NAT穿透

NAT穿透也称为UDP打洞，用于让处在不同内网、被NAT隔离的设备能直接建立点对点（Peer to Peer，P2P）连接。

1、NAT介绍

NAT全称Network Address Translation，即网络地址转换协议。起初网络设计者并没有想到互联网能够如此发达，以至于2^32个IPv4地址不够用。针对该问题，设计者给出了两种解决方案，一种就是推行IPv6，但这需要相应的硬件设备支持，且需要一定过渡时间；另一种方案便是使用NAT协议，将IP分为公网IP和内网IP。

根据RFC 1918规定，将内网IP划分为3类。

在局域网中，设备分配内网IP，与外界进行通信时，ISP具有公网IP的路由器会维护一张NAT映射表，最初的NAT只改变IP，而Port不变，但随着发展，出现了PAT（Port Address Translation），即在NAT的基础上添加了端口映射，最终将内网IP:Port映射到路由器公网IP上的某个端口，然后通过这个公网端口与外界进行通信。PAT被视为NAT Overload，通常情况下不会刻意区分这两者，统一称为NAT，具体通信流程如下[1]。

2、NAT穿透与STUN

RFC 3489将NAT分为4类[2]，并定义了早期STUN（Simple Traversal of UDP Through NATs）协议，旨在帮助UDP应用穿越NAT，但后续由于实际网络中NAT行为复杂多变、检测结果极易错误。于是便推出了RFC 5389。

端口限制型与对称型的区别在于，端口限制锥型NAT是所有请求映射到相同的公网IP地址和端口，即改变目的IP:Port时，映射不变，而对称NAT是不同的请求有不同的映射，主要区别是内网源端口映射到公网端口是否随目标地址变化。

判断NAT类型，只需要判断最外层NAT就行。且由于UDP无状态，没有繁杂的ESTABLISHED、LISTENING等状态，UDP端口只要映射出去就能用。

RFC 5389彻底重定义并取代RFC 3489，将STUN定义为Session Traversal Utilities for NAT。它移除所有NAT类型分类逻辑，明确建议应用程序放弃诊断NAT，转而使用ICE协议框架通过实际连通性检查建立连接，从而简化协议、提升可靠性，成为现代WebRTC等P2P系统的基石。但如今涉及到NAT穿透，NAT的四种类型还是会有理论指导作用。

ICE（Interactive Connectivity Establishment，交互式连接建立）是一套“自动试错找路”的协议框架，依赖STUN/TURN，最终让NAT后的两台设备像没NAT一样直连。

RFC 3489的STUN“想太多”，试图诊断NAT类型，结果复杂、错误。
RFC 5389的STUN“回归初心”，只干一件事，安全地告诉你公网映射，然后让ICE去试错选路。

3、NAT穿透与FRP

这里需要区别FRP和NAT打洞的区别，FRP内网穿透是将内网服务映射到公网，而打洞仅仅是想建立两台设备的连接，两种均适用于TCP和UDP，但前者以TCP为主，后者以UDP为主[3]。因为后者即使在Full Cone的情况下，正常情况下，将内网TCP端口映射到公网，其TCP连接状态是ESTABLISHED，也就是以连接发送者的身份出现的，与用frp穿透出去的LISTENING端口不同，其是以服务提供者的身份出现的。而想要将ESTABLISHED状态下的TCP连接目标改变是不可能的，因为TCP连接是有状态的。

针对TCP打洞，有两种方案，第一，协调双方同时交叉发送SYN包，如下图，像极了TCP的彩蛋，理论成立，但现实很难做到。第二种就是通过SO_REUSEADDR实现TCP端口复用，让本地与外部ESTABLISHED的端口同时LISTENING，这样只需要保持ESTABLISHED的连接存活即可，NATMap工具穿透TCP就是利用的这一机制。

References

[1] https://www.networkacademy.io/ccna/network-services/nat-overload-pat
[2] https://info.support.huawei.com/info-finder/encyclopedia/zh/NAT.html
[3] https://blog.csdn.net/dxpqxb/article/details/74942302
[4] https://halc.top/p/bb3a9deb