P2P 技术

June 26, 2020

/posts/p2p/ Junyi Hou

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本文主要记录自己学习的 P2P 技术

在这篇文章里，主要区分了各种 NAT 的类型，包括全锥形、地址限制锥形、端口限制锥形的内容和区别

# 网络地址转换 NAT (Network Address Translation)

## 基本网络地址转换 Basic NAT

简单来讲，就是直接把内部 IP 翻译成外部 IP，这种转换技术受限于对外地址的数量，是 IP 到 IP 的转换（端口不换）

需要了解的名词有：

SNAT：源地址转换
DNAT：目标地址转换

以只有一个对外地址举例，如果 ClientA 和 ClientB 同时访问同一个 Web Server，那么当 NAT Gatway 收到这个 Web Server 响应包的时候，就无法判断将数据包转发给哪台客户机。

于是就有了我们接下来要介绍的 NAPT 技术

## 网络地址端口转换 NAPT

先明确几个概念：

内网主机拥有的网络地址：(LocalIP:LocalPort)

经由 NAT 转换后的网络地址：(PublicIP:PublicPort)

外网主机拥有的网络地址：(RemoteIP:RemotePort)

对源端口和目标端口同时进行转换。这样就可以让一个公网IP满足多个后端主机同时访问外部网络。比如家庭宽带。

这项技术最为常见，它检测并修改出入数据包的IP 地址和端口号，从而允许多个内网主机共享同一个公网 IP 地址

NAT 分为 锥形NAT 和 对称型NAT

# 锥形 NAT

同一个内部主机的地址和端口，无论目的地址是否相同，NAT 都将它转换成同一个外部地址和端口。

192.168.1.2:8000 访问 Baidu.com:80 和 google.com:80 时，经由 NAT 转换，内部的 192.168.1.2:8000 都会被转化成 1.2.3.4:5000，baidu 看到的是 5000 端口，谷歌看到的也是

192.168.1.2:8001 访问 baidu.com:80 和 google.com:80 时，经由 NAT 转换，内部的 192.168.1.2:8001 都会变成 1.2.3.4:5001，baidu 看到的是 5001 端口，google 看到的也是。

懂了吗，这就是锥形的由来

# 全锥形 NAT (Full Cone NAT)

内向外：(特定本地IP:特定本地端口) –> (固定映射IP:固定映射端口) –> (特定远端IP:特定远端端口)

建立 Full Cone NAT 转换后

外向内：(特定本地IP:特定本地端口) <– (固定映射IP:固定映射端口) <– (任意远端IP:任意端口)

当内部主机向外发送请求时，NAT 网关会打开一个端口创建一个公网映射，形成一个 IP 端口元组，然后会将传入这个端口的数据全部转发给内部主机。一旦映射建立，那么任意一台主机，只要给映射出来的公网 IP 和端口发送数据，就可以直接到达后端服务：

也就是，内部主机以相同的 (LocalIP:LocalPort) 对 2 个不同的 (RemoteIP:RemotePort) 发送 UDP 报文时，NAT 会为内部主机只分配一个 (PublicIP:PublicPort)，任意一台主机都可以给 (PublicIP:PublicPort) 发送数据。

# 地址限制锥形 NAT (Address Restricted Cone NAT)

远端 IP 地址受限，远端端口无所谓

内向外：(特定本地IP:特定本地端口) –> (固定映射IP:固定映射端口) –> (特定远端IP:特定远端端口)

建立 Address Restricted Cone NAT 转换后

外向内：(特定本地IP:特定本地端口) <– (固定映射IP:固定映射端口) <– (特定远端IP:任意端口)

（注意这里变成了任意端口）

我更喜欢它的英文形式，中文翻译的很不恰当。英文叫地址受限的锥形 NAT。当内部主机向外发送请求时，NAT 网关会打开一个端口创建一个公网映射，同时记录外网的 IP 地址。一旦映射建立，只有被记录的 IP 地址给映射出来的公网 IP 和端口发送数据，才可以到达后端服务，其他 IP 地址发送给 NAT 网关的，将会被丢弃。

也就是，内部主机以相同的 (LocalIP:LocalPort) 对 2 个不同的 (RemoteIP:RemotePort) 发送 UDP 报文时，NAT 会为内部主机只分配一个 (PublicIP:PublicPort)，同时，也只有这 2 个 RemoteIP 可以给 (PublicIP: PublicPort) 发送数据（因为先由内向外发过），这两个 RemoteIP 的 RemotePort 可以是任意的

# 端口限制锥形 NAT (Port Restricted Cone NAT)

远端 IP 地址和端口都受限，且只有内部主机向外发送过消息才可以建立。

一旦内部地址（iAddr:iPort）映射到外部地址（eAddr:ePort），所有发自 iAddr:iPort 的数据包都经由 eAddr:ePort 向外发送。

内向外：(特定本地 IP:特定本地端口) –>(固定映射 IP:固定映射端口) –> (特定远端 IP:特定远端端口)

建立 Port Restricted Cone NAT 转换后

外向内：(特定本地 IP:特定本地端口) <– (固定映射 IP:固定映射端口) <– (特定远端 IP:特定端口)

（注意这里变成了特定端口）

这种模式同时记录内部主机的 IP 和端口和外部主机的 IP 和端口，也就是形成了一种绑定关系。

与 Address Restricted Cone NAT 的区别是，Address Restricted Cone NAT 记录的只有外网主机的 IP，不记录端口，那个外网主机的随便一个端口给内网主机发送数据都可以。

Port Restricted Cone NAT 是记录外网主机的 IP 和端口，只有 (内网 IP, 内网端口) 和 (外网 IP, 外网端口) 这两个条件同时满足，数据才会转发给内网主机。而且以后给外部任何主机发送数据，都会用之前转换的 (PublicIP:PublicPort) 给外部主机发送数据。

也就是，内部主机以相同的 (LocalIP:LocalPort) 对 2 个不同的 (RemoteIP:RemotePort) 发送 UDP 报文时，NAT 会为内部主机只分配一个 (PublicIP:PublicPort)，同时，也只有这 2 个 (RemoteIP:ReportPort) 可以给 (PublicIP: PublicPort) 发送数据（因为先由内向外发过）

# 对称形 NAT（Symmetric NAT）

连接不同的外部目标，NAT 打开的端口不同。是一种「一对一映射关系」。

换句话讲，不同的 (iAddr:port, eAddr:port) 组合，NAT 网关会产生不同的链路。

看起来也就是对称的了。（本地地址：端口，目标地址：端口）

比如 localA:8000 经过一台拥有 global 的一台对称 NAT 的 Gateway，访问 baidu:80 和 google:80，

baidu 看到的可能是来自 global:5003 的请求，google 看到的可能是来自 global:5010 的请求。

打个比方，当内部主机以相同的 (LocalIP:LocalPort) 对 2 个不同的 (RemoteIP:RemotePort) 发送 UDP 报文时，此时 NAT 将会为内部主机分配两个不同的 (PublicIP:PublicPort)，并且建立起两个不同的内、外部 Tuple 转换关系。