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nat穿透原理

 
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一直以来,说起NAT穿透,很多人都会被告知使用UDP打孔这个技术,基本上没有人会告诉你如何使用TCP协议去穿透(甚至有的人会直接告诉你TCP协议是无法实现穿透的)。但是,众所周知的是,UDP是一个无连接的数据报协议,使用它就必须自己维护收发数据包的完整性,这常常会大大增加程序的复杂度,而且一些程序由于某些原因,必须使用TCP协议,这样就常常令一些开发TCP网络程序的人员“谈穿透色变”。那么,使用TCP协议是不是就不能实现穿透呢?答案当然是否定的:TCP协议不仅能实现NAT穿透,而且实现起来比UDP穿透甚至还简单一些。

要了解如何使用TCP穿透NAT,就要首先看看如何使用UDP穿透NAT。

我们假设在两个不同的局域网后面分别有2台客户机A和 B,AB所在的局域网都分别通过一个路由器接入互联网。互联网上有一台服务器S。

现在AB是无法直接和对方发送信息的,AB都不知道对方在互联网上真正的IP和端口, AB所在的局域网的路由器只允许内部向外主动发送的信息通过。对于B直接发送给A的路由器的消息,路由会认为其“不被信任”而直接丢弃。

要实现 AB直接的通讯,就必须进行以下3步:A首先连接互联网上的服务器S并发送一条消息(对于UDP这种无连接的协议其实直接初始会话发送消息即可),这样S就获取了A在互联网上的实际终端(发送消息的IP和端口号)。接着 B也进行同样的步骤,S就知道了AB在互联网上的终端(这就是“打洞”)。接着S分别告诉A和B对方客户端在互联网上的实际终端,也即S告诉A客户B的会话终端,S告诉B客户A的会话终端。这样,在AB都知道了对方的实际终端之后,就可以直接通过实际终端发送消息了(因为先前双方都向外发送过消息,路由上已经有允许数据进出的消息通道)。

用UDP来实现以上3步不存在什么理论上的问题,因为UDP是无连接的协议,它允许socket进行“多对一”的通讯(即几个具有不同IP和端口号的socket向一个接收socket发送消息)。但是使用TCP就出现了问题:在一般情况下,TCP socket不允许在已经建立连接的端口上再进行监听和使用该本地端口。换句话说,当AB连接上服务器S后,S将AB的实际终端告诉对方,下一步本该是AB利用对方的实际终端进行直连,但这时你会发现对方的实际终端已经被占用了(就是各自连接到服务器S的会话占用了终端),无法同时listen和 connect。于是很多人得出结论:TCP无法实现NAT穿透。

于是问题的关键变成了如何复用一个TCP连接的本地终端,这其实不是协议的问题,而是一个API的问题。幸运的是,所有主流操作系统都支持一个特定的TCP套接字选项——SO_REUSEADDR。这个选项允许将多个socket绑定到同一个本地终端。我们建立socket的时候只要加上这么一行:

setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) ; //C++就这么做

_Client.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, True) '这是vb.net 更加简单

知道上面的知识就很好办了,下面我来说说TCP协议的穿透流程:

机器布局还是和上面使用UDP的一样。现在假设客户A想和客户B建立TCP连接。

首先还是 AB分别和服务器S分别建立连接,S记录AB的互联网实际终端。然后S分别向AB发送对方的实际终端。接着,从A和B向S连接时使用的端口,AB都异步调用connect函数连接对方的实际终端(就是S告诉的终端),同时,AB双方都在同一个本地端口监听到来的连接(也可以先监听,再connect更好)。由于双方都向对方发送了connect请求(假设各自的SYN封包已经穿过了自己的NAT),因此在对方connect请求到达本地的监听端口时,路由器会认为这个请求是刚刚那个connect会话的一部分,是已经被许可的,本地监听端口就会用SYN-ACK响应,同意连接。这样,TCP穿透NAT的点对点连接就成功了。
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