NAT穿透技术原理浅谈

今天我们来看看NAT方面的技术，提起NAT技术，我们大家可能并不陌生，就真实的存在我们身边，只不过我们很少关注它．NAT是一种网络地址翻译技术，将内部私有IP地址改变成可以在公网上使用的:公网IP.其出现背景就是因为我们国家公网IP地址太少了不够用，才使NAT技术兴起．这里我就不具体和大家细说NAT是怎么转换IP地址了，技术原理不太难．NAT技术的使用从技术角度讲是有利也有弊的．我们可以同时让多个计算机同时联网，同时也隐藏了内部地址，NAT对来自外部的数据查看其NAT映射记录，对没有相应记录的数据包进行拒绝，无非提高了网络的安全性．从另一个方面来看，NAT设备对数据包进行编辑修改操作，降低了发送数据的数率．由于技术的复杂性，排错也变的困难了，我们在内部对外发布一个服务器，还得考虑这个端口映射问题等．这也到罢了，网络盛行的今天，各种应用不断，其协议应用也各有不同，有的根本无法通过NAT．这是最为头疼的事．目前为了解决这些问题，已多现多种穿透技术．一会我们细谈．

NAT三种实现方式

静态地址转换：一个公网IP对应一个内部IP,一对一转换

动态地址转换：N个公网IP对应M个内部Ip,不固定的一对一IP转换关系．同一时间，有M-N个主机无法联网．

端口多路复用：对外只有一个公网IP,通过端口来区别不同内部IP主机的数据．

IP转换策略

对于静态与动态地址转换；其数据包出站的时候，进行源地址转换．我们称之为SNAT［SOURCE ADDRESS］.其内部源IP变公网源IP.数据包入站的时候，进行目标地址转换DNAT[DESTINATION ADDRESS],其外部公网宿IP变内部宿IP.静态与动态不进行端口转换．而端口多路复用技术．不但要转换其IP地址，还要进行其传输层的端口转换．通过这唯一的端口号来区别不同的内部数据［在通信过程中会建立一张内部到外部映射表］．我们称之NATP［NAT PORT］技术.在我们家用网络中，大部分用的是端口多路复用技术．在端口多路复用技术中，对数据的处理还分这么两类：锥形NAT与对称型NAT.锥形NAT又分完全锥形NAT[FULL CONE]|受限锥形NAT[RESTRICTED CONE]|端口受限锥形NAT[PORT RESTRICTED CONE].

全完锥形NAT：将来自内部同一个IP地址同一个端口号的主机监听/请求，映射到公网IP某个端口的监听．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，都将重新定位到内部这个主机．个人认为在内部发布服务器到外网，此技术原理完全否合该技术原理，当然某些P2P中也可能利用该技术．该技术中，基于C/S架构的应用可以在任何一端发起连接．

受限锥形NAT:与完全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.如出站源IP为A端口为B,对于外部IP回复，宿IP为A宿端口可以是任意．NAPT设备都将成功转发到内部主机．NAPT设备根据映射记录做出判断．该技术中只能内部主机先发起连接通信才可成功．

端口受限锥形NAT: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．对于回复主机的源端口也有要求．哪我用端口B访问你，对于外部主机的回复信宿端口也只能是B.否折通信失败．该技术中只能内部主机先发起连接通信才可成功．

对称型NAT：内部主机用同一IP与同一端口与外部多IP通信．NAPT设备为每个会话转换了不同的源端口．不在转换成相同的源端口．对于回复的数据包，只有信宿IP地址与端口完全吻合才可进入．当然源IP也是要检测的，不可能随意外部IP都能进入的．

NAT穿透技术

为何会出现NAT穿透技术？我们知道在NAPT技术应用中，要想实现通信，端口是必需的．IP地址修改是必需的．现在是残酷的．FTP应用协议分控制端口与数据端口，悲剧的是数据端口不是固定的，协商成功后告知对方数据端口内容是承载于应用层之中．NAT设备无法对其进行分析，做出相应的映射，从而导致通信失败．VPN协议中的PPTP协议，在数据连接中协议部分根本没有端口这一概念．要NAT如何做出决策？ipsec安全协议本身就是保证数据的安全并认证通信源而发明，对其网络层进行IP效验，对传输入层进行加密，对数据进行加密．对于NAT来说让其通信这更是无稽之谈．当然无法穿过NAT的还有很多，如语音VOIP中的H.323与SIP协议．为了能让这些协议成功应用，出现了五花八门的穿透NAT技术．其技术有UPNP技术．ALG［应用层网关识别技术］SBC[会话边界控制]ICE[交互式连接建立]MIDCOM［中间盒技术］TURN［中继NAT穿越］STUN技术．TCP/UDP hole punching［TCP/UDP打洞技术］NAT-T技术…总之很多，原理各不相同，我也没有时间一个一个学习和分析．在此说几个应用比较多点的例子．

ALG技术：传统的NAT技术只能检测网络层与传输层地址，你FTP不是在应用层传送端口地址吗？所以ALG技术就是一种应用层地址识别技术，根据不同的协议进行检测，然后将发现的地址时行修改并通知NAT做相应的映射记录，从而实现成功通信．对于该技术，对于互联网每一种新的协议支持都要更新其设备要不无法识别．扩展性差．对于个别协议该技术无法解决问题，如IPSEC协议．

STUN技术：通过STUN协议与第三方服务器建立连接，推测出客户端的NAT类型．进而通信．RFC3489/STUN协议过程［摘自cr0_3百度空间］．STUN协议定义了三类测试过程来检测NAT类型，如下所述：

Test1：STUN Client通过端口{IP-c1:Port-c1}向STUN Server{IP-s1:Port-s1}发送一个Binding Request（没有设置任何属性）。STUN Server收到该请求后，通过端口{IP-s1:Port-s1}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-m1,Port-m1}作为Binding Response的内容回送给STUN Client。

Test1#2：STUN Client通过端口{IP-c1:Port-c1}向STUN Server{IP-s2:Port-s2}发送一个Binding Request（没有设置任何属性）。STUN Server收到该请求后，通过端口{IP-s2:Port-s2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-m1#2,Port-m1#2}作为Binding Response的内容回送给STUN Client。

Test2：STUN Client通过端口{IP-c1:Port-c1}向STUN Server{IP-s1:Port-s1}发送一个Binding Request（设置了Change IP和Change Port属性）。STUN Server收到该请求后，通过端口{IP-s2:Port-s2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-m2,Port-m2}作为Binding Response的内容回送给STUN Client。

Test3：STUN Client通过端口{IP-c1:Port-c1}向STUN Server{IP-s1:Port-s1}发送一个Binding Request（设置了Change Port属性）。STUN Server收到该请求后，通过端口{IP-s1:Port-s2}把它所看到的STUN Client的IP和端口{IP-m3,Port-m3}作为Binding Response的内容回送给STUN Client。

NAT类型检测过程如下

1. 进行Test1。如果STUN Client不能够收到STUN Server的应答（重复多次确认），那么说明该STUN Client是UDP Blocked类型（也有可能是STUN Server不可到达，这里不考虑这种情形）；否则，STUN Client把返回的{IP-m1,Port-m1}和本地的{IP-c1:Port-c1}进行比较（只需要比较IP即可），如果相同，说明本机直接连接于公网，否则本机位于NAT之后，但还需要进一步判断具体类型。

1.1. 如果本机直接连接于公网，进行Test2。如果STUN Client不能够收到STUN Server的应答（重复多次确认），那么说明该STUN Client是Symmetric Firewall类型；否则，该STUN Client是Open Internet类型。

1.2. 如果本机位于NAT之后，进行Test2。如果STUN Client能够收到STUN Server的应答，那么说明该STUN Client是Full Cone NAT；否则，需要进一步进行测试。

1.2.1. 进行Test1#2。STUN Client比较IP-m1和IP-m1#2是否相同，如果不相同，那么说明该STUN Client是Symmetric NAT类型；否则，需要进一步进行测试。

1.2.1.1 进行Test3。如果STUN Client能够收到STUN Server的应答，那么说明该STUN Client是Restricted Cone NAT类型；否则，该STUN Client是Port Restricted Cone NAT类型。

该技术大部分是针对P2P应用环境中．

NAT-T技术：其思想就是在ESP隧道模式下，在外IP包头与ESP报头中间加入8个字节的UDP报关，使其NAT成功映射．

IPSec提供了端到端的IP通信的安全性，但在NAT环境下对IPSec的支持有限，AH协议是肯定不能进行NAT的了，这和AH设计的理念是相违背的；ESP协议在NAT环境下最多只能有一个VPN主机能建立VPN通道，无法实现多台机器同时在NAT环境下进行ESP通信。

NAT穿越(NAT Traversal，NAT-T)就是为解决这个问题而提出的，RFC3947，3948中定义，在RFC4306中也加入了NAT-T的说明，但并没废除RFC3947，3948，只是不区分阶段1和阶段2。该方法将ESP协议包封装到UDP包中（在原ESP协议的IP包头外添加新的IP头和UDP头），使之可以在NAT环境下使用的一种方法，这样在NAT的内部网中可以有多个IPSec主机建立VPN通道进行通信。

 AH封装：AH封装的校验从IP头开始，如果NAT将IP的头部改动，AH的校验就会失败，因此我们得出结论，AH是无法与NAT共存的。ESP封装的传输模式：对于NAT来说，ESP封装比AH的优势在于，无论是加密还是完整性的校验，IP头部都没有被包括进去。但是还是有新的问题，对于ESP的传输模式，NAT 无法更新上层校验和。TCP 和 UDP 报头包含一个校验和，它整合了源和目标 IP 地址和端口号的值。当 NAT 改变了某个包的 IP 地址和（或）端口号时，它通常要更新 TCP 或 UDP 校验和。当 TCP 或 UDP 校验和使用了 ESP 来加密时，它就无法更新这个校验和。由于地址或端口已经被 NAT 更改，目的地的校验和检验就会失败。虽然 UDP 校验和是可选的，但是 TCP 校验和却是必需的。

  ESP封装的隧道模式：从ESP隧道模式的封装中，我们可以发现，ESP隧道模式将整个原始的IP包整个进行了加密，且在ESP的头部外面新加了一层IP头部，所以NAT如果只改变最前面的IP地址对后面受到保护的部分是不会有影响的。因此，IPsec只有采用ESP的隧道模式来封装数据时才能与NAT共存。ESP的传输模式，因为TCP部分被加密，NAT无法对TCP校验和进行修改，不兼容。ESP的隧道模式，由于NAT改动外部的IP而不能改动被加密的原始IP，使得只有这种情况下才能与NAT共存。