2008年9月8日随笔档案 - Tzot

2008年9月8日

UPNP的全称是 Universal plug-and-play( 通用即插即用).UPnP 是针对智能家电、无线设备以及各种外观尺寸的个人电脑的普遍对等（peer-to-peer）网络连接而设计的一种架构。它旨在为家庭、小型企业、公共场所中或连接到互联网的ad-hoc 网或未管理网络提供易于使用、灵活且基于标准的连接。(引自这里.)

　　我们这里用到的自动端口映射只是UPNP的一个小应用。按照UPNP的相关规范，UPNP网络的第０步是寻址（获得一个IP地址，在我要解决的问题中这不是一个问题。）　　　　　　　
第１步是发现，控制点在网上搜索感兴趣的设备，而设备向网络中的控制点宣告其服务。对于自动端口映射来说就是发现带UPNP功能的路由器。
发现这个过程主要有两步。第一，使用数据报套接字向239.255.255.250:1900，发送一条多播请求，格式如下

M-SEARCH * HTTP/1.1
HOST: 239.255.255.250:1900
MAN:"ssdp:discover"
MX:3
ST:UPnP:rootdevice

这个多播请求的含义如下：M-SEARCH SSDP协议定义的搜索请求方法。HOST必须是这个多播地址。MAN的值也必须是"ssdp:discover" 不可少了双引号。MX的含义是最长等待时间，可以自己设置。ST表示search target 搜索目标。我们在这里用找根设备。另外在编程中我们要在每一行后面加上"rn" 表示换行。（详见源码 UPNPNAT.discovery()).

第二步，如果你的网络存在一个UPNP设备的话，为了被找到，设备必须向发送查找请求的多播通道的源 IP 地址与端口发送响应信息。所以你可以从239.255.255.250:1900这个地址接收到响应消息。类似下面的消息。

HTTP/1.1 200 OK
CACHE-CONTROL: max-age=100
DATE: Sun, 15 Jan 2006 06:51:02 GMT
EXT:
LOCATION: http://192.168.14.1:1900/igd.xml
SERVER: TP-LINK Wireless Router WR541G/5, UPnP/1.0
ST: upnp:rootdevice
USN:uuid:upnp-InternetGatewayDevice-192168141678900001::upnp:rootdevice

接下来我们要从里面获得我们要的消息。首先，我们必须找到" 200 OK ",说明没有错误发生，否则一切免谈。接着，我们要找到LOCATION项，获得设备描述URL。（程序中的处理归根到底就是一个子字符的查找。）

       到这里，我们的第一步“发现”完成。
   第２步是描述。在第１步中我们往往能获得一个设备的描述URL,在第２步中我们要通过一个URL，下载一个XML文件。并从中找到有关设备的类型，服务类型，控制URL,事件触发URL等。
我们同样分两步进行，首先下载设备描述文件。（请看源码中UPNPNAT::get_description()函数）
    1.解析描述文件的URL，获得主机(host)、端口(port)、路径(path).(parseUrl函数)
    2.连接到host:port (tcp_connect 函数)
    3.构造类似

GET path HTTP/1.1
Host: host:port

的信息（第二行下要一个空行），并通过刚才的TCP 套接字，发送到路由器。（sprintf ,send 函数).

4.接收数据，我使用flag为 MSG_WAITALL的recv函数，函数一直阻塞直到数据全部读完。数据最终保存在std::string description_info中。

我想通过浏览器下载这个文件的过程是类似的吧。

然后，解析这个XML文件。（请看源码中UPNPNAT:: parser_description()函数）

我们找到"root"的"deviceType"是"urn:schemas-upnp-org:device:InternetGatewayDevice:1"的"device" childNode ,获得这个"device"的"deviceList",记为A。

找到A的"deviceType"是"urn:schemas-upnp-org:device:WANDevice:1"的"device" childNode ,获得这个"device"的"deviceList",记为B。

找到B的"deviceType"是"urn:schemas-upnp-org:device:WANConnectionDevice:1"的"device" childNode ,获得这个"device"的"serviceList",记为C。

找到C的"serviceType"是"urn:schemas-upnp-org:service:WANIPConnection:1" 或"urn:schemas-upnp-org:service:WANPPPConnection:1" 的"service" childNode ,记为D.
获得D的"controlUrl"保存在std::string control_url中。

但是这里获得control_url一般为相对URL,所以要从"root"下面，找到"URLBase"的值，（如果是空，则用describe_url的"htpp://xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx"部分代替.)

最后在相对的control_url前加上URLBasr 获得完整的control_url.

至此，第二步“获得控制URL”完成。

第３步是控制。通过第２步获得的控制URL，通过向其发送控制消息（同样用XML描述）来实现某些功能。对于自动端口映射来说就是查看、增加、删除等。
在这里我先把各种控制信息的格式说明一下。（下面的rn都是表示换行，我输入不了反斜杠。）

增加端口映射。 "AddPortMapping"
"<NewRemoteHost></NewRemoteHost>rn"                              "<NewExternalPort>ExternalPort</NewExternalPort>rn"                               "<NewProtocol>Protocol</NewProtocol>rn"                                      "<NewInternalPort>InternalPort</NewInternalPort>n"
"<NewInternalClient>InternalClient</NewInternalClient>rn"
"<NewEnabled>1</NewEnabled>rn"
"<NewPortMappingDescription>PortMappingDescription"       "</NewPortMappingDescription>rn"
"<NewLeaseDuration>LeaseDuration</NewLeaseDuration>rn"
删除端口映射　"DeletePortMapping"
"<NewRemoteHost></NewRemoteHost>rn" "<NewExternalPort>ExternalPort</NewExternalPort>rn"   "<NewProtocol>Protocol</NewProtocol>rn"
获得端口映射信息　"GetGenericPortMappingEntry"
"<NewPortMappingIndex>PortMappingIndex</NewPortMappingIndex>" "<NewRemoteHost></NewRemoteHost>rn"   "<NewExternalPort></NewExternalPort>rn" "<NewProtocol></NewProtocol>rn"     "<NewInternalPort></NewInternalPort>rn" "<NewInternalClient></NewInternalClient>rn" "<NewEnabled>1</NewEnabled>rn" "<NewPortMappingDescription>"                                          "</NewPortMappingDescription>rn"           "<NewLeaseDuration></NewLeaseDuration>rn"

其中斜体部分需要在编程是填入的。ExternalPort 外部端口。InternalPort内部端口。这两者一般就填映射的端口。Protocal 填TCP或UDP。InterClient 一般就是本地IP地址。PortMappingDescription 填写端口映射的描述，比如什么程序建立了这个端口。LeaseDuration 是映射的持续时间，用0表示不永久。PortMappingIndex 是端口映射索引，路由上第几个映射。

我们再来看下面这个XML文档结构。

     "<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>rn"
     "<s:Envelope xmlns:s="
     ""http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/" "
     "s:encodingStyle="
     ""http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">rn"
     "<s:Body>rn"
     "<u:actionName xmlns:u="serviceType">rn"
     "actionParams</u:actionName>rn"
     "</s:Body>rn"
     "</s:Envelope>rn"

我们在actionName 处填入"AddPortMapping" "DeletePortMapping" "GetGenericPortMappingEntry"。serviceType 处填入设备的服务类型。"urn:schemas-upnp-org:service:WANIPConnection:1"或"urn:schemas-upnp-org:service:WANPPPConnection:1"。actionParams 填入上面的各种控制信息。

最后在前面加上HTTP头。

    "POST path HTTP/1.1rn"
    "HOST: host:portrn"
    "SOAPACTION:"serviceType#actionName"rn"
    "CONTENT-TYPE: text/xml ; charset="utf-8"rn"
    "Content-Length: contentLength rnrn"

path host port 意思很明显。contentLength面那个XML文档的长度。

　然后连接到host:port，发送到整个信息即可完成控制　　　　　　　　　　　　

第４步事件触发和第５步展示在自动端口映射没用用到。有兴趣可以自己看文档。

posted @ 2008-09-08 17:08 Tzot 阅读(396) 评论(0) 编辑

NAT的完全分析及其UDP穿透的完全解决方案（转）

原文转自：http://blog.csdn.net/colinchan/archive/2006/05/08/712773.aspx

一:基本术语

防火墙

防火墙限制了私网与公网的通信，它主要是将（防火墙）认为未经授权的的包丢弃，防火墙只是检验包的数据，并不修改数据包中的IP地址和TCP/UDP端口信息。

网络地址转换（NAT）

当有数据包通过时，网络地址转换器不仅检查包的信息，还要将包头中的IP地址和端口信息进行修改。以使得处于NAT之后的机器共享几个仅有的公网IP地址（通常是一个）。网络地址转换器主要有两种类型.

P2P应用程序

P2P应用程序是指，在已有的一个公共服务器的基础上，并分别利用自己的私有地址或者公有地址（或者两者兼备）来建立一个端到端的会话通信。

P2P防火墙

P2P防火墙是一个提供了防火墙的功能的P2P代理，但是不进行地址转换.

P2P-NAT

P2P-NAT 是一个 P2P代理,提供了NAT的功能,也提供了防火墙的功能,一个最简的P2P代理必须具有锥形NAT对Udp通信支持的功能,并允许应用程序利用Udp打洞技术建立强健的P2P连接。

回环转换

当NAT的私网内部机器想通过公共地址来访问同一台局域网内的机器的时，NAT设备等价于做了两次NAT的事情，在包到达目标机器之前，先将私有地址转换为公网地址，然后再将公网地址转换回私有地址。我们把具有上叙转换功能的NAT设备叫做“回环转换”设备。

二:NAT分类

可以分为基础NAT与网络地址和端口转换(NAPT)两大类

(一):基础NAT

基础NAT 将私网主机的私有IP地址转换成公网IP地址，但并不将TCP/UDP端口信息进行转换。基础NAT一般用在当NAT拥有很多公网IP地址的时候，它将公网IP地址与内部主机进行绑定，使得外部可以用公网IP地址访问内部主机。（实际上是只将IP转换，192.168.0.23 <-> 210.42.106.35,这与直接设置IP地址为公网IP还是有一定区别的，特别是对于企业来说，外部的信息都要经过统一防火墙才能到达内部，但是内部主机又可以使用公网IP）

(二):网络地址和端口转换（NAPT）

这是最普遍的情况，网络地址/端口转换器检查、修改包的IP地址和TCP/UDP端口信息，这样，更多的内部主机就可以同时使用一个公网IP地址。

请参考[RFC1631]和[RFC2993]及[RFC2663]这三个文档了解更多的NAT分类和术语信息。另外，关于NAPT的分类和术语，[RFC2663]做了更多的定义。当一个内部网主机通过NAT打开一个“外出”的TCP或UDP会话时，NAPT分配给这个会话一个公网IP和端口，用来接收外网的响应的数据包，并经过转换通知内部网的主机。这样做的效果是，NAPT在 [私有IP:私有端口] 和[公网IP:公网端口]之间建立了一个端口绑定。

端口绑定指定了NAPT将在这个会话的生存期内进行地址转换任务。这中间存在一个这样的问题，如果P2P应用程序从内部网络的一个[私有IP地址:端口]对同时发出多条会话给不同的外网主机，那么NAT会怎样处理呢？这又可以分为锥形NAT (CONE NAT)与对称NAT (SYMMTRIC NAT)两大类来考虑:

A.锥形NAT

（为什么叫做锥形呢？请看以下图形,终端和外部服务器，都通过NAT分派的这个绑定地址对来传送信息，就象一个漏斗一样，筛选并传递信息）

当建立了一个 [私有IP:端口]-[公网IP:端口] 端口绑定之后，对于来自同一个[私有IP:端口]会话，锥形NAT服务器允许发起会话的应用程序重复使用这个端口绑定，一直到这个会话结束才解除（端口绑定）。

例如，假设 Client A（IP地址信息如上图所示）通过一个锥形NAT 同时发起两个外出的连接，它使用同一个内部端口（10.0.0.1:1234）给公网的两台不同的服务器，S1和S2。锥形NAT 只分配一个公网IP和端口（155.99.25.11:62000）给这个两个会话，通过地址转换可以确保 Client使用端口的“同一性”（即这个Client只使用这个端口）。而基础NATs和防火墙却不能修改经过的数据包端口号，它们可以看作是锥形NAT的精简版本。

进一步分析可以将CONE NAT受限制锥形NAT (RESTRICT CONE) 与端口受限锥形NAT (PORT RESTRICT CONE) 三大类,以下是详细论述: 分为全双工锥形NAT (FULL CONE) ,

1.全双工锥形NAT

当内部主机发出一个“外出”的连接会话，就会创建了一个公网/私网地址，一旦这个地址对被创建，全双工锥形NAT会接收随后任何外部端口传入这个公共端口地址的通信。因此，全双工锥形NAT有时候又被称为"混杂"NAT。

2.受限制锥形NAT

受限制的锥形NAT会对传入的数据包进行筛选，当内部主机发出“外出”的会话时，NAT会记录这个外部主机的IP地址信息，所以，也只有这些有记录的外部IP地址，能够将信息传入到NAT内部，受限制的锥形NAT 有效的给防火墙提炼了筛选包的原则——即限定只给那些已知的外部地址“传入”信息到NAT内部。

3.端口受限锥形NAT

端口受限制的锥形NAT，与受限制的锥形NAT不同的是：它同时记录了外部主机的IP地址和端口信息，端口受限制的锥形NAT给内部节点提供了同一级别的保护，在维持端口“同一性”过程中，将会丢弃对称NAT传回的信息。

B.对称NAT

对称NAT，与Cone NAT是大不相同的，并不对会话进行端口绑定，而是分配一个全新的公网端口给每一个新的会话。

还是上面那个例子：如果 Client A (10.0.0.1:1234)同时发起两个 "外出" 会话,分别发往S1和S2。对称Nat会分配公共地址155.99.25.11:62000给Session1，然后分配另一个不同的公共地址155.99.25.11:62001给Session2。对称Nat能够区别两个不同的会话并进行地址转换，因为在 Session1 和 Session2中的外部地址是不同的，正是因为这样，Client端的应用程序就迷失在这个地址转换边界线了，因为这个应用程序每发出一个会话都会使用一个新的端口，无法保障只使用同一个端口了。

在TCP和UDP通信中，（到底是使用同一个端口，还是分配不同的端口给同一个应用程序），锥形NAT和对称NAT各有各的理由。当然锥形NAT在根据如何公平地将NAT接受的连接直达一个已创建的地址对上有更多的分类。这个分类一般应用在Udp通信（而不是Tcp通信上），因为NATs和防火墙阻止了试图无条件传入的TCP连接，除非明确设置NAT不这样做。

三:NAT对session的处理

以下分析NAPT是依据什么策略来判断是否要为一个请求发出的UDP数据包建立Session的.主要有一下几个策略:

A. 源地址(内网IP地址)不同，忽略其它因素, 在NAPT上肯定对应不同的Session

B. 源地址(内网IP地址)相同，源端口不同，忽略其它的因素，则在NAPT上也肯定对应不同的Session

C. 源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)相同，目的端口不同，则在NAPT上肯定对应同一个Session

D. 源地址(内网IP地址)相同，源端口相同，目的地址(公网IP地址)不同，忽略目的端口，则在NAPT上是如何处理Session的呢？

A,B,C三种情况的都是比较简单的,可以很容易的实现.而D的情况就比较复杂了.所以D情况才是我们要重点关心和讨论的问题。

四:完全解决方案

以下针对四种SESSION与四种NAT的完全解决方案,为了方便将使用以下缩写形式:

C代表 CONE NAT

S代表SYMMETRIC NAT,

FC代表 FULL CONE NAT,

RC代表 RESTRICT CONE NAT,

PC 代表 PORT RESTRICT CONE NAT.

首先依据CLIENT (客户)端在NAT后的个数不同可以分为两大类:

TYPE ONE :一个在NAT后 + 一个在公网中.

这种情况下可以分为两大类:

A. S VS 公网:此种情况下,由于公网的地址在一个SESSION内是不变的,所以可以打洞是可以成功的.

B. C VS 公网: 与上面类似,这种情口下打洞是可以成功的.

TYPE TWO:两个客户都在NAT后面.

这种情况下也可以细分为两大类:

A. 其中一个NAT 是 S(SYMMETRIC NAT) 型的,既:S VS C或者是S VS S .

下面论证这种情口下按照常规打洞是行不通的,在常规打洞中,所有的客户首先登陆到一个服务器上去.服务器记录下每个客户的[公网IP:端口],然后在打洞过程中就使用这个记录的值,然而对于S型的NAT来说,它并不绑定[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射.所以在不同的SESSION中,NAT将会重新分配一对[公网IP:端口].这样一来对于S型的NAT来说打洞的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是不同的.而且也没有办法将打洞的[公网IP:端口]通知到另一个位于NAT下的客户端, 所以打洞是不会成功的.然而如果另一个客户端是在公网时,打洞是可以的.前面已经论证了这种情况.

这种情况下的解决方案是只能通过端口预测来进行打洞,具体解决方法如下:例如(以两个都是S型的为例) NAT A 分配了它自己的UDP端口62000，用来保持客户端A 与服务器S的通信会话， NAT B 也分配了31000端口，用来保持客户端B与服务器S 的通信会话。通过与服务器S的对话，客户端A 和客户端B都相互知道了对方所映射的真实IP和端口。

客户端A发送一条UDP消息到138.76.29.7:31001(请注意到端口号的增加)，同时客户端B发送一条UDP消息到155.99.25.11:62001。如果NAT A 和NAT B继续分配端口给新的会话，并且从A-S和B-S的会话时间消耗得并不多的话，那么一条处于客户端A和客户端B之间的双向会话通道就建立了。

客户端A发出的消息送达B导致了NAT A打开了一个新的会话，并且我们希望NAT A将会指派62001端口给这个新的会话，因为62001是继62000后，NAT会自动指派给从服务器S到客户端A之间的新会话的端口号；类似的，客户端B发出的消息送达A导致了 NAT B打开了一个新的会话，并且我们希望 NAT B将会指派31001这个端口给新的会话；如果两个客户端都正确的猜测到了对方新会话被指派的端口号，那么这个客户端A－客户端B的双向连接就被打通了。其结果如下图所示：

明显的，有许多因素会导致这个方法失败：如果这个预言的新端口（62001和31001）恰好已经被一个不相关的会话所使用，那么NAT就会跳过这个端口号，这个连接就会宣告失败；如果两个NAT有时或者总是不按照顺序来生成新的端口号，那么这个方法也是行不通的。

如果隐藏在NATA后的一个不同的客户端X（或者在NAT B后）打开了一个新的“外出”UDP 连接，并且无论这个连接的目的如何；只要这个动作发生在客户端A 建立了与服务器S的连接之后，客户端A 与客户端B 建立连接之前；那么这个无关的客户端X 就会趁人不备地“偷” 到这个我们渴望分配的端口。所以，这个方法变得如此脆弱而且不堪一击，只要任何一个NAT方包含以上碰到的问题，这个方法都不会奏效。

在处于 cone NAT 系列的网络环境中这个方法还是实用的；如果有一方为 cone NAT 而另外一方为 symmetric NAT，那么应用程序就应该预先发现另外一方的 NAT 是什么类型，再做出正确的行为来处理通信，这样就增大了算法的复杂度，并且降低了在真实网络环境中的普适性。

最后，如果P2P的一方处在两级或者两级以上的NAT下面，并且这些NATS 接近这个客户端是SYMMETRIC NAT的话，端口号预言是无效的！

因此，并不推荐使用这个方法来写新的P2P应用程序，这也是历史的经验和教训！

B. 两个都是CONE NAT型的.

这种情况下可以分为六大类型:

A: FC + FC

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

虽然有这么多种情况,但是由于CONE NAT 的特性,所以还是很好办的,因为对于CONE NAT 来说,在同一个SESSION中它会绑定一对[私网IP:端口]和[公网IP:端口]的映射,所以它们打洞用的[公网IP:端口]与登记在服务器上的[公网IP:端口]是一致的,所以打洞是可以行的通的.

综上所述,就已经完全的概括了所有类型的NAT之间的可能的通信情况了.并且都提供了可行的解决方案.

五:对前一阶段的总结

1.前一阶段使用的打洞方法是有缺陷的,它只适应于两个都是FULL CONE NAT的类型的CLIENT(客户端).以下论证它不适应于两个都是CONE NAT的类型中的

B: FC + RC

C: FC + PC

D: PC + RC

E: PC + PC

F: RC + RC

这五种情况.

因为对于受限的NAT它登记了外出包的[IP地址＆端口],它仅仅接受这些已登记地址发过来的包,所以它们报告服务器的端口只能接受来自服务器的包.不能接受来自另一客户端的包.所以前一阶段的打洞方法是不可行的.

六: 存在的问题

按照理论.NAT将在一定时间后关闭UDP的一个映射,所以为了保持与服务器能够一直通信,服务器必须要发送UDP心跳包,来保持映射不被关闭.这就需要一个合适的时间值.

posted @ 2008-09-08 15:19 Tzot 阅读(634) 评论(0) 编辑

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NAT的完全分析及其UDP穿透的完全解决方案（转）