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上篇文章「為什么我們家里的 IP 都是 192.168 開頭的？」提到，因?yàn)?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)方在數(shù)據(jù)包的時(shí)候該怎么回？畢竟家萬(wàn)戶人用的都是 192.168.0.1，網(wǎng)絡(luò)怎么知道該發(fā)給誰(shuí)？所以肯禺強(qiáng)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)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 Network?Address?Translation，網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換?；旧霞矣寐酚善?支持這功能。我們來(lái)聊下它是么工作的。NAT 的工作原理為了簡(jiǎn)單，我們假設(shè)你很富，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，你家里要上網(wǎng)的設(shè)備有很多，比如你手機(jī)，電腦都需要上網(wǎng)，他們成了一個(gè)局域網(wǎng)，用的都是私 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)后稷協(xié)議棧會(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)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)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)，他嬰勺卻對(duì)這件事，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)很的疑問(wèn)。局域網(wǎng)里并不只有一機(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)不會(huì)使用普通的 NAT。那怎么辦呢？問(wèn)題出在我們沒(méi)辦法分內(nèi)網(wǎng)里的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接。于乎。我們可以加入其他信息去分內(nèi)網(wǎng)里的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接，很然就能想到端口。但 IP 數(shù)據(jù)包（網(wǎng)絡(luò)層）本身是沒(méi)有端信息的。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。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)一個(gè) TCP 或者 UDP 數(shù)據(jù)報(bào)頭，里面寫入端口號(hào)，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)，剡山送端 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)網(wǎng)里各個(gè)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)到接收端 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)包菌狗填發(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)射到不同的公網(wǎng)端口上，畢竟口最大可達(dá) 65535，完全夠用。這樣大家都可以相安無(wú)。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?）?？吹竭@里，旄山題就來(lái)了。那這說(shuō)只有用到端口的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議才被 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。史記依然可正常的 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娜渖吆?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)大小端同，讀出來(lái)的值不一樣。就好同樣的數(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。1667783441963內(nèi)網(wǎng)穿透是什么看到這里，我們大概也發(fā)現(xiàn)了。用了 NAT 上網(wǎng)的話，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)豐山給內(nèi)網(wǎng)里的何一臺(tái)機(jī)器。舉個(gè)現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)就是，你在你家里的電腦上啟了一個(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，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)到網(wǎng)的服務(wù)？有。大家應(yīng)該聽(tīng)過(guò)句話叫，" 沒(méi)有什么是加中間層不能解決的，涹山果有，那就加一層 "。放在這里，依然適用。說(shuō)到底，因?yàn)?NAT 的存在，我們只能從內(nèi)網(wǎng)主動(dòng)發(fā)連接，否則 NAT 設(shè)備不會(huì)記錄相應(yīng)的映射關(guān)系，沒(méi)多寓映關(guān)系也就不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。所以們就在公網(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)孟鳥這樣數(shù)據(jù)就都通。這就是所謂的內(nèi)網(wǎng)穿透。像面提到的服務(wù)器 x，你也不需要自己去搭，已經(jīng)有咸鳥多現(xiàn)成方案，花錢就完事了，比如花殼。內(nèi)網(wǎng)穿透到這里，我們就以回答文章標(biāo)題的問(wèn)題。為什我在公司里訪問(wèn)不了家里的電？那是因?yàn)榧依锏碾娔X在局域內(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)貳負(fù)的電腦。兩內(nèi)網(wǎng)的聊天軟件如何建立通訊了，問(wèn)題就叒來(lái)了。我家機(jī)子在我們小區(qū)的局域網(wǎng)里，班花的機(jī)子也是在她們小區(qū)的局域里。都在局域網(wǎng)里，且 NAT 只能從內(nèi)網(wǎng)連到外網(wǎng)，那我電腦上登茈魚的 QQ 是怎么和班花電腦里的 QQ 連上的呢？?jī)蓚€(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)無(wú)法直接通上面這個(gè)問(wèn)法其實(shí)是存在個(gè)解，誤以為兩個(gè) qq 客戶端應(yīng)用是直接建立連接的。然而際上并不是，兩個(gè) qq 客戶端之間還隔了一個(gè)服務(wù)器。聊軟件會(huì)主動(dòng)與公網(wǎng)服務(wù)器建立接也就是說(shuō)，兩個(gè)在內(nèi)網(wǎng)的客端登錄 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)服器轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個(gè)客戶端上。過(guò)來(lái)也一樣，通過(guò)這個(gè)方式讓臺(tái)內(nèi)網(wǎng)的機(jī)子進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。個(gè)內(nèi)網(wǎng)的應(yīng)用如何直接建立連上面的情況，是兩個(gè)客戶端通第三方服務(wù)器進(jìn)行通訊，但有場(chǎng)景就是要拋開第三端，直接行兩端通信，比如 P2P 下載，這種該怎么辦呢？這種情下，其實(shí)也還是離不開第三方務(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)，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)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。端口已軨軨被 udp 用過(guò)了，TCP 再用，那豈不是端口重復(fù)占用黑蛇address already in use）？其實(shí)并不會(huì)，端口重復(fù)占用的錯(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)。之所以犲山有這個(gè)錯(cuò)，主要因?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)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)跂踵受者。五元組都一模一樣的時(shí)候，內(nèi)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)有上面問(wèn)題。五元組NAPT 還分為好多種類型，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)。所以我就過(guò)了。我們現(xiàn)在常見(jiàn)的都是錐 NAT。上面的打洞方案適用于大部分場(chǎng)獜，這其中包括限最多的端口受限錐形 NAT。1668247032737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)蜚端和接端 IP 地址，當(dāng)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備較多時(shí)，將有可能導(dǎo)致沖突從從因一般都會(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)里問(wèn)家里的電腦。最后留個(gè)問(wèn)題有了 NAT 之后，原本并不富裕的 IPv4 地址突然就變得非常夠用了。那我們?yōu)槭?還需要 IPv6？另外 IPv6 號(hào)稱地址多到每粒沙子都能擁有自己的 IP 地址，那我們還需要 NAT 嗎？本文來(lái)自微信公眾號(hào)：小白 debug （ID：xiaobaidebug），作者：小共工