摘要：由于局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)編址方式不同，NAT 設(shè)備掩藏了參與構(gòu)建P2P 網(wǎng)絡(luò)的大量用戶節(jié)點。因此位于不同NAT 之后的用戶節(jié)點如何發(fā)現(xiàn)對方、如何彼此建立直接連接就成為P2P 亟待解決的問題之一。

　　P2P技術(shù)打破了傳統(tǒng)的服務(wù)器與客戶端的界限，消除了傳統(tǒng)的IPv4與DNS 域名系統(tǒng)的局限性，讓所有聯(lián)網(wǎng)并參與到P2P 應(yīng)用來的所有機(jī)器聯(lián)合起來，組成一個威力強(qiáng)大的并行計算機(jī)，從而實現(xiàn)計算能力與計算資源的突破。P2P所帶來的效益，首先將體現(xiàn)在運營成本的大幅降低上，甚至可以讓一些原本高成本服務(wù)的實際成本接近零，從而，讓一些原本是不可能實現(xiàn)的商業(yè)模式成為可能。

　　現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是基于IPv4架構(gòu)，隨著計算機(jī)接入數(shù)量的不斷增加，IP 地址資源愈加匱乏，NAT的引入解決了這個問題，通過部署NAT 可以使一個局域網(wǎng)所有主機(jī)通過一個或幾個公網(wǎng)IP 地址來訪問互聯(lián)網(wǎng)，不僅如此，NAT 實際應(yīng)用中還有負(fù)載均衡、保護(hù)內(nèi)部局域網(wǎng)和優(yōu)化重疊網(wǎng)絡(luò)等功能。

　　1 NAT類型

　　根據(jù)NAT的工作方式不同，可以分四種類型：完全圓錐型NAT(Full Cone NAT)，地址限制圓錐型NAT (Address Restricted Cone NAT)，端口限制圓錐型NAT (Port Restricted Cone NAT)，對稱型NAT (Symmetric NAT)。假設(shè)節(jié)點A 在內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)IP地址記為Aip，端口號Aport;穿越NAT 后的外部IP地址記為A’ip / port，外網(wǎng)設(shè)備節(jié)點B的地址為Bip / port。以下圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，分別說明四種類型的特點。

　　完全圓錐型NAT情況下，NAT外的任意設(shè)備如節(jié)點B，訪問A’ip / port 即可訪問Aip / port;

　　地址限制圓錐型NAT情況下，NAT外的任意設(shè)備如節(jié)點B，訪問A’ip / port 即可訪問Aip / port，但是B 要能訪問A，必須A 先訪問B的IP 地址Bip;

　　端口限制圓錐型NAT情況下，NAT外的任意設(shè)備如節(jié)點B，訪問A’ip / port 即可訪問Aip / port，但是B 要能訪問A，必須A 先訪問B的IP 地址Bip以及端口B port;

　　以上三種類型有個共同特點，不管節(jié)點A 訪問NAT 以外的任何地址，穿越NAT 后映射為公網(wǎng)地址A’ip / port，即只要從同一個內(nèi)部地址和端口出來的包，NAT都將它轉(zhuǎn)換成同一個外部地址和端口。因此，它們被統(tǒng)稱為Cone NAT。

　　而在對稱型NAT情況下，NAT 內(nèi)的節(jié)點A(Aip / port)訪問特定的NAT 外的節(jié)點B(Bip / port)，使用相同的外部地址A’ip / port。如果節(jié)點A訪問NAT 外的其他節(jié)點，將使用不同的外部地址和端口號;而且必須先有內(nèi)部節(jié)點首先訪問外部節(jié)點，外部節(jié)點才能訪問內(nèi)部節(jié)點。如此設(shè)計是出于安全性考慮，一些功能較強(qiáng)的NAT 提供這種可選的工作模式。

　　2 NAT穿越技術(shù)

　　不少方案已經(jīng)被應(yīng)用于解決穿透NAT問題，例如：ALGs(Application Layer Gateways)、Middlebox Control Protocol、STUN (Simple Traversal of UDP through NAT)、TURN(Traversal Using Relay NAT)、RSIP(Realm Specific IP)、symmetric RTP等。然而，當(dāng)這些技術(shù)應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r都有著顯著的利弊，以至于我們只能根據(jù)不同的接入方式來應(yīng)用不同的方案，為了適應(yīng)各種NAT 環(huán)境，出現(xiàn)了一種ICE的解決方案。

　　ICE(Interactive Connectivity Establishment)本身不是一種新技術(shù)，它只是把原來的一些技術(shù)綜合運用。作為最為全面的一種解決NAT 穿越方案，ICE的設(shè)計方案大多綜合使用STUN 和 TURN 這兩種穿越技術(shù)，最大限度地利用STUN，當(dāng)STUN 無法作用的時候才使用TRUN，這樣就能避免單獨使用STUN 不能穿越某些NAT 的弊病和最大限度的減少TRUN 的使用。其中NAT 設(shè)備的類型對于ICE 選擇穿越技術(shù)有很重要的影響，所以在穿越NAT設(shè)備前應(yīng)先檢測NAT 設(shè)備的類型。

　　3 NAT類型檢測實現(xiàn)方案

　　假設(shè)節(jié)點Client 在內(nèi)網(wǎng)，通過NAT 設(shè)備連接Internet，Internet 設(shè)備節(jié)點A的會話地址為ServerA：PortX，Internet設(shè)備節(jié)點B的會話地址為ServerB：PortX和ServerB：PortY，其中ServerA 和ServerB 是兩個不同的公網(wǎng)IP，網(wǎng)絡(luò)布局如下圖所示：

　　那么怎么來檢測該網(wǎng)絡(luò)中的NAT 設(shè)備的類型呢?網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議TCP / IP 協(xié)議簇中傳輸層的協(xié)議包括TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)和UDP (User Datagram Protocol 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)，TCP 相比UDP而言更為復(fù)雜，因為TCP 是面向連接的服務(wù)，需要三次握手機(jī)制，會涉及到連接狀態(tài)的保持等問題，UDP雖然是一個不可靠的協(xié)議，但它是分發(fā)信息的一個理想?yún)f(xié)議，UDP具有TCP所望塵莫及的速度和性能優(yōu)勢。NAT網(wǎng)絡(luò)檢測需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量少，對傳輸可靠性的依賴小，因此選擇基于UDP 協(xié)議來實現(xiàn)方案，圖3是具體的程序算法流程圖。

　　在UDP 通訊中，內(nèi)網(wǎng)中的節(jié)點Client 主動向外發(fā)送數(shù)據(jù)包請求，并根據(jù)返回包的信息判定內(nèi)網(wǎng)中NAT 設(shè)備的類型。Internet 設(shè)備節(jié)點A和節(jié)點B都有回應(yīng)Client返回包的功能，而且節(jié)點A還具備接收節(jié)點Client的申請轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包給節(jié)點B的能力。

　　4 結(jié)束語

　　P2P技術(shù)已經(jīng)被大量運用于各種互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，在實現(xiàn)P2P 應(yīng)用的過程中，如果某個節(jié)點(Peer)位于私有網(wǎng)絡(luò)則必定會遇到NAT 穿越的問題，換而言之，這樣的節(jié)點在與其他節(jié)點通訊時必須先完成NAT 穿越。NAT 類型檢測算法使NAT 的穿越更加智能，檢測NAT 的類型的結(jié)果可以用于選擇合適的NAT 穿透技術(shù)方案，提高了穿透的效能，具有很大靈活性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] Egevang K，F(xiàn)rancis P.Rfc 1631： The ip network address translator(nat) [S].1994.

　　[2] Rosenberg J，Mahy R.Session Traversal Utilities for NAT(STUN) [S] .RFC 5389， IETF， 2008.

　　[3] Rosenberg J，Mahy R，Matthews P.Traversalusing relays aroundnat (TURN)： Relay extensions to session traversal utilities for nat (stun)[S].RFC 5766 (Review Copy)， IETF， 2010.

　　[4] Rosenberg J，Mahy R， jdrosen.net.Interactive Connectivity Establishment (ICE)：A Protocol for Network Address Translator (NAT) Traversal for Offer/Answer Protocols[S].RFC5245， IETF， 2010.

　　[5] 張澤鵬. P2P網(wǎng)絡(luò)中NAT穿透技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

　　[6] Gary R，Wright W.Richard Stevens. TCP/IP詳解(卷2) ：實現(xiàn)[M].陸學(xué)瑩，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.