NAT与UPNP技术学习笔记

本文内容主要整理自胡军、周剑扬、师佳三位老师的论文《P2P 网络中 UPnP 穿越 NAT 的研究与实现》，并结合个人理解进行排版优化，仅供学习使用。

0. 引言

在 IPv4 的地址空间日益紧张的背景下，网络地址转换（NAT）技术被广泛应用以实现 IP 地址的重用。这虽然缓解了地址枯竭问题，但也给 P2P (Peer-to-Peer) 应用带来了巨大的通信障碍：

1. 单向访问：位于 NAT 后面的内网节点（拥有私有 IP）可以主动访问公网，但公网节点无法主动访问内网节点。
2. 服务限制：内网节点无法作为服务端为公网提供服务。

为了解决这些问题，学术界和工业界提出了多种 NAT 穿越方案，如服务器转发、反向连接以及 UDP 打洞等。本文将重点介绍一种利用 UPnP (Universal Plug and Play) 技术，通过其自动端口映射 (Auto-Port-Mapping) 功能来实现 NAT 穿越的方案。

1. UPnP 穿越 NAT 的原理与实现

1.1 核心原理

UPnP 穿越 NAT 的核心思想是：在 NAT 设备上动态地创建一个临时的”端口转发”规则。

具体流程如下：

1. 内网的客户端程序通过 UPnP 协议，请求其所在的 NAT 设备（通常是路由器）将某个公网端口（如 8081）的所有流量，转发到该客户端的内网 IP 和指定端口（如 192.168.1.100:8080）。
2. 客户端将这个成功映射的公网 IP 和端口（公网IP:8081）注册到一个公网服务器上。
3. 当另一个 P2P 节点（例如节点 B）想要与这个客户端（节点 A）通信时，它从公网服务器获取节点 A 注册的公网地址信息。
4. 节点 B 直接向节点 A 的 公网IP:8081 发送数据，NAT 设备会根据之前创建的映射规则，自动将数据转发给内网的节点 A，从而实现穿越。

1.2 自动端口映射的程序设计

根据 UPnP 规范，实现自动端口映射主要涉及以下几个步骤：

1. 发现 (Discovery)

   • 客户端向 UPnP 的标准多播地址 239.255.255.250:1900 发送一个 M-SEARCH 查找请求。
   • 网络中支持 UPnP 的 NAT 设备（路由器）会响应这个请求，并回复一个包含设备描述文件 URL 的消息。

2. 描述 (Description)

   • 客户端通过上一步获取的 URL，下载一个 XML 格式的设备描述文件。
   • 解析这个 XML 文件，可以得到设备的详细信息，包括设备类型、服务列表以及最重要的——控制 URL。

3. 控制 (Control)

   • 客户端向第二步获取的控制 URL 发送一个遵循 SOAP 协议的 XML 控制消息。
   • 通过发送不同的控制消息，可以实现端口映射的增加 (AddPortMapping)、删除 (DeletePortMapping) 或查询 (GetPortMapping) 等操作。

原论文作者将这些功能用 C++ 封装成了一个名为 upnpd.dll 的动态链接库，以便于客户端程序调用。

2. 系统两端的程序设计

2.1 服务器端

服务器在整个方案中扮演”中间人”的角色，其功能相对简单：

• 记录所有客户端登录时注册的公网端口映射信息。
• 处理客户端的登录、登出请求。
• 响应客户端获取其他在线用户列表的请求。
  这种方式极大地减轻了服务器的负担，避免了在服务器上直接转发所有 P2P 流量，节约了服务器资源和带宽。

2.2 客户端

客户端的功能则相对复杂：

1. 启动后，创建一个本地 Socket 并绑定到固定端口（如 8080）。
2. 连接公网服务器，并从服务器获取经过 NAT 转换后的公网 IP 和端口（如 公网IP:8081）。
3. 判断自身是否位于 NAT 之后。如果是，则调用 AddPortMapping 函数，请求路由器将公网端口 8081 映射到内网端口 8080。
4. 通过 Getu 命令从服务器获取在线用户列表。
5. 通过 Send 命令与其他客户端直接通信。
6. 退出时，通过 Exit 命令调用 DeletePortMapping 函数，删除之前建立的端口映射。

3. 结论

使用 UPnP 的自动端口映射功能进行 NAT 穿越，是一种高效且可靠的 P2P 通信方案。它适用于客户端位于单个 NAT 之后的多种网络情况。

此方案建立的端口映射通常是静态的，即使用户在一段时间内没有数据收发，映射关系也不会被 NAT 设备自动收回。这保证了 P2P 连接的稳定性和可靠性，是实现真正意义上直接通信的关键。

4. 参考文献

1. UPnP 论坛贡献成员. PnP 设备架构[S]. UPnP 标准组织委员会, 2000: 2-11.
2. 林丽闽, 别红霞等译. 标准 C++宝典[M]. 北京: 电子工业出版社, 2001.
3. Bryan Ford, Pyda Srisuresh, Dan Kegel. Peer-to-Peer(P2P) Communication Across Network Address Translators(NATs) [DB/OL]. 2004-12-12.
4. 李河, 王树明. P2P 网络中使用 UDP 穿越 NAT 的方法研究[J]. 吉林大学学报(信息科学版), 2003, 21(3).
5. 刘扬, 董开坤, 刘杨, 迟乐军. 对等网络中穿越 NAT 解决方案的研究[J]. 计算机工程与设计, 2008, 6(29).

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