Posted by & filed under Uncategorized.

About pengpeng

Peng Peng has written 42 post in this blog.

  • :基本术语

防火墙

防火墙限制了私网与公网的通信,它主要是将(防火墙)认为未经授权的的包丢弃,防火墙只是检验包的数据,并不修改数据包中的IP地址和TCP/UDP端口信息。

网络地址转换(NAT

当有数据包通过时,网络地址转换器不仅检查包的信息,还要将包头中的IP地址和端口信息进行修改。以使得处于NAT之后的机器共享几个仅有的公网IP地址(通常是一个)。网络地址转换器主要有两种类型.

P2P应用程序

P2P应用程序是指,在已有的一个公共服务器的基础上,并分别利用自己的私有地址或者公有地址(或者两者兼备)来建立一个端到端的会话通信。

P2P防火墙

P2P防火墙是一个提供了防火墙的功能的P2P代理,但是不进行地址转换.

P2P-NAT

P2P-NAT 是一个 P2P代理,提供了NAT的功能,也提供了防火墙的功能,一个最简的P2P代理必须具有锥形NAT对Udp通信支持的功能,并允许应用程序利用Udp打洞技术建立强健的P2P连接。

回环转换

当NAT的私网内部机器想通过公共地址来访问同一台局域网内的机器的时,NAT设备等价于做了两次NAT的事情,在包到达目标机器之前,先将私有地址转换为公网地址,然后再将公网地址转换回私有地址。我们把具有上叙转换功能的NAT设备叫做“回环转换”设备。

:NAT分类

可以分为基础NAT网络地址和端口转换(NAPT)两大类

():基础NAT

基础NAT 将私网主机的私有IP地址转换成公网IP地址,但并不将TCP/UDP端口信息进行转换。基础NAT一般用在当NAT拥有很多公网IP地址的时候,它将公网IP地址与内部主机进行绑定,使得外部可以用公网IP地址访问内部主机。(实际上是只将IP转换, 192.168.0.23 <-> 210.42.106.35,这与直接设置IP地址为公网IP还是有一定区别的,特别是对于企业来说,外部的信息都要经过统一防火墙才能到达内部,但是内部主机又可以使用公网IP)

():网络地址和端口转换 NAPT

这是最普遍的情况,网络地址/端口转换器检查、修改包的IP地址和TCP/UDP端口信息,这样,更多的内部主机就可以同时使用一个公网IP地址。

请参考[RFC1631]和[RFC2993]及[RFC2663]这三个文档了解更多的NAT分类和术语信息。另外,关于NAPT的分类和术语,[RFC2663]做了更多的定义。当一个内部网主机通过NAT打开一个“外出”的TCP或UDP会话时,NAPT分配给这个会话一个公网IP和端口,用来接收外网的响应的数据包,并经过转换通知内部网的主机。这样做的效果是,NAPT在 [私有IP:私有端口] 和[公网IP:公网端口]之间建立了一个端口绑定。

端口绑定指定了NAPT将在这个会话的生存期内进行地址转换任务。这中间存在一个这样的问题,如果P2P应用程序从内部网络的一个[私有IP地址:端口]对同时发出多条会话给不同的外网主机,那么NAT会怎样处理呢?这又可以分为锥形NAT (CONE NAT)对称NAT (SYMMTRIC NAT)两大类来考虑:

A.锥形NAT

(为什么叫做锥形呢?请看以下图形,终端和外部服务器,都通过NAT分派的这个绑定地址对来传送信息,就象一个漏斗一样,筛选并传递信息)

  当建立了一个 [私有IP:端口]-[公网IP:端口] 端口绑定之后,对于来自同一个[私有IP:端口]会话,锥形NAT服务器允许发起会话的应用程序 重复使用这个端口绑定,一直到这个会话结束才解除(端口绑定)。

  例如,假设 Client A(IP地址信息如上图所示)通过一个锥形NAT 同时发起两个外出的连接,它使用同一个内部端口(10.0.0.1:1234)给公网的两台不同的服务器,S1和S2。锥形NAT 只分配一个公网IP和端口(155.99.25.11:62000)给这个两个会话,通过地址转换可以确保 Client使用端口的“同一性”(即这个Client只使用这个端口)。而基础NATs和防火墙却不能修改经过的数据包端口号,它们可以看作是锥形 NAT的精简版本。

进一步分析可以将CONE NAT受限制锥形NAT (RESTRICT CONE) 端口受限锥形NAT (PORT RESTRICT CONE) 三大类,以下是详细论述: 分为全双工锥形NAT (FULL CONE) ,

1.全双工锥形NAT

当内部主机发出一个“外出”的连接会话,就会创建了一个公网/私网 地址,一旦这个地址对被创建,全双工锥形NAT会接收随后任何外部端口传入这个公共端口地址的通信。因此,全双工锥形NAT有时候又被称为”混杂”NAT。

2.受限制锥形NAT

受限制的锥形NAT 会对传入的数据包进行筛选,当内部主机发出“外出”的会话时,NAT会记录这个外部主机的IP地址信息,所以,也只有这些有记录的外部IP地址,能够将信息传入到NAT内部,受限制的锥形NAT 有效的给防火墙提炼了筛选包的原则——即限定只给那些已知的外部地址“传入”信息到NAT内部。

3.端口受限锥形NAT

端口受限制的锥形NAT,与受限制的锥形NAT不同的是:它同时记录了外部主机的IP地址和端口信息,端口受限制的锥形NAT给内部节点提供了同一级别的保护,在维持端口“同一性”过程中,将会丢弃对称NAT传回的信息。

B.对称NAT

对称NAT,与Cone NAT是大不相同的,并不对会话进行端口绑定,而是分配一个全新的公网端口 给每一个新的会话。

还是上面那个例子:如果 Client A (10.0.0.1:1234)同时发起两个 “外出” 会话,分别发往S1和S2。对称Nat会分配公共地址155.99.25.11:62000给Session1,然后分配另一个不同的公共地址 155.99.25.11:62001给Session2。对称Nat能够区别两个不同的会话并进行地址转换,因为在 Session1 和 Session2中的外部地址是不同的,正是因为这样,Client端的应用程序就迷失在这个地址转换边界线了,因为这个应用程序每发出一个会话都会使用一个新的端口,无法保障只使用同一个端口了。

在TCP 和UDP通信中,(到底是使用同一个端口,还是分配不同的端口给同一个应用程序),锥形NAT和对称NAT各有各的理由。当然锥形NAT在根据如何公平地将NAT接受的连接直达一个已创建的地址对上有更多的分类。这个分类一般应用在Udp通信(而不是Tcp通信上),因为NATs和防火墙阻止了试图无条件传入的TCP连接,除非明确设置NAT不这样做。

:NATsession的处理

以下分析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.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

C. 源地址(内网IP地址)相同,源端口相同,目的地址(公网IP地址)相同,目的端口不同,则在NAPT上肯定对应同一个Session

D. 源地址(内网IP地址)相同,源端口相同,目的地址(公网IP地址)不同,忽略目的端口,则在NAPT上是如何处理Session的呢?

A,B,C三种情况的都是比较简单的,可以很容易的实现.而D的情况就比较复杂了.所以D情况才是我们要重点关心和讨论的问题。

:完全解决方案

以下针对四种SESSION与四种NAT的完全解决方案,为了方便将使用以下缩写形式:

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.

首先依据CLIENT (客户)端在NAT后 的个数不同可以分为两大类:

TYPE ONE :一个在NAT + 一个在公网中.

这种情况下可以分为两大类:

A. S VS 公网:此种情况下,由于公网的地址在一个SESSION内是不变的,所以可以打洞是可以成功的.

B. C VS 公网: 与上面类似,这种情口下打洞是可以成功的.

TYPE TWO:两个客户都在NAT后面.

这种情况下也可以细分为两大类:

A. 其中一个NAT S(SYMMETRIC NAT) ,:S VS C或者是S VS S .

下面论证这种情口下按照常规打洞是行不通的,在常规打洞中,所有的客户首先登陆到一个服务器上去.服务器记录下每个客户的[公网IP:端口],然后在打洞过程中就使用这个记录的值,然而对于S型的NAT来说,它并不绑定[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射.所以在不同的SESSION中,NAT将会重新分配一对[公网IP:端口].这样一来对于S型的NAT来说打洞的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是不同的.而且也没有办法将打洞的[公网IP:端口]通知到另一个位于NAT下的客户端, 所以打洞是不会成功的.然而如果另一个客户端是在公网时,打洞是可以的.前面已经论证了这种情况.

这种情况下的解决方案是只能通过端口预测来进行打洞,具体解决方法如下:例如(以两个都是S型的为例) NAT A 分配了它自己的UDP端口62000,用来保持 客户端A 与服务器S的通信会话, NAT B 也分配了31000端口,用来保持客户端B与服务器S 的通信会话。通过与 服务器S的对话,客户端A 和 客户端B都相互知道了对方所映射的真实IP和端口。

 客户端A发送一条UDP消息到138.76.29.7:31001(请注意到端口号的增加),同时客户端B发送一条UDP消息到155.99.25.11:62001。如果NAT A 和NAT B继续分配端口给新的会话,并且从A-S和B-S的会话时间消耗得并不多的话,那么一条处于客户端A和客户端B之间的双向会话通道就建立了。

 客户端A发出的消息送达B导致了NAT A打开了一个新的会话,并且我们希望NAT A将会指派62001端口给这个新的会话,因为62001是继62000后,NAT会自动指派给 从服务器S到客户端A之间的新会话的端口号;类似的,客户端B发出的消息送达A导致了 NAT B打开了一个新的会话,并且我们希望 NAT B将会指派31001这个端口给新的会话;如果两个客户端都正确的猜测到了对方新会话被指派的端口号,那么这个 客户端A-客户端B的双向连接就被打通了。其结果如下图所示:

明显的,有许多因素会导致这个方法失败:如果这个预言的新端口(62001和31001) 恰好已经被一个不相关的会话所使用,那么NAT就会跳过这个端口号,这个连接就会宣告失败;如果两个NAT有时或者总是不按照顺序来生成新的端口号,那么这个方法也是行不通的。

如果隐藏在NATA后的一个不同的客户端X(或者在NAT B后)打开了一个新的“外出”UDP 连接,并且无论这个连接的目的如何;只要这个动作发生在客户端A 建立了与服务器S的连接之后,客户端A 与 客户端B 建立连接之前;那么这个无关的客户端X 就会趁人不备地“偷” 到这个我们渴望分配的端口。所以,这个方法变得如此脆弱而且不堪一击,只要任何一个NAT方包含以上碰到的问题,这个方法都不会奏效。

在处于 cone NAT 系列的网络环境中这个方法还是实用的;如果有一方为 cone NAT 而另外一方为 symmetric NAT,那么应用程序就应该预先发现另外一方的 NAT 是什么类型,再做出正确的行为来处理通信,这样就增大了算法的复杂度,并且降低了在真实网络环境中的普适性。

    最后,如果P2P的一方处在两级或者两级以上的NAT下面,并且这些NATS 接近这个客户端是SYMMETRIC NAT的话,端口号预言是无效的!

因此,并不推荐使用这个方法来写新的P2P应用程序,这也是历史的经验和教训!

B. 两个都是CONE NAT.

这种情况下可以分为六大类型:

A: FC + FC

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

虽然有这么多种情况,但是由于CONE NAT 的特性,所以还是很好办的,因为对于CONE NAT 来说,在同一个SESSION中它会绑定一对[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射,所以它们打洞用的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是一致的,所以打洞是可以行的通的.

综上所述,就已经完全的概括了所有类型的NAT之间的可能的通信情况了.并且都提供了可行的解决方案.

:对前一阶段的总结

1.前一阶段使用的打洞方法是有缺陷的,它只适应于两个都是FULL CONE NAT的类型的CLIENT(客户端).以下论证它不适应于两个都是CONE NAT的类型中的

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

这五种情况.

因为对于受限的NAT它登记了外出包的[IP地址&端口],它仅仅接受这些已登记地址发过来的包,所以它们报告服务器的端口只能接受来自服务器的包.不能接受来自另一客户端的包.所以前一阶段的打洞方法是不可行的.

: 存在的问题

按照理论.NAT将在一定时间后关闭UDP的一个映射,所以为了保持与服务器能够一直通信,服务器必须要发送UDP心跳包,来保持映射不被关闭.这就需要一个合适的时间值.

 

Leave a Reply

  • (will not be published)