NAT的完全分析及其UDP穿透的完全解決方案
一:基本術語
防火墻
防火墻限制了私網與公網的通信，它主要是將（防火墻）認為未經授權的的包丟棄，防火墻只是檢驗包的數據，并不修改數據包中的IP地址和TCP/UDP端口信息。
網絡地址轉換（NAT）
當有數據包通過時，網絡地址轉換器不僅檢查包的信息，還要將包頭中的IP地址和端口信息進行修改。以使得處于NAT之后的機器共享幾個僅有的公網IP地址（通常是一個）。網絡地址轉換器主要有兩種類型.
P2P應用程序
P2P應用程序是指，在已有的一個公共服務器的基礎上，并分別利用自己的私有地址或者公有地址（或者兩者兼備）來建立一個端到端的會話通信。
P2P防火墻
P2P防火墻是一個提供了防火墻的功能的P2P代理，但是不進行地址轉換.
P2P-NAT
P2P-NAT 是一個 P2P代理,提供了NAT的功能,也提供了防火墻的功能,一個最簡的P2P代理必須具有錐形NAT對Udp通信支持的功能,并允許應用程序利用Udp打洞技術建立強健的P2P連接。
回環轉換
當NAT的私網內部機器想通過公共地址來訪問同一臺局域網內的機器的時，NAT設備等價于做了兩次NAT的事情，在包到達目標機器之前，先將私有地址轉換為公網地址，然后再將公網地址轉換回私有地址。我們把具有上敘轉換功能的NAT設備叫做“回環轉換”設備。
二:NAT分類
可以分為基礎NAT與網絡地址和端口轉換(NAPT)兩大類
(一):基礎NAT
基礎NAT 將私網主機的私有IP地址轉換成公網IP地址，但并不將TCP/UDP端口信息進行轉換。基礎NAT一般用在當NAT擁有很多公網IP地址的時候，它將公網IP地址與內部主機進行綁定，使得外部可以用公網IP地址訪問內部主機。（實際上是只將IP轉換，192.168.0.23 <-> 210.42.106.35,這與直接設置IP地址為公網IP還是有一定區別的，特別是對于企業來說，外部的信息都要經過統一防火墻才能到達內部，但是內部主機又可以使用公網IP）
(二):網絡地址和端口轉換 （NAPT）
這是最普遍的情況，網絡地址/端口轉換器檢查、修改包的IP地址和TCP/UDP端口信息，這樣，更多的內部主機就可以同時使用一個公網IP地址。
請參考[RFC1631]和[RFC2993]及[RFC2663]這三個文檔了解更多的NAT分類和術語信息。另外，關于NAPT的分類和術語，[RFC2663]做了更多的定義。當一個內部網主機通過NAT打開一個“外出”的TCP或UDP會話時，NAPT分配給這個會話一個公網IP和端口，用來接收外網的響應的數據包，并經過轉換通知內部網的主機。這樣做的效果是，NAPT在 [私有IP:私有端口] 和[公網IP:公網端口]之間建立了一個端口綁定。
端口綁定指定了NAPT將在這個會話的生存期內進行地址轉換任務。這中間存在一個這樣的問題，如果P2P應用程序從內部網絡的一個[私有IP地址:端口]對同時發出多條會話給不同的外網主機，那么NAT會怎樣處理呢？這又可以分為錐形NAT (CONE NAT)與對稱NAT (SYMMTRIC NAT)兩大類來考慮:
A.錐形NAT
（為什么叫做錐形呢？請看以下圖形,終端和外部服務器，都通過NAT分派的這個綁定地址對來傳送信息，就象一個漏斗一樣，篩選并傳遞信息）
當建立了一個 [私有IP:端口]-[公網IP:端口] 端口綁定之后，對于來自同一個[私有IP:端口]會話，錐形NAT服務器允許發起會話的應用程序 重復使用這個端口綁定，一直到這個會話結束才解除（端口綁定）。
例如，假設 Client A（IP地址信息如上圖所示）通過一個錐形NAT 同時發起兩個外出的連接，它使用同一個內部端口（10.0.0.1:1234）給公網的兩臺不同的服務器，S1和S2。錐形NAT 只分配一個公網IP和端口（155.99.25.11:62000）給這個兩個會話，通過地址轉換可以確保 Client使用端口的“同一性”（即這個Client只使用這個端口）。而基礎NATs和防火墻卻不能修改經過的數據包端口號，它們可以看作是錐形NAT的精簡版本。
進一步分析可以將CONE NAT受限制錐形NAT (RESTRICT CONE) 與端口受限錐形NAT (PORT RESTRICT CONE) 三大類,以下是詳細論述: 分為全雙工錐形NAT (FULL CONE) ,
1.全雙工錐形NAT
當內部主機發出一個“外出”的連接會話，就會創建了一個公網/私網 地址，一旦這個地址對被創建，全雙工錐形NAT會接收隨后任何外部端口傳入這個公共端口地址的通信。因此，全雙工錐形NAT有時候又被稱為"混雜"NAT。
2.受限制錐形NAT
受限制的錐形NAT會對傳入的數據包進行篩選，當內部主機發出“外出”的會話時，NAT會記錄這個外部主機的IP地址信息，所以，也只有這些有記錄的外部IP地址，能夠將信息傳入到NAT內部，受限制的錐形NAT 有效的給防火墻提煉了篩選包的原則——即限定只給那些已知的外部地址“傳入”信息到NAT內部。
3.端口受限錐形NAT
端口受限制的錐形NAT，與受限制的錐形NAT不同的是：它同時記錄了外部主機的IP地址和端口信息，端口受限制的錐形NAT給內部節點提供了同一級別的保護，在維持端口“同一性”過程中，將會丟棄對稱NAT傳回的信息。
B.對稱NAT
對稱NAT，與Cone NAT是大不相同的，并不對會話進行端口綁定，而是分配一個全新的公網端口 給每一個新的會話。
還是上面那個例子：如果 Client A (10.0.0.1:1234)同時發起兩個 "外出" 會話,分別發往S1和S2。對稱Nat會分配公共地址155.99.25.11:62000給Session1，然后分配另一個不同的公共地址155.99.25.11:62001給Session2。對稱Nat能夠區別兩個不同的會話并進行地址轉換，因為在 Session1 和 Session2中的外部地址是不同的，正是因為這樣，Client端的應用程序就迷失在這個地址轉換邊界線了，因為這個應用程序每發出一個會話都會使用一個新的端口，無法保障只使用同一個端口了。
在TCP和UDP通信中，（到底是使用同一個端口，還是分配不同的端口給同一個應用程序），錐形NAT和對稱NAT各有各的理由。當然錐形NAT在根據如何公平地將NAT接受的連接直達一個已創建的地址對上有更多的分類。這個分類一般應用在Udp通信（而不是Tcp通信上），因為NATs和防火墻阻止了試圖無條件傳入的TCP連接，除非明確設置NAT不這樣做。
三:NAT對session的處理
以下分析NAPT是依據什么策略來判斷是否要為一個請求發出的UDP數據包建立Session的.主要有一下幾個策略:
A. 源地址(內網IP地址)不同，忽略其它因素, 在NAPT上肯定對應不同的Session
B. 源地址(內網IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，則在NAPT上也肯定對應不同的Session
C. 源地址(內網IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公網IP地址)相同，目的端口不同，則在NAPT上肯定對應同一個Session
D. 源地址(內網IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公網IP地址)不同，忽略目的端口，則在NAPT上是如何處理Session的呢？
A,B,C三種情況的都是比較簡單的,可以很容易的實現.而D的情況就比較復雜了.所以D情況才是我們要重點關心和討論的問題。
四:完全解決方案
以下針對四種SESSION與四種NAT的完全解決方案,為了方便將使用以下縮寫形式:
C代表 CONE NAT
S代表SYMMETRIC NAT,
FC代表 FULL CONE NAT,
RC代表 RESTRICT CONE NAT,
PC 代表 PORT RESTRICT CONE NAT.
首先依據CLIENT (客戶)端在NAT后 的個數不同可以分為兩大類:
TYPE ONE :一個在NAT后 + 一個在公網中.
這種情況下可以分為兩大類:
A. S VS 公網:此種情況下,由于公網的地址在一個SESSION內是不變的,所以可以打洞是可以成功的.
B. C VS 公網: 與上面類似,這種情口下打洞是可以成功的.
TYPE TWO:兩個客戶都在NAT后面.
這種情況下也可以細分為兩大類:
A. 其中一個NAT 是 S(SYMMETRIC NAT) 型的,既:S VS C或者是S VS S .
下面論證這種情口下按照常規打洞是行不通的,在常規打洞中,所有的客戶首先登陸到一個服務器上去.服務器記錄下每個客戶的[公網IP:端口],然后在打洞過程中就使用這個記錄的值,然而對于S型的NAT來說,它并不綁定[私網IP:端口]和[公網IP:端口]的映射.所以在不同的SESSION中,NAT將會重新分配一對[公網IP:端口].這樣一來對于S型的NAT來說打洞的[公網IP:端口]與登記在服務器上的[公網IP:端口]是不同的.而且也沒有辦法將打洞的[公網IP:端口]通知到另一個位于NAT下的客戶端, 所以打洞是不會成功的.然而如果另一個客戶端是在公網時,打洞是可以的.前面已經論證了這種情況.
這種情況下的解決方案是只能通過端口預測來進行打洞,具體解決方法如下:例如(以兩個都是S型的為例) NAT A 分配了它自己的UDP端口62000，用來保持 客戶端A 與服務器S的通信會話， NAT B 也分配了31000端口，用來保持客戶端B與服務器S 的通信會話。通過與 服務器S的對話，客戶端A 和 客戶端B都相互知道了對方所映射的真實IP和端口。
客戶端A發送一條UDP消息到138.76.29.7:31001(請注意到端口號的增加)，同時客戶端B發送一條UDP消息到155.99.25.11:62001。如果NAT A 和NAT B繼續分配端口給新的會話，并且從A-S和B-S的會話時間消耗得并不多的話，那么一條處于客戶端A和客戶端B之間的雙向會話通道就建立了。
客戶端A發出的消息送達B導致了NAT A打開了一個新的會話，并且我們希望NAT A將會指派62001端口給這個新的會話，因為62001是繼62000后，NAT會自動指派給 從服務器S到客戶端A之間的新會話的端口號；類似的，客戶端B發出的消息送達A導致了 NAT B打開了一個新的會話，并且我們希望 NAT B將會指派31001這個端口給新的會話；如果兩個客戶端都正確的猜測到了對方新會話被指派的端口號，那么這個 客戶端A－客戶端B的雙向連接就被打通了。其結果如下圖所示：
明顯的，有許多因素會導致這個方法失敗：如果這個預言的新端口（62001和31001） 恰好已經被一個不相關的會話所使用，那么NAT就會跳過這個端口號，這個連接就會宣告失??；如果兩個NAT有時或者總是不按照順序來生成新的端口號，那么這個方法也是行不通的。
如果隱藏在NATA后的一個不同的客戶端X（或者在NAT B后）打開了一個新的“外出”UDP 連接，并且無論這個連接的目的如何；只要這個動作發生在客戶端A 建立了與服務器S的連接之后，客戶端A 與 客戶端B 建立連接之前；那么這個無關的客戶端X 就會趁人不備地“偷” 到這個我們渴望分配的端口。所以，這個方法變得如此脆弱而且不堪一擊，只要任何一個NAT方包含以上碰到的問題，這個方法都不會奏效。
在處于 cone NAT 系列的網絡環境中這個方法還是實用的；如果有一方為 cone NAT 而另外一方為 symmetric NAT，那么應用程序就應該預先發現另外一方的 NAT 是什么類型，再做出正確的行為來處理通信，這樣就增大了算法的復雜度，并且降低了在真實網絡環境中的普適性。
最后，如果P2P的一方處在兩級或者兩級以上的NAT下面，并且這些NATS 接近這個客戶端是SYMMETRIC NAT的話，端口號預言是無效的！
因此，并不推薦使用這個方法來寫新的P2P應用程序，這也是歷史的經驗和教訓！
B. 兩個都是CONE NAT型的.
這種情況下可以分為六大類型:
A: FC + FC
B: FC + RC
C: FC + PC
D: PC + RC
E: PC + PC
F: RC + RC
雖然有這么多種情況,但是由于CONE NAT 的特性,所以還是很好辦的,因為對于CONE NAT 來說,在同一個SESSION中它會綁定一對[私網IP:端口]和[公網IP:端口]的映射,所以它們打洞用的[公網IP:端口]與登記在服務器上的[公網IP:端口]是一致的,所以打洞是可以行的通的.
綜上所述,就已經完全的概括了所有類型的NAT之間的可能的通信情況了.并且都提供了可行的解決方案.
五:對前一階段的總結
1.前一階段使用的打洞方法是有缺陷的,它只適應于兩個都是FULL CONE NAT的類型的CLIENT(客戶端).以下論證它不適應于兩個都是CONE NAT的類型中的
B: FC + RC
C: FC + PC
D: PC + RC
E: PC + PC
F: RC + RC
這五種情況.
因為對于受限的NAT它登記了外出包的[IP地址＆端口],它僅僅接受這些已登記地址發過來的包,所以它們報告服務器的端口只能接受來自服務器的包.不能接受來自另一客戶端的包.所以前一階段的打洞方法是不可行的.
六: 存在的問題
按照理論.NAT將在一定時間后關閉UDP的一個映射,所以為了保持與服務器能夠一直通信,服務器必須要發送UDP心跳包,來保持映射不被關閉.這就需要一個合適的時間值.