iptables与natcheck-51CTO.COM

iptables与natcheck配合起来使用绝了，大家可以试试，我在这里为大家讲下他们的知识！

　　Stun协议(Rfc3489、详见http://www.ietf.org/rfc/rfc3489.txt) 提出了4种NAT类型的定义及其分类，并给出了如何检测在用的NAT究竟属于哪种分类的标准。但是，具体到P2P程序如何应用Stun协议及其分类法穿越NAT，则是仁者见仁、智者见智。(因为Stun协议并没有给出也没有必要给出如何穿越NAT的标准)

　　在拙作“iptables与stun”一文中，笔者花大幅精力阐述了iptables理论上属于Symmetric NAT而非Port Restricted Cone。对此，很多人(包括笔者最初学习Stun协议时)心中都有一个疑惑，即仅就Stun协议本身来说，Port Restricted Cone和Symmetric NAT的区别似乎不大，虽然两者的映射机制是有点不同，但他们都具有端口受限的属性。初看起来，这两者在穿越NAT方面的特性也差不多，尤其是对于外部地址欲往NAT内部地址发包的情况。既然如此，又为何有必要把iptables分得这么清呢，本文顺带解决了读者在这一方面的疑惑。

　　网站http://midcom-p2p.sourceforge.net/给出了P2P程序具体如何穿越NAT的一个思路，并提供了一个P2P协议穿越NAT兼容性的测试工具natcheck。让我们仍旧用实例(例1)来说明这一思路吧!

　　A机器在私网(192.168.0.4)

　　A侧NAT服务器(210.21.12.140)

　　B机器在另一个私网(192.168.0.5)

　　B侧NAT服务器(210.15.27.140)

　　C机器在公网(210.15.27.166)作为A和B之间的中介

　　A机器连接过C机器，假使是 A(192.168.0.4:5000)-> A侧NAT(转换后210.21.12.140:8000)-> C(210.15.27.166:2000)

　　B机器也连接过C机器，假使是 B(192.168.0.5:5000)-> B侧NAT(转换后210.15.27.140:8000)-> C(210.15.27.166:2000)

　　A机器连接过C机器后，A向C报告了自己的内部地址(192.168.0.4:5000)，此时C不仅知道了A的外部地址(C通过自己看到的210.21.12.140:8000)、也知道了A的内部地址。同理C也知道了B的外部地址(210.15.27.140:8000)和内部地址(192.168.0.5:5000)。之后，C作为中介，把A的两个地址告诉了B，同时也把B的两个地址告诉了A。

　　假设A先知道了B的两个地址，则A从192.168.0.4:5000处同时向B的两个地址192.168.0.5:5000和210.15.27.140:8000发包，由于A和B在两个不同的NAT后面，故从A(192.168.0.4:5000)到B(192.168.0.5:5000)的包肯定不通，现在看A(192.168.0.4:5000)到B(210.15.27.140:8000)的包，分如下两种情况：

　　1、B侧NAT属于Full Cone NAT

　　则无论A侧NAT属于Cone NAT还是Symmetric NAT，包都能顺利到达B。如果P2P程序设计得好，使得B主动到A的包也能借用A主动发起建立的通道的话，则即使A侧NAT属于Symmetric NAT，B发出的包也能顺利到达A。

　　结论1：只要单侧NAT属于Full Cone NAT，即可实现双向通信。

　　2、B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone

　　则包不能到达B。再细分两种情况

　　(1)、A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone

　　虽然先前那个初始包不曾到达B，但该发包过程已经在A侧NAT上留下了足够的记录：A(192.168.0.4:5000)->(210.21.12.140:8000)->B(210.15.27.140:8000)。如果在这个纪录没有超时之前，B也重复和A一样的动作，即向A(210.21.12.140:8000)发包，虽然A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，但先前A侧NAT已经认为A已经向B(210.15.27.140:8000)发过包，故B向A(210.21.12.140:8000)发包能够顺利到达A。此后，再有A到B的包，都能顺利到达。

　　结论2：只要两侧NAT都不属于Symmetric NAT，也可双向通信。换种说法，只要两侧NAT都属于Cone NAT，即可双向通信。

　　(2)、A侧NAT属于Symmetric NAT

　　因为A侧NAT属于Symmetric NAT，且最初A到C发包的过程在A侧NAT留下了如下记录：A(192.168.0.4:5000)->(210.21.12.140:8000)-> C(210.15.27.166:2000)，故A到B发包过程在A侧NAT上留下的记录为：A(192.168.0.4:5000)->(210.21.12.140:8001)->B(210.15.27.140:8000)(注意，转换后端口产生了变化)。而B向A的发包，只能根据C给他的关于A的信息，发往A(210.21.12.140:8000)，因为A端口受限，故此路不通。再来看B侧NAT，由于B也向A发过了包，且B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，故在B侧NAT上留下的纪录为：B(192.168.0.5:5000)->(210.15.27.140:8000)->A(210.21.12.140:8000)，此后，如果A还继续向B发包的话(因为同一目标，故仍然使用前面的映射)，如果B侧NAT属于Restricted Cone，则从A(10.21.12.140:8001)来的包能够顺利到达B;如果B侧NAT属于Port Restricted Cone，则包永远无法到达B。

　　结论3：一侧NAT属于Symmetric NAT，另一侧NAT属于Restricted Cone，也可双向通信。

　　显然，还可得出另一个不幸的结论4，两个都是Symmetric NAT或者一个是Symmetric NAT、另一个是Port Restricted Cone，则不能双向通信。

　　上面的例子虽然只是分析了最初发包是从A到B的情况，但是，鉴于两者的对称性，并且如果P2P程序设计得足够科学，则前面得出的几条结论都是没有方向性，双向都适用的。

　　通过上述分析，我们得知，在穿越NAT方面，Symmetric NAT和Port Restricted Cone是有本质区别的，尽管他们表面上看起来相似。我们上面得出了四条结论，而natcheck网站则把他归结为一条：只要两侧NAT都属于Cone NAT(含Full Cone、Restricted Cone和Port Restricted Cone三者)，即可双向通信。而且natcheck网站还建议尽量使用Port Restricted Cone，以充分利用其端口受限的属性确保安全性。目前，国内充分利用了上述思路的具有代表性的P2P软件是“E话通”(www.et66.com)。

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　　在对natcheck提供的思路进行仔细分析后，开始探讨本文主题：iptables与natcheck。

　　Natcheck脱胎于Stun协议，由拙作“iptables与stun”一文可知，其对iptables进行的穿越NAT兼容性测试结果必然是GOOD。此外，我在该文中还提到一句，如果在每个NAT后面仅有一个客户端这种特殊情况下，iptables就是一个标准的Port restricted Cone。根据前面natcheck的结论，这样两个iptables后面的客户端应该可以互相穿越对方的NAT。让我们来看一下实际情况(例2)呢?

　　仍然参考前例，只是两侧都使用iptables来进行地址转换。(因为采用了iptables，故此处和前例稍有点区别，即转换后源端口不变)

　　A与B通过C交换对方地址的初始化环节此处略去，我们从A(192.168.0.4:5000)向B(210.15.27.140:5000)(注意因使用iptables而导致端口和前例不一样)发包开始分析，因为在本例中，两侧均只有一个客户端，故可把iptables简化成Port restricted Cone看待。

　　如前例一样，从A(192.168.0.4:5000)到B(210.15.27.140: 5000)的***个包必不能到达B，但其会在A侧iptables上留下记录，在这条记录没有超时之前(iptables下默认30秒)，如果B也向A(210.21.12.140:5000)发包，如前所述，按理该包应该能够到达A，但事实上却是永远到不了。

　　难道是natcheck的结论错了，或者是特殊情况下iptables并不是Port restricted Cone(即仍然是Symmetric NAT)，我们还是别忙着再下结论，先来看看来两侧iptables上留下的记录吧：

　　A侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 192.168.0.4 | grep udp

　　udp 17 18 src=192.168.0.4 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.15.27.140 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 use=1

　　B侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 192.168.0.5 | grep udp

　　udp 17 26 src=192.168.0.5 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=1026 use=1

　　把两条记录翻译如下：(关于ip_conntrack文件的分析，请见http://www.sns.ias.edu/~jns/security/iptables/iptables_conntrack.html)

　　A(192.168.0.4:5000)-> A侧NAT(转换后210.21.12.140:5000)-> B(210.15.27.140:5000)

　　B(192.168.0.5:5000)-> B侧NAT(转换后210.15.27.140:1026)-> A(210.21.12.140:5000)

　　奇怪，B到A的包在映射后源端口号怎么变了呢，按理不应该呀?因为按照iptables转换原则(详见“iptables与stun”)，要求尽量保持源端口号不变，除非socket有重复。难道B侧NAT上还有重复记录，再cat一下呢?

　　B侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 210.21.12.140 | grep udp

　　udp 17 10 src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.15.27.140 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 use=1

　　udp 17 16 src=192.168.0.5 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=1026 use=1

　　操!还果真有两条差不多的记录，***条与NAT无关，是A到B的包在B侧iptables上留下的记录，产生时间上略早于第二条记录，其构成的socket是(210.21.12.140:5000，210.15.27.140:5000)。第二条即B到A的包产生的记录，其构成的socket是(210.15.27.140:1026，210.21.12.140:5000)，如果其源端口不改动，即是(210.15.27.140:5000，210.21.12.140:5000)，还真和***条记录重复了呢，怪不得转换后需要修改源端口，也怪不得B发包到不了A。

　　为什么是这样的结果呢?我们知道，iptables是一个有状态的防火墙，他通过连接跟踪模块来实现状态检测的功能，该模块检查所有到来的数据包，也就是说，该模块不仅对NAT起作用，而且对普通的包过滤也起作用。显然，在上述例子里，A到B的包就是作为普通的包过滤而被记载在B侧iptables的连接跟踪表里，导致后来B到A的包为避免socket重复而不得不改换端口号，从而导致无法实现双向通信。看来，natcheck的结论并没有错，只是由于iptables具有状态检测的新特性导致即使在特殊情况下iptables又从Port restricted Cone变成了Symmetric NAT而已。

　　那么，有办法解决这一问题吗?根据连接跟踪的特性，在iptables下，只要启用了NAT，就肯定要启用连接跟踪功能，而只要启用了连接跟踪功能，就必然顺带跟踪普通包过滤(启用连接跟踪后，似乎无法控制不让跟踪普通包过滤)，也就是说，只要用NAT，就无法避免上述情况，真残酷!然而，这却是事实，即只要两端都采用了iptables作为NAT，则尽管两侧都通过了natcheck的兼容性测试，但iptables两侧永远也不能互相穿越。

　　在“iptables与stun”一文中曾经提到，Win2000下的ics或nat在Stun协议下的表现和iptables是完全一样的。那么，在natcheck下，表现是否还一致呢?答案是否定的，虽然Win2000下的ics或nat也具有状态检测的功能，但该状态检测，仅对NAT起作用，不对普通包过滤起作用。所以在两侧都是Win2000下的ics或nat可以作为Port restricted Cone的特殊情况下，是允许被穿越的。另外，在一侧使用iptables，另一侧使用Win2000下的ics或nat，但两者都表现为Port restricted Cone的特殊情况下，从某个方向发起，最终是允许互相穿越的，但是这种穿越不具有对称性，即从另一个方向发起，则永远无法穿越，具体原理，读者可以参考例2自行分析。

　　解决办法

　　原理：一般的NAT设备，对于接收到的UDP数据包，只有当内部已经有发送到这个数据包的源地址和源端口的数据包时，才会转发给内部主机。否则会丢弃。这个原理只适应UDP协议而不适应TCPIP协议。

　　步骤：

　　1)A直接向B的NAT设备地址Bnat发送UDP包，该包一般情况下【取决于B的NAT设备类型】会被B的NAT抛弃，但是通过发送该包，A的NAT设备打开了一个可以接收来自B的NAT设备的UDP数据包的"通道";

　　2)A通过server向B的NAT设备地址Bnat转发UDP包，请求B向A的NAT设备地址Anat发送UDP包。因为B已经向server发送过UDP包，B的NAT设备会将该请求包转发给B。

　　3)此时，B向A的NAT设备地址Anat发送UDP包，因为在第1)步中，A的NAT设备已经打开了通道，该包会由A的NAT设备正确转发给A。同时，B的NAT设备也打开了一个可以接收来自A的NAT设备的UDP包的"通道"。

　　4)此后，A可以和B直接通过Anat和Bnat进行UDP通讯，不需要通过server了。

　　5)还有一点值得提到，以后，A或者B中的任何一个，都可以作为另外一个和第3方如C之间建立UDP连接的中转Server(即上文中的Server)

　　6)另外，对于多级NAT情况，上面提到的UDP端口反弹技术，都可以自动适应。

通过阅读文章，我们不难发现iptables与natcheck都挺好用的，感兴趣的朋友可以和朋友试试！

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