NAT模式

对NAT行为模式进行分类，经历了几个阶段。

最初，使用术语“完全锥形”、“受限锥形”、“端口限制锥形”和“对称”来表示NAT的不同变体。

完全锥形-Full Cone

限制锥形-Restricted Cone

端口限制锥形-Port Restricted Cone

对称-Symmetric

RFC4787对NAT行为模式进行了细分，定义了单独的NAT行为，主要包括：

NAT映射行为

NAT过滤行为

以及各种特殊场景下的NAT行为：

发夹行为（Hairpinning）

应用级网关（ALG）

ICMP目的不可达处理

分片

NAT映射行为

NAT映射行为的定义：

当内部端点通过NAT打开传出会话时，NAT会为会话分配外部IP地址和端口号，以便NAT可以接收、转换和转发外部端点的后续响应报文。这是内部IP地址与端口IP:port和外部IP:port元组之间的映射。它建立了在会话持续期间NAT将要执行的转换。

简单来说，针对从内部端点发出的报文，经过NAT后，在NAT设备上如何为其分配映射后的IP和端口。

有三种映射行为：

1. 端点无关映射（Endpoint-Independent Mapping）

NAT对从相同的内部IP地址和端口发送到任何外部IP地址和端口的后续报文，都复用之前的端口映射。

该行为对应于旧的行为模式“完全锥形”。

1. 地址相关映射（Address-Dependent Mapping）

NAT对从相同的内部IP地址和端口发送到相同的外部IP地址的后续报文复用端口映射，而不考虑外部端口。当外部IP地址改变时，映射也随之改变。

该行为对应于旧的行为模式“限制锥形”。

1. 地址和端口相关映射（Address and Port-Dependent Mapping）

当映射仍处于活动状态时，NAT会对从相同的内部IP地址和端口发送到相同的外部IP地址和端口的后续报文重用端口映射。当外部IP地址或端口之中的任何一个发生变化，映射也随之改变。

该行为对应于旧的行为模式“端口限制锥形”。

NAT过滤行为

NAT过滤行为的定义：

NAT使用什么标准来过滤来自特定外部端点的报文。

有三种过滤行为：

1. 端点无关过滤（Endpoint-Independent Filtering）

从外部到达的报文，只要其目的IP地址和端口匹配NAT上现有的映射，则都会被NAT转发，无论报文的源IP地址和端口是什么。

换句话说，只要内部端点在NAT上建立了映射，所有外部端点都可以使用该映射给内部端点发送报文。

该行为对应于旧的行为模式“完全锥形”。

1. 地址相关过滤（Address-Dependent Filtering）

从外部到达的报文，只要其目的IP地址和端口匹配NAT上现有的映射，且源IP地址与该映射匹配，则都会被NAT转发，无论报文的端口是什么。

换句话说，内部端点在NAT上建立了映射后，只有特定的外部端点可以使用该映射给内部端点发送报文。

该行为对应于旧的行为模式“限制锥形”。

1. 地址和端口相关过滤（Address and Port-Dependent Filtering）

从外部到达的报文，只有其目的IP地址和端口匹配NAT上现有的映射，且源IP地址和源端口与该映射匹配，才会被NAT转发。

换句话说，内部端点在NAT上建立了映射后，只有特定的外部端点使用特定端口，才可以使用该映射给内部端点发送报文。

该行为对应于旧的行为模式“端口限制锥形”。

新旧两种NAT行为模式的对比：

一个思考：

NAT映射行为有3种，NAT过滤行为也有3种，完整组合有9种，上面只列出了4种，剩余5种哪里去了？

首先需要理解一点，映射行为比过滤行为更严格是没有意义的。因为更严格的映射应为需要占用更多的资源，而宽松的过滤行为并没有提升安全性。所以，我们可以排除以下几种组合：

地址相关映射+端点无关过滤

地址和端口相关映射+端点无关过滤

地址和端口相关映射+地址相关过滤

剩余以下两种组合：

地址相关映射+地址相关过滤

地址相关映射+地址和端口相关过滤

上述2种组合，之所以未使用，一个猜测是比上不足，比下有余，处境比较尴尬。一方面增加了资源消耗，另一方面，安全性有所提升，但提升的不够。（一家之言，仅供参考）。

NAT行为发现

重新定义了NAT行为的情况下，NAT行为发现的流程也需要重新设计。

RFC5780提出了一种使用STUN进行NAT行为发现的方案。该方案和RFC3489中提出的类似，但也有部分区别。该RFC规范是实验性的。

发现过程主要分为三部分：

判断NAT映射行为 -- 即判断NAT的映射行为属于“端点无关映射”/“地址相关映射”/“地址和端口相关映射”中的哪一种。

判断NAT过滤行为 -- 即判断NAT的映射行为属于“端点无关过滤”/“地址相关过滤”/“地址和端口相关过滤”中的哪一种。

绑定生存期发现 -- 即发现NAT设备中映射的生存期。

该方案使用STUN协议，需要一台位于公网且有至少2个IP地址的STUN服务器。

下面简述发现过程。下文中，用到的STUN属性会在文末进行说明。

判断NAT映射行为

这最多需要三次测试。

在测试I中，客户端执行UDP连接测试。服务器将在绑定响应中以OTHER-ADDRESS返回其备用地址和端口。如果未返回OTHER-ADDRESS，则服务器不支持此用法，因此无法运行此测试。客户端检查XOR-MAPPED-ADDRESS属性。如果此地址和端口与用于发送请求的套接字的本地IP地址和端口相同，则客户端知道它不是NAT的，有效的映射将是端点无关的。

在测试II中，客户端向备用地址和主用端口发送绑定请求。如果绑定响应中的XOR-MAPPED-ADDRESS与测试I相同，则NAT当前具有端点无关映射。如果不同，则执行测试III：客户端向备用地址和端口发送绑定请求。如果XOR-MAPPED-ADDRESS与测试II匹配，则NAT当前具有地址相关映射；如果不匹配，则当前具有地址和端口相关映射。

判断NAT过滤行为

这也将需要最多三次测试。

在测试I中，客户端执行UDP连通性测试。服务器将在绑定响应中以OTHER-ADDRESS返回其备用地址和端口。如果未返回OTHER-ADDRESS，则服务器不支持此用法，因此无法运行此测试。

在测试II中，客户端向服务器的主用地址发送绑定请求，并将CHANGE-REQUEST属性设置为更改端口和更改IP。这将导致服务器从其备用IP地址和备用端口发送响应。如果客户端收到响应，则NAT的当前行为为端点无关过滤。

如果没有收到响应，必须执行测试III以区分地址相关过滤/地址和端口相关过滤。在测试III中，客户端向原始服务器地址发送绑定请求，并将CHANGE-REQUEST设置为更改端口。如果客户端接收到响应，则当前行为为地址相关过滤；如果没有收到响应，则当前行为为地址和端口相关过滤。

绑定（映射）生存期发现

为了确定绑定生存期，客户端首先从特定的源端口X向服务器发送绑定请求。这将在NAT中创建绑定。来自服务器的响应包含MAPPED-ADDRESS属性，提供NAT上的公共地址和端口。分别称为Pa和Pp。然后，客户端启动一个值为T秒的计时器。当此计时器触发时，客户端使用相同的目的地址和端口，但从不同的源端口Y，向服务器发送另一个绑定请求。此请求包含一个设置为Pp的RESPONSE-PORT属性，用于请求将响应传递给(Pa, Pp)。这将在NAT上创建一个新的绑定，并使STUN服务器发送一个绑定响应，如果旧绑定(Pa, Pp)仍然存在，则与之匹配。如果客户端在端口X上收到绑定响应，则它知道绑定尚未过期。如果客户端在端口Y上收到绑定响应（如果旧绑定已过期，并且NAT为新绑定分配了相同的公共地址和端口，则可能会收到绑定响应），或者根本没有收到响应，则它知道绑定已过期。

由于某些NAT仅在发送出站流量时刷新绑定，因此客户端必须在使用不同的T值开始第二次测试之前，从原始源端口重新发送绑定请求。客户端可以通过对T进行二分查找来找到绑定生存期的值，最终得出一个值，即任何大于T的计时器都没有收到响应，但任何小于T的计时器收到响应。

用到的STUN属性

CHANGE-REQUEST属性

CHANGE-REQUEST属性包含两个标志，用于控制服务器用来发送响应的IP地址和端口。这些标志被称为“更改IP”和“更改端口”标志。仅在绑定请求中允许使用CHANGE-REQUEST属性。“更改IP”和“更改端口”标志可用于确定NAT的当前过滤行为。它们指示服务器从备用源IP地址和/或备用端口发送绑定响应。CHANGE-REQUEST属性在绑定请求中是可选的。

OTHER-ADDRESS属性

OTHER-ADDRESS属性被用于绑定响应中。如果客户端请求“更改IP”和“更改端口”行为，它通知客户端将要使用的源IP地址和端口。除非服务器有第二个IP地址，否则不能将OTHER-ADDRESS属性插入到绑定响应中。

OTHER-ADDRESS使用和RFC3489 [RFC3489]中CHANGED-ADDRESS相同的属性编号，因为它和CHANGED-ADDRESS语义相同，只是一个新名称。对其进行重命名以更清楚的指示它的功能。

RESPONSE-PORT属性

RESPONSE-PORT属性包含一个端口。RESPONSE-PORT属性可以出现在绑定请求中，并指示绑定响应将发送到哪个端口。对于支持RESPONSE-PORT属性的服务器，绑定响应必须传输到绑定请求的源IP地址和RESPONSE-PORT中包含的端口。当不存在此属性时，服务器将绑定响应发送到绑定请求的源IP地址和端口。绑定请求中的RESPONSE-PORT属性是可选的。RESPONSE-PORT的服务器支持是可选的。

MAPPED-ADDRESS属性

MAPPED-ADDRESS属性指示客户端的反射传输地址。这是服务器看到的绑定请求的源IP和源端口。也是NAT设备为客户端分配的映射。

XOR-MAPPED-ADDRESS属性

XOR-MAPPED-ADDRESS属性与MAPPED-ADRESS属性相同，不同之处在于反射传输地址通过XOR函数进行模糊处理。

注意：XOR-MAPPED-ADDRESS和MAPPED-ADRESS仅在传输地址的编码方面不同。前者通过将传输地址与Magic cookie进行异或来对其进行编码。后者直接用二进制编码。RFC3489最初只指定了MAPPED-ADDRESS。然而，部署经验发现，一些NAT重写了包含NAT公共IP地址的32位二进制负载，例如STUN的MAPPED-ADDRESS属性，这是出于善意但被误导的尝试，目的是提供通用的应用级网关（ALG）功能。这种行为会干扰STUN的操作，也会导致STUN的消息完整性检查失败。

后记

本文是阅读了RFC4787和RFC5780等相关标准文档后写作的。部分内容就来自这两篇标准文档。

在目前的互联网中，NAT随处可见。常见的家庭宽带，入户的光猫或者自购的路由器，默认情况下都会做NAT。

NAT的引入最初是为了解决IPv4地址资源不足的问题。这只是一个临时解决方案，互联网应该尽快过渡到IPv6，以彻底解决该问题。不幸的是，IPv4到IPv6的过渡进展缓慢。目前我们不得不继续使用NAT。

由于NAT的普遍性，导致NAT的变种有很多。目前最常见的就是对称NAT。文档中提到的各种锥形NAT，仅是理论上的分类，笔者在实际中从未遇到。各种类型的NAT设备，其实现机制各不相同，导致NAT行为发现很难适配所有场景。这也许是RFC5780的状态是实验性的原因吧。