《穿越NAT的技術(shù)》課件

穿越NAT的技術(shù)NAT基本原理NAT是網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NetworkAddressTranslation)的縮寫(xiě)。NAT技術(shù)用于將私有網(wǎng)絡(luò)中的IP地址轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)IP地址。NAT提供了安全性，通過(guò)隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)IP地址。NAT的工作過(guò)程1數(shù)據(jù)包到達(dá)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包到外部網(wǎng)絡(luò)2地址轉(zhuǎn)換NAT設(shè)備將內(nèi)部主機(jī)的IP地址替換為自己的公網(wǎng)IP地址3數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)NAT設(shè)備將修改后的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)4數(shù)據(jù)包返回外部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)包到NAT設(shè)備5地址反向轉(zhuǎn)換NAT設(shè)備根據(jù)端口信息將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部主機(jī)NAT類型1靜態(tài)NAT將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)私有IP地址映射到公網(wǎng)上的一個(gè)固定公有IP地址。2動(dòng)態(tài)NAT將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的私有IP地址映射到公網(wǎng)上的一個(gè)動(dòng)態(tài)分配的公有IP地址。3網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換(NAPT)將多個(gè)私有IP地址和端口映射到公網(wǎng)上的同一個(gè)公有IP地址的不同端口。靜態(tài)NAT固定映射每個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)都與一個(gè)特定的外部IP地址關(guān)聯(lián)，建立一對(duì)一的映射關(guān)系。安全可靠由于IP地址固定，可有效提升安全性，并方便網(wǎng)絡(luò)管理。資源分配適用于需要固定外部IP地址的應(yīng)用場(chǎng)景，例如服務(wù)器或特定設(shè)備。動(dòng)態(tài)NAT地址池動(dòng)態(tài)NAT使用一個(gè)預(yù)定義的IP地址池，用于分配給內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)。地址分配當(dāng)內(nèi)部主機(jī)首次訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，NAT設(shè)備會(huì)從地址池中分配一個(gè)可用的IP地址給該主機(jī)。地址釋放當(dāng)主機(jī)不再連接到外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，NAT設(shè)備會(huì)釋放分配的IP地址，以便其他主機(jī)可以重用它。網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換(NAPT)地址復(fù)用NAPT允許多個(gè)內(nèi)部主機(jī)共享同一個(gè)公網(wǎng)IP地址。端口映射每個(gè)內(nèi)部主機(jī)被分配一個(gè)唯一的端口號(hào)，以便區(qū)分不同的連接請(qǐng)求。節(jié)省IP地址NAPT是節(jié)省公網(wǎng)IP地址資源的一種有效手段。穿越NAT的必要性NAT是一種廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以有效地隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的IP地址，提高網(wǎng)絡(luò)安全性和資源利用率。然而，在某些場(chǎng)景下，NAT會(huì)阻礙網(wǎng)絡(luò)通信，例如：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信：當(dāng)兩個(gè)設(shè)備位于不同的NAT后面時(shí)，它們無(wú)法直接建立連接。P2P應(yīng)用：P2P應(yīng)用需要直接連接，NAT會(huì)阻礙其正常工作。實(shí)時(shí)通信：實(shí)時(shí)通信需要低延遲，NAT會(huì)引入額外的延遲。直接連接NAT設(shè)備直接連接到NAT設(shè)備，并使用NAT設(shè)備的公共IP地址訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)。NAT設(shè)備負(fù)責(zé)將內(nèi)部私有IP地址轉(zhuǎn)換為外部公共IP地址。此方法簡(jiǎn)單易行，但存在地址資源有限、安全性較低等問(wèn)題。中介服務(wù)器連接NAT步驟1內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的客戶端嘗試連接外部網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器，但無(wú)法直接連接。步驟2客戶端通過(guò)中介服務(wù)器，向外部服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求。步驟3中介服務(wù)器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給外部服務(wù)器，并將響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)回客戶端。步驟4客戶端和服務(wù)器通過(guò)中介服務(wù)器建立連接，完成通信。STUN協(xié)議原理1NAT檢測(cè)STUN客戶端發(fā)送請(qǐng)求到STUN服務(wù)器2地址映射STUN服務(wù)器返回客戶端的公網(wǎng)IP地址和端口3通信路徑客戶端根據(jù)獲取的信息，建立與其他客戶端的連接STUN協(xié)議流程客戶端請(qǐng)求客戶端向STUN服務(wù)器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，以獲取其公網(wǎng)IP地址和端口號(hào)。服務(wù)器響應(yīng)STUN服務(wù)器接收到客戶端請(qǐng)求后，會(huì)返回一個(gè)響應(yīng)，其中包含客戶端的公網(wǎng)IP地址和端口號(hào)。客戶端驗(yàn)證客戶端使用收到的信息，驗(yàn)證自己是否在NAT后面，并確定NAT的類型。STUN協(xié)議局限性1無(wú)法穿越對(duì)稱NAT對(duì)稱NAT會(huì)隨機(jī)分配端口，導(dǎo)致STUN無(wú)法確定公網(wǎng)IP地址和端口。2無(wú)法穿越多層NAT當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多層NAT時(shí)，STUN無(wú)法穿透所有NAT層，無(wú)法獲取公網(wǎng)IP地址。3依賴UDP協(xié)議STUN基于UDP協(xié)議，某些NAT設(shè)備可能不支持UDP穿透。TURN協(xié)議原理1中繼服務(wù)器TURN服務(wù)器充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有參與者之間的中介，它提供了一個(gè)中繼服務(wù)，允許來(lái)自NAT后面的設(shè)備進(jìn)行通信。2連接建立客戶端首先連接到TURN服務(wù)器，然后通過(guò)服務(wù)器建立與另一個(gè)客戶端的連接。3數(shù)據(jù)傳輸所有數(shù)據(jù)都通過(guò)TURN服務(wù)器傳輸，它將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)客戶端。TURN協(xié)議流程1客戶端請(qǐng)求發(fā)起TURN連接請(qǐng)求2服務(wù)器響應(yīng)分配TURN服務(wù)器地址和端口3數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端通過(guò)TURN服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸4連接維護(hù)TURN服務(wù)器保持連接并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)TURN協(xié)議優(yōu)勢(shì)安全性TURN服務(wù)器提供安全連接，保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸?？煽啃訲URN服務(wù)器可以保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，即使網(wǎng)絡(luò)狀況不佳。性能TURN服務(wù)器可以優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速度，提高應(yīng)用性能。ICE框架概述協(xié)商ICE框架的主要功能是為兩個(gè)通信實(shí)體之間建立可靠的連接提供一套機(jī)制。它利用了多種技術(shù)和策略來(lái)克服NAT問(wèn)題。連接ICE框架會(huì)嘗試多種可能的連接方式，包括直接連接、中介服務(wù)器連接等，以找到最佳的連接路徑。兼容ICE框架支持多種網(wǎng)絡(luò)類型，包括IPv4和IPv6，并能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。ICE框架組成部分候選ICE框架中，每個(gè)端點(diǎn)（例如，WebRTC應(yīng)用程序）都包含一組稱為候選的IP地址和端口。候選對(duì)ICE框架會(huì)嘗試在每個(gè)端點(diǎn)之間建立連接，它會(huì)通過(guò)測(cè)試候選對(duì)（兩個(gè)端點(diǎn)之間的候選組合）來(lái)識(shí)別最佳路徑。ICE代理在某些情況下，ICE框架可能需要使用ICE代理來(lái)幫助建立連接，尤其是在穿越NAT或者防火墻時(shí)?？刂仆ǖ繧CE框架使用控制通道（通常是基于STUN/TURN協(xié)議）來(lái)協(xié)商候選、進(jìn)行連接測(cè)試和管理連接。ICE框架工作流程候選地址收集ICE框架首先收集所有可能的通信地址，包括本地IP地址、公網(wǎng)IP地址以及STUN和TURN服務(wù)器地址。候選地址排序ICE框架根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)收集到的候選地址進(jìn)行排序，優(yōu)先選擇直接連接的地址，其次是STUN服務(wù)器地址，最后是TURN服務(wù)器地址。連接嘗試ICE框架按照排序后的順序依次嘗試連接候選地址，直到成功建立連接為止。連接成功如果連接嘗試成功，ICE框架會(huì)通知應(yīng)用程序使用該連接進(jìn)行通信。NAT穿透技術(shù)選型1STUN適合簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。2TURN適用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供中繼服務(wù)，但會(huì)增加延遲。3ICE綜合考慮各種因素，自動(dòng)選擇最優(yōu)方案?；赟TUN的NAT穿透STUN協(xié)議用于發(fā)現(xiàn)公網(wǎng)IP地址和端口通過(guò)STUN服務(wù)器建立直接連接，繞過(guò)NAT限制適用于簡(jiǎn)單場(chǎng)景，但無(wú)法處理復(fù)雜NAT情況基于TURN的NAT穿透TURN服務(wù)器TURN服務(wù)器充當(dāng)一個(gè)中介，允許客戶端繞過(guò)NAT限制進(jìn)行直接通信。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)客戶端將數(shù)據(jù)發(fā)送到TURN服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)客戶端。基于ICE的NAT穿透ICE框架ICE框架是一種用于處理NAT穿透的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。它通過(guò)協(xié)商最佳的傳輸路徑，允許客戶端之間建立連接。候選地址ICE框架收集各種候選地址，包括公網(wǎng)地址、私網(wǎng)地址和中繼服務(wù)器地址，以找到最佳的連接路徑。連接測(cè)試ICE框架通過(guò)連接測(cè)試來(lái)驗(yàn)證不同候選地址之間的連通性，并選擇最優(yōu)的連接路徑。WebRTC中的NAT穿透WebRTC技術(shù)本身并沒(méi)有直接解決NAT穿透問(wèn)題。它依賴于STUN、TURN和ICE等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)跨越NAT的連接。WebRTC使用ICE框架自動(dòng)檢測(cè)和嘗試各種連接方式，包括直接連接、STUN中繼和TURN中繼，最終建立可靠的連接。WebRTC架構(gòu)概述1信令用于建立和控制WebRTC連接，包括協(xié)商媒體類型、連接參數(shù)和傳輸方式。2媒體負(fù)責(zé)音頻和視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼、傳輸和解碼，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)音視頻通話。3數(shù)據(jù)通道提供除媒體之外的額外數(shù)據(jù)傳輸通道，用于發(fā)送控制信息或其他應(yīng)用程序數(shù)據(jù)。WebRTC信令流程1發(fā)起連接瀏覽器A發(fā)起連接請(qǐng)求2SDP協(xié)商交換媒體信息3連接建立建立媒體連接WebRTC媒體協(xié)商流程1SDP協(xié)商雙方交換SessionDescriptionProtocol(SDP)信息，描述自身支持的媒體類型、編碼格式、分辨率等。2能力匹配雙方根據(jù)SDP信息匹配各自的能力，選擇最佳的媒體參數(shù)組合。3媒體傳輸最終確定媒體類型