NAT 类型及 P2P 穿透
在当今互联网环境中，网络地址转换（NAT, Network Address Translation）技术已成为连接私有网络与公共互联网的核心桥梁。然而，NAT的广泛应用也为P2P通信带来了挑战。在P2P通信中，NAT穿透技术是实现设备间直接连接的关键。由于NAT屏蔽了外部网络的直接访问，P2P应用程序需要通过巧妙的技术手段绕过这一障碍，以建立高效的通信通道。本文深入探讨不同类型 NAT 的特性，分析NAT类型的探测方法及其原理，阐述NAT穿透的实现机制。
1. NAT类型
网络地址转换（NAT）类型根据其映射和过滤规则的不同，可分为以下四种主要类型，每种类型在地址端口映射和外部连接限制方面具有独特特性，影响P2P通信和NAT穿透的效果。这些NAT类型的不同特性直接影响P2P通信的可行性和效率，理解其工作原理是实现有效NAT穿透的基础。
1.1. 完全锥型(Full Cone)
内部主机的IP和端口映射到固定的外部IP和端口，任何外部设备都可以通过该外部地址向内部主机发起连接。特点是映射关系固定且开放，穿透性最强，但安全性较低。
如下图所示，Client B 和 Client C 都可以与 Client A 无阻碍双向通信。
1.2. 地址受限锥型(Address Restricted Cone)
内部主机的IP和端口映射到固定的外部IP和端口，但只有内部主机主动联系过的外部设备才能通过该映射发起连接。相比全锥形NAT，增加了来源IP限制，安全性更高，但穿透复杂性增加。
如下图所示，Client A 必须先向 Client B 发送报文，Client B 才能够向 Client A 发送报文；否则，Client C 直接向 Client A 发送的报文，会被 NAT 丢弃。
1.3. 端口受限锥型(Port Restricted Cone)
类似受限锥形NAT，但进一步限制外部设备必须使用内部主机曾联系过的IP和端口进行通信。端口限制提高了安全性，但对P2P连接的实现要求更高。
如下图所示，不仅 Client C 发送的报文会被丢弃，Client B 通过不同端口（IP地址不变）发送的报文也会被 NAT 丢弃。
1.4. 对称型(Symmetric)
每次内部主机与不同外部设备通信时，NAT分配不同的外部端口映射，且仅允许对应的外部设备通过该映射回连。映射的高度动态性和严格限制使对称NAT穿透难度最大。
如下图所示，Client A 向 Client B 和 Client C 发送报文，会在 NAT 上生成两个不同的映射表项，外部报文的 IP 地址和端口在表项中查找不到，都会被丢弃。
2. NAT类型探测
NAT类型探测是识别网络地址转换设备行为的关键过程，通过发送特定的请求并分析响应，确定NAT的类型及其对通信的限制。探测过程通常利用UDP数据包，通过与外部服务器交互，测试NAT的映射和过滤规则。核心原理在于观察内部IP和端口映射到外部地址的模式，以及外部请求是否能够成功接收。探测开始时，内部主机发送请求到不同外部IP和端口，服务器使用不同的IP和端口返回响应，基于是否收到响应及映射地址的稳定性，逐步判断NAT类型。包括检查UDP是否被防火墙阻止、是否分配公共IP，以及映射是否对所有外部请求开放或受地址/端口限制。
上图展示了NAT类型探测的技术原理，接下来我们将对其探测原理和流程进行深入分析。
2.1. UDP Blocked
内部主机向外部服务器发送探测报文。如果未收到服务器的响应，则表明网络存在UDP阻塞，可能由防火墙或NAT配置限制所致
2.2. Firewall
当内部主机收到服务器的首次响应并从响应中确认分配了公网IP后，探测流程继续进行。接下来，内部主机再次向服务器发送探测报文。此时，服务器将使用不同的IP地址和端口进行响应，以进一步测试网络环境的限制。如果第二次响应未能成功接收，表明可能存在防火墙对特定IP或端口的额外过滤，从而中断了通信。
2.3. Open Internet
如果内部主机成功接收到服务器使用不同IP地址和端口发送的第二次响应，则表明网络环境没有额外的限制或过滤，属于开放互联网（Open Internet）状态，允许来自不同外部端点的自由通信。
2.4. Full Cone NAT
当内部主机收到服务器的首次响应后，若发现响应中显示的并非公网IP，表明其通信经过NAT映射。接下来，内部主机再次发起探测报文，服务器则使用不同的IP地址和端口进行响应。如果内部主机仍能成功接收到这一第二次响应，说明NAT允许来自任何外部IP和端口的请求通过相同的映射，这符合全锥形NAT（Full Cone NAT）的特性，表明该NAT类型具有较高的开放性。
2.5. Symmetric NAT
如果内部主机未能接收到使用不同IP和端口发送的第二次响应，则进一步进行探测。内部主机随后向另一个外部端点（IP2:Port2）发起第三次探测报文，服务器使用相同地址（IP2:Port2）发送响应。如果内部主机发现外部看到的公网地址与第一次不同，表明NAT为每个不同的外部IP和端口对分配了独特的映射，这一行为特征符合对称NAT（Symmetric NAT）的特性，反映了其严格的动态映射规则。
2.6. Restricted Cone NAT
如果比较发现第一次和第三次探测中服务器返回的公网地址相同，表明NAT的映射在不同外部IP间保持一致。接下来，内部主机发起第四次探测，服务器使用与前次相同的IP但不同端口进行响应。如果内部主机无法收到这一响应，说明NAT限制了来自未主动联系过的端口的连接，符合端口受限锥形NAT（Port Restricted Cone NAT）的特性。反之，如果能够成功接收响应，表明NAT仅对未联系过的IP施加限制，而端口开放，符合地址受限锥形NAT（Address Restricted Cone NAT）的特征。
3. P2P可穿透性
P2P穿透又叫P2P打洞，是指在网络地址转换（NAT）环境下，通过技术手段实现点对点（P2P）通信中两台主机直接建立连接的过程。尽管NAT有效解决了IP地址短缺和网络安全问题，但其对外部连接的限制（如映射和过滤规则）往往阻碍了P2P通信的直接性。影响P2P穿透成功率的因素是多方面的，比如 NAT 设备对标准协议的支持、动态 IP 地址策略、防火墙策略等，这其中，双方NAT类型的组合对P2P穿透成功率影响最大。
上面表格展示了不同NAT类型组合，P2P穿透的理论可行性，接下来我们深入研究其背后机理。
双方通过STUN服务器获取初始公网映射，并通过信令服务器交换这些地址。
3.1. 全锥型<->全锥型
全锥型 NAT 任何外部设备都可以通过该外部地址向内部主机发起连接，只要获取了 NAT 后地址，就可以完全无限制的进行双向通信，谁先向谁发送报文都可以。
3.2. 全锥型<->地址受限锥形
地址受限锥型 NAT，只允许与内部主机主动联系过地址进行通信，这就要求 Client B 要先向 Client A 发送报文，在地址受限锥型 NAT 上建立映射表项并记录地址 IPA'，否则 Client A 发往 Client B 的报文会被 NAT 丢弃。
3.3. 全锥型<->端口受限锥型
端口受限锥型比地址受限锥型的限制更严格，只允许与内部主机主动联系过的地址和端口进行通信，这对全锥型 NAT 来说不是问题，因为一般情况，其映射的地址和端口不会变化。P2P打洞逻辑和流程与地址受限锥型一致。
3.4. 全锥型<->对称型
对称型 NAT 为不同外部设备通信分配不同的端口，如果 Client A 先发送报文，报文会被对称型 NAT 丢弃。因此，需要 Client B 向 Client A 发送报文，这样在对称型 NAT 会创建映射表项，分配新的地址和端口，Client A 发送的响应能够送达 Client B。
3.5. 地址受限锥型<->地址受限锥型
两边都是地址受限锥型 NAT，那第一个报文肯定会被对方 NAT 丢弃，如下图所示。但没关系，此时已经在主动发送报文端 Client B 的 NAT 上分配了端口映射，允许 IPA' 的报文通过。紧接着 Client A 发送报文，报文会顺利到达 Client B，双向打洞完成。
3.6. 地址受限锥型<->端口受限锥型
由于地址受限锥型建立的映射是固定映射，从 Client A 发送 Client B 报文的端口不会变化，因此，其打通逻辑和流程与 3.5 是一致的。
3.7. 地址受限锥型<->对称型
由于 Client B 的 NAT 是对称型，Client B 向 Client A 发送报文时，会分配新的端口，如果 Client B 发送的报文不能够到达 Client A，则 Client A 无法获取 Client B 在对称型 NAT 上分配的端口。因此，要求 Client A 先向 Client B 发送报文，虽然报文会被对称型 NAT 丢弃，但是会在地址受限锥型 NAT 上创建表项。
假设对称型 NAT 每次分配的IP地址不变，IPB'=IPB''。
3.8. 端口受限锥型<->端口受限锥型
双方都是端口受限锥型，任何一方先发送报文，报文都会被对方 NAT 丢弃，但是会在本端出口 NAT 上创建表项并记录访问的IP和端口，这样后续的报文就可以顺利通过。
3.9. 端口受限锥型<->对称型
对称型 NAT 每次都会分配新的端口，Client A 发往 Client B 的报文会被端口受限锥型 NAT 丢弃，这样 Client A就无法获知 Client B 在对称型 NAT 上的端口。因此，理论上是无法打洞成功的。
3.10. 对称型<->对称型
双方都是对称型 NAT，双方都无法获取对端绑定的端口，理论上无法打洞。
4. 总结
本文简要概述了NAT类型，并深入分析了NAT类型探测与P2P穿透的技术原理。然而，这些分析基于理想化环境，实际网络场景远超本文描述的复杂性，可能面临多层NAT、IP地址动态变化以及打洞窗口时间限制等诸多挑战。针对这些问题，工程实践中需开发针对性的解决方案，以增强系统的可靠性和适应性。本文仅展示了打洞的基本原理，而在实际工程中，为提升打洞效率，通常采用双向同时探测策略，从而优化连接建立的成功率和速度。此外，值得一提的是，对于理论上无法打洞的结论，工程上常通过智能猜测和优化手段，尝试将“不可能”转化为“可能”。