P2P内网穿透之Nat类型介绍及Nat类型检测16种NAT组合穿透操作指南整理

根据RFC 3489规定 Nat共分以下类型：

第一部分： NAT类型介绍

Full Cone NAT:

Restricted Cone NAT:

Port Restricted Cone NAT:

Symmetric NAT:

特殊情况：

第二部分：STUN NAT类型检测

前提条件：

第一步：检测客户端是否有能力进行UDP通信以及客户端是否位于NAT后？

第二步：检测客户端NAT是否是Full Cone NAT？

第三步：检测客户端NAT是否是Symmetric NAT？

第四步：检测客户端NAT是否是Restricted Cone NAT还是Port Restricted Cone NAT？

第三部分：双方Nat组合可穿透性介绍

穿透关系：上述4种类型，如果定义他们的值为序列号，N为序列号相加。

第四部分：一些参考连接传送门

第五部分：P2P内网穿透操作指南

根据RFC 3489规定 Nat共分以下类型：

/// <summary>
/// UDP is always blocked.
/// </summary>
UdpBlocked,/// <summary>
/// No NAT, public IP, no firewall.
/// </summary>
OpenInternet,/// <summary>
/// No NAT, public IP, but symmetric UDP firewall.
/// </summary>
SymmetricUdpFirewall,/// <summary>
/// A full cone NAT is one where all requests from the same internal
/// IP address and port are mapped to the same external IP address and port.
/// Furthermore, any external host can send a packet to the internal host,
/// by sending a packet to the mapped external address.
/// </summary>
FullCone,/// <summary>
/// A restricted cone NAT is one where all requests from the same
/// internal IP address and port are mapped to the same external IP address and port.
///  Unlike a full cone NAT, an external host (with IP address X)
/// can send a packet to the internal host only if the internal host
/// had previously sent a packet to IP address X.
/// </summary>
RestrictedCone,/// <summary>
/// A port restricted cone NAT is like a restricted cone NAT, but the restriction
/// includes port numbers. Specifically, an external host can send a packet,
/// with source IP address X and source port P, to the internal host only if
/// the internal host had previously sent a packet to IP address X and port P.
/// </summary>
PortRestrictedCone,/// <summary>
/// A symmetric NAT is one where all requests
/// from the same internal IP address and port,
/// to a specific destination IP address and port, are mapped to the same external
/// IP address and port.  If the same host sends a packet with the same source address
/// and port, but to a different destination, a different mapping is used.
/// Furthermore, only the external host that
/// receives a packet can send a UDP packet back to the internal host.
/// </summary>
Symmetric

第一部分： NAT类型介绍

常规情况下。NAT共分以下4大类：

Full Cone NAT:

内网主机建立一个UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，任何外部主机只要知道这个(PublicIP:PublicPort)就可以发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Restricted Cone NAT:

内网主机建立一个UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP:PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机IP发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,任何端口)发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Port Restricted Cone NAT:

内网主机建立一个UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP:PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP:PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP:PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机(IP,Port)发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,Port)发送数据给(PublicIP:PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Symmetric NAT:

内网主机建立一个UDP socket(LocalIP,LocalPort),当用这个socket第一次发数据给外部主机1时,NAT为其映射一个(PublicIP-1,Port-1),以后内网主机发送给外部主机1的所有数据都是用这个(PublicIP-1,Port-1)；如果内网主机同时用这个socket给外部主机2发送数据，第一次发送时，NAT会为其分配一个(PublicIP-2,Port-2), 以后内网主机发送给外部主机2的所有数据都是用这个(PublicIP-2,Port-2).

特殊情况：

如果NAT有多于一个公网IP，则PublicIP-1和PublicIP-2可能不同，如果NAT只有一个公网IP,则Port-1和Port-2肯定不同，也就是说一定不能是PublicIP-1等于 PublicIP-2且Port-1等于Port-2。

此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，那么它首先应该收到内网主机发给他的数据，然后才能往回发送，否则即使他知道内网主机的一个(PublicIP,Port)也不能发送数据给内网主机，这种NAT无法实现UDP-P2P通信。

第二部分：STUN NAT类型检测

前提条件：

有一个公网的服务器并且绑定了两个公网IP(IP-1,IP-2)。这个服务器做UDP监听(IP-1,Port-1),(IP-2,Port-2)并根据客户端的要求进行应答。

第一步：检测客户端是否有能力进行UDP通信以及客户端是否位于NAT后？

操作：
客户端建立UDP socket然后用这个socket向服务器的(IP-1,Port-1)发送数据包要求服务器返回客户端的IP和Port, 客户端发送请求后立即开始接受数据包，要设定socket Timeout（300ms），防止无限堵塞. 重复这个过程若干次。如果每次都超时，无法接受到服务器的回应，则说明客户端无法进行UDP通信，可能是防火墙或NAT阻止UDP通信，这样的客户端也就不能P2P了（检测停止）。
当客户端能够接收到服务器的回应时，需要把服务器返回的客户端（IP,Port）和这个客户端socket的（LocalIP，LocalPort）比较。如果完全相同则客户端不在NAT后，这样的客户端具有公网IP可以直接监听UDP端口接收数据进行通信（检测停止）。否则客户端在NAT后要做进一步的NAT类型检测(继续)。

第二步：检测客户端NAT是否是Full Cone NAT？

操作：
客户端建立UDP socket然后用这个socket向服务器的(IP-1,Port-1)发送数据包要求服务器用另一对(IP-2,Port-2)响应客户端的请求往回发一个数据包,客户端发送请求后立即开始接受数据包，要设定socket Timeout（300ms），防止无限堵塞. 重复这个过程若干次。如果每次都超时，无法接受到服务器的回应，则说明客户端的NAT不是一个Full Cone NAT，具体类型有待下一步检测(继续)。如果能够接受到服务器从(IP-2,Port-2)返回的应答UDP包，则说明客户端是一个Full Cone NAT，这样的客户端能够进行UDP-P2P通信（检测停止）。

第三步：检测客户端NAT是否是Symmetric NAT？

操作：
客户端建立UDP socket然后用这个socket向服务器的(IP-1,Port-1)发送数据包要求服务器返回客户端的IP和Port, 客户端发送请求后立即开始接受数据包，要设定socket Timeout（300ms），防止无限堵塞. 重复这个过程直到收到回应（一定能够收到，因为第一步保证了这个客户端可以进行UDP通信）。
用同样的方法用一个socket向服务器的(IP-2,Port-2)发送数据包要求服务器返回客户端的IP和Port。
比较上面两个过程从服务器返回的客户端(IP,Port),如果两个过程返回的(IP,Port)有一对不同则说明客户端为Symmetric NAT，这样的客户端无法进行UDP-P2P通信（检测停止）。否则是Restricted Cone NAT，是否为Port Restricted Cone NAT有待检测(继续)。

第四步：检测客户端NAT是否是Restricted Cone NAT还是Port Restricted Cone NAT？

操作：
客户端建立UDP socket然后用这个socket向服务器的(IP-1,Port-1)发送数据包要求服务器用IP-1和一个不同于Port-1的端口发送一个UDP 数据包响应客户端, 客户端发送请求后立即开始接受数据包，要设定socket Timeout（300ms），防止无限堵塞. 重复这个过程若干次。如果每次都超时，无法接受到服务器的回应，则说明客户端是一个Port Restricted Cone NAT，如果能够收到服务器的响应则说明客户端是一个Restricted Cone NAT。以上两种NAT都可以进行UDP-P2P通信。
注：以上检测过程中只说明了可否进行UDP-P2P的打洞通信，具体怎么通信一般要借助于Rendezvous Server。另外对于Symmetric NAT不是说完全不能进行UDP-P2P达洞通信，可以进行端口预测打洞，不过不能保证成功。

第三部分：双方Nat组合可穿透性介绍

上面这张图是转的别人空间的，下面是我整理的:

实际情况是双方NAT组合是有16种可能性的。如何穿透方法将在下面详细描述：

NAT类型：把4种NAT类型分别标为1,2,3,41，FullCone,2，RestrictedCone,3，PortRestrictedCone,4，SymmetricA1 vs B1,A1 vs B2,A1 vs B3,A1 vs B4,A2 vs B1,A2 vs B2,A2 vs B3,A2 vs B4,(特殊处理:A2先向B4发包，在本地Nat打洞等待，然后B4向A2发送数据，A2收到即通)A3 vs B1,A3 vs B2,A3 vs B3,A3 vs B4,(特殊处理:A3猜测B4的端口+1方式尝试)A4 vs B1,A4 vs B2,(特殊处理:B2先向A4发包，在本地Nat打洞等待，然后A4向B2发送数据，B2收到即通)A4 vs B3,(特殊处理:B3猜测A4的端口+1方式尝试)A4 vs B4,(特殊处理:TURN转发或双方互相猜测,成功概率极小)

对称nat无法穿透，这个说法不正确，对称nat与全椎full cone nat、对称nat 与 ip受限椎型cone，是可以穿透的，对称nat与端口受限、对称nat与对称nat，不可穿透。
类型：

1、full cone 全椎
2、Restricted Cone ip受限
3、port Restricted Cone 端口受限
4、Symmetric 对称。

穿透关系：上述4种类型，如果定义他们的值为序列号，N为序列号相加。

则N<=6可穿透。2 和 4 序列相加 = 6 则可穿透。
3(端口受限)和4（对称）= 7 不可穿透。

第四部分：一些参考连接传送门

P2P学习（一）NAT的四种类型以及类型探测 - 山上有风景 - 博客园

NAT的四种类型及类型检测【很好】 - bw_0927 - 博客园

RFC3489协议英文版：

http://www.ietf.org/rfc/rfc3489.txt

第五部分：P2P内网穿透操作指南

以下穿透指南是我自行分析整理的。如有不妥之处还望指出。谢谢

NAT类型：把4种NAT类型分别标为1,2,3,41，FullCone,2，RestrictedCone,3，PortRestrictedCone,4，Symmetric场景：有两台主机A:portA和B:portB（port都为外网端口，是与打洞服务器通信的端口，通过客户端发送心跳包维持打开），以及打洞服务器S，
需求：A拿到了B:portB的信息，要与B通信。（1）B为类型1；无论A为哪种类型，都可以直接与B:portB udp通信
（2）B为类型2；无论A为哪种类型，在B知道A之前都无法直接连接，A给S发一个打洞请求，S转发该请求到B。 若A为类型1，则A:portA可直接与B:portB udp通信； 若A为类型2或3，则A:portA和B:portB各自向对方发送一个一字节的udp包，分别在自己的路由器上打洞，从此A:portA和B:portB可进行udp通信； 若A为类型4，则portA在与不同的ip:port通信时会不一样，所以B:portB先向A发送一个一字节的udp包，在路由器上打洞，然后等待A:portA先发送数据，B:portB接收到A:portA的数据后，即知道portA，也可互通数据了；
（3）B为类型3；无论A为哪种类型，在B知道A之前都无法直接连接，A给S发一个打洞请求，S转发该请求到B。 若A为类型1，则A:portA可直接与B:portB udp通信； 若A为类型2或3，则A:portA和B:portB各自向对方发送一个一字节的udp包，分别在自己的路由器上打洞，从此A:portA和B:portB可进行udp通信； 若A为类型4，则portA在与不同的ip:port通信时会不一样，而B又要求知道portA才可让A:portA连进来，所以这种情况B只能猜测与B:portB通信的portA，通信概率小；
（4）B为类型4；无论A为哪种类型，在B知道A之前都无法直接连接，A给S发一个打洞请求，S转发该请求到B。 若A为类型1，则A:portA可直接与B:portB udp通信； 若A为类型2， 则A:portA先向B发送一个一字节的udp包，在路由器上打洞，然后等待B:portB先发送数据，A:portA接收到B:portB的数据后，即知道portB，也可互通数据了；若B的类型为3，见（3）中A为类型4的描述；若A为4，双方无法知道对方的端口，无法通信。分析可以得出：
1，无论双方是何类型：[在B知道A之前都无法直接连接，A给S发一个打洞请求，S转发该请求到B] 这步都是必须,后续则可根据不同的类型分别判断处理具体操作：
IF not (B4 and A3) OR (B3 and A4) then
begin1，A先从S查询到B的对公信息2，A收到B信息后向S发一个打洞请求，请求连接B3，S转发A的请求到B(要包含A的信息)4, A:portA和B:portB各自向对方发送一个一字节的udp包，分别在自己的路由器上打洞，从此A:portA和B:portB可进行udp通信(可以解决以下8种组合的NAT穿透:A1 vs B1,A1 vs B2,A1 vs B3,A1 vs B4,A2 vs B1,A2 vs B2,A2 vs B3,A2 vs B4,(特殊处理:A2先向B4发包，在本地Nat打洞等待，然后B4向A2发送数据，A2收到即通)A3 vs B1,A3 vs B2,A3 vs B3,A3 vs B4,(特殊处理:A3猜测B4的端口+1方式尝试)A4 vs B1,A4 vs B2,(特殊处理:B2先向A4发包，在本地Nat打洞等待，然后A4向B2发送数据，B2收到即通)A4 vs B3,(特殊处理:B3猜测A4的端口+1方式尝试)A4 vs B4,(特殊处理:TURN转发或双方互相猜测,成功概率极小))
end;5 ,B4 vs A2 [若B为类型4，则portB在与不同的ip:port通信时会不一样，所以A:portA先向B发送一个一字节的udp包，在路由器上打洞，然后等待B:portB先发送数据，A:portA接收到B:portB的数据后，即知道portB，也可互通数据了；]
6 ,A4 vs B2 [若A为类型4，则portA在与不同的ip:port通信时会不一样，所以B:portB先向A发送一个一字节的udp包，在路由器上打洞，然后等待A:portA先发送数据，B:portB接收到A:portA的数据后，即知道portA，也可互通数据了；]
5，4 vs 4,3 vs 4单独处理[转发]

参考：udp协议怎么穿透Symmetric NAT？ - 知乎