上篇文章「為什么我家里的 IP 都是 192.168 開頭的？」提到，因為 IPv4 地址有限，最大 42 億個。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，一個局域網(wǎng)里的 N 多臺機(jī)器都可以共用一公網(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)我們需發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的時候， IP 層，需要填入源 IP 地址，和目的 IP 地址，也就是對應(yīng)快遞的發(fā)貨地和收貨地址。IP 報頭里含有發(fā)送和接收 IP 地址但是我們家里的局域網(wǎng)內(nèi)，基本都用 192.168.xx.xx 這樣的私有 IP。如果我們在發(fā)送網(wǎng)絡(luò)包的時候這么填。對方在回數(shù)包的時候該怎么回？竟千家萬戶人用的都 192.168.0.1，網(wǎng)絡(luò)怎么知道該發(fā)給誰？所前山肯定需將這個 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問題。局網(wǎng)內(nèi)用的是私有 IP，公網(wǎng)用的都是公有 IP。一個局域網(wǎng)里的私有 IP 想訪問局域網(wǎng)外的公有 IP，必然要做個 IP 轉(zhuǎn)換，這是在哪里做的換呢？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。基本上家用路由器支持這功能。我們來下它是怎么工作的。NAT 的工作原理為了簡單，我們假設(shè)你很，你家里分到了一個網(wǎng) IP 地址?20.20.20.20，對應(yīng)配到了你家自帶 NAT 功能的家用路由器上，你家里需要網(wǎng)的設(shè)備有很多，比你的手機(jī)，電腦都需上網(wǎng)，他們構(gòu)成了一局域網(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 訪問公網(wǎng) IP當(dāng)你準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候你的電腦內(nèi)核協(xié)議棧會構(gòu)造一個 IP 數(shù)據(jù)包。這個 IP 數(shù)據(jù)包報頭里的發(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 NAT 路由器會將 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，這個信會在后面用到。之后 IP 數(shù)據(jù)包經(jīng)過公網(wǎng)里各個路由器的轉(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)一響應(yīng)給你的電腦，那需要將發(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)來的消息之后會檢查下自己之前留的映射信息，發(fā)現(xiàn)之留下了這么一條?192.168.30.5 -> 20.20.20.20 記錄，就會將這個數(shù)據(jù)包的目 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）。之后將其化蛇發(fā)你的電腦上。DNAT整個過程下來，NAT 悄悄的改了 IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收 IP 地址，但對真正的發(fā)送方和接狙如方說，他們卻對這件事，一無所知。這就是 NAT 的工作原理。NAPT 的原理到這里，相信大家都有一很大的疑問。局域網(wǎng)并不只有一臺機(jī)器，域網(wǎng)內(nèi) 每臺機(jī)器都在 NAT 下留下的映射信息都會是?192.168.xx.xx -> 20.20.20.20，發(fā)送消息是沒啥事，但接收消的時候就不知道該回誰了。NAT 的問題這問題相當(dāng)致命，因實際上大部分時候不使用普通的 NAT。那怎么辦呢？問題出我們沒辦法區(qū)分內(nèi)網(wǎng)的多個網(wǎng)絡(luò)連接。于乎。我們可以加入其信息去區(qū)分內(nèi)網(wǎng)里的個網(wǎng)絡(luò)連接，很自然能想到端口。但 IP 數(shù)據(jù)包（網(wǎng)絡(luò)層）本身是沒有端口信息的常見的傳輸層協(xié)議 TCP 和 UDP 數(shù)據(jù)報文里才有端口的息。TCP 報頭有端口號UDP 報頭也有端口號于是流程就變了下面這樣子。當(dāng)你備發(fā)送數(shù)據(jù)包的時候你的電腦內(nèi)核協(xié)議棧會先構(gòu)造一個 TCP 或者 UDP 數(shù)據(jù)報頭，里面寫入端口，比如發(fā)送端口是 5000，接收端口是 3000，然后在這個基礎(chǔ)上，加入 IP 數(shù)據(jù)報頭，填入發(fā)送和接收端的 IP 地址。那數(shù)據(jù)包長這樣數(shù)據(jù)包的構(gòu)成假設(shè)，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 NAT 路由器會將 IP 數(shù)據(jù)包里的源 IP 地址和端口號修改一下，從 192.168.30.5:5000 改寫成 20.20.20.20:6000。并且還會在 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)過公網(wǎng)里各路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)到接收端 30.30.30.30:3000，到這里發(fā)送流程結(jié)。NAPT 發(fā)送數(shù)據(jù)接收端響應(yīng)時，就會數(shù)據(jù)包里填入發(fā)送端址是 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)下自己之前留過這么一條?192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000 的記錄，就會將這個數(shù)據(jù)包的目的 IP 地址和端口修改一下，變回原來的 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)有多個設(shè)，他們就會映射到不的公網(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事。這種同時轉(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?）。看這里，問題就來了。這么說只有用到端口網(wǎng)絡(luò)協(xié)議才能被 NAT 識別出來并轉(zhuǎn)發(fā)？但這怎么解釋 ping 命令？ping 基于 ICMP 協(xié)議，而 ICMP 協(xié)議報文里并不帶端口信。我依然可以正常的 ping 通公網(wǎng)機(jī)器并收到回包。ping 報頭事實上針對 ICMP 協(xié)議，NAT 路由器做了特殊處理。ping 報文頭里有個 Identifier 的信息，它其實指的是放出 ping 命令的進(jìn)程 id。對 NAT 路由器來說，這個 Identifier 的作用就跟端口一樣。另外當(dāng)我們?nèi)プグ臅r候就會發(fā)現(xiàn)有兩個 Identifier，一個后面帶個 BE（Big Endian），另一個帶個 LE（Little Endian）。其實他們都是同一個數(shù)值，只不大小端不同，讀出來值不一樣。就好像同的數(shù)字 345，反著讀就成了 543。這是為了兼容不同操作統(tǒng)（比如 linux 和 Windows）下大小端不同的情。1667783441963內(nèi)網(wǎng)穿透是什么看到這里，我們大也發(fā)現(xiàn)了。使用了 NAT 上網(wǎng)的話，前提得內(nèi)網(wǎng)機(jī)器主動請求網(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。反過來公網(wǎng)的機(jī)器想主動請宣山內(nèi)機(jī)器，就會被攔在 NAT 路由器上，此時由于 NAT 路由器并沒有任何相關(guān)的 IP 端口的映射記錄，因此也就不燭光轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)給內(nèi)網(wǎng)里的任何一臺器。舉個現(xiàn)實中的場就是，你在你家里的腦上啟動了一個 HTTP 服務(wù)，地址是 192.168.30.5:5000，此時你在公司辦公室里想過手機(jī)去訪問一下，發(fā)現(xiàn)訪問不了。那問就來了，有沒有辦法外網(wǎng)機(jī)器訪問到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)？有。大家應(yīng)該過一句話叫，" 沒有什么是加中間層不能決的，如果有，那就加一層 "。放在這里，依然適用。說到底因為 NAT 的存在，我們只能從內(nèi)網(wǎng)主發(fā)起連接，否則 NAT 設(shè)備不會記錄相應(yīng)的映射關(guān)系，沒有映關(guān)系也就不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)。所以我們就在公網(wǎng)加一臺服務(wù)器 x，并暴露一個訪問域名，讓內(nèi)網(wǎng)的服務(wù)主動連服務(wù)器 x，這樣 NAT 路由器上就有對應(yīng)的映射關(guān)系。接著所有人都去訪問服務(wù) 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)，這數(shù)據(jù)就都通了。這就所謂的內(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)有很多現(xiàn)成的方，花錢就完事了，比花某殼。內(nèi)網(wǎng)穿透到里，我們就可以回答章標(biāo)題的問題。為什我在公司里訪問不了里的電腦？那是因為里的電腦在局域網(wǎng)內(nèi)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間個 NAT 路由器。由于 NAT 路由器的存在，外網(wǎng)服務(wù)無主動連通局域網(wǎng)內(nèi)的腦。兩個內(nèi)網(wǎng)的聊天件如何建立通訊好了問題就叒來了。我家子是在我們小區(qū)的局網(wǎng)里，班花家的機(jī)子是在她們小區(qū)的局域里。都在局域網(wǎng)里， NAT 只能從內(nèi)網(wǎng)連到外網(wǎng)，那我電腦登錄的 QQ 是怎么和班花電腦里的 QQ 連上的呢？兩個局域網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)大鵹法直接通上面這個問法其實存在個誤解，誤以為個 qq 客戶端應(yīng)用是直接建立連接的。而實際上并不是，兩 qq 客戶端之間還隔了一個服務(wù)器。聊軟件會主動與公網(wǎng)服器建立連接也就是說兩個在內(nèi)網(wǎng)的客戶端錄 qq 時都會主動向公網(wǎng)的聊天服務(wù)器立連接，這時兩方的 NAT 路由器中都會記錄有相應(yīng)的映射關(guān)。當(dāng)在其中一個 qq 上發(fā)送消息時，數(shù)據(jù)會先到服務(wù)器，再通服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到另外一客戶端上。反過來也樣，通過這個方式讓臺內(nèi)網(wǎng)的機(jī)子進(jìn)行數(shù)傳輸。兩個內(nèi)網(wǎng)的應(yīng)如何直接建立連接上的情況，是兩個客戶通過第三方服務(wù)器進(jìn)通訊，但有些場景就要拋開第三端，直接行兩端通信，比如 P2P 下載，這種該怎么辦呢？這種情況下其實也還是離不開第方服務(wù)器的幫助。假還是 A 和 B 兩個局域網(wǎng)內(nèi)的機(jī)子，A 內(nèi)網(wǎng)對應(yīng)的 NAT 設(shè)備叫 NAT_A，B 內(nèi)網(wǎng)里的 NAT 設(shè)備叫 NAT_B，和一個第三方服務(wù)器 server。流程如下。step1 和 2: A 主動去連 server，此時 A 對應(yīng)的 NAT_A 就會留下 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)，然后 server 也拿到了 B 對應(yīng)的外網(wǎng) IP 地址和端口。step5 和 step6 以及 step7: 重點來了。此時 server 發(fā)消息給 A，讓 A 主動發(fā) UDP 消息到 B 的外網(wǎng) IP 地址和端口。此時 NAT_B 收到這個 A 的 UDP 數(shù)據(jù)包時，這時候根據(jù) NAT_B 的設(shè)置不同，導(dǎo)致這時有可能 NAT_B 能直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到 B，那此時 A 和 B 就通了。但也有可能不通，直接丟包相柳不丟包沒關(guān)系，這個操的目的是給 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 server 再發(fā)消息給 B，讓 B 主動發(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，這時候由于之前 NAT_A 上有過關(guān)于 B 的映射關(guān)系，此時 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，目的只是為了在個局域網(wǎng)的 NAT 上打個洞出來，實際大部分應(yīng)用用的都是 TCP 連接，所以，這時候我們還需要在 A 主動向 B 發(fā)起 TCP 連接。到此，我們就完成了兩端間的通信。NAT 打洞這里估計大家會有惑。端口已經(jīng)被 udp 用過了，TCP 再用，那豈不是端口復(fù)占用（address already in use）？其實并不會，端口重復(fù)占的報錯常見于兩個 TCP 連接在不使用 SO_REUSEADDR 的情況下，重復(fù)使用了某個 IP 端口。而 UDP 和 TCP 之間卻不會報這個錯。之所以會有個錯，主要是因為在個 linux 內(nèi)核中，內(nèi)核收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)時，會通過五元組（輸協(xié)議，源 IP，目的 IP，源端口，目的端口）去唯一騊駼定據(jù)接受者。當(dāng)五元組一模一樣的時候，內(nèi)就不知道該把數(shù)據(jù)發(fā)誰。而 UDP 和 TCP 之間 "傳輸協(xié)議" 不同，因此五元組也不同，所以也不會有上面的問題。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，確實還細(xì)分為好幾種類型，大學(xué)如完全形 NAT 和限制型 NAT 啥的，但這并不是本文的重點。以我就略過了。我們在常見的都是錐形 NAT。上面的打洞方案適用于大部分場景，其中包括限制最多的口受限錐形 NAT。1668247032737總結(jié)?IPV4 地址有限，但通過 NAT 路由器，可以使得整個內(nèi)網(wǎng) N 多臺機(jī)器，對外只使用個公網(wǎng) IP，大大節(jié)省了 IP 資源。??內(nèi)網(wǎng)機(jī)子主動連接網(wǎng) IP，中間的 NAT 會將內(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)，只會修改網(wǎng)絡(luò)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，將有可能致沖突。因此一般都使用 NAPT 技術(shù)，同時修改發(fā)送端和收端的 IP 地址和端口。??由于 NAT 的存在，公網(wǎng) IP 是無法訪問內(nèi)網(wǎng)服務(wù)的，但通柄山內(nèi)網(wǎng)穿技術(shù)，就可以讓公網(wǎng) IP 訪問內(nèi)網(wǎng)服務(wù)。一波操作下來，就可在公司的網(wǎng)絡(luò)里訪問里的電腦。最后留個題，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。那們?yōu)槭裁催€需要 IPv6？另外 IPv6 號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？本文來自微信公眾號：小 debug （ID：xiaobaidebug），作者：小白