基于STUN协议的NAT穿越技术的研究与应用

发布时间：2020-07-26 09:42

【摘要】：NAT技术缓解了IP地址资源短缺问题,同时加强了内网的安全性。但是NAT技术的使用,也使得P2P通信变得非常困难。因为NAT技术使得内部网络主机与外部网络主机处于不平等的地位,无法建立对等连接,严重影响了P2P通信的应用。因此,P2P应用必须解决NAT穿越问题,令任何主机之间均可以建立对等连接并相互通信。本文针对现有的基于STUN协议的NAT穿越技术存在的不足,提出相应的改进方案,并予以实现;针对端点相关映射NAT的穿越,提出了新的端口预测方法;针对单网卡服务器无法提供完整STUN服务的问题,提出了单网卡服务器组合方案,并在此基础上提出了配对服务器的选择策略以及一种自适应负载指标权值的负载均衡技术;最后将改进后的方案应用到实际的智能家居项目中,并进行了测试分析。本文完成的工作如下:1)分析NAT行为的检测流程的原理,指出其存在的误判问题以及耗时过长问题并分别提出了改进方案。此外,通过修改客户端与STUN服务器之间的通信流程,大幅度缩减了地址和端口过滤型NAT的行为检测时间。2)分析不同NAT类型之间的可穿越性以及穿越流程,分析端口不可达问题对于NAT穿越造成的影响,提出改进方案,并且针对端点相关映射型NAT提出一种新的端口预测方案,结合上述改进方案设计了NAT穿越的整体流程。3)提出了单网卡服务器组合方案来对外提供完整的STUN服务,并设计了配对服务器的选择策略。另外,为实现STUN服务器以及转发服务器的负载均衡,在分析现有动态负载均衡算法存在的不足的基础上,提出了一种自适应负载指标权值的负载均衡策略。4)将上述改进后的方案应用到实际的智能家居项目中,并进行了测试分析,验证了改进方案的实际可用性及NAT穿越效果。本文改进的基于STUN协议的NAT穿越技术,经实际应用表明,可以有效减少NAT行为检测的时间,提高NAT的穿越率,具有较好的NAT穿越效果,有一定的应用价值。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.04
【图文】：

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11图 3-2 NAT 过滤行为检测流程步骤 1：客户端向 STUN 服务器 IP1:P1 地址发送 ChangeIP && ChangeRequest 请求，STUN 服务器通过 IP2:P2 地址返回响应给客户端。如果客户端收到响应，则说明该 NAT 设备属于端点无关过滤；如果没有接收到响应，则行步骤 2。

流程图,流程

NAT映射行为检测流程

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图 3-3 端点无关映射型 NAT 行为检测流程在上述行为检测流程中，如果 NAT 设备属于端点无关过滤，则执行步骤户端接收到响应，过滤行为检测结束，得出正确结果；如果 NAT 设备属于相关过滤，由于客户端在步骤 2 中已经向 STUN 服务器 IP2 发送过数据包且在步骤 2 与步骤 3 中客户端映射后的地址是相同的，因此在执行步骤 3候，客户端同样会接收到响应，不会再执行步骤 4，直接将 NAT 设备标识点无关过滤，导致检测结果出错；如果 NAT 设备属于地址和端口相关过滤会依次执行步骤 3 和步骤 4，完成最终的检测，得出正确结果。通过上面的分析可以知道，如果 NAT 设备属于地址相关过滤或者端点无滤，则执行步骤 3 时候均会接收到响应，检测结果均为端点无关过滤。出种问题的原因是由于在执行映射行为检测的时候已经向 STUN 服务器的址发送过数据包，对后续的过滤行为检测产生了影响。为了避免误判问题现，需要将过滤行为检测流程提前，以消除由于映射行为检测带来的影响进后的行为检测流程如图 3-4 所示。

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