P2P穿透NAT的原理

NAT俗称网络地址转换，基本NAT都部署在路由器或者交换机上。

为什么需要NAT?

主要还是IP地址的不足，使用少量的公有IP 地址代表较多的私有IP 地址的方式，将有助于减缓可用的IP地址空间的枯竭。用大白话：比如你有一个路由器（家用的那种就可以）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多个设备，每个设备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（并非是代理的中继方式）。

两大类NAT

1. 基本NAT：这种NAT下的私有IP只有少部分（并不是全部）可以和外网通讯。每次这些私有地址向外网发送数据的时候，NAT就会把这个数据报的源地址IP修改成NAT的公网地址（这样接收方以为这个数据报是从NAT发给我的，我后面数据报在会给这个NAT就好了），并在NAT内存下对应的映射关系（端口和内网私有IP的映射）。当NAT收外网的数据报的时候，根据数据报的端口号找到内网的私有IP地址，将这个数据报的目的IP地址修改成内网私有IP地址（整个过程NAT负责了IP地址来回替换，辅助完成了内网机器和外网设备通讯，这里的外网设备有可能也是一个NAT）。如果收到的数据报在映射表中找不到对应映射，这个数据报就会被丢弃。

存在问题：基本的NAT由于不会改动端口信息，当内部2个不同机器（2个不同的私有IP）使用同样的端口会出现映射错误了。

2. NPAT：这类的NAT是在基本NAT基础上演化而来，它不仅修改IP地址还有端口号。基本可以满足NAT内全部的网络访问要求。NAT内的私有IP地址第一次向外网发送数据，NAT会选一个映射表里面还没有被使用过的端口号，然后修改发送数据报的源IP地址和源端口号并发送出去，并把私有IP地址和源端口号，和修改后的端口号映射关系记录下来。之后这个私有IP地址发送数据会首先判别之前是不是已经有这个映射关系，如果有就继续按照映射关系修改数据报。当NAT收到外部的数据，会从映射表找到对应关系。修改数据报的目的IP地址和目的端口号，如果映射表中没有记录这个数据报就会被丢弃了。

解决了基础NAT的端口问题：通过修改端口的可以让NAT内的多个私有IP地址可以使用相同的端口进行通信。因为NPAT更加灵活所以现在基本的NAT技术就是指的NPAT技术。

P2P解决了什么问题?

如果2台机器在同一个NAT下，那么他们可以直接通信了。

情况 1: 如果2台机器有一台在NAT下另一个在外网，那么只能NAT内的私有机器主动链接外网机器，因为外网的机器主动链接内网的机器，NAT映射表并不存在这个数据转发项，这个数据报就被丢弃了。

情况 2： 如果2台机器都在不同的NAT下，那么不管哪一方发起链接请求数据报都不会到达对应的机器。这种情况非常常见。

那么最简单的方式解决上面2个问题：就是在公网部署一台中继服务器，双方机器都链接这台服务器。然后中继服务器帮助这2台服务器转发数据。这种方式最简单也是效率最低的。

到这里P2P正式登场了：比如有下面这样的网络拓扑结构（就是上面情况2）

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如果NAT-A， IP：40.32.5.125和NAT-B， IP：234.12.3.8需要直接通信的话，基本不可能，所以需要做些手段。

假设需要手机（图中）建立TCP链接到电脑（图中）需要如下手续：

**1. **由被链接方发送数据报（可以是UDP甚至是TCP的SYNC握手包）

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绿色线表示了数据报流动的方向

图中电脑给NAT-A IP:40.32.5.125 / 端口：4553 发出了一个数据报，这个数据报在经过NAT-B的时候源IP地址被修改成了NAT-B的IP地址234.12.3.8，源端口被修改成了678。这个数据报在到达NAT-A的时候，在映射表中找不到678端口对应的内部私有IP的映射。所以这个数据报一定会被NAT-A丢弃掉。但是经过这次数据报发送，在NAT-B的映射表里面就会标记40.32.5.125：4553我已经发送过数据过去了，那么后面只要从这个地址发送来的数据报，我就可以转发到内网正确的设备上面。

**2. **完成第一步后，链接方可以发起数据请求

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这个时候有图中手机发送给234.12.3.8:678的数据，数据到达NAT-B后，就不会被拦截。数据报会被正确的转发到图中电脑上。同样这步完成后NAT-A也标记了映射（和第一步相同）。之后所有从NAT-B发出的数据就可以顺利的通过NAT-A的转发。从而完成了手机和电脑的链接。

Tip: 由于P2P在穿透的过程中需要互相知晓对方当前的状态，还有通过NAT之后的端口。所以还需要一个在公网的服务器作为协调服务器，一旦完成了协调工作后，这个服务器的就不参与数据交换了。

跨ISP性能问题

p2p可以合理的利用互联网的资源，比如两个人视频聊天。完全可以通过p2p打穿NAT后互发数据（QQ就是这么办的）。但是有的时候设备之间的直连性能很差，比如:电信的用户和移动的用户视频。这个问题是ISP厂商之间的过渡带宽太窄，就算是设备直连但是依旧速度不快。所以这里情况下需要自己搭建服务器中继（中继也不是完全无作用）。这个服务器就是网关的作用，一般有多个网卡。不同的网卡对接不同的ISP厂商，然后互相转发。

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