基于P2P的TCP穿透NAT技术研究

刘健 周仲文 刘洋

四川广播电视大学 四川 610107

0 引言

Internet飞速发展，IPv4地址日益不足，不得不使用NAT技术来提高地址使用率，从逻辑意义上扩展地址空间。P2P技术的出现也是 Internet发展的结果，其优点在于任意两节点间可以随意通信，摆脱了客户端对服务器的依赖。

NAT背后的私有地址对公网地址节点不可见，虽然内网主机可以主动访问外部网络，但公网主机不能主动访问内网主机。同时，内网主机间不能相互识别，进而导致不能直接向对方提供服务。这类问题与P2P技术的初衷——“对等”相违背，阻碍了P2P的发展。在目前NAT技术大面积应用的状态下，急需一种简单有效的办法解决这个问题，同时还要满足“不需要改变现有网络结构”的要求。

1 NAT类型

根据端口映射方式不同，NAT主要分为两大类：ConeNAT(克隆式 NAT)和 SymmetricNAT(对称式 NAT)。ConeNAT把来自于同一个内网地址 A:B的请求都映射到一个公网地址X:Y上。SymmetricNAT把来自于同一内网地址A:B，去往同一个外网地址C:D的请求映射成同一个公网地址X:Y1，去往另外一个外网地址E:F的请求映射成同一个公网地址，但端口不同X:Y2。

研究表明，现存的NAT有88.1%是属于第一种类型，只有2.3%左右的NAT属于第二种。因此，针对ConeNAT的穿透研究更具有实际应用价值。

2 穿透NAT

最新的STUN已经规定其自身只是一种应用于NAT的工具，不再是一整套解决方案。结合TCP建立连接的特点，即要经过三次握手，此过程需要第三方的服务器协助才能穿透NAT，具体步骤见图1。

图1 TCP穿透NAT流程

（1）用户A与公网上的服务器S建立TCP连接。S判断A所连接的NAT A类型，并记录下A的私有地址(172.16.1.2: 4001)以及经过转换后的公网地址(211.0.0.2:5001)(第1步)。同样的信息在用户B与服务器S建立连接后也记录下来：私有地址(192.168.1.3：6001)和公网地址(222.0.0.3：7001)(第2步)。

（2）当A与B之间需要建立TCP连接时，A先向S发送一个请求(第3步)，S把B的公网地址(222.0.0.3：7001)回复给A(第4步)。于是A断开与S的连接，并且向B发出一个SYN(A-＞B)信息，接着A保持监听状态，并每隔一段时间向B发送一个SYN(A-＞B)(第6步)。当第一个SYN信息到达NAT A后，NAT A记录下A主动与B通信的状态，此后来自B的数据包可以自由穿透NAT A。

（3）S在把B的公网地址回复给A的同时，也把A的公网地址通知给B(第5步)。

（4）B收到S的通知后，断开与S的连接，并且向A发送一个SYN(B-＞A)信息(第7步)，接着B保持监听状态。当这个SYN(B-＞A)到达NAT B后，NAT B记录下B主动与A通信的状态，此后来自A的数据包可以自由穿透NAT B。如果SYN(A-＞B)比SYN(B-＞A)先到达NAT B，SYN(A-＞B)会被认为是非法而抛弃，如第6步的SYN(A-＞B)；只有比SYN (B-＞A)晚到达NAT B的SYN(A-＞B)才会被认为是合法，如第8步的SYN(A-＞B)。

（5）当合法的SYN（A-＞B）穿透NAT B到达B（第8步）后，B向A回发一个SYN+ACK（B-＞A）信息（第9步）。此时来自 B的数据包都被 NAT A认为是合法，所以这个SYN+ACK（B-＞A）可以自由穿透NAT A到达A。

（6）当 A收到 SYN+ACK(B-＞A)后，向 B回发一个ACK(A-＞B)(第10步）。这个ACK(A-＞B)也可以自由穿透NAT B到达B。于是双方的TCP经过三次握手，建立连接成功(第11步)。

此种穿透法可以在前述的大多数情况下正常建立P2P的TCP连接，具有实际应用价值。但是如果其中有一个 NAT是 SymmetricNAT，那么上述方法就会失效。因为对于不同的目的公网地址，都会映射成不同的端口。

3 结语

通过第三方的协助，P2P顺利穿透NAT，各节点间建立TCP连接。此方法的优点在于简单有效，不需要改变现有的网络结构，在相当长的一段时间都可以应用于实践当中，为网络结构升级换代提供了更加充分的时间。缺点就是需要借助第三方的帮助，增加了设备购置的成本，也增加了管理的成本，同时还增加了安全风险。

[1]Jennigs C. NAT Classification Results using STUN. IETF Internet Draft. October 2004.

[2]RFC5389 Session Traversal Utilities for NAT (STUN). J. Rosenberg, R. Mahy, P. Matthews, D. Wing. October 2008.

[3]BEHAVE-NAT MacDonald, D. and B. Lowekamp, "NAT Behavior Discovery Using STUN", Work in Progress, July 2008.

[4]BEHAVE-TURN Rosenberg, J., Mahy, R., and P. Matthews, "Traversal Using Relays around NAT (TURN): Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT (STUN)", Work in Progress, July 2008.

[5]Jeffrey L. Eppinger. TCP connections for P2P apps: A software approach to solving the NAT problem. Technical Report CMUISRI-05-104, Carnegie Mello University. January 2005.

[6]Andrew Biggadike, Daniel Ferullo, Geoffrey Wilson, and Adrian Perrig. NAT BLASTER: Establishing TCP connections between hosts behind NATs. In ACMSIGCOMM Asia Workshop, Beijing China. April 2005.

[7]RFC2988 Computing TCP's Retransmission Timer. V. Paxson, M. Allman. November 2000.