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P2P之UDP穿透NAT的原理与实现 - 增强篇（附修改过的源代码）
关键词: P2P UDP NAT 原理 穿透 Traveral Symmetric Cone
原始作者: Hwycheng Leo(FlashBT@Hotmail.com)
源码下载: http://bbs.hwysoft.com/download/UDP-NAT-LEO.rar
参考：http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt
P2P之UDP穿透NAT的原理与实现(shootingstars)
文章说明:
关于UDP穿透NAT的中文资料在网络上是很少的，仅有<<P2P之UDP穿透NAT的原理与实现(shootingstars)>>这篇文章有实际的参考价值。
本人近两年来也一直从事P2P方面的开发工作，比较有代表性的是个人开发的BitTorrent下载软件 - FlashBT(变态快车). 对P2P下载
或者P2P的开发感兴趣的朋友可以访问软件的官方主页: http://www.hwysoft.com/chs/ 下载看看，说不定有收获。写这篇文章的主要
目的是懒的再每次单独回答一些网友的提问, 一次性写下来, 即节省了自己的时间，也方便了对于P2P的UDP穿透感兴趣的网友阅读和
理解。对此有兴趣和经验的朋友可以给我发邮件或者访问我的个人Blog留言: http://hwycheng.blogchina.com.
您可以自由转载此篇文章，但是请保留此说明。
再次感谢shootingstars网友的早期贡献. 表示谢意。
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NAT(The IP Network Address Translator) 的概念和意义是什么?
NAT, 中文翻译为网络地址转换。具体的详细信息可以访问RFC 1631 - http://www.faqs.org/rfcs/rfc1631.html, 这是对于NAT的定义和解释的最权威的描述。网络术语都是很抽象和艰涩的，除非是专业人士，否则很难从字面中来准确理解NAT的含义。
要想完全明白NAT 的作用，我们必须理解IP地址的两大分类，一类是私有IP地址，在这里我们称作内网IP地址。一类是非私有的IP地址，在这里我们称作公网IP地址。关于IP地址的概念和作用的介绍参见我的另一篇文章: http://hwycheng.blogchina.com/2402121.html
内网IP地址: 是指使用A/B/C类中的私有地址, 分配的IP地址在全球不惧有唯一性，也因此无法被其它外网主机直接访问。
公网IP地址: 是指具有全球唯一的IP地址，能够直接被其它主机访问的。
NAT 最初的目的是为使用内网IP地址的计算机提供通过少数几台具有公网的IP地址的计算机访问外部网络的功能。NAT 负责将某些内网IP地址的计算机向外部网络发出的IP数据包的源IP地址转换为NAT自己的公网的IP地址，目的IP地址不变, 并将IP数据包转发给路由器，最终到达外部的计算机。同时负责将外部的计算机返回的IP数据包的目的IP地址转换为内网的IP地址，源IP地址不变，并最终送达到内网中的计算机。
---------------------- ----------------------
| 192.168.0.5 | Internat host | 192.168.0.6 | Internat host
---------------------- ----------------------
^ port:2809 ^port: 1827
| |
V V
---------------------- ----------------------
| 192.168.0.1 | NAT device | 192.168.0.2 | NAT device
| 61.51.99.86 | | 61.51.77.66 |
---------------------- ----------------------
^ ^
| |
V port:80 V port: 80
---------------------- ----------------------
| 61.51.202.88 | Internet host | 61.51.76.102 | Internet host
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图一: NAT 实现了私有IP的计算机分享几个公网IP地址访问Internet的功能。
随着网络的普及，IPv4的局限性暴露出来。公网IP地址成为一种稀缺的资源，此时NAT 的功能局限也暴露出来，同一个公网的IP地址，某个时间只能由一台私有IP地址的计算机使用。于是NAPT(The IP Network Address/Port Translator)应运而生，NAPT实现了多台私有IP地址的计算机可以同时通过一个公网IP地址来访问Internet的功能。这在很大程度上暂时缓解了IPv4地址资源的紧张。
NAPT 负责将某些内网IP地址的计算机向外部网络发出的TCP/UDP数据包的源IP地址转换为NAPT自己的公网的IP地址，源端口转为NAPT自己的一个端口。目的IP地址和端口不变, 并将IP数据包发给路由器，最终到达外部的计算机。同时负责将外部的计算机返回的IP数据包的目的IP地址转换内网的IP地址，目的端口转为内网计算机的端口，源IP地址和源端口不变，并最终送达到内网中的计算机。
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| 192.168.0.5 | Internat host | 192.168.0.6 | Internat host
---------------------- ----------------------
port: 2809 ^ ^ port: 1827
\ /
v v
----------------------
| 192.168.0.1 | NAT device
| 61.51.99.86 |
----------------------
map port:9882 to 192.168.0.5:2809 ^ ^ map port: 9881 to 192.168.0.6:1827
/ \
port:80 v v port:80
---------------------- ----------------------
| 61.51.202.88 | Internet host | 61.51.76.102 | Internet host
---------------------- ----------------------
图二: NAPT 实现了私有IP的计算机分享一个公网IP地址访问Internet的功能。
在我们的工作和生活中, NAPT的作用随处可见，绝大部分公司的网络架构，都是通过1至N台支持NAPT的路由器来实现公司的所有计算机连接外部的Internet网络的。包括本人在写这篇文章的时候，也是在家中使用一台IBM笔记本通过一台宽带连接的台式机来访问Internet的。我们本篇文章主要讨论的NAPT的问题。
NAPT(The IP Network Address/Port Translator) 为何阻碍了P2P软件的应用?
通过NAPT 上网的特点决定了只能由NAPT内的计算机主动向NAPT外部的主机发起连接，外部的主机想直接和NAPT内的计算机直接建立连接是不被允许的。IM(即时通讯)而言，这意味着由于NAPT内的计算机和NAPT外的计算机只能通过服务器中转数据来进行通讯。对于P2P方式的下载程序而言，意味着NAPT内的计算机不能接收到NAPT外部的连接，导致连接数用过少，下载速度很难上去。因此P2P软件必须要解决的一个问题就是要能够在一定的程度上解决NAPT内的计算机不能被外部连接的问题。
NAT(The IP Network Address Translator) 进行UDP穿透的原理是什么?
TCP/IP传输时主要用到TCP和UDP协议。TCP协议是可靠的，面向连接的传输协议。UDP是不可靠的，无连接的协议。根据TCP和UDP协议的实现原理，对于NAPT来进行穿透，主要是指的UDP协议。TCP协议也有可能，但是可行性非常小，要求更高，我们此处不作讨论，如果感兴趣可以到Google上搜索，有些文章对这个问题做了探讨性的描述。下面我们来看看利用UDP协议来穿透NAPT的原理是什么:
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| 192.168.0.5 | Internat host | 192.168.0.6 | Internat host
---------------------- ----------------------
UDP port: 2809 ^ ^ UDP port: 1827
\ /
v v
----------------------
| 192.168.0.1 | NAT device
| 61.51.99.86 |
----------------------
Session(192.168.0.6:1827 <-> 61.51.76.102:8098) ^ ^ Session(192.168.0.6:1827 <-> 61.51.76.102:8098)
map port:9882 to 192.168.0.5:2809 / \map port: 9881 to 192.168.0.6:1827
UDP port:8098 v v UDP port:8098
---------------------- ----------------------
| 61.51.202.88 | Internet host | 61.51.76.102 | Internet host
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图三: NAPT 是如何将私有IP地址的UDP数据包与公网主机进行透明传输的。
UDP协议包经NAPT透明传输的说明:
NAPT为每一个Session分配一个NAPT自己的端口号，依据此端口号来判断将收到的公网IP主机返回的TCP/IP数据包转发给那台内网IP地址的计算机。在这里Session是虚拟的，UDP通讯并不需要建立连接，但是对于NAPT而言，的确要有一个Session的概念存在。NAPT对于UDP协议包的透明传输面临的一个重要的问题就是如何处理这个虚拟的Session。我们都知道TCP连接的Session以SYN包开始，以FIN包结束，NAPT可以很容易的获取到TCP Session的生命周期，并进行处理。但是对于UDP而言，就麻烦了，NAPT并不知道转发出去的UDP协议包是否到达了目的主机，也没有办法知道。而且鉴于UDP协议的特点，可靠很差，因此NAPT必须强制维持Session的存在，以便等待将外部送回来的数据并转发给曾经发起请求的内网IP地址的计算机。NAPT具体如何处理UDP Session的超时呢？不同的厂商提供的设备对于NAPT的实现不近相同，也许几分钟，也许几个小时，些NAPT的实现还会根据设备的忙碌状态进行智能计算超时时间的长短。
[192.168.0.6:1827]
| UDP Packet[src ip:192.168.0.6 src port:1827 dst ip:61.51.76.102 dst port 8098]
v
[pub ip: 61.51.99.86]NAT[priv ip: 192.168.0.1]
| UDP Packet[src ip:61.51.99.86 src port:9881 dst ip:61.51.76.102 dst port 8098]
v
[61.51.76.102:8098]
图四: NAPT 将内部发出的UDP协议包的源地址和源端口改变传输给公网IP主机。
[192.168.0.6:1827]
^
| UDP Packet[src ip:61.51.76.102 src port:8098 dst ip:192.168.0.6 dst port 1827]
[pub ip: 61.51.99.86]NAT[priv ip: 192.168.0.1]
^
| UDP Packet[src ip:61.51.76.102 src port:8098 dst ip:61.51.99.86 dst port 9881]
[61.51.76.102:8098]
图五: NAPT 将收到的公网IP主机返回的UDP协议包的目的地址和目的端口改变传输给内网IP计算机。
现在我们大概明白了NAPT如何实现内网计算机和外网主机间的透明通讯。现在来看一下我们最关心的问题，就是NAPT是依据什么策略来判断是否要为一个请求发出的UDP数据包建立Session的呢？主要有一下几个策略:
A. 源地址(内网IP地址)不同，忽略其它因素, 在NAPT上肯定对应不同的Session
B. 源地址(内网IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，则在NAPT上也肯定对应不同的Session
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