1、NAT（Network Address Translator）介紹
NAT有兩大類，基本NAT和NAPT。
1.1、基本NAT
靜態(tài)NAT：一個公網IP對應一個內部IP，一對一轉換
動態(tài)NAT：N個公網IP對應M個內部IP，不固定的一對一轉換關系
** 1.2、NAPT（Network Address/Port Translator）**
現在基本使用這種，又分為對稱和錐型NAT。
錐型NAT，有完全錐型、受限制錐型、端口受限制錐型三種：
- a)Full Cone NAT（完全圓錐型）：從同一私網地址端口192.168.0.8:4000發(fā)至公網的所有請求都映射成同一個公網地址端口1.2.3.4:62000 ，192.168.0.8可以收到任意外部主機發(fā)到1.2.3.4:62000的數據報。
- b)Address Restricted Cone NAT （地址限制圓錐型）：從同一私網地址端口192.168.0.8:4000發(fā)至公網的所有請求都映射成同一個公網地址端口1.2.3.4:62000，只有當內部主機192.168.0.8先給服務器C 6.7.8.9發(fā)送一個數據報后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9發(fā)送到1.2.3.4:62000的數據報。
- c)Port Restricted Cone NAT（端口限制圓錐型）：從同一私網地址端口192.168.0.8:4000發(fā)至公網的所有請求都映射成同一個公網地址端口1.2.3.4:62000，只有當內部主機192.168.0.8先向外部主機地址端口6.7.8.9：8000發(fā)送一個數據報后，192.168.0.8才能收到6.7.8.9：8000發(fā)送到1.2.3.4:62000的數據報。
對稱NAT：
把所有來自相同內部IP地址和端口號，到特定目的IP地址和端口號的請求映射到相同的外部IP地址和端口。如果同一主機使用不同的源地址和端口對，發(fā)送的目的地址不同，則使用不同的映射。只有收到了一個IP包的外部主機才能夠向該內部主機發(fā)送回一個UDP包。對稱的NAT不保證所有會話中的(私有地址，私有端口)和(公開IP，公開端口)之間綁定的一致性。相反，它為每個新的會話分配一個新的端口號。
對稱NAT是一個請求對應一個端口，非對稱NAT是多個請求對應一個端口(象錐形，所以叫Cone NAT)。
1.3、檢測NAT類型：
連接服務器為A，NAT檢測服務器為B。
第一步：當一個接收客戶端(Endpoint-Receiver ,簡稱 EP-R)需要接收文件信息時，在其向連接服務器發(fā)送文件請求的同時緊接著向檢測服務器發(fā)送NAT檢測請求。此處再次強調是“緊接著”，因為對于對稱型NAT來說，這個操作可以直接算出其地址分配的增量(⊿p)。
第二步：當EP-R收到A或B的反饋信息時發(fā)現其外部地址與自身地址不同時就可以確定自己在NAT后面；否則，就是公網IP。
第三步：由服務器A向B發(fā)送其獲得的EP-R的外部映射地址(IPa/Porta)，服務器B獲得后進行比較，如果端口不同，則說明這是對稱型NAT，同時可以直接計算出其分配增量：
⊿p=Portb-Porta
第四步：如果端口號相同，則由B向EP-R的Porta發(fā)送連接請求，如果EP-R有響應，則說明EP-R沒有IP和Port的限制，屬于全ConeNAT類型。
第五步：如果沒有響應，則由服務器B使用其新端口b’向EP-R的Portb端口發(fā)送連接請求，如果有響應，則說明EP-R只對IP限制，屬于限制性ConeNAT類型；否則就是對IP和port都限制，屬于端口限制性ConeNAT類型。
通過上述五步基本可以全部檢測出EP-R是否在公網，還是在某種NAT后面。
1.4、NAT映射老化時間
這也是一項可選配置任務，可根據需要為NAT 地址映射表配置老化時間，以控制用戶對NAT 配置的使用，確保內、外網的通信安全。
配置NAT 地址映射表項老化時間的方法也很簡單，只須在系統(tǒng)視圖下使用firewall-nat session { dns | ftp | ftp-data | http | icmp | tcp | tcp-proxy | udp | sip | sip-media | rtsp |rtsp-media }aging-time time-value 命令配置即可。參數 time-value的取值范圍為1～65 535的整數秒。如果要配置多個會話表項的超時時間需要分別用本命令配置。
缺省情況下，各協(xié)議的老化時間為：DNS（120 s）、ftp（120 s）、ftp-data（120 s）、HTTP（120 s）、icmp（20 s）、tcp（600 s）、tcp-proxy（10 s）、udp（120 s）、sip（1 800 s）、sip-media （ 120 s ）、rtsp （ 60 s ）、rtsp-media （ 120 s ）， 可用undo firewall-natsession { all | dns | ftp | ftp-data | http | icmp | tcp | tcp-proxy | udp | sip | sip-media | rtsp |rtsp-media } aging-time 命令恢復對應會話表項的超時時間為缺省值。
2、UDP打洞
2.1、p2p可實現的條件需要：
1、 中間服務器保存信息、并能發(fā)出建立UDP隧道的命令
2、 網關均要求為Cone NAT類型。Symmetric NAT不適合。
3、 完全圓錐型網關可以無需建立udp隧道，但這種情況非常少，要求雙方均為這種類型網關的更少。
4、 假如X1網關為Symmetric NAT， Y1為Address Restricted Cone NAT 或Full Cone NAT型網關，各自建立隧道后，A1可通過X1發(fā)送數據報給Y1到B1(因為Y1最多只進行IP級別的甄別)，但B2發(fā)送給X1的將會被丟棄（因為發(fā)送來的數據報中端口與X1上存在會話的端口不一致，雖然IP地址一致），所以同樣沒有什么意義。
5、 假如雙方均為Symmetric NAT的情形，新開了端口，對方可以在不知道的情況下嘗試猜解，也可以達到目的，但這種情形成功率很低，且?guī)眍~外的系統(tǒng)開支，不是個好的解決辦法。
6、 不同網關型設置的差異在于，對內會采用替換IP的方式、使用不同端口不同會話的方式，使用相同端口不同會話的方式；對外會采用什么都不限制、限制IP地址、限制IP地址及端口。
7、 這里還沒有考慮同一內網不同用戶同時訪問同一服務器的情形，如果此時網關采用AddressRestricted Cone NAT 或Full Cone NAT型，有可能導致不同用戶客戶端可收到別人的數據包，這顯然是不合適的。
2.2、udp和tcp打洞
為什么網上講到的P2P打洞基本上都是基于UDP協(xié)議的打洞？難道TCP不可能打洞？還是TCP打洞難于實現？
假設現在有內網客戶端A和內網客戶端B，有公網服務端S。
如果A和B想要進行UDP通信，則必須穿透雙方的NAT路由。假設為NAT-A和NAT-B。
A發(fā)送數據包到公網S,B發(fā)送數據包到公網S,則S分別得到了A和B的公網IP，
S也和A B 分別建立了會話，由S發(fā)到NAT-A的數據包會被NAT-A直接轉發(fā)給A，
由S發(fā)到NAT-B的數據包會被NAT-B直接轉發(fā)給B，除了S發(fā)出的數據包之外的則會被丟棄。
所以：現在A B 都能分別和S進行全雙工通訊了，但是A B之間還不能直接通訊。
解決辦法是：A向B的公網IP發(fā)送一個數據包，則NAT-A能接收來自NAT-B的數據包
并轉發(fā)給A了（即B現在能訪問A了）；再由S命令B向A的公網IP發(fā)送一個數據包，則
NAT-B能接收來自NAT-A的數據包并轉發(fā)給B了（即A現在能訪問B了）。
以上就是“打洞”的原理。
<pre style="margin: 0px; padding: 0px; white-space: pre-wrap; overflow-wrap: break-word;">為了保證A的路由器有與B的session，A要定時與B做心跳包，同樣，B也要定時與A做心跳，這樣，雙方的通信通道都是通的，就可以進行任意的通信了。</pre>
但是TCP和UDP在打洞上卻有點不同。這是因為伯克利socket（標準socket規(guī)范）的
API造成的。
UDP的socket允許多個socket綁定到同一個本地端口，而TCP的socket則不允許。
這是這樣一個意思：A B要連接到S，肯定首先A B雙方都會在本地創(chuàng)建一個socket，
去連接S上的socket。創(chuàng)建一個socket必然會綁定一個本地端口（就算應用程序里面沒寫
端口，實際上也是綁定了的，至少java確實如此），假設為8888，這樣A和B才分別建立了到
S的通信信道。接下來就需要打洞了，打洞則需要A和B分別發(fā)送數據包到對方的公網IP。但是
問題就在這里：因為NAT設備是根據端口號來確定session，如果是UDP的socket，A B可以
分別再創(chuàng)建socket，然后將socket綁定到8888，這樣打洞就成功了。但是如果是TCP的
socket，則不能再創(chuàng)建socket并綁定到8888了，這樣打洞就無法成功。
**UDP打洞**的過程大致如此：
1、雙方都通過UDP與服務器通訊后，網關默認就是做了一個外網IP和端口號 與你內網IP與端口號的映射，這個無需設置的，服務器也不需要知道客戶的真正內網IP
2、用戶A先通過服務器知道用戶B的外網地址與端口
3、用戶A向用戶B的外網地址與端口發(fā)送消息，
4、在這一次發(fā)送中，用戶B的網關會拒收這條消息，因為它的映射中并沒有這條規(guī)則。
5、但是用戶A的網關就會增加了一條允許規(guī)則，允許接收從B發(fā)送過來的消息
6、服務器要求用戶B發(fā)送一個消息到用戶A的外網IP與端口號
7、用戶B發(fā)送一條消息，這時用戶A就可以接收到B的消息，而且網關B也增加了允許規(guī)則
8、之后，由于網關A與網關B都增加了允許規(guī)則，所以A與B都可以向對方的外網IP和端口號發(fā)送消息。
TCP打洞技術：
tcp打洞也需要NAT設備支持才行。
tcp的打洞流程和udp的基本一樣，但tcp的api決定了tcp打洞的實現過程和udp不一樣。
tcp按cs方式工作，一個端口只能用來connect或listen，所以需要使用端口重用，才能利用本地nat的端口映射關系。（設置SO_REUSEADDR，在支持SO_REUSEPORT的系統(tǒng)上，要設置這兩個參數。）
連接過程：（以udp打洞的第2種情況為例（典型情況））
nat后的兩個peer，A和B，A和B都bind自己listen的端口，向對方發(fā)起連接（connect），即使用相同的端口同時連接和等待連接。因為A和B發(fā)出連接的順序有時間差，假設A的syn包到達B的nat時，B的syn包還沒有發(fā)出，那么B的nat映射還沒有建立，會導致A的連接請求失?。ㄟB接失敗或無法連接，如果nat返回RST或者icmp差錯，api上可能表現為被RST；有些nat不返回信息直接丟棄syn包（反而更好）），（應用程序發(fā)現失敗時，不能關閉socket，closesocket（）可能會導致NAT刪除端口映射；隔一段時間（1-2s）后未連接還要繼續(xù)嘗試）；但后發(fā)B的syn包在到達A的nat時，由于A的nat已經建立的映射關系，B的syn包會通過A的nat，被nat轉給A的listen端口，從而進去三次握手，完成tcp連接。
從應用程序角度看，連接成功的過程可能有兩種不同表現：（以上述假設過程為例）
1、連接建立成功表現為A的connect返回成功。即A端以TCP的同時打開流程完成連接。
2、A端通過listen的端口完成和B的握手，而connect嘗試持續(xù)失敗，應用程序通過accept獲取到連接，最終放棄connect（這時可closesocket(conn_fd)）。
多數Linux和Windows的協(xié)議棧表現為第2種。
但有一個問題是，建立連接的client端，其connect綁定的端口號就是主機listen的端口號，或許這個peer后續(xù)還會有更多的這種socket。雖然理論上說，socket是一個五元組，端口號是一個邏輯數字，傳輸層能夠因為五元組的不同而區(qū)分開這些socket，但是是否存在實際上的異常，還有待更多觀察。
2.3、另外的問題
1、Windows XP SP2操作系統(tǒng)之前的主機，這些主機不能正確處理TCP同時開啟，或者TCP套接字不支持SO_REUSEADDR的參數。需要讓AB有序的發(fā)起連接才可能完成。
上述tcp連接過程，僅對NAT1、2、3有效，對NAT4（對稱型）無效。
由于對稱型nat通常采用規(guī)律的外部端口分配方法，對于nat4的打洞，可以采用端口預測的方式進行嘗試。
2.4、一些常用技術
ALG（應用層網關）：它可以是一個設備或插件，用于支持SIP協(xié)議，主要類似與在網關上專門開辟一個通道，用于建立內網與外網的連接，也就是說，這是一種定制的網關。更多只適用于使用他們的應用群體內部之間。
UpnP：它是讓網關設備在進行工作時尋找一個全球共享的可路由IP來作為通道，這樣避免端口造成的影響。要求設備支持且開啟upnp功能，但大部分時候，這些功能處于安全考慮，是被關閉的。即時開啟，實際應用效果還沒經過測試。
STUN（Simple Traversalof UDP Through Network）：這種方式即是類似于我們上面舉例中服務器C的處理方式。也是目前普遍采用的方式。但具體實現要比我們描述的復雜許多，光是做網關Nat類型判斷就由許多工作，RFC3489中詳細描述了。
TURN(Traveral Using Relay NAT)：該方式是將所有的數據交換都經由服務器來完成，這樣NAT將沒有障礙，但服務器的負載、丟包、延遲性就是很大的問題。目前很多游戲均采用該方式避開NAT的問題。這種方式不叫p2p。
ICE(Interactive Connectivity Establishment)：是對上述各種技術的綜合，但明顯帶來了復雜性。
參考與引用：
http://pennlee.blog.163.com/blog/static/5259930200752511814652/
https://www.zhihu.com/question/38729355/answer/86531260
http://blog.csdn.net/byxdaz/article/details/52785697
