p2p之网络穿透NAT

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