CN1859314A

CN1859314A - 通信方法

Info

Publication number: CN1859314A
Application number: CNA2006100586297A
Authority: CN
Inventors: 何文彬; 孙志斌
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: CN100428741C

Abstract

本发明提供一种用于在第一用户端和第二用户端建立连接的通信方法，其中，第一用户端通过非对称型NAT与服务器连接，第二用户端通过对称型NAT与服务器连接。该方法包括：步骤a，当第一用户端请求与第二用户端建立连接时，第二用户端通过对称型NAT向服务器的不同端口发送数据包，更新服务器上的端口跳变列表；步骤b，当端口跳变列表中跳变规律为规律跳变时，第二用户端根据该跳变规律打洞，来建立第一用户端和第二用户端之间的连接。

Description

通信方法

技术领域

本发明涉及一种通信方法，特别涉及一种能够使得用户端在对称型NAT中也能够实现点对点互通的通信方法。

背景技术

NAT(网络地址转换器)是在internet IP地址日益缺乏的情况下产生的，它的主要目的就是为了能够地址重用。NAT负责将某些内网IP地址的计算机向外部网络发出的IP数据包的源IP地址转换为NAT自己的公网的IP地址，目的IP地址不变，并将IP数据包转发给路由器，最终到达外部的计算机。同时负责将外部的计算机返回的IP数据包的目的IP地址转换为内网的IP地址，源IP地址不变，并最终送达到内网中的计算机。

NAT分为两大类，基本的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator，网络地址/端口转换器)。基本的NAT会改变IP包中的原IP地址，但是不会改变IP包中的端口。NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址，还会改变IP数据报的TCP/UDP(用户数据报协议)端口。通过NAPT上网的特点决定了只能由NAPT内的计算机主动向NAPT外部的主机发起连接，外部的主机想直接和NAPT内的计算机直接建立连接是不被允许的。

所以，数字信息穿越NAT/FW(防火墙)是internet上各类应用，特别是P2P(点到点)应用，经常需要面对的问题。

对于下面几种情况，目前已经有比较好的解决方案：

1、发送方、接收方至少有一方位于公网。

2、发送方、接收方都位于Cone(圆锥型)NAT(包括Full Cone、RestrictedCone、Port Restricted Cone)。

但是如果是下面的情况，目前采用的方案一般都是通过服务器进行中转，而无法实现真正的P2P通信。

序号	发送方(Clien1)NAT类型	接收方(Clien2)NAT类型
序号	发送方(Clien1)NAT类型	接收方(Clien2)NAT类型	1	Symmetric(对称型)NAT	Symmetric NAT
2	Port Restricted Cone(端口受限圆锥型)NAT	Symmetric NAT	1	Symmetric(对称型)NAT	Symmetric NAT
2	Port Restricted Cone(端口受限圆锥型)NAT	Symmetric NAT	3	Symmetric NAT	Port Restricted Cone NAT

所以尽量使数字信息穿透Port Restricted Cone和symmetric Cone，使客户端间可以直接互联有着切实的意义。

STUN(Simple Traversal of User Datagram Protocol(UDP)ThroughNetwork Address Translators(NATs))协议由RFC 3489定义，其工作原理是通过STUN客户端与放置在公网上的服务器组通信，向客户端返回客户IP和地址，客户端通过多种情况下的反馈结果判断自己的位置。STUN虽然是在MIDCOM工作组提出，但并不需要NAT支持。

客户端获知自己所处的位置信息，是所有穿越方案的基础。

首先我们描述一下内网的路由地址映射关系表，其实每次当处于一个内网的某一台机器向外发数据的时候，实际上执行了内网IP地址和外网IP地址+端口号的一个映射，简单的举例如下：

192.168.1.1(局域网)--------------------------------PORT1(外网)

192.168.1.2(局域网)--------------------------------PORT2(外网)

当我们是192.168.1.2再次向外发数据的时候，他的源地址实际上从192.168.1.2转化成外网上一个公共IP+临时分配PORT，如果是CONENAT那么将会保持原来的端口PORT2不变，如果是Symmetric NAT，端口将会发生跳变，但是不管怎样，将存在一个内网IP与外网端口间对应的路由关系。

进一步理解：内部某台主机(比如：192.168.1.2)向外部的某个IP(比如：219.237.60.1)发送一个UDP包，那么就在这个内网的NAT设备上打了一个方向为219.237.60.1的“洞”，以后外部设备(219.237.60.1)就可以通过这个洞与内网的192.168.0.10联系了，但是其他内网的IP不能利用这个洞。

如果两个都处于Cone NAT中的设备，则他们通过如下方式相互联系(参照图1)。

首先，用户端1登录服务器，NAT1为这次会话分配了一个端口，比如60000，那么服务器收到的用户端1的地址是202.187.45.3:60000，这就是用户端1的外网地址了。同样，用户端2登录服务器，NAT2给此次会话分配的端口，比如40000，那么服务器收到的2的地址是187.34.1.56:40000。

此时，用户端1与用户端2都可以与服务器通信了。如果用户端1此时想直接发送信息给用户端2，那么他可以从服务器那儿获得用户端2的公网地址187.34.1.56:40000，现在我们需要的是在NAT2上打一个方向为202.187.45.3(即用户端1的外网地址)的洞，那么用户端1发送到187.34.1.56:40000的信息，用户端2就能收到了。

因为只有服务器和用户端2保持通信。所以，这个打洞操作由服务器指示用户端2发送。即，如果用户端1想向用户端2发送信息，那么用户端1发送命令给服务器，请求服务器命令用户端2向用户端1方向打洞。

以上过程只适合于Cone NAT的情况，如果是Symmetric NAT，那么当用户端2向用户端1打洞的端口已经重新分配了，用户端2将无法知道这个端口。

发明内容

本发明的目的在于提出一种即使一方为对称型NAT的情况下也能够实现点对点互通的通信方法。

依照本发明的用于在第一用户端和第二用户端建立连接的通信方法，其中，第一用户端通过非对称型NAT与服务器连接，第二用户端通过对称型NAT与服务器连接。该方法包括：步骤a，当第一用户端请求与第二用户端建立连接时，第二用户端通过对称型NAT向服务器的不同端口发送数据包，更新服务器上的端口跳变列表；步骤b，当端口跳变列表中跳变规律为规律跳变时，第二用户端根据该跳变规律打洞，来建立第一用户端和第二用户端之间的连接。

依照本发明的通信方法，当端口跳变规律为规律跳变时，可以建立第一用户端和第二用户端之间的点对点连接。

附图说明

图1为两用户端分别通过NAT和服务器相连的通信系统。

图2为依照本发明的连接方法的流程图。

图3为端口跳变为规律跳变且加权值固定时连接方法的流程图。

图4为端口跳变为规律跳变但加权值不固定时连接方法的流程图。

具体实施方式

本发明通过UDP端口跳变预测，实现客户端在symmetric NAT中也能够实现P2P互通的方法。

symmetric NAT端口跳变，主要存在3种方式：

1、规律跳变，如N+M，N+2M，N+3M，权值M固定

2、比较规律，在一段时间里面一直增加，或者一直减少，变更的权值不固定。

3、完全无规律，但无任何规律的开始增加，过了一会，又减少比如5467，3210，9971，10031，4998...

现网很大一部分symmetric NAT的端口跳变属于前两种情况，而且大多数情况下不会出现跳变的端口比跳变前小的情况。

对于无规律跳变的情况，通过服务器中转的方式传送文件。但对于上述的情况1和2，则可以通过本发明的方法实现两用户端的互连。

参照图2，描述依照本发明的在用户端1和用户端2之间实现P2P互通的方法，其中用户端2通过对称型(symmetric)NAT和服务器相连。

首先，在步骤S201中，用户1使用的用户端1向服务器提出请求和用户2使用的用户端2建立连接的申请。

在步骤S202中，服务器准备几个监听端口号，通知处于对称型NAT的客户端2向这几个监听端口发送数据包，这些消息包通过NAT时，源地址端口都发生跳变。服务器根据接收的数据包，更新存储在服务器上的端口跳变列表，并根据该端口跳变列表分析跳变规律。

在步骤S203中，服务器判断该跳变规律是否为无规律的端口跳变。当确定该跳变规律为无规律的端口跳变时，执行步骤S210。否则，当确定该跳变规律为规律的端口跳变时，执行步骤S204。

在步骤S204中，服务器进一步判断该规律的端口跳变是否为加权值固定的跳变。如果确定该规律跳变为加权值固定的跳变时，执行步骤S205。否则执行步骤S206。

在步骤S205中，服务器要求用户端2进行N+M打洞，其中N为在步骤S202中的最后一次跳变的端口，M为在步骤S204中确定的加权值。

如果端口跳变是规律跳变但加权值不固定，则在步骤S206中，采用线形逼近策略。即，服务器要求用户端2进行for(i＝N，N+U)打洞，其中N为在步骤S202中的最后一次跳变的端口，U为分析在步骤204中确定的一数值，该数值为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值。也就是说，用户端2进行N，N+1，......，N+U打洞。在本发明中，式子for(i＝A，B)表示第二用户端进行端口A到B的打洞。

在执行了步骤S205或S206之后，服务器在步骤S207中要求用户端1通过在步骤S205或S206中用户端2的打洞，执行两者之间的连接。也就是说，当加权值为固定的加权值M，且执行了步骤S205之后，用户端1向用户端2的公网地址：端口(该端口为N+M)发送数据包；当加权值为非固定的加权值，且执行了步骤S206之后，用户端1向用户端2的公网地址：端口(该端口为N，N+1，......，N+U)发送数据包。在步骤S208中，确定连接是否成功。如果成功，则处理结束。如果没有成功，则执行步骤S209，确定连接重试是否已执行了X次。如果确定连接重试执行了X次，则执行步骤S210。否则返回步骤S203。

在步骤S210中，确定端口更新是否已经重试了Y次。如果否，则返回步骤S202。如果是，则执行步骤S211。在步骤S211中，利用服务器中转方式连接用户端1和用户端2。

步骤S209和S210的作用是为了防止网络异常而导致丢包的情况，X和Y的值一般较小，例如取值2或3。

此外，对于加权值为非固定的加权值的情况，当步骤S207中没有建立用户端1和用户端2之间的连接时，可以进一步要求用户端2进行for(i＝N，N+U×2)打洞，然后执行用户端1和用户端2之间的连接等。这种情况将在参照图4的描述中进行详细的说明。

下面，参照图3，更详细地描述在加权值固定的规律跳变端口的symmetricNAT的情况下执行的通信方法。

用户端1向服务器发送与用户端2的连接请求。服务器接收到该连接请求之后，向用户端2发送更新端口跳变列表请求。用户端2接收到该更新端口跳变列表请求时，向服务器的不同端口发送数据包，更新存储在服务器上的端口跳变列表。服务器根据端口跳变列表确定端口跳变为规律跳变，且加权值固定为M。服务器请求用户端2进行N+M(N为更新跳变规律时最后一次跳变的端口)打洞，建立用户端1和用户端2的连接。具体的，服务器请求用户端2向用户端1公网IP：Port(其为NAT1为用户端1分配的端口)发送数据包，同时，请求用户端1向用户端2公网IP：Port(N+M)发送数据包。

比如，NAT1(202.187.45.3)为用户端1分配UDP端口62000，NAT2(187.34.1.56)为用户端2分配UDP端口31000。通过与服务器的对话，用户端1和用户端2都相互知道了对方所映射的公网IP和端口。

当用户端1请求和用户端2连接时，其发送请求给服务器。服务器请求用户端2向该服务器的不同端口发送数据包，更新端口跳变列表。假设，更新之后的端口跳变列表为：31001，31002，31003，31004。从该端口跳变列表可以看出，端口跳变规律为加权值为1的规律跳变。之后，服务器请求用户端2向用户端1公网202.187.45.3:62000发送数据包，用来在NAT2上建立会话对应关系；且服务器请求用户端1向用户端2公网187.34.1.56:31005(31004+1(加权值))。从而，通过上述步骤，建立了用户端1和用户端2之间的连接。

下面，参照图4，更详细地描述在上述情况2中的操作过程。

对称型NAT在很多时候的端口跳变规律是：在原来端口(N)的基础上，直接每次+M(即上述的情况1)；但是也有很多情况M不是固定(即上述的情况2)。

例如，对方的端口刚开始是3245，趋势可能是：

3245 3256 6788 9876 9978(端口数每次增加的例子)；或

3245 1234 1232 1100 1000(端口数每次减小的例子)。

可以通过循环重发机制试探的方式猜测下次变化的端口。

对于上述的端口数递增的例子，最简单的试探方式是从9978-65535(最大的端口数)发送UDP，这样基本可以保证连接成功，但是开销过大，在这个例子中就需要发送65535-9978＝55557个数据包，显然不合适。即使是根据抓包分析，30000后的端口很少开，可以改进一下从9978--30000发送UDP，即使如此开销也仍然过大。

进一步优化，分析每次的递增趋势，比如：3245 3256 6788 9876 9978可以从后一次减去前一次的差值中得知变化不会超过一个固定的数，比如500，那么下一步发送9978～9978+500，共500个包进行试探。可以进一步改进每次以500递增，发送9978～9978+500，9978～9978+1000，9978～9978+1500，9978～9978+2000，9978～9978+2500......进行试探。因为是UDP的方式，发送后不管，因此开销不大，有一次，打中对方的端口，就以后连接稳定了。该策略可以称之为线性逼近。

需要指出，由于网络的不稳定，更多连接不上的情况将是丢包，所以采取如下方式进行多轮打洞：

for(i＝9978...i＝9978+500)；

for(i＝9978...i＝9978+1000)；

for(i＝9978...i＝9978+1500)；

......

也就是说，在第m轮中，第二用户端执行N至N+U×m循环打洞，其中N为分析跳变规律时第二用户端的最后打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值。在此处，N＝9978，U＝500。

在该方式中，后一轮覆盖了前一轮，可以有效地避免由于网络不稳定而导致丢包的情况。

当然，也可以采用这样的方式：

for(i＝9978...i＝9978+500)；

for(i＝9978...i＝9978+1000)；

for(i＝9978+500...i＝9978+1500)；

......

也就是说，在第1轮中，第二用户端执行N至N+U循环打洞，在大于1的第m轮中，第二用户端执行N+U×(m-2)至N+U×m循环打洞，其中N为分析跳变规律时第二用户端的最后打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值。在此处，N＝9978，U＝500。

在该方式中，对于每个端口，保证至少重试一次，这可以在避免丢包的同时减少了开销。

如果假设网络是，不考虑丢包的情况，也可以采用下面的方式：

for(i＝9978...i＝9978+500)；

for(i＝9978+500...i＝9978+1000)；

for(i＝9978+1000...i＝9978+1500)；

......

也就是说，在第m轮中，第二用户端执行N+U×(m-1)至N+U×m循环打洞，其中N为分析跳变规律时第二用户端的最后打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值。在此处，N＝9978，U＝500。

在该方式中，对每个端口仅进行一次连接尝试。

以上述的第一种方式为例子，参照图4，详细描述该通信方法的流程。

首先，用户端1向服务器发送与用户端2的连接请求。服务器接收到该连接请求之后，向用户端2发送更新端口跳变列表请求。用户端2接收到该更新端口跳变列表请求时，向服务器的不同端口发送数据包，更新存储在服务器上的端口跳变列表。服务器根据端口跳变列表确定端口跳变为规律跳变，且加权值固定不固定，但是任意前后相邻打洞的端口之差不大于U。服务器请求用户端2进行N，N+1，......，N+U(N为更新跳变规律时最后一次跳变的端口)打洞，建立用户端1和用户端2的连接。具体的，服务器请求用户端2向用户端1公网IP：端口(其为NAT1为用户端1分配的端口)发送数据包，同时，请求用户端1向用户端2公网IP：端口(该端口为N，N+1，......，N+U)发送数据包。当该第一轮连接没有成功时。执行第二轮的连接，即服务器请求用户端2进行N，N+1，......，N+U×2打洞。如果第二轮也没有连接成功，则按照这样的规律进行第三轮连接，依次类推，在此不再详细描述。如图4所示的例子中，在第三轮中建立连接，连接建立时用户端2的端口为X。

因为网络不稳定，或者其他很多不确定因素，特别是处于Symmetric NAT这种端口跳变的校园多级NAT或者企业网的情况，注册的端口不是很正规，有的时候是负数如(-12345)，有的时候可能是(123&45)，遇到这样的情况，在分析跳变规律的时候，不能随便抛弃这些异常，而要做必要的修正处理，如(-12345)改为(12345)，(123&45)去掉&改为12345。

通过本方案，可以实现用户端在symmetric NAT中也能够实现P2P互通的方法，满足当前P2P应用的需求。

Claims

1.一种用于在第一用户端和第二用户端建立连接的通信方法，其中，第一用户端通过非对称型NAT与服务器连接，第二用户端通过对称型NAT与服务器连接，该方法包括：

步骤a，当第一用户端请求与第二用户端建立连接时，第二用户端通过对称型NAT向服务器的不同端口发送数据包，更新服务器上的端口跳变列表；

步骤b，当端口跳变列表中跳变规律为规律跳变时，第二用户端根据该跳变规律打洞，来建立第一用户端和第二用户端之间的连接。

2.如权利要求1所述的通信方法，其中，

在步骤b中，当端口跳变为加权值固定的跳变时，第二用户端进行N+M打洞，其中N为在步骤a中第二用户端的最后一次打洞端口，M为加权值。

3.如权利要求1所述的通信方法，其中，

在步骤b中，当端口跳变为加权值非固定的跳变时，第二用户端进行N至N+U循环打洞，直至建立第一用户端和第二用户端之间的连接，其中N为在步骤a中第二用户端的最后一次打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值。

4.如权利要求1所述的通信方法，其中，

在步骤b中，当端口跳变为无规律跳变时，利用服务器中转方式执行第一用户端和第二用户端之间的通信。

5.如权利要求1所述的通信方法，其中，

在步骤b中，当端口跳变为加权值非固定的跳变时，第二用户端进行n轮打洞，直至建立第一用户端和第二用户端之间的连接，n为大于1的整数，

其中，在第m轮中，第二用户端执行N至N+U×m循环打洞，其中N为在步骤a中第二用户端的最后一次打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值，m为1-n的任一整数。

6.如权利要求1所述的通信方法，其中，

其中，在第1轮中，第二用户端执行N至N+U循环打洞，在第m轮中，第二用户端执行N+U×(m-2)至N+U×m循环打洞，其中N为在步骤a中第二用户端的最后一次打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值，m为2-n的任一整数。

7.如权利要求1所述的通信方法，其中，

其中，在第m轮中，第二用户端执行N+U×(m-1)至N+U×m循环打洞，其中N为在步骤a中第二用户端的最后一次打洞端口，U为大于在端口跳变列表中任意前后相邻打洞的端口之差的值，m为1-n的任一整数。

8.如权利要求1-7任一所述的通信方法，其进一步包括：

对端口跳变列表中的端口进行修正的步骤。