大家好，我是小林。

最近有個(gè)同學(xué)問(wèn)了我這么一個(gè)問(wèn)題：大概就是他的云服務(wù)器，為什么ping 不通他的電腦。這次我們就來(lái)說(shuō)說(shuō)原因。

IPv4地址有限，最大42億個(gè)。為了更好的利用這有限的IP數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，將IP分為了私有IP和公網(wǎng)IP，一個(gè)局域網(wǎng)里的N多臺(tái)機(jī)器都可以共用一個(gè)公網(wǎng)IP，從而大大增加了"可用IP數(shù)量"。

收發(fā)數(shù)據(jù)就像收發(fā)快遞

當(dāng)我們需要發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的時(shí)候，在IP層，需要填入源IP地址，和目的IP地址，也就是對(duì)應(yīng)快遞的發(fā)貨地址和收貨地址。

IP報(bào)頭里含有發(fā)送和接收IP地址

但是我們家里的局域網(wǎng)內(nèi)，基本上都用192.168.xx.xx這樣的私有IP。

如果我們?cè)诎l(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的時(shí)候，這么填。對(duì)方在回?cái)?shù)據(jù)包的時(shí)候該怎么回？畢竟千家萬(wàn)戶(hù)人用的都是192.168.0.1，網(wǎng)絡(luò)怎么知道該發(fā)給誰(shuí)？

所以肯定需要將這個(gè)192.168.xx私有IP轉(zhuǎn)換成公有IP。

因此在上篇文章最后，留了這么個(gè)問(wèn)題。局域網(wǎng)內(nèi)用的是私有IP，公網(wǎng)用的都是公有IP。一個(gè)局域網(wǎng)里的私有IP想訪問(wèn)局域網(wǎng)外的公有IP，必然要做個(gè)IP轉(zhuǎn)換，這是在哪里做的轉(zhuǎn)換呢？

私有IP和公有IP在哪進(jìn)行轉(zhuǎn)換

答案是NAT設(shè)備，全稱(chēng)Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換?；旧霞矣寐酚善鞫贾С诌@功能。

我們來(lái)聊下它是怎么工作的。

NAT的工作原理

為了簡(jiǎn)單，我們假設(shè)你很富，你家里分到了一個(gè)公網(wǎng)IP地址 20.20.20.20，對(duì)應(yīng)配到了你家自帶NAT功能的家用路由器上，你家里需要上網(wǎng)的設(shè)備有很多，比如你的手機(jī)，電腦都需要上網(wǎng)，他們構(gòu)成了一個(gè)局域網(wǎng)，用的都是私有IP，比如192.168.xx。其中你在電腦上執(zhí)行ifconfig命令，發(fā)現(xiàn)家里的電腦IP是192.168.30.5。你要訪問(wèn)的公網(wǎng)IP地址是30.30.30.30。

于是就有下面這樣一張圖

內(nèi)網(wǎng)IP訪問(wèn)公網(wǎng)IP

當(dāng)你準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，你的電腦內(nèi)核協(xié)議棧就會(huì)構(gòu)造一個(gè)IP數(shù)據(jù)包。這個(gè)IP數(shù)據(jù)包報(bào)頭里的發(fā)送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。將數(shù)據(jù)包發(fā)到NAT路由器中。

此時(shí)NAT路由器會(huì)將IP數(shù)據(jù)包里的源IP地址修改一下，私有IP地址192.168.30.5改寫(xiě)為公網(wǎng)IP地址20.20.20.20，這叫SNAT（Source Network Address Translation，源地址轉(zhuǎn)換）。并且還會(huì)在NAT路由器內(nèi)部留下一條 192.168.30.5 -> 20.20.20.20的映射記錄，這個(gè)信息會(huì)在后面用到。之后IP數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)公網(wǎng)里各個(gè)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)到了接收端30.30.30.30，到這里發(fā)送流程結(jié)束。

SNAT

如果接收端處理完數(shù)據(jù)了，需要發(fā)一個(gè)響應(yīng)給你的電腦，那就需要將發(fā)送端IP地址填上自己的30.30.30.30，將接收端地址填為你的公網(wǎng)IP地址20.20.20.20，發(fā)往NAT路由器。NAT路由器收到公網(wǎng)來(lái)的消息之后，會(huì)檢查下自己之前留下的映射信息，發(fā)現(xiàn)之前留下了這么一條 192.168.30.5 -> 20.20.20.20記錄，就會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)包的目的IP地址修改一下，變成內(nèi)網(wǎng)IP地址192.168.30.5, 這也叫DNAT（Destination Network Address Translation，目的地址轉(zhuǎn)換）。之后將其轉(zhuǎn)發(fā)給你的電腦上。

DNAT

整個(gè)過(guò)程下來(lái)，NAT悄悄的改了IP數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收端IP地址，但對(duì)真正的發(fā)送方和接收方來(lái)說(shuō)，他們卻對(duì)這件事情，一無(wú)所知。

這就是NAT的工作原理。

NAPT的原理

到這里，相信大家都有一個(gè)很大的疑問(wèn)。

局域網(wǎng)里并不只有一臺(tái)機(jī)器，局域網(wǎng)內(nèi) 每臺(tái)機(jī)器都在NAT下留下的映射信息都會(huì)是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，發(fā)送消息是沒(méi)啥事，但接收消息的時(shí)候就不知道該回給誰(shuí)了。

NAT的問(wèn)題

這問(wèn)題相當(dāng)致命，因此實(shí)際上大部分時(shí)候不會(huì)使用普通的NAT。

那怎么辦呢？

問(wèn)題出在我們沒(méi)辦法區(qū)分內(nèi)網(wǎng)里的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接。

于是乎。

我們可以加入其他信息去區(qū)分內(nèi)網(wǎng)里的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，很自然就能想到端口。

但I(xiàn)P數(shù)據(jù)包（網(wǎng)絡(luò)層）本身是沒(méi)有端口信息的。常見(jiàn)的傳輸層協(xié)議TCP和UDP數(shù)據(jù)報(bào)文里才有端口的信息。

TCP報(bào)頭有端口號(hào)

UDP報(bào)頭也有端口號(hào)

于是流程就變成了下面這樣子。

當(dāng)你準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)候，你的電腦內(nèi)核協(xié)議棧就會(huì)先構(gòu)造一個(gè)TCP或者UDP數(shù)據(jù)報(bào)頭，里面寫(xiě)入端口號(hào)，比如發(fā)送端口是5000，接收端口是3000，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上，加入IP數(shù)據(jù)報(bào)頭，填入發(fā)送端和接收端的IP地址。

那數(shù)據(jù)包長(zhǎng)這樣。

數(shù)據(jù)包的構(gòu)成

假設(shè)，發(fā)送端IP地址填的就是192.168.30.5，接收端IP地址就是30.30.30.30。

將數(shù)據(jù)包發(fā)到NAT路由器中。

此時(shí)NAT路由器會(huì)將IP數(shù)據(jù)包里的源IP地址和端口號(hào)修改一下，從192.168.30.5:5000改寫(xiě)成20.20.20.20:6000。并且還會(huì)在NAT路由器內(nèi)部留下一條 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的映射記錄。之后數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)公網(wǎng)里各個(gè)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)到了接收端30.30.30.30:3000，到這里發(fā)送流程結(jié)束。

NAPT發(fā)送數(shù)據(jù)

接收端響應(yīng)時(shí)，就會(huì)在數(shù)據(jù)包里填入發(fā)送端地址是30.30.30.30:3000，將接收端是20.20.20.20:6000，發(fā)往NAT路由器。NAT路由器發(fā)現(xiàn)下自己之前留下過(guò)這么一條 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的記錄，就會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)包的目的IP地址和端口修改一下，變回原來(lái)的192.168.30.5:5000。之后將其轉(zhuǎn)發(fā)給你的電腦上。

NAPT接收數(shù)據(jù)

如果局域網(wǎng)內(nèi)有多個(gè)設(shè)備，他們就會(huì)映射到不同的公網(wǎng)端口上，畢竟端口最大可達(dá)65535，完全夠用。這樣大家都可以相安無(wú)事。

像這種同時(shí)轉(zhuǎn)換IP和端口的技術(shù)，就是NAPT（Network Address Port Transfer , 網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換 ）。

看到這里，問(wèn)題就來(lái)了。

那這么說(shuō)只有用到端口的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議才能被NAT識(shí)別出來(lái)并轉(zhuǎn)發(fā)？

但這怎么解釋ping命令？ping基于ICMP協(xié)議，而ICMP協(xié)議報(bào)文里并不帶端口信息。我依然可以正常的ping通公網(wǎng)機(jī)器并收到回包。

ping報(bào)頭

事實(shí)上針對(duì)ICMP協(xié)議，NAT路由器做了特殊處理。ping報(bào)文頭里有個(gè)Identifier的信息，它其實(shí)指的是放出ping命令的進(jìn)程id。

對(duì)NAT路由器來(lái)說(shuō)，這個(gè)Identifier的作用就跟端口一樣。

另外，當(dāng)我們?nèi)プグ臅r(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)Identifier，一個(gè)后面帶個(gè)BE（Big Endian），另一個(gè)帶個(gè)LE（Little Endian）。

其實(shí)他們都是同一個(gè)數(shù)值，只不過(guò)大小端不同，讀出來(lái)的值不一樣。就好像同樣的數(shù)字345，反著讀就成了543。這是為了兼容不同操作系統(tǒng)（比如linux和Windows）下大小端不同的情況。

內(nèi)網(wǎng)穿透是什么

看到這里，我們大概也發(fā)現(xiàn)了。使用了NAT上網(wǎng)的話(huà)，前提得內(nèi)網(wǎng)機(jī)器主動(dòng)請(qǐng)求公網(wǎng)IP，這樣NAT才能將內(nèi)網(wǎng)的IP端口轉(zhuǎn)成外網(wǎng)IP端口。

反過(guò)來(lái)公網(wǎng)的機(jī)器想主動(dòng)請(qǐng)求內(nèi)網(wǎng)機(jī)器，就會(huì)被攔在NAT路由器上，此時(shí)由于NAT路由器并沒(méi)有任何相關(guān)的IP端口的映射記錄，因此也就不會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給內(nèi)網(wǎng)里的任何一臺(tái)機(jī)器。

舉個(gè)現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景就是，你在你家里的電腦上啟動(dòng)了一個(gè)HTTP服務(wù)，地址是192.168.30.5:5000，此時(shí)你在公司辦公室里想通過(guò)手機(jī)去訪問(wèn)一下，卻發(fā)現(xiàn)訪問(wèn)不了。

那問(wèn)題就來(lái)了，有沒(méi)有辦法讓外網(wǎng)機(jī)器訪問(wèn)到內(nèi)網(wǎng)的服務(wù)？

有。

大家應(yīng)該聽(tīng)過(guò)一句話(huà)叫，"沒(méi)有什么是加中間層不能解決的，如果有，那就再加一層"。

放在這里，依然適用。

說(shuō)到底，因?yàn)镹AT的存在，我們只能從內(nèi)網(wǎng)主動(dòng)發(fā)起連接，否則NAT設(shè)備不會(huì)記錄相應(yīng)的映射關(guān)系，沒(méi)有映射關(guān)系也就不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

所以我們就在公網(wǎng)上加一臺(tái)服務(wù)器x，并暴露一個(gè)訪問(wèn)域名，再讓內(nèi)網(wǎng)的服務(wù)主動(dòng)連接服務(wù)器x，這樣NAT路由器上就有對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。接著，所有人都去訪問(wèn)服務(wù)器x，服務(wù)器x將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)機(jī)器，再原路返回響應(yīng)，這樣數(shù)據(jù)就都通了。這就是所謂的內(nèi)網(wǎng)穿透。

像上面提到的服務(wù)器x，你也不需要自己去搭，已經(jīng)有很多現(xiàn)成的方案，花錢(qián)就完事了，比如花某殼。

內(nèi)網(wǎng)穿透

到這里，我們就可以回答文章標(biāo)題的問(wèn)題。

為什么我在公司里訪問(wèn)不了家里的電腦？

那是因?yàn)榧依锏碾娔X在局域網(wǎng)內(nèi)，局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間有個(gè)NAT路由器。由于NAT路由器的存在，外網(wǎng)服務(wù)無(wú)法主動(dòng)連通局域網(wǎng)內(nèi)的電腦。

兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)的聊天軟件如何建立通訊

好了，問(wèn)題就叒來(lái)了。

我家機(jī)子是在我們小區(qū)的局域網(wǎng)里，班花家的機(jī)子也是在她們小區(qū)的局域網(wǎng)里。都在局域網(wǎng)里，且NAT只能從內(nèi)網(wǎng)連到外網(wǎng)，那我電腦上登錄的QQ是怎么和班花電腦里的QQ連上的呢？

兩個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)無(wú)法直接連通

上面這個(gè)問(wèn)法其實(shí)是存在個(gè)誤解，誤以為兩個(gè)qq客戶(hù)端應(yīng)用是直接建立連接的。

然而實(shí)際上并不是，兩個(gè)qq客戶(hù)端之間還隔了一個(gè)服務(wù)器。

聊天軟件會(huì)主動(dòng)與公網(wǎng)服務(wù)器建立連接

也就是說(shuō)，兩個(gè)在內(nèi)網(wǎng)的客戶(hù)端登錄qq時(shí)都會(huì)主動(dòng)向公網(wǎng)的聊天服務(wù)器建立連接，這時(shí)兩方的NAT路由器中都會(huì)記錄有相應(yīng)的映射關(guān)系。當(dāng)在其中一個(gè)qq上發(fā)送消息時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)先到服務(wù)器，再通過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個(gè)客戶(hù)端上。反過(guò)來(lái)也一樣，通過(guò)這個(gè)方式讓兩臺(tái)內(nèi)網(wǎng)的機(jī)子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

兩個(gè)內(nèi)網(wǎng)的應(yīng)用如何直接建立連接

上面的情況，是兩個(gè)客戶(hù)端通過(guò)第三方服務(wù)器進(jìn)行通訊，但有些場(chǎng)景就是要拋開(kāi)第三端，直接進(jìn)行兩端通信，比如P2P下載，這種該怎么辦呢？

這種情況下，其實(shí)也還是離不開(kāi)第三方服務(wù)器的幫助。

假設(shè)還是A和B兩個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的機(jī)子，A內(nèi)網(wǎng)對(duì)應(yīng)的NAT設(shè)備叫NAT_A，B內(nèi)網(wǎng)里的NAT設(shè)備叫NAT_B，和一個(gè)第三方服務(wù)器server。

流程如下。

step1和2: A主動(dòng)去連server，此時(shí)A對(duì)應(yīng)的NAT_A就會(huì)留下A的內(nèi)網(wǎng)地址和外網(wǎng)地址的映射關(guān)系，server也拿到了A對(duì)應(yīng)的外網(wǎng)IP地址和端口。

step3和4: B的操作和A一樣，主動(dòng)連第三方server，NAT_B內(nèi)留下B的內(nèi)網(wǎng)地址和外網(wǎng)地址的映射關(guān)系，然后server也拿到了B對(duì)應(yīng)的外網(wǎng)IP地址和端口。

step5和step6以及step7: 重點(diǎn)來(lái)了。此時(shí)server發(fā)消息給A，讓A主動(dòng)發(fā)UDP消息到B的外網(wǎng)IP地址和端口。此時(shí)NAT_B收到這個(gè)A的UDP數(shù)據(jù)包時(shí)，這時(shí)候根據(jù)NAT_B的設(shè)置不同，導(dǎo)致這時(shí)候有可能NAT_B能直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到B，那此時(shí)A和B就通了。但也有可能不通，直接丟包，不過(guò)丟包沒(méi)關(guān)系，這個(gè)操作的目的是給NAT_A上留下有關(guān)B的映射關(guān)系。

step8和step9以及step10: 跟step5一樣熟悉的配方，此時(shí)server再發(fā)消息給B，讓B主動(dòng)發(fā)UDP消息到A的外網(wǎng)IP地址和端口。NAT_B上也留下了關(guān)于A到映射關(guān)系，這時(shí)候由于之前NAT_A上有過(guò)關(guān)于B的映射關(guān)系，此時(shí)NAT_A就能正常接受B的數(shù)據(jù)包，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給A。到這里A和B就能正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通信了。這就是所謂的NAT打洞。

step11: 注意，之前我們都是用的UDP數(shù)據(jù)包，目的只是為了在兩個(gè)局域網(wǎng)的NAT上打個(gè)洞出來(lái)，實(shí)際上大部分應(yīng)用用的都是TCP連接，所以，這時(shí)候我們還需要在A主動(dòng)向B發(fā)起TCP連接。到此，我們就完成了兩端之間的通信。

NAT打洞

這里估計(jì)大家會(huì)有疑惑。

端口已經(jīng)被udp用過(guò)了，TCP再用，那豈不是端口重復(fù)占用（address already in use）？

其實(shí)并不會(huì)，端口重復(fù)占用的報(bào)錯(cuò)常見(jiàn)于兩個(gè)TCP連接在不使用SO_REUSEADDR的情況下，重復(fù)使用了某個(gè)IP端口。而UDP和TCP之間卻不會(huì)報(bào)這個(gè)錯(cuò)。之所以會(huì)有這個(gè)錯(cuò)，主要是因?yàn)樵谝粋€(gè)linux內(nèi)核中，內(nèi)核收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)通過(guò)五元組（傳輸協(xié)議，源IP，目的IP，源端口，目的端口）去唯一確定數(shù)據(jù)接受者。當(dāng)五元組都一模一樣的時(shí)候，內(nèi)核就不知道該把數(shù)據(jù)發(fā)給誰(shuí)。而UDP和TCP之間"傳輸協(xié)議"不同，因此五元組也不同，所以也就不會(huì)有上面的問(wèn)題。

五元組

NAPT還分為好多種類(lèi)型，上面的nat打洞方案，都能成功嗎？

關(guān)于NAPT，確實(shí)還細(xì)分為好幾種類(lèi)型，比如完全錐形NAT和限制型NAT啥的，但這并不是本文的重點(diǎn)。所以我就略過(guò)了。我們現(xiàn)在常見(jiàn)的都是錐形NAT。上面的打洞方案適用于大部分場(chǎng)景，這其中包括限制最多的端口受限錐形NAT。

null

總結(jié)

? IPV4地址有限，但通過(guò)NAT路由器，可以使得整個(gè)內(nèi)網(wǎng)N多臺(tái)機(jī)器，對(duì)外只使用一個(gè)公網(wǎng)IP，大大節(jié)省了IP資源。

? 內(nèi)網(wǎng)機(jī)子主動(dòng)連接公網(wǎng)IP，中間的NAT會(huì)將內(nèi)網(wǎng)機(jī)子的內(nèi)網(wǎng)IP轉(zhuǎn)換為公網(wǎng)IP，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互。

? 普通的NAT技術(shù)，只會(huì)修改網(wǎng)絡(luò)包中的發(fā)送端和接收端IP地址，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備較多時(shí)，將有可能導(dǎo)致沖突。因此一般都會(huì)使用NAPT技術(shù)，同時(shí)修改發(fā)送端和接收端的IP地址和端口。

? 由于NAT的存在，公網(wǎng)IP是無(wú)法訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)的，但通過(guò)內(nèi)網(wǎng)穿透技術(shù)，就可以讓公網(wǎng)IP訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)。一波操作下來(lái)，就可以在公司的網(wǎng)絡(luò)里訪問(wèn)家里的電腦。

審核編輯：黃飛

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