基于UDP协议的NAT穿透技术研究与仿真

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1、基于UDP协议的NAT穿透技术研究与仿真基于UDP协议的NAT穿透技术研究与仿真摘要：NAT穿透技术能够有效解决由于IP地址短缺和路由表增大造成的用户接入困难的问题，可缓解因网络地址的严重消耗造成的IPv4资源稀缺的情况。针对这种情况进行了基于UDP协议的NAT穿透技术研究与仿真。首先分析NAT穿透的类型及各自的原理，提出对于NAT穿透相对有效的UDP打洞方案，然后通过穿透原理得出算法结构流程，最后在VC++环境下进行仿真实验。实验结果表明，该算法结构能够有效地实现NAT穿透目的，而且具有可拓展性，可在较多情况下适用。关键词：网络地址；NAT穿透；NAT类型；UD

2、P打洞中图分类号：TP393.02文献标志码：A文章编号：1006-88228（2014）06-12-030引言NAT又名网络地址转换，在如今IP地址越来越稀缺的情况下产生，主耍为了解决地址重用的问题。众所周知，在TCP/IP协议中，有三个IP地址区域作为私有地址而被专门保留。1NAT分类1.1基本的NAT由于内网的IP地址不允许在网络上出现，内部数据包的IP地址需转换后才能对外发送，所以在同一时间内，全子网内只有小部分IP地址能够对应到外部全球惟一的IP地址［2］o基本的NAT设备将会改变数据包屮的原IP地址，但是不会改变数据包中相应的端口数据。1.2NAPTN

3、APT全名为网络地址/端口转换器，由其名称可以看出凡是经过此设备的IP数据包，不仅数据包内的IP地址会被修改,而且数据包内的TCP/UDP端口数据也会被修改。它可允许内网多个计算机对应一个全球惟一的IP地址［3］。由于端口修改的方法不同，因而又可分为圆锥型和对称型两种。⑴ConeNAT（圆锥型）在一个客户机（拥有私有地址与端口号）与另一个客户机（拥有公有地址与端口号）建立端口映射之后，只耍是当前仍然存在会话在利用此端口映射，那么它就可以用这个端口映射继续处理后续的会话。然而,当位于NAT后的主机与外网的主机建立连接之后，NAT接受外部连接的自由程度是不同的，由此可

4、以把此类型进一步分类。但是耍注意这个分类一般只适用于UDP传输，因为对于TCP连接，只有在有专门的配置情况下才会建立。ConeNAT分类之后为下面三种情况。①FullConeNAT（完全圆锥型）2NAT穿透原理分析若想用软件实现NAT技术，一种方法是通过扩展应用层协议，使其具有NAT路由的功能；另一种方法则是把应用层协议中的私有地址直接修改为公网地址。但是，由于NAT类型的不同，通过修改应用层协议地址［4］的方法并不能通用，尤其当是SymmetricNAT类型的吋候，其预先获得的公网地址与实际转换后的公网地址有可能不相同［5］。NAT穿透需要分析下面三种情况。首先

5、，双方都是SymmetricNAPT。此情况由于端口号分配的不同，不支持穿透。其次，双方都是ConeNAPTo这种情况是我们所期望的，可以进行穿透。最后，两方分别是SymmetricNAPT和ConeMAPT。这种情况稍复杂些，假设A是SymmetricNAT,B是ConeNAT,由文献分析［6］可知，不管是A先连接B还是B先连接A,在一方的NAT接收到数据包后，由于查询口己的映射表无法找到相对应映射项而会将包丢弃，从而导致连接失败。因此，根据上述分析可以得出，只有当连接两端的设备都为ConeNAT的情况下，才能实现基于UDP协议的内网穿透。3UDP打洞技术当前发

6、展较快的穿透技术是一种借助于公网服务器来完成NAT穿透的技术，称为HolePunching技术［7］。此技术属于一种中继方案，主要用來解决通信两端都在NAT设备之后的情况，如今这类情况比较常见。与其他解决方案和比，此技术比较简单通用，穿透原理如图5所示。从图5可以看出，客户机A和客户机B（下面简称A和B）分别向服务器S注册，因此服务器知道了它们的私网地址和转换后的公网地址。在A希望与B建立连接吋，A会先向服务器S发送连接请求，服务器S会把B的公网、私网的地址都返回给A,同时还会把A的连接请求和A的公网与私网地址发给至此A和B都能知道彼此的公、私网地址。可知A、B与

7、服务器Z间的通讯仅仅是为了打开通往服务器的通道，并通过不断发送消息保持通道的存在。接下来，当A得知B的公网、私网地址后，A会同时向这两个地址发起连接。如果A和B同在一个NATZ后，B会先在私网地址上收到A的连接请求，这样A与BZ间的通讯就不会有NAT的介入；而如果A和B处在不同NAT之后，那么A发往B私网地址的连接将会无法路由或者被错误路由到不相关的终端，从而被丢弃，而A发往B公网地址的连接会顺利到达B所在的NAT。同样，在B得知A的公网、私网地址Z后也会发起连接，情况与A和同。此时，A和B前的NAT设备已经记住了对方的IP地址和端口信息，对彼此处于敞开状态，即被

8、在内部打洞