穿越NAT的迷霧：深入理解網絡地址轉換和NAT穿透，以及STUN、TURN、ICE的關系
NAT是什么?
NAT是Net Address Translation的縮寫，即網絡地址轉換。
NAT部署在網絡出口的位置，位于內網跟公網之間，是連接內網主機和公網的橋梁，雙向流量都必須經過NAT，裝有NAT軟件的路由器叫NAT路由器，NAT路由器擁有公網IP。
你的家庭和辦公網絡環境大多是經過NAT路由中轉的方式聯網。這也意味著你在家PC通過WIFI聯網，你在PC上通過命令行(ifconfig)查看到的IP地址(內網)，跟通過baidu查看到的IP地址(公網)，不一樣，這也能證明你的PC處于NAT后面。
NAT解決什么問題?
NAT主要用來解決IPv4地址不夠用的問題。
IPv4用32位表示網絡地址，最大能表示2的32次方(2^32=40億)個IP地址，但隨著各種聯網設備的快速增長，IPv4地址不夠用了，IPv6又遠水不解近渴，怎么辦?NAT技術應運而生。
NAT是怎么工作的?
內網地址：RFC1918規定了三個保留地址段落：
- 10.0.0.0-10.255.255.255;
- 172.16.0.0-172.31.255.255;
- 192.168.0.0-192.168.255.255。
這三個范圍分別處于A、B、C類的地址段，不向特定的用戶分配，被IANA作為私有地址保留。這些地址可以在任何組織或企業內部使用，和其他Internet地址的區別就是，僅能在內部使用，不能作為全球路由地址。
NAT后面的內網主機使用內網地址，也叫本地地址，是主機上內網上的標識。內網主機要跟公網通信，必須經過NAT中轉，NAT會自動為經過的網絡包做內外網地址轉換(這也是NAT的含義)，公網地址是主機在互聯網上的標識。
NAT原理：內網主機向外網主機發送的網絡包，在經過NAT時，IP和PORT會被替換為NAT為該主機分配的外網IP/PORT，也就是該內網主機在NAT上的出口IP/PORT，外網主機收到該網絡包后，會視該網絡包是從NAT發送的;外網主機只能通過NAT為該內網主機分配的外網IP/PORT，向它發送網絡包，內網主機的本地地址對外界不可見，網絡包在經過NAT的時候，會被NAT做外網IP/PORT到內網IP/PORT的轉換。
可見，NAT維護內網主機內網地址和在NAT上為它分配的外網地址之間的映射關系，需要維護一張關聯表。NAT在兩個傳輸方向上做兩次地址轉化，出方向做源(Src)信息替換，入方向做目的(Dst)信息替換，內外網地址轉換是在NAT上自動完成的。NAT網關的存在對通信雙方是透明的。
那NAT是如何緩解IPv4地址枯竭問題的呢?答案是端口多路復用，通過PAT(Port Address Translation)，讓NAT背后的多臺內網主機共享一個外網IP，最大限度節省外網IP資源。
NAT背后的多臺內網主機是如何實現共享一個外網IP的呢?它是通過修改外出數據包的源IP和端口。
假設內網主機H1和H2位于NAT之后，H1通過本地地址10.0.0.1:port1給公網主機X發送數據包，在經過NAT的時候，該數據包的IP:PORT被修改為NAT的外網地址1.2.3.4:2222。
H2通過本地地址10.0.0.2:port2向公網主機X發送數據包，在經過NAT的時候，該數據包的ip:port被修改為NAT的外網1.2.3.4:3333。
雖然H1和H2的IP都被映射到了相同的NAT外網IP(1.2.3.4)，但NAT為它們分配了不同的端口(2222和3333)，所以可以通過端口區分H1和H2。之后公網主機X向內網主機H1發送網絡包的時候，只需要把1.2.3.4:2222作為目標地址:端口，就可以由NAT自動完成轉換，正確轉交到H1主機。
這便是基于端口復用的NAT方式(NPAT)的工作原理。通過將內網不同連接(主機到NAT)映射到同一公網IP的不同端口，從而實現公網IP的復用和解復用，這種一對多的方式也叫做端口轉換PAT或IP偽裝。
NAT的約束
NAT把網絡分為公網和內網，內網主機可以給外網主機直接發送網絡包，而外網主機卻不能主動給內網主機發送網絡包，也就是說網絡通信必須由內網側主動發起，公網主機不能主動訪問內網主機，這是NAT帶來的限制和約束。
內網主機主動給外網主機發送過網絡包之后，外網主機才有可能給內網主機發送網絡包。
NAT的類型
NAT的實現方式分靜態轉換、動態轉換和端口多路復用三種，但目前用的最多的還是端口多路復用，是最典型的一種應用模式。
首先，從大的層面上，端口復用型NAT(Net Address Port Translation)可以分為對稱型NAT和非對稱型NAT。
- 對稱型NAT(Symmetric NAT)，內網某主機向公網的不同網絡地址(或端口)發送2個不同的網絡包，對稱型NAT會為這2個不同的網絡包產生2個不同出口端口號。換言之，NAT網關會把內部主機“地址端口對”和外部主機“地址端口對”完全相同的報文看作一個連接，在NAT網關上創建一個公網“地址端口對”作為出口地址，只有收到報文的外部主機從對應的端口對發送回應的報文，才能被轉換。對稱型NAT無法打洞，只能通過TURN Server轉發。
- 非對稱型NAT(也叫錐型NAT)，內網某主機向外網主機發送網絡包，NAT會為該內網主機生成一個公網(出口)IP:PORT，之后，不管該內網主機會通過該出口IP:PORT跟外網所有(如果可以)主機通信，而不會被映射到其他端口(出口IP顯然也不會變)。
錐型NAT細分：
- Full Cone NAT(全錐型NAT)：只要內網某主機給外網地址主動發送過一個網絡包(NAT會為之生成公網出口IP:PORT)，外網任何主機都可以通過該內網主機在NAT上的出口IP:PORT，向該內網主機發送網絡包，也就是對外網主機IP和PORT都不設限，這是最寬松的類型。
- Restricted Cone NAT(IP受限型NAT)：如果內網某主機，給外網某IP發送過一個網絡包，則外網可以通過該IP向該內網主機發送網絡包，注意，只要以該IP作為網絡包src ip就行，其他IP作為src不行，不限制端口號。
舉個例子，內網主機10.0.0.1給外網1.2.3.4:2222主動發過網絡包，外網主機可以通過1.2.3.4:3333(作為src)向內網主機10.0.0.1發送網絡包，端口號不限，但不能通過其他ip向內網主機發送網絡包。
- Port Restricted Cone NAT(Port受限型NAT)：跟IP受限類似，但是它更嚴格，既限制IP，又限制端口號。內網主機給外網主機10.0.0.1:2222發送過網絡包，外網只能以10.0.0.1:2222為src，向內網主機發送網絡包。
NAT類型檢測
NAT隔離內外網，外網不能主動訪問內網，但P2P項目，需要位于NAT后的主機(Peer)建立連接，所以需要檢測NAT類型，再判斷Peer之間能否直接建立連接，以及怎么建立連接。
檢測NAT類型主要是利用上述NAT特點，通過測試連通性和比對端口號來實現目的，所以要搞清楚類型檢測，必須對照NAT類型定義來看。
另外，重復一下：NAT后的主機給外網發網絡包，網絡包在經過NAT的時候，NAT會為該主機分配出口IP:PORT，NAT會用該公網(出口)IP:PORT替換網絡包的SRC，這樣，接收端收到包之后，查閱包的src信息，會得到NAT出口IP:PORT，如同該包是直接從NAT發送過來的一樣。
NAT類型檢測的前提條件：需要有一臺位于公網的服務器(server)，且該server擁有2個公網IP地址，并在ip1:port1和ip2:port2做監聽。
注意：檢測步驟中的server通過ip:port向client回包，是指server回包的時候，會把ip:port設置為rsp包的src ip和src port。
檢測的步驟：
【步驟1】判斷client是否位于NAT后面
很簡單，位于NAT后面的主機跟公網通信要做內外網地址轉換，兩個IP不一樣。所以，可以通過以下操作完成：
- client向server ip1:port1發送一個req UDP包。
- server收到udp包之后，從IP頭部取出src IP，從UDP頭部取出src PORT，作為rsp UDP的payload，發送給client。
- client收到rsp UDP，取出payload里的IP和PORT，跟自己的IP對比，如果相同，則client位于公網，擁有公網IP，檢測完成;否則，client位于NAT背后。
【步驟2】判斷是否全錐型Full Cone NAT
client向server ip1:port1發送一個req UDP包，請求server通過ip2:port2(以ip2:port2作為rsp UDP的src)向client回UDP包。
根據全錐型NAT的定義，如果client收到了rsp UDP，那說明NAT對外網發包IP都不限制，說明client是全錐型NAT。但全錐型NAT很少，大概率收不到rsp UDP包，如果收不到，則需要繼續判斷。
【步驟3】判斷是否對稱型 Symmetirc NAT
client向server ip2:port2發送一個req udp。server收到后，把收到的req udp的src ip和src port取出來，塞進rsp UDP的payload字段，通過ip2:port2(以ip2:port2作為rsp UDP的src)向client回UDP包。
收到的rsp UDP之后，取出payload中的ip和port，跟步驟1中的ip和port對比，如果不一樣，則是對稱型NAT。
因為根據前面的定義，對稱型NAT，會為同一內網IP，根據不同的外網IP，分配不同的NAT出口PORT。
如果一樣，那么肯定是錐型NAT，步驟2已經測試了全錐型，那剩下的就只有ip受限錐型和port受限錐型兩種NAT類型需要繼續判斷了。
【步驟4】判斷是受限錐型Restricted Cone還是PORT受限錐型
client向server ip2:port2發送一個req udp，要求server用ip2、且不同于port2的端口向client回rsp udp。就是用ip2+不同于port2的其他port作為udp的src向client回包。
如果client能收到rsp udp，那說明只要ip相同，哪怕port不相同，NAT也放行，所以NAT是IP受限型;如果沒收到，那就是PORT受限型，說明只能通過port2回包。
至此，所有的NAT類型便都檢測出來了，是不是很簡單?
對稱型NAT不能直接建立P2P連接，只能通過中轉服務器relay包。
未完待續。
太長了，后面講打洞、STUN、TURN、ICE。
