P2P 之 TCP穿透NAT的原理

P2P 之 TCP穿透NAT的原理
翻译：navy
原文：http://www.andrew.cmu.edu/user/ggw/WBFD.pdf

由于工作需要，在网上找了很长时间P2P的资料，好像只有《P2P 之 UDP穿透NAT的原理与实现（附源代码）》比较有实际意义，可惜又是用UDP实现的，无奈只好找了份英文资料啃，发现很有参考价值，就根据理解翻译了一部分，分享给大家，由于水平有限，有错望多多包涵。如果有人能够继续翻译下去别忘了通知我哦呵呵，wanfeng_001@126.com，感谢。

摘要
防火墙和网络地址转换（NAT）设备对于传统的P2P协议存在一定的问题。一些中间设备抑制了来自外部网络到内部网络的TCP请求，这篇文章的目的就是寻找一个能够在两个NAT设备内部的主机间建立TCP连接的方法。我们已经在两个普通的硬件条件下实现了这个功能。

1.入门
由于32位IP地址的减少，现在出现了很多通过一个internet地址代理内部网络上网的设备，这就是NAT技术。这些设备对于INTERNET已经越来越重要了，但是它们的独立发展因为缺乏标准而对现在的internet协议造成危害。

2.技术
典型的NAT和防火墙设备都是不允许外部地址主动请求而进入内部网络的，如果用户的程序需要在两个内部网络间建立直接性的连接，那么两个内部设备之间必须是相互信任的。如果A和B两个部分都初始化了TCP连接，NAT设备就会认为它们之间是相互信任的，也就允许它们之间的连接了。
图1是一个例子，目标是能够让A和B（分别在NATA和NATB后）建立TCP连接。
我们讨论了多种在特定的NAT设备环境下的TCP连接方案。
如果我们的情况如下：
1、可预测NA的端口，可预测NB的端口，可指定源IP的特定路由
2、可预测NA的端口，可预测NB的端口，不可指定源IP的特定路由
3、随机的NA端口，可预测NB的端口，可指定源IP的特定路由
4、随机的NA端口，可预测NB的端口，不可指定源IP的特定路由
5、随机的NA端口，随机的NB端口，可指定源IP的特定路由
6、随机的NA端口，随机的NB端口，不可指定源IP的特定路由

我们必须作出这4种假设：
1、 两个主机都不受NAT设备所限制；
2、 我们可以配置网络设备使得主机看不到来自外部网络的ICMP包（TTL超过限制），因为这些ICMP数据包无论被任何一方接收到都是中断TCP连接。我们讨论的一些解决方案就依赖通过发送一个初始TTL很小的SYN包来建立TCP连接。一旦SYN包被路由器丢弃，ICMP TTL 超时包就会被传送到NAT设备，我们不允许NAT设备将这个超时TTL的返回包传送到内部网络，即使NAT会将这个包传送到内部，也需要通过配置防火墙来限制这个包到达主机；
3、 即使NAT设备看到ICMP超时的数据包，设备本身的映射表将不会作任何改动；
4、 内部网络的其它主机不会占用抢占这个端口，因为如果网络特别繁忙，这个端口可能会无效。

3.1第一种情况
我们可以通过图2表示的顺序解决问题:
1）A和B可以设定LSR(IP报头中的一个选项)通过X路由发送SYN数据包.
2）X可以缓存它们的数据包并且发送欺骗的SYN+ACKS给NA和NB.
3）A和B可以通过由X发送来的数据进行应答.
4）X丢弃这两个ACK包,因为它已经可以确定A和B相互应答成功.

 
 
 
图2是假设A和B都事先彼此的NAT的通信端口，A知道B的通信端口是NB:5000,B知道A的是NA:4000,并且要求X不在任何NAT设备的后面.实际中这两个端口是预测得到的，预测过程如图3：
 
 
3.2第二种情况
第一种情况依赖与自由设定路由，但是现在很多路由器大多都限制这样做，并且会丢弃这样的服务请求包。因此在实际应用中，这种方案失败的可能性很大。如果自由设定路由不可行，我们可以通过out-of-band通道(他们预先与X连接好的TCP连接)来传送原本必须将数据包路由到X才能看到的包。注意在图二的第二步X已经知道了TCP的序号Q和P，因为X已经收到了这两个SYN包，但是如果数据包没有路由经过X就不可能收到它们。为了初始化这个连接，两个主机发送初始SYN包，并且他们都知道是不可能到达目标的，但是它们都可以记住自己的SYN号(个人看法,通过钩子获得发送的数据SYN包)并且可以发送给X，X得到了它们的SYN包，就可以欺骗它们发送ACK包了。有两种方法可以发送无法到达目标的数据包。简单的方法就是每个主机发送一个SYN给对方，要求应答包不会到达内部网络.如果NAT(防火墙)会将应答包传回给内部网络,通常是发送TCP的reset包(RST)，如果NAT生成RST包，A和B就不能简单地发送一个向图2中SYN给彼此，因为如果这样NA和NB就无法打洞了呵呵，如果NAT不发送RST包，那么这个TCP连接就不会被中断。另外一个发送无法到达目标网络的SYN包的方法是减小TTL值，使它们无法彼此到达。如果用户无法配置防火墙丢弃这个ICMP应答包，或者NAT不继续传送这个ICMP，这个TCP就不会立即关闭。这个解决方案不能使用一种简单的欺骗，因为我们必须保证源地址的SYN包发送者不会没有收到ICMP的RST包，否则会导致中间设备建立错误路由.仅仅依靠SYN包，NAT就可以建立从internet IP和端口到外部IP和端口的路由.由于欺骗的SYN包是错误的源IP(并非发出者X)，这个路由将不会发送到X而是发送到NA或者NB。另外，这种方案都需要设置TTL到足够小，以便于对方的NAT不会收到到各自发出的初始SYN包，否则就无法完成打洞。(图4)
 
 
 

3.3第三种情况
比前两种简单，但是X将无法预见NA或者NB的端口。B将先给X发送一个SYN包告诉以便于X知道它所选用的端口号，然后X将这个信息发送到A，A就可以向这个确定的地址和端口发送SYN，图5是第一种情况的变形:：
1)X向图3一样预测端口，但是它不能预测到NA的下一个端口号，但是可以预测NB的下一个端口号是5000，并且可以通知A和B这个节点已经建立了连接；
2)A和B同步节点X；
3)X可以欺骗A和B；
4)A和B相互发送ACK；
5)X丢弃发给它的ACK,因为它已经可以确认它们已经建立连接。