《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。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，通過隱藏內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)IP地址。NAT的工作過程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)中的一個私有IP地址映射到公網(wǎng)上的一個固定公有IP地址。2動態(tài)NAT將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的私有IP地址映射到公網(wǎng)上的一個動態(tài)分配的公有IP地址。3網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換(NAPT)將多個私有IP地址和端口映射到公網(wǎng)上的同一個公有IP地址的不同端口。靜態(tài)NAT固定映射每個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)主機(jī)都與一個特定的外部IP地址關(guān)聯(lián)，建立一對一的映射關(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)用場景，例如服務(wù)器或特定設(shè)備。動態(tài)NAT地址池動態(tài)NAT使用一個預(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)首次訪問外部網(wǎng)絡(luò)時，NAT設(shè)備會從地址池中分配一個可用的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，NAT設(shè)備會釋放分配的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允許多個內(nèi)部主機(jī)共享同一個公網(wǎng)IP地址。端口映射每個內(nèi)部主機(jī)被分配一個唯一的端口號，以便區(qū)分不同的連接請求。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，在某些場景下，NAT會阻礙網(wǎng)絡(luò)通信，例如：點(diǎn)對點(diǎn)通信：當(dāng)兩個設(shè)備位于不同的NAT后面時，它們無法直接建立連接。P2P應(yīng)用：P2P應(yīng)用需要直接連接，NAT會阻礙其正常工作。實(shí)時通信：實(shí)時通信需要低延遲，NAT會引入額外的延遲。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。此方法簡單易行，但存在地址資源有限、安全性較低等問題。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，但無法直接連接。步驟2客戶端通過中介服務(wù)器，向外部服務(wù)器發(fā)送連接請求。步驟3中介服務(wù)器將請求轉(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)器通過中介服務(wù)器建立連接，完成通信。STUN協(xié)議原理1NAT檢測STUN客戶端發(fā)送請求到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)議流程客戶端請求客戶端向STUN服務(wù)器發(fā)送一個請求，以獲取其公網(wǎng)IP地址和端口號。服務(wù)器響應(yīng)STUN服務(wù)器接收到客戶端請求后，會返回一個響應(yīng)，其中包含客戶端的公網(wǎng)IP地址和端口號。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無法穿越對稱NAT對稱NAT會隨機(jī)分配端口，導(dǎo)致STUN無法確定公網(wǎng)IP地址和端口。2無法穿越多層NAT當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在多層NAT時，STUN無法穿透所有NAT層，無法獲取公網(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，它提供了一個中繼服務(wù)，允許來自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，然后通過服務(wù)器建立與另一個客戶端的連接。3數(shù)據(jù)傳輸所有數(shù)據(jù)都通過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客戶端請求發(fā)起TURN連接請求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)和策略來克服NAT問題。連接ICE框架會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ICE框架會嘗試在每個端點(diǎn)之間建立連接，它會通過測試候選對（兩個端點(diǎn)之間的候選組合）來識別最佳路徑。ICE代理在某些情況下，ICE框架可能需要使用ICE代理來幫助建立連接，尤其是在穿越NAT或者防火墻時?？刂仆ǖ繧CE框架使用控制通道（通常是基于STUN/TURN協(xié)議）來協(xié)商候選、進(jìn)行連接測試和管理連接。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)先級對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適合簡單的應(yīng)用場景，如點(diǎn)對點(diǎn)通信。2TURN適用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供中繼服務(wù)，但會增加延遲。3ICE綜合考慮各種因素，自動選擇最優(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STUN服務(wù)器建立直接連接，繞過NAT限制適用于簡單場景，但無法處理復(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)一個中介，允許客戶端繞過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?；贗CE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。連接測試ICE框架通過連接測試來驗(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)本身并沒有直接解決NAT穿透問題。它依賴于STUN、TURN和ICE等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)跨越NAT的連接。WebRTC使用ICE框架自動檢測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