p2p之网络穿透NAT

作者 : 开心源码 本文共2329个字,预计阅读时间需要6分钟 发布时间: 2022-05-12 共105人阅读

1.p2p是什么?

p2p是对等网络(peer-to-peer networking)其可以定义为:端对端的资源共享,每一端就可是服务端,也可以是用户端。既可以是资源的提供者,也可以是资源的共享者。

传统C/S模型需要实现端和端的资源共享, 需要将资源上传到中转服务器。另外一端再去中转服务器下载,如下图:

传统CS架构,用户端1和用户端2之间是无直接交互.png

而P2P则不需要将资源上传到服务器,它是端对端传输,每一个端既可以是服务器,也可以是用户端

p2p架构,无需中转服务器.png

优势:实时性最高,流量少,更加安全。在视频直播,在线教育,视频安防行业使用的比较多
劣势:一旦进行p2p传输之后,使用户之间的内容将无法监管,白费使用户带宽,频繁进行读写磁盘

用户端1和用户端2这样交互是p2p最理想的情况
图中用户端1和用户端2直接连接, 如果他们处于两个不同的内网呢?

2.NAT是什么?

NAT俗称网络地址转换,它是一种把内部私有网络地址(IP地址)转换成公网网络IP地址的技术。比方我们电脑里面网卡地址是192.168.1.100,但是我们再百度搜索“IP”却显示220.112.224.53,这就是NAT的功能。
NAT主要是部署在路由器或者者交换机上。

为什么需要NAT?

主要还是IP地址的不足,用一些的公有IP 地址代表较多的私有IP 地址的方式,将有助于减缓可使用的IP地址空间的枯竭。使用大白话:比方你有一个路由器(家使用的那种即可以)这个路由器本身链接了公网(被分配到了一个公网的IP地址)。路由器后面有接了N多个设施,每个设施都分配到了一个私有的地址(内网地址),这些地址可以通过这个路由器和外网交互。

其次能够有效地避免来自网络外部的攻击,隐藏并保护网络内部的计算机。
RFC3489 中将 NAT 的实现分为四大类:

  • Full Cone NAT(完全圆锥型)

  • Address Restricted Cone NAT(地址限制圆锥型 )

  • Port Restricted Cone NAT(端口限制圆锥型)

  • Symmetric NAT(对称型)

1.完全圆锥型NAT

在完全圆锥型NAT(Full Cone NAT)中,NAT会将用户机地址{X:y}转换成公网地址{A:b}并绑定。任何包都可以通过地址{A:b}送到用户主机的{X:y}地址上。如图所示:

RFC3581——完全锥型NAT

2. 地址限制圆锥型NAT

地址限制圆锥型NAT(Address Restricted Cone NAT)会将用户机地址{X:y}转换成公网地址{A:b}并绑定,只有来自主机{P}的包才能和主机{X:y}通信。如下图所示:

RFC3581——地址限制型NAT

3.端口限制圆锥型NAT

端口限制圆锥型NAT(Port Restricted Cone NAT)会将用户机地址{X:y}转换成公网地址{A:b}并绑定,只有来自主机{P,q}的包才能和主机{X:y}通信。如下图所示:

RFC3581——端口限制型NAT

4.对称型NAT

对称型NAT(Symmetric NAT)会将用户机地址{X:y}转换成公网地址{A:b}并绑定为{X:y}|{A:b}<->{P:q}。对称型NAT只接受来自{P:q}的连接,将它转给{X:y} ,每次用户机请求一个不同的公网地址和端口,NAT会新分配一个端口号{C,d} 。如下图所示:

RFC3581——对称型NAT

其中完全最上层的完全圆锥形NAT的穿透性最好,而最下层的对称形NAT的安全性最高。

3.如何穿透NAT?

事实上两个用户端相互通信还需要一个辅助服务器(p2pserver) 来保存两个使用户的外网地址端口。
当使用户A连接B时、或者者B连接A时, 会向辅助服务器讯问对方的外网地址和端口

NAT穿透组合情况.png

从上面的NAT类型中可以看出,有4种NAT,一共10种组合

1. 完全圆锥型NAT和完全圆锥型NAT
这种最简单, 只要要B从辅助服务器拿到A的内外网信息, 即可以和A进行连接
2. 完全圆锥型NAT和地址限制型NAT
同上
3. 完全圆锥型NAT和端口限制性NAT
同上
4. 完全圆锥型NAT和对称型NAT
同上
5.地址限制型NAT和地址限制型NAT

  • 当B从辅助服务器拿到A的内外网信息, B向A发送连接, 这个时候NAT A设施会丢弃掉B发送过来的连接。
  • 这个时候B就向辅助服务器发送请求,让A连接B一次, 连完后B即可以连接到A了,NAT A不再阻拦B过来的连接。

6.地址限制型NAT和端口限制型NAT
同上
7.地址限制性NAT和对称型NAT
同上
8.端口限制型NAT和端口限制型NAT
同上
9.端口限制型NAT和对称型NAT
这种无法穿透, 由于A需要连过B,B才能连到A,但是A无法连接到B,由于B的是对称型NAT,端口一直在变
10.对称型NAT和对称型NAT
这种也无法穿透,由于用户机每次请求一个不同的公网地址和端口, NAT会新分配一个端口号,所以从辅助服务器拿到的端口号是无效的(只是针对和服务器相连的端口号)。
eg:A和辅助服务器相连,NAT A会分配一个端口 8081。
A和B相连, NAT A会分配一个端口号10020,所以B连A并不知道A需要从10020进,所以无法穿透过NAT A。不过也有人通过端口预测算法成功连接, 但是这种并不可靠。

image.png

4.为什么需要保活链路?

由于一个连接经过NAT设施之后,在NAT设施上面绑定的端口是有时效性的,一般是30分钟,但是最少的三五分钟就时效了,所以要不停的发送心跳包来保活NAT上的这个“洞”。

5.移动、联通网络为什么没有电信快?

起因是电信拨号之后分配的是公网IP。而联通、移动拨号之后还是内网IP,也就是NAT设施上面还有多层NAT, 屡次转发并且最终的出口只有一个,所以总体来说比较慢

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