P2P技术(一)：NAT

1、NAT由来

NAT是一项神奇的技术，说它神奇在于它的出现几乎使IPv4起死回生。在IPv4已经被认为行将结束历史使命之后近20年时间里，人们几乎忘了IPv4的地址空间即将耗尽这样一个事实——在新技术日新月异的时代，20年可算一段漫长的历史。更不用说，在NAT产生以后，网络终端的数量呈加速上升趋势，对IP地址的需求剧烈增加。

说它神奇，更因为NAT给IP网络模型带来了深远影响，其身影遍布网络每个角落。根据一份最近的研究报告，70%的P2P用户位于NAT网关以内。

2、NAT的工作特点

NAT通常部署在一个组织的网络出口位置，通过将内部网络IP地址替换为出口的IP地址提供公网可达性和上层协议的连接能力。对于有Internet访问需求而内部又使用私有地址的网络，就要在组织的出口位置部署NAT网关，在报文离开私网进入Internet时，将源IP替换为公网地址，通常是出口设备的接口地址。

RFC1918规定l了三个保留的地址段落：10.0.0.0-10.0.0.0-10.255.255.255；172.16.0.0-172.31.255.255；192.168.0.0-192.168.255.255,分别处于A/B/C类地址，作为内部网络IP

NAT处理报文的几个关键特点：

NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置，双向流量必须都要经过NAT网关
网络访问只能先由私网侧发起，公网无法主动访问私网主机
NAT网关在两个访问方向上完成两次地址的转换和翻译，出方向做源信息替换，入方向做目的信息替换
NAT网关的存在对通信双方是保持透明的
NAT网关为了实现双向翻译的功能，需要维护一张表，把回话信息保存下来

其中第二个特点打破了IP协议架构中所有节点在通讯中的对等地位，这是NAT最大的弊端，为对等通讯带来了诸多问题，当然相应的克服手段也应运而生。事实上，第四点是NAT致力于达到的目标，但在很多情况下，NAT并没有做到，因为除了IP首部，上层通信协议经常在内部携带IP地址信息。

3、NAT的实现方式

NAT工作模型有一对一的NAT、一对多的NAT。其中一对一表示一个内部主机占用一个公网IP，这种方式对节约公网IP没有多大意义，主要实现一下特殊需求比如：用户希望隐藏内部主机的真实IP。

NAT工作模型最常用的就是一对多。在一对多模型中，按照端口转换的工作方式不同，又可以更进一步的划分。

3.1、静态NAT

即一对一的NAT，这里只进行IP转换，没有进行端口的转换

3.2、NAPT

端口多路复用技术。与静态NAT的差别是，NAPT不但要转换IP地址，还要进行传输层的端口转换。具体的表现形式就是，对外只有一个公网IP，通过端口来区别不同私有IP主机的数据。

3.3、NAPT的四种NAT类型

完全锥形NAT（Full Cone NAT）

特点：IP和端口都不受限

表现形式：将来自内部同一个IP地址同一个端口号（IP_IN_A : PORT_IN_A）的主机监听/请求，映射到公网IP某个端口（IP_OUT_B : PORT_OUT_B）的监听。任意外部IP地址与端口对其自己公网的IP这个映射后的端口访问（IP_OUT_B : PORT_OUT_B），都将重新定位到内部这个主机（IP_IN_A : PORT_IN_A）。简单来说就是只要客户端由内到外建立一个映射后，其他外部主机的IP和端口都可以使用这个洞给客户端发送数据。
受限锥形NAT（Restricted Cone NAT）

特点：IP受限，端口不受限

表现形式：与完全锥形NAT不同的是，在公网映射端口后，并不允许所有IP进行对于该端口的访问，要想通信必需内部主机对某个外部IP主机发起过连接，然后这个外部IP主机就可以与该内部主机通信了，但端口不做限制。
端口受限型NAT（Port Restricted Cone NAT）

特点：IP和端口都受限

表现形式：该技术与受限锥形NAT相比更为严格。除具有受限锥形NAT特性，对于回复主机的端口也有要求。假设内部主机发送过报文给A主机P1端口，那外部主机向内部主机发送UDP报文时候必须要求报文IP是A，端口是P1。这一要求进一步强化了对外部报文请求来源的限制，从而较Restrictd Cone更具安全性。
对称型NAT（Symmetric NAT）

特点：对每个外部主机或端口的会话都会映射为不同的端口（洞）

表现形式：同一个客户端和不同的目标IP:PORT通信，经过NAT映射后的公网IP:PORT是不同的。此时，如果B想要和客户端通信，也只能通过NatIP:NatPortB（也就是紫色的洞洞）来进行，而不能通过NatIP:NatPortA（也就是黄色的洞洞）。

以上四种类型对NAT的限制是越来越大。

4、NAT的限制与解决方案

IP协议的一个重要贡献就是把世界变得平等，我们熟知的CS体系结构是在应用层协议上的角色区分，而在网络层和传输层没有差异，一个IP地址的主机既可以是客户机，也可以是服务器。

与此同时，很多应用也是把客户端和服务器的角色组合起来来完成功能。而在P2P应用中，一个用户的主机既为下载的客户，同时也向其他客户提供数据，是一种C/S混合的模型。上层应用之所以能这样设计，是因为IP协议栈定义了这样的能力。试想一下，如果IP提供的能力不对等，那么每个通信会话都只能是单方向发起的，这会极大限制通信的能力。

**而NAT最大的弊端正在于此——破坏了IP端到端通信的能力！其次NAT设备会对数据包进行编辑修改，这样就降低了发送数据的效率；此外，各种协议的应用各有不同，有的协议是无法通过NAT的（不能通过NAT的协议还是蛮多的），这就需要通过穿透技术来解决

4.1、NAT弊端

NAT使IP会话的保持时效变短。由于IP和端口资源有限，所以在会话结束后需要回收资源，即老化操作。基于UDP通信协议很难确定何时通信结束，所以NAT网关主要依赖超时机制回收外部的端口，但是如果应用需要维持连接的时间大于NAT网关的设置，通信就会意外中断。因为网关回收相关转换表资源以后，新的数据到达时就找不到相关的转换信息，必须建立新的连接。当这个新数据是由公网侧向私网侧发送时，就会发生无法触发新连接建立，也不能通知到私网侧的主机去重建连接的情况。这时候通信就会中断，不能自动恢复。即使新数据是从私网侧发向公网侧，因为重建的会话表往往使用不同于之前的公网IP和端口地址，公网侧主机也无法对应到之前的通信上，导致用户可感知的连接中断。很多应用协议的设计者已经考虑到了这种情况，所以一般会设置一个连接保活的机制，即在一段时间没有数据需要发送时，主动发送一个NAT能感知到而又没有实际数据的保活消息，这么做的主要目的就是重置NAT的会话定时器。
NAT在实现上将多个内部主机发出的连接复用到一个IP上，这就是依赖IP进行主机跟踪的机制都失效了。一个IP被很多用户共享，如果存在恶意的用户行为，很难定位到发起连接的那个主机。
NAT工作机制依赖于修改IP包头的信息，这会妨碍一些安全协议的工作。因为NAT篡改了IP地址、传输层端口号和校验和，这会导致认证协议彻底不能工作，因为认证目的就是要保证这些信息在传输过程中没有变化。IP分片机制是在信息源端或网络路径上，需要发送的IP报文尺寸大于路径实际能承载最大尺寸时，IP协议层会将一个报文分成多个片断发送，然后在接收端重组这些片断恢复原始报文。IP这样的分片机制会导致传输层的信息只包括在第一个分片中，NAT难以识别后续分片与关联表的对应关系，因此需要特殊处理。

4.2、NAT路由类型判断

根据上面的介绍，我们可以了解到，在实际的网络情况中，各个设备所处的网络环境是不同的。那么，如果这些设备想要进行通信，首先判断出设备所处的网络类型就是非常重要的一步。

举个例子来说：对于IM中的实时音视频功能和VoIP软件，对位于不同NAT内部的主机通信需要靠服务器来转发完成，这样就会增加服务器的负担。为了解决这种问题，要尽量使位于不同NAT内部的主机建立直接通信，其中，最重要的一点就是要判断出NAT的类型，然后才能根据NAT的类型，设计出直接通信方案。不然的话，两个都在NAT的终端怎么通信呢？我们不知道对方的内网IP，即使把消息发到对方的网关，然后呢？网关怎么知道这条消息给谁，而且谁允许网关这么做了？

为了解决这个问题，也就是处于内网的主机之间能够穿越它们之间的NAT建立直接通信，已经提出了许多方法，STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）技术就是其中比较重要的一种解决方法，并得到了广泛的应用。

参考链接：

http://www.52im.net/thread-50-1-1.html

http://www.360doc.com/content/14/0305/17/8285430_357987074.shtml

http://www.52im.net/thread-1055-1-1.html

《计算机网络自顶向下方法》