一、NAT概述
NAT，全称为Network Address Translation，是网络通信中的一种技术，它主要解决 IPv4 地址不足的问题。NAT 技术的核心是将内部网络的私有 IP 地址与外部网络的公有 IP 地址一一对应起来，使得内部网络能够与外部网络进行通信。
在 NAT 中，最主要的设备是 NAT 路由器。其内部分为 LAN 和 WAN 两个接口，LAN 接口和内部网络相连，WAN 接口和外部网络相连。当数据包从 LAN 接口进入 NAT 路由器时，路由器会将数据包中的源 IP 地址和端口号替换为 NAT 路由器的公网 IP 地址和随机端口号，然后将数据包转发到 WAN 接口，反之亦然。
NAT 的应用场景非常广泛，既可以用于家庭网络，也可以用于企业内部网络，还可以用于公共场所的网络。但是，在网络通信过程中，NAT 会给应用带来一些问题，如端口映射问题、穿透问题等，这时就需要进行 NAT 检测。
二、NAT检测方法
1. STUN 协议检测
STUN（Session Traversal Utilities for NAT）是一种基于 UDP 协议的 NAT 检测协议，其主要作用是检测 NAT 类型和获取公网 IP。STUN 协议的工作流程如下：
User1 STUN Server User2
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1、 |-------request------------->|
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2、 |<------response-------------|
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3、 |--------------------request------------------>|
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4、 |<-------------------response-------------------|
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当 User1 和 User2 需要进行通信时，User1 发送一个 STUN 请求，请求 STUN 服务器返回自己的 IP 地址和端口号。STUN 服务器会返回一个响应消息，其中包括了 User1 的公网 IP 地址和端口号。当 User1 获得了 STUN 服务器返回的地址和端口号之后，它将把这些信息发送给 User2。
对于不同的 NAT 类型，STUN 检测的结果是不同的。比如，如果两个用户都处于 Symmetric NAT 后面，则无法使用 STUN 协议进行直接通信，只有通过 ICE 协议从中继服务器转发数据包。因此，在进行 NAT 检测的过程中，还需要考虑哪种 NAT 类型可以直接通信，哪种需要中继服务器等问题，从而选择合适的 NAT 穿透方案。
2. ICE框架检测
ICE（Interactive Connectivity Establishment）是一种综合性的 NAT 穿透框架，它主要用于 P2P 网络通信。在 ICE 框架中，用于 NAT 检测的协议有 STUN、TURN 和 ICE-Lite。
ICE 框架的工作原理如下：
User1 User2
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1、 gathering---------candidate1---->|
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2、 gathering------->|candidate2
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3、 start offer------------>|
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4、<------answer----------start offer--------------|
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5、<-------final answer------------------------|
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6、<-------start checks------------------------------|
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7、-------->check1------------------------>|
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8、<--------response1-----------------------|
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9、--------->check2------------------------>|
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10、<---------response2----------------------|
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11、 ...... |
首先，User1 和 User2 都会进行 candidate gathering，即获取可用的连接候选方案，包括使用 STUN、TURN 等协议从 NAT 中获取地址。
然后，User1 会向 User2 发送一个 SDP offer，也就是描述自己可用连接方案的信息。User2 接收到 SDP offer 后，会比较自己的连接方案，并向 User1 返回一个 SDP answer，描述自己的可用连接方案。在这个过程中，如果 User1 和 User2 在 NAT 环境下无法直接进行通信，就需要通过 TURN 服务器和中继服务器进行数据包转发。
最后，User1 和 User2 开始进行检测过程。User1 发送一个 STUN 消息给 User2，询问 NAT 类型，并等待 User2 的响应。如果 User2 收到了消息并返回响应，说明 NAT 类型为 Full Cone、Restricted Cone 或 Port Restricted Cone，此时双方可以进行直接通信。如果 User2 无法回复消息，则说明 NAT 类型为 Symmetric NAT，需要通过中继服务器进行数据包转发。
三、NAT检测实例代码
1. 使用 STUN 协议检测 NAT 类型
客户端代码
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);
});
服务端代码
无需服务端介入。2. 使用 ICE 框架检测 NAT 类型
客户端代码
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);
});
}
服务端代码
无需服务端介入。四、总结
NAT 技术的应用越来越广泛，但也给网络通信带来了一些问题。为了解决这些问题，需要进行 NAT 检测，选择合适的 NAT 穿透方案。本文介绍了两种 NAT 检测方法：STUN 协议和 ICE 框架。通过上述方法，可以依据不同的 NAT 类型选择合适的通信方案，从而更好地解决网络通信问题。
