   對稱型NAT(SYMMETRIC NAT)

對稱型NAT是一種比較特殊的NAT。內網使用者A(Private Endpoint)首次向外部主機S1發送資料包時建立地址映射會話Session1，並為A分配一個公網地址和連接埠(Public Endpoint1)，以後A所有發向S1的資料包都使用這個Public Endpoint1。如果之後A用同一個Socket向外部主機S2發送資料包，這時對稱型NAT又為其分配一個地址映射會話，並為A分配一個新的公網地址和連接埠對（Public Endpoint2），以後A所有發向S2的資料包都使用這個Public Endpoint2。對稱型NAT規定Public Endpoint1和Public Endpoint2一定不相同。此外，如果任何外部主機想要發送資料給A，那麼它首先應該收到A發給他的資料，然後才能往回傳送，否則即使他知道內網主機的Public Endpoint也不能發送資料給A。這種NAT可以通過連接埠猜測等方法進行穿透，但是效果並不是很好，很難實現UDP-P2P通訊。

 

圖1 NAT 類型結構圖

 

二 NAT類型的檢測

前提條件：一個提供兩個公網地址（通訊地址分別設為：Endpoint1與Endpoint2）的伺服器S進行UDP連接埠資料監聽並根據客戶的要求給出響應；待檢測的使用者可以正常進行UDP通訊。

步驟1.    檢測主機是否位於NAT後

為了檢測IP地址是不是公網地址，主機A首先發送任意一個UDP資料包給伺服器S（Endpoint1），S收到包之後，用Endpoint1將接收到資料包頭的IP地址和連接埠打成一個UDP反饋包發送給使用者A。A在收到反饋包之後，比較自身的Endpoint和反饋包中的Endpoint，如果一樣則說明A不位於任何NAT之後，否則，就是位於NAT之後，這裡並不能判斷NAT的具體屬於哪一種類型。

步驟2.    檢測NAT是否是完全錐型

為了檢測所處的NAT是否是完全錐型的，主機A向伺服器S（Endpoint1）發送UDP資料包後，伺服器用Endpoint2將接收到資料包頭的IP地址和連接埠打成一個UDP反饋包發送給使用者A。另外，A在發送UDP資料包後，立即開始連接埠偵聽，設定一個等待時間上限，防止無限堵塞（因為接收是一個While迴圈）。這樣進行若干次，如果A每次都沒有收到資料包，說明A所處的NAT類型不是完全錐型的；相反，在這整個過程中只要收到一次服務的包，就說明A所處的NAT類型是完全限制型的。

步驟3.    檢測NAT是否是對稱型

為了檢測所處的NAT是否是對稱型的，主機A向伺服器S（Endpoint1）發送UDP資料包，伺服器S（Endpoint1）在收到資料包後，用Endpoint1將接收到資料包頭的IP地址和連接埠打成一個UDP反饋包發送給使用者A。另外，A在發送資料包後，開始偵聽連接埠並接收資料，設定一個等待時間上限，防止無限堵塞（因為接收是一個While迴圈）。與此同時，主機A用同一個通訊端向伺服器S （Endpoint2）發送UDP資料，Endpoint2發送與上面類似的UDP回饋包。在A的整個資料接收過程中，如果收到的伺服器反饋資料包中標識自身的IP地址和連接埠存在不相同的情況，就說明NAT是對稱型的，否則就不是。

步驟4.    檢測NAT是限制錐型的還是連接埠限制錐型

最後，為了檢測所處的NAT是限制錐型的還是連接埠限制錐型的，主機A向服務S的Endpoint1發送UDP資料包，伺服器用與Endpoint1相同的IP地址和不同的端號將帶有A的Public Endpoint的UDP反饋包發送給A。另外，A在發送資料包後，立即偵聽連接埠和並進行資料接收，設定一個等待時間上限，防止無限堵塞（因為接收是一個While迴圈）。重複若干次。如過在整個過程中，使用者A收到S發來的資料包，就說明NAT是限制型的；否則就說明NAT是連接埠限制型的。