NAT檢測詳解

一、NAT概述

NAT，全稱為Network Address Translation，是網絡通信中的一種技術，它主要解決 IPv4 地址不足的問題。NAT 技術的核心是將內部網絡的私有 IP 地址與外部網絡的公有 IP 地址一一對應起來，使得內部網絡能夠與外部網絡進行通信。

在 NAT 中，最主要的設備是 NAT 路由器。其內部分為 LAN 和 WAN 兩個接口，LAN 接口和內部網絡相連，WAN 接口和外部網絡相連。當數據包從 LAN 接口進入 NAT 路由器時，路由器會將數據包中的源 IP 地址和端口號替換為 NAT 路由器的公網 IP 地址和隨機端口號，然後將數據包轉發到 WAN 接口，反之亦然。

NAT 的應用場景非常廣泛，既可以用於家庭網絡，也可以用於企業內部網絡，還可以用於公共場所的網絡。但是，在網絡通信過程中，NAT 會給應用帶來一些問題，如端口映射問題、穿透問題等，這時就需要進行 NAT 檢測。

二、NAT檢測方法

1. STUN 協議檢測

STUN（Session Traversal Utilities for NAT）是一種基於 UDP 協議的 NAT 檢測協議，其主要作用是檢測 NAT 類型和獲取公網 IP。STUN 協議的工作流程如下：

   User1              STUN Server              User2
     |                                                 |
1、 |-------request------------->|      
     |                                                 |
2、 || 
     |                                                 |
4、 |<-------------------response-------------------| 
     |                                                 |

當 User1 和 User2 需要進行通信時，User1 發送一個 STUN 請求，請求 STUN 服務器返回自己的 IP 地址和端口號。STUN 服務器會返回一個響應消息，其中包括了 User1 的公網 IP 地址和端口號。當 User1 獲得了 STUN 服務器返回的地址和端口號之後，它將把這些信息發送給 User2。

對於不同的 NAT 類型，STUN 檢測的結果是不同的。比如，如果兩個用戶都處於 Symmetric NAT 後面，則無法使用 STUN 協議進行直接通信，只有通過 ICE 協議從中繼服務器轉發數據包。因此，在進行 NAT 檢測的過程中，還需要考慮哪種 NAT 類型可以直接通信，哪種需要中繼服務器等問題，從而選擇合適的 NAT 穿透方案。

2. ICE框架檢測

ICE（Interactive Connectivity Establishment）是一種綜合性的 NAT 穿透框架，它主要用於 P2P 網絡通信。在 ICE 框架中，用於 NAT 檢測的協議有 STUN、TURN 和 ICE-Lite。

ICE 框架的工作原理如下：

                 User1                User2
                   |                      |
1、     gathering---------candidate1---->|      
                   |                      |
2、                     gathering------->|candidate2
                   |                      |
3、     start offer------------>|
                   |                      |
4、<------answer----------start offer--------------|
                   |                      |
5、<-------final answer------------------------|
                   |                      |              
6、check1------------------------>|    
                   |                      |
8、check2------------------------>|    
                   |                      |
10、<---------response2----------------------|
                   |                     |
11、                ......                          |

首先，User1 和 User2 都會進行 candidate gathering，即獲取可用的連接候選方案，包括使用 STUN、TURN 等協議從 NAT 中獲取地址。

然後，User1 會向 User2 發送一個 SDP offer，也就是描述自己可用連接方案的信息。User2 接收到 SDP offer 後，會比較自己的連接方案，並向 User1 返回一個 SDP answer，描述自己的可用連接方案。在這個過程中，如果 User1 和 User2 在 NAT 環境下無法直接進行通信，就需要通過 TURN 服務器和中繼服務器進行數據包轉發。

最後，User1 和 User2 開始進行檢測過程。User1 發送一個 STUN 消息給 User2，詢問 NAT 類型，並等待 User2 的響應。如果 User2 收到了消息並返迴響應，說明 NAT 類型為 Full Cone、Restricted Cone 或 Port Restricted Cone，此時雙方可以進行直接通信。如果 User2 無法回復消息，則說明 NAT 類型為 Symmetric NAT，需要通過中繼服務器進行數據包轉發。

三、NAT檢測實例代碼

1. 使用 STUN 協議檢測 NAT 類型

客戶端代碼

const stunServer = 'stun:stun.l.google.com:19302';
const conn = new RTCPeerConnection();
conn.createDataChannel('test');
conn.createOffer().then((offer) => {
  return conn.setLocalDescription(offer);
}).then(() => {
  const localSdp = conn.localDescription.sdp;
  const match = /candidate:.+typ\s(.+)\s/i.exec(localSdp);
  const _type = match[1];
  console.log('NAT Type:', _type);
}).catch((e) => {
  console.log(e);
});

服務端代碼

無需服務端介入。

2. 使用 ICE 框架檢測 NAT 類型

客戶端代碼

function detect() {
  const iceServers = [{
    urls: 'turn:{server}:{port}',
    username: 'user',
    credential: 'password',
  }, {
    urls: 'stun:stun.l.google.com:19302',
  }];
  const conn = new RTCPeerConnection({
    iceServers: iceServers,
  });
  conn.createDataChannel('test');
  conn.createOffer().then((offer) => {
    return conn.setLocalDescription(offer);
  }).then(() => {
    let iceState = 'unknown';
    let pcState = conn.iceConnectionState;
    conn.oniceconnectionstatechange = (e) => {
      pcState = conn.iceConnectionState;
      console.log('ICE Connection State:', pcState);
      if (pcState === 'failed') {
        if (iceState !== 'disconnected') {
          iceState = 'disconnected';
          console.log('NAT Type: Symmetric NAT');
        }
      } else if (pcState === 'connected') {
        if (iceState !== 'connected') {
          iceState = 'connected';
          console.log('NAT Type: Full Cone or Restricted Cone or Port Restricted Cone');
        }
      }
    };
  }).catch((e) => {
    console.log(e);
  });
}

服務端代碼

無需服務端介入。

四、總結

NAT 技術的應用越來越廣泛，但也給網絡通信帶來了一些問題。為了解決這些問題，需要進行 NAT 檢測，選擇合適的 NAT 穿透方案。本文介紹了兩種 NAT 檢測方法：STUN 協議和 ICE 框架。通過上述方法，可以依據不同的 NAT 類型選擇合適的通信方案，從而更好地解決網絡通信問題。