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P2P之UDP穿透NAT的原理與實現





論壇上經常有對P2P原理的討論，但是討論歸討論，很少有實質的東西產生（來源碼）。哈哈，在這裡我就用自己實現的一個來源碼來說明UDP穿越NAT的原理。

首先先介紹一些基本概念：
NAT(Network Address Translators)，網路位址轉換：網路位址轉換是在IP位址日益缺乏的情況下產生的，它的主要目的就是為了能夠位址重用。NAT分為兩大類，基本的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。
最開始NAT是執行在路由器上的一個功能模組。

最先提出的是基本的NAT，它的產生關於如下事實：一個私有網路（域）中的節點中只有很少的節點需要與外網連接（哈哈，這是在上世紀90年代中期提出的）。那麼這個子網中其實只有少數的節點需要全球唯一的IP位址，其他的節點的IP位址應該是可以重用的。
因此，基本的NAT實現的功能很簡單，在子網內使用一個保留的IP子網段，這些IP對外是不可見的。子網內只有少數一些IP位址可以對應到真正全球唯一的IP位址。如果這些節點需要訪問外部網路，那麼基本NAT就負責將這個節點的子網內IP轉化為一個全球唯一的IP然後傳送出去。(基本的NAT會改變IP包中的原IP位址，但是不會改變IP包中的連接阜)
關於基本的NAT可以參看RFC 1631

另外一種NAT叫做NAPT，從名稱上我們也可以看得出，NAPT不但會改變經過這個NAT設備的IP資料報的IP位址，還會改變IP資料報的TCP/UDP連接阜。基本NAT的設備可能我們見的不多（哈哈，我沒有見到過），NAPT才是我們真正討論的主角。看下圖：
Server S1
18.181.0.31:1235
|
^ Session 1 (A-S1) ^ |
| 18.181.0.31:1235 | |
v 155.99.25.11:62000 v |
|
NAT
155.99.25.11
|
^ Session 1 (A-S1) ^ |
| 18.181.0.31:1235 | |
v 10.0.0.1:1234 v |
|
Client A
10.0.0.1:1234
有一個私有網路10.*.*.*，Client A是其中的一台電腦，這個網路的網路閘道（一個NAT設備）的外網IP是155.99.25.11(應該還有一個局內網的IP位址，比如10.0.0.10)。如果Client A中的某個行程（這個行程新增了一個UDP Socket,這個Socket綁定1234連接阜）想訪問外網主機18.181.0.31的1235連接阜，那麼當資料包通過NAT時會發生什麼事情呢？
首先NAT會改變這個資料包的原IP位址，改為155.99.25.11。

接著NAT會為這個傳輸新增一個Session（Session是一個抽像的概念，如果是TCP，也許Session是由一個SYN包開始，以一個FIN包結束。而UDP呢，以這個IP的這個連接阜的第一個UDP開始，結束呢，哈哈，也許是幾分鍾，也許是幾小時，這要看具體的實現了）並且給這個Session分配一個連接阜，比如62000，然後改變這個資料包的源連接阜為62000。所以本來是（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的資料包到了網際網路上變為了（155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
一旦NAT新增了一個Session後，NAT會記住62000連接阜對應的是10.0.0.1的1234連接阜，以後從18.181.0.31傳送到62000連接阜的資料會被NAT自動的轉發到10.0.0.1上。（注意：這裡是說18.181.0.31傳送到62000連接阜的資料會被轉發，其他的IP傳送到這個連接阜的資料將被NAT拋棄）這樣Client A就與Server S1建立以了一個連接。

哈哈，上面的基礎知識可能很多人都知道了，那麼下面是關鍵的部分了。
看看下面的情況：
Server S1 Server S2
18.181.0.31:1235 138.76.29.7:1235
| |
| |
+----------------------+----------------------+
|
^ Session 1 (A-S1) ^ | ^ Session 2 (A-S2) ^
| 18.181.0.31:1235 | | | 138.76.29.7:1235 |
v 155.99.25.11:62000 v | v 155.99.25.11:62000 v
|
Cone NAT
155.99.25.11
|
^ Session 1 (A-S1) ^ | ^ Session 2 (A-S2) ^
| 18.181.0.31:1235 | | | 138.76.29.7:1235 |
v 10.0.0.1:1234 v | v 10.0.0.1:1234 v
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Client A
10.0.0.1:1234
接上面的例子，如果Client A的原來那個Socket(綁定了1234連接阜的那個UDP Socket)又接著向另外一個Server S2傳送了一個UDP包，那麼這個UDP包在通過NAT時會怎麼樣呢？