WebRTC中的NAT穿透

NAT简介

我们知道，WebRTC会按照内网、P2P、中转的顺序来尝试连接。在大部分的情况下，实际是使用P2P或者中转的。这里P2P的场景主要使用的技术就是NAT穿透。

我们先简单了解下NAT。NAT在真实网络中是常见的，它的出现一是为了解决ipv4地址不够用的问题，二是为了网络安全考虑的。

• 首先，让同一个内网中的多台主机共用一个公网ip，可以大大缓解ipv4向ipv6过度期间，ipv4地址不够用的问题。

• 另外，NAT将主机隐藏在内网中，也就使得黑客想访问起来并没有那么容易了。

NAT的规范在RFC 3022中定义，其主要作用就是做网络地址转换。NAT设备（路由器）会在内网地址和外网地址之间建立起映射关系。当内网主机向外网主机发送信息时，NAT会将内网地址替换为映射的外网地址。相对应的，当外网主机向内网主机发生信息时，NAT会将外网地址替换为映射的内网地址。

因为NAT设备的存在，外网主机通常无法直接与内网主机通信。所以在建立P2P连接之前，需要做的就是NAT穿透，也就是俗称的“打洞”。

NAT类型

RFC3489和RFC5389是关于NAT穿透的协议，其中RFC3489中把NAT分成了4个类型。它们对NAT穿透的限制呈递进趋势。

完全锥型

• 完全锥型NAT的规范是，只要内网主机A通过端口p1发出数据包，在NAT上生成了相应的映射表（这个表就是所谓的“洞”）。接收数据包的外网主机能从这个数据包的报文中得到这个映射关系。它可以将这个映射关系告诉其他外网主机，这样任意外网主机发送到这个NAT上端口p1的数据包就都会被转发到内网主机A上。
• 完全锥型NAT的特点就是只要“打洞”成功，所有知道这个“洞”的主机都能通过它和内网主机进行通信。

IP限制锥型

• IP限制锥型NAT的规范相比于完全锥型NAT，限制了外网来的IP。也就是说，只有从内网主机发送数据包的目的IP，发送到这个NAT上端口p1的数据包才会被转发到内网主机A上。
• IP限制锥型NAT的特点就是“打洞成功”后，只有成功“打洞”的外网主机才能通过这个“洞”和内网主机进行通信。其他外网主机即使知道这个“洞”，发来的数据包也回被NAT丢弃。

端口限制锥型

• 端口限制锥型NAT的规范相比于IP限制锥型NAT，除了限制外网来的IP，还要限制端口。也就是说只有从内网主机发送数据包的目的IP和端口，发送到这个NAT上端口p1的数据包才会被转发到内网主机A上。
• 端口限制锥型NAT的特点就是，除了限制了“洞”的外网ip，还限制了“洞”的外网端口。

对称型

• 对称型NAT的规范相比于端口限制锥型NAT，还增加了一条规则。从内网主机A上发到不同的外网主机的数据包经过NAT时，NAT都会为之分配不同的外网端口。
• 对称型NAT的特点就是，内网主机每次发送数据包给不同的外网主机时，都会产生一个新的“洞”。

NAT类型检测

要进行NAT穿透，内网主机首先要知道自己连接的NAT的类型。在RFC3489中给出了标准的检测流程。这个过程需要2台拥有2个网卡的STUN服务器。具体流程如下图所示。

• 主机向1号服务器的某个IP和端口发送一条请求，如果超过超时时间没有收到响应，则说明主机与服务器之间UDP不通。
• 如果收到服务端的响应，则对比本地IP和接收到的响应包中的主机的公网IP。如果这两个IP一致，则说明主机在公网上，没有NAT防护。如果不一致，则需要进一步的NAT类型检测，稍后详述。
• 接下来，主机再次向1号服务器相同的IP和端口发送一条请求，1号服务器在收到请求后，会使用第二个网卡返回响应。如果主机收到了这个响应，则说明它在一个开放的网络上，是一台公网主机。如果主机没有收到这个响应，则说明它在对称型防火墙（可以认为与对称型NAT类似）后面。
• 回到上面进一步的NAT类型检测流程。主机也是向1号服务器相同的IP和端口发送一条请求，1号服务器也会使用第二个网卡返回响应。如果主机收到了这个响应，则说明它在完全锥型NAT后面。
• 如果主机没有收到这个响应，则向2号服务器发送一条请求。主机收到2号服务器的响应后，对比1号服务器返回的响应包中的主机的公网IP和2号服务器返回的响应包中的主机的公网IP，如果不一致，则说明它在一个对称型NAT的后面。如果一致，则需要进一步的检测。
• 主机再次向1号服务器发送一条请求，1号服务器使用相同的IP（即接收请求的IP）和不同的端口返回响应。如果主机收到了这个响应，则说明它在IP限制型NAT后面，如果主机没有收到这个响应，则说明它在端口限制型NAT后面。

NAT穿透流程

在确认完主机所在网络中的NAT类型后，就可以判断是否能进行NAT穿透，以及确认NAT穿透的方法。

一般而言，完全锥型NAT以及IP限制型NAT可以与任何其他类型的NAT互通；两边都是端口限制型NAT的也可以互通；一边是端口限制型NAT，另一边是对称型NAT，或者两边都是对称型NAT的情况下想完成穿透很难，所以这种情况一般会通过TRUN协议进行数据中转。

在WebRTC中通信的双方通过ICE交换了上面获取到的一些网络信息，之后就可以尝试NAT穿透，建立P2P连接了。

假设需要建立P2P通信的双方为主机A和主机B。

• 如果主机A在完全锥型NAT或者IP限制型NAT后，只要主机先往主机B发送一个数据，就会在该NAT上留下“洞”，即使发送的数据被对方的NAT丢弃。后续主机B发往主机A的数据也能通过主机A这边的NAT上的“洞”实现穿透了。总的来说，这种情况下，只要双方不停的发送数据包，且没有某一方的数据包被全部丢弃，就能成功穿透。
• 如果主机A在端口限制型NAT后，而主机B也在端口限制型NAT后，只要双方互相发送数据包则和前面情况一样，可以利用NAT上的“洞”来穿透。
• 主机A在端口限制型NAT后，主机B在对称型NAT后，或者两边都在对称型NAT后，就只能通过服务器中转来通信了。服务器中转的TURN协议在RFC5766中进行了详细的规范。