为什么我在公司里访问不了家里的电脑?

网络 网络管理
端口已经被udp用过了,TCP再用,那岂不是端口重复占用(address already in use)?

上篇文章「为什么我们家里的IP都是192.168开头的?」提到,因为IPv4地址有限,最大42亿个。为了更好的利用这有限的IP数量,网络分为局域网和广域网,将IP分为了私有IP和公网IP,一个局域网里的N多台机器都可以共用一个公网IP,从而大大增加了"可用IP数量"。

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收发数据就像收发快递

当我们需要发送网络包的时候,在IP层,需要填入源IP地址,和目的IP地址,也就是对应快递的发货地址和收货地址。

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IP报头里含有发送和接收IP地址

但是我们家里的局域网内,基本上都用192.168.xx.xx这样的私有IP。

如果我们在发送网络包的时候,这么填。对方在回数据包的时候该怎么回?毕竟千家万户人用的都是192.168.0.1,网络怎么知道该发给谁?

所以肯定需要将这个192.168.xx私有IP转换成公有IP。

因此在上篇文章最后,留了这么个问题。局域网内用的是私有IP,公网用的都是公有IP。一个局域网里的私有IP想访问局域网外的公有IP,必然要做个IP转换,这是在哪里做的转换呢?

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私有IP和公有IP在哪进行转换

答案是NAT设备,全称Network Address Translation,网络地址转换。基本上家用路由器都支持这功能。

我们来聊下它是怎么工作的。

NAT的工作原理

为了简单,我们假设你很富,你家里分到了一个公网IP地址 20.20.20.20,对应配到了你家自带NAT功能的家用路由器上,你家里需要上网的设备有很多,比如你的手机,电脑都需要上网,他们构成了一个局域网,用的都是私有IP,比如192.168.xx。其中你在电脑上执行ifconfig命令,发现家里的电脑IP是192.168.30.5。你要访问的公网IP地址是30.30.30.30。

于是就有下面这样一张图

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内网IP访问公网IP

当你准备发送数据包的时候,你的电脑内核协议栈就会构造一个IP数据包。这个IP数据包报头里的发送端IP地址填的就是192.168.30.5,接收端IP地址就是30.30.30.30。将数据包发到NAT路由器中。

此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址修改一下,私有IP地址192.168.30.5改写为公网IP地址20.20.20.20,这叫SNAT(Source Network Address Translation,源地址转换)。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20的映射记录,这个信息会在后面用到。之后IP数据包经过公网里各个路由器的转发,发到了接收端30.30.30.30,到这里发送流程结束。

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SNAT

如果接收端处理完数据了,需要发一个响应给你的电脑,那就需要将发送端IP地址填上自己的30.30.30.30,将接收端地址填为你的公网IP地址20.20.20.20,发往NAT路由器。NAT路由器收到公网来的消息之后,会检查下自己之前留下的映射信息,发现之前留下了这么一条 192.168.30.5 -> 20.20.20.20记录,就会将这个数据包的目的IP地址修改一下,变成内网IP地址192.168.30.5, 这也叫DNAT(Destination Network Address Translation,目的地址转换)。之后将其转发给你的电脑上。

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DNAT

整个过程下来,NAT悄悄的改了IP数据包的发送和接收端IP地址,但对真正的发送方和接收方来说,他们却对这件事情,一无所知。

这就是NAT的工作原理。

NAPT的原理

到这里,相信大家都有一个很大的疑问。

局域网里并不只有一台机器,局域网内 每台机器都在NAT下留下的映射信息都会是 192.168.xx.xx -> 20.20.20.20,发送消息是没啥事,但接收消息的时候就不知道该回给谁了。

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NAT的问题

这问题相当致命,因此实际上大部分时候不会使用普通的NAT。

那怎么办呢?

问题出在我们没办法区分内网里的多个网络连接。

于是乎。

我们可以加入其他信息去区分内网里的各个网络连接,很自然就能想到端口。

但IP数据包(网络层)本身是没有端口信息的。常见的传输层协议TCP和UDP数据报文里才有端口的信息。

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TCP报头有端口号

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UDP报头也有端口号

于是流程就变成了下面这样子。

当你准备发送数据包的时候,你的电脑内核协议栈就会先构造一个TCP或者UDP数据报头,里面写入端口号,比如发送端口是5000,接收端口是3000,然后在这个基础上,加入IP数据报头,填入发送端和接收端的IP地址。

那数据包长这样。

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数据包的构成

假设,发送端IP地址填的就是192.168.30.5,接收端IP地址就是30.30.30.30。

将数据包发到NAT路由器中。

此时NAT路由器会将IP数据包里的源IP地址和端口号修改一下,从192.168.30.5:5000改写成20.20.20.20:6000。并且还会在NAT路由器内部留下一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的映射记录。之后数据包经过公网里各个路由器的转发,发到了接收端30.30.30.30:3000,到这里发送流程结束。

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NAPT发送数据

接收端响应时,就会在数据包里填入发送端地址是30.30.30.30:3000,将接收端是20.20.20.20:6000,发往NAT路由器。NAT路由器发现下自己之前留下过这么一条 192.168.30.5:5000 -> 20.20.20.20:6000的记录,就会将这个数据包的目的IP地址和端口修改一下,变回原来的192.168.30.5:5000。之后将其转发给你的电脑上。

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NAPT接收数据

如果局域网内有多个设备,他们就会映射到不同的公网端口上,毕竟端口最大可达65535,完全够用。这样大家都可以相安无事。

像这种同时转换IP和端口的技术,就是NAPT(Network Address Port Transfer , 网络地址端口转换 )。

看到这里,问题就来了。

那这么说只有用到端口的网络协议才能被NAT识别出来并转发?

但这怎么解释ping命令?ping基于ICMP协议,而ICMP协议报文里并不带端口信息。我依然可以正常的ping通公网机器并收到回包。

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ping报头

事实上针对ICMP协议,NAT路由器做了特殊处理。ping报文头里有个Identifier的信息,它其实指的是放出ping命令的进程id。

对NAT路由器来说,这个Identifier的作用就跟端口一样。

另外,当我们去抓包的时候,就会发现有两个Identifier,一个后面带个BE(Big Endian),另一个带个LE(Little Endian)。

其实他们都是同一个数值,只不过大小端不同,读出来的值不一样。就好像同样的数字345,反着读就成了543。这是为了兼容不同操作系统(比如linux和Windows)下大小端不同的情况。

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内网穿透是什么

看到这里,我们大概也发现了。使用了NAT上网的话,前提得内网机器主动请求公网IP,这样NAT才能将内网的IP端口转成外网IP端口。

反过来公网的机器想主动请求内网机器,就会被拦在NAT路由器上,此时由于NAT路由器并没有任何相关的IP端口的映射记录,因此也就不会转发数据给内网里的任何一台机器。

举个现实中的场景就是,你在你家里的电脑上启动了一个HTTP服务,地址是192.168.30.5:5000,此时你在公司办公室里想通过手机去访问一下,却发现访问不了。

那问题就来了,有没有办法让外网机器访问到内网的服务?

有。

大家应该听过一句话叫,"没有什么是加中间层不能解决的,如果有,那就再加一层"。

放在这里,依然适用。

说到底,因为NAT的存在,我们只能从内网主动发起连接,否则NAT设备不会记录相应的映射关系,没有映射关系也就不能转发数据。

所以我们就在公网上加一台服务器x,并暴露一个访问域名,再让内网的服务主动连接服务器x,这样NAT路由器上就有对应的映射关系。接着,所有人都去访问服务器x,服务器x将数据转发给内网机器,再原路返回响应,这样数据就都通了。这就是所谓的内网穿透。

像上面提到的服务器x,你也不需要自己去搭,已经有很多现成的方案,花钱就完事了,比如花某壳。

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内网穿透

到这里,我们就可以回答文章标题的问题。

为什么我在公司里访问不了家里的电脑?

那是因为家里的电脑在局域网内,局域网和广域网之间有个NAT路由器。由于NAT路由器的存在,外网服务无法主动连通局域网内的电脑。

两个内网的聊天软件如何建立通讯

好了,问题就叒来了。

我家机子是在我们小区的局域网里,班花家的机子也是在她们小区的局域网里。都在局域网里,且NAT只能从内网连到外网,那我电脑上登录的QQ是怎么和班花电脑里的QQ连上的呢?

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两个局域网内的服务无法直接连通

上面这个问法其实是存在个误解,误以为两个qq客户端应用是直接建立连接的。

然而实际上并不是,两个qq客户端之间还隔了一个服务器。

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聊天软件会主动与公网服务器建立连接

也就是说,两个在内网的客户端登录qq时都会主动向公网的聊天服务器建立连接,这时两方的NAT路由器中都会记录有相应的映射关系。当在其中一个qq上发送消息时,数据会先到服务器,再通过服务器转发到另外一个客户端上。反过来也一样,通过这个方式让两台内网的机子进行数据传输。

两个内网的应用如何直接建立连接

上面的情况,是两个客户端通过第三方服务器进行通讯,但有些场景就是要抛开第三端,直接进行两端通信,比如P2P下载,这种该怎么办呢?

这种情况下,其实也还是离不开第三方服务器的帮助。

假设还是A和B两个局域网内的机子,A内网对应的NAT设备叫NAT_A,B内网里的NAT设备叫NAT_B,和一个第三方服务器server。

流程如下。

step1和2: A主动去连server,此时A对应的NAT_A就会留下A的内网地址和外网地址的映射关系,server也拿到了A对应的外网IP地址和端口。

step3和4: B的操作和A一样,主动连第三方server,NAT_B内留下B的内网地址和外网地址的映射关系,然后server也拿到了B对应的外网IP地址和端口。

step5和step6以及step7: 重点来了。此时server发消息给A,让A主动发UDP消息到B的外网IP地址和端口。此时NAT_B收到这个A的UDP数据包时,这时候根据NAT_B的设置不同,导致这时候有可能NAT_B能直接转发数据到B,那此时A和B就通了。但也有可能不通,直接丢包,不过丢包没关系,这个操作的目的是给NAT_A上留下有关B的映射关系。

step8和step9以及step10: 跟step5一样熟悉的配方,此时server再发消息给B,让B主动发UDP消息到A的外网IP地址和端口。NAT_B上也留下了关于A到映射关系,这时候由于之前NAT_A上有过关于B的映射关系,此时NAT_A就能正常接受B的数据包,并将其转发给A。到这里A和B就能正常进行数据通信了。这就是所谓的NAT打洞。

step11: 注意,之前我们都是用的UDP数据包,目的只是为了在两个局域网的NAT上打个洞出来,实际上大部分应用用的都是TCP连接,所以,这时候我们还需要在A主动向B发起TCP连接。到此,我们就完成了两端之间的通信。

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NAT打洞

这里估计大家会有疑惑。

端口已经被udp用过了,TCP再用,那岂不是端口重复占用(address already in use)?

其实并不会,端口重复占用的报错常见于两个TCP连接在不使用SO_REUSEADDR的情况下,重复使用了某个IP端口。而UDP和TCP之间却不会报这个错。之所以会有这个错,主要是因为在一个linux内核中,内核收到网络数据时,会通过五元组(传输协议,源IP,目的IP,源端口,目的端口)去唯一确定数据接受者。当五元组都一模一样的时候,内核就不知道该把数据发给谁。而UDP和TCP之间"传输协议"不同,因此五元组也不同,所以也就不会有上面的问题。

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五元组

NAPT还分为好多种类型,上面的nat打洞方案,都能成功吗?

关于NAPT,确实还细分为好几种类型,比如完全锥形NAT和限制型NAT啥的,但这并不是本文的重点。所以我就略过了。我们现在常见的都是锥形NAT。上面的打洞方案适用于大部分场景,这其中包括限制最多的端口受限锥形NAT。

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总结

• IPV4地址有限,但通过NAT路由器,可以使得整个内网N多台机器,对外只使用一个公网IP,大大节省了IP资源。

• 内网机子主动连接公网IP,中间的NAT会将内网机子的内网IP转换为公网IP,从而实现内网和外网的数据交互。

• 普通的NAT技术,只会修改网络包中的发送端和接收端IP地址,当内网设备较多时,将有可能导致冲突。因此一般都会使用NAPT技术,同时修改发送端和接收端的IP地址和端口。

• 由于NAT的存在,公网IP是无法访问内网服务的,但通过内网穿透技术,就可以让公网IP访问内网服务。一波操作下来,就可以在公司的网络里访问家里的电脑。

最后留个问题,有了NAT之后,原本并不富裕的IPv4地址突然就变得非常够用了。

那我们为什么还需要IPv6?

另外IPv6号称地址多到每粒沙子都能拥有自己的IP地址,那我们还需要NAT吗?

责任编辑:武晓燕 来源: 小白debug
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