iptables下udp穿越实用篇—-iptables与natcheck

文章标题 iptables下udp穿越实用篇—-iptables与natcheck
张贴者： shixudong (member)
张贴日期 10/16/04 05:51 PM

Stun协议（Rfc3489、详见http://www.ietf.org/rfc/rfc3489.txt） 提出了4种NAT类型的定义及其分类，并给出了如何检测在用的NAT究竟属于哪种分类的标准。但是，具体到P2P程序如何应用Stun协议及其分类法穿越NAT，则是仁者见仁、智者见智。（因为Stun协议并没有给出也没有必要给出如何穿越NAT的标准）
在拙作“iptables与stun”一文中，笔者花大幅精力阐述了iptables理论上属于Symmetric NAT而非Port Restricted Cone。对此，很多人（包括笔者最初学习Stun协议时）心中都有一个疑惑，即仅就Stun协议本身来说，Port Restricted Cone和Symmetric NAT的区别似乎不大，虽然两者的映射机制是有点不同，但他们都具有端口受限的属性。初看起来，这两者在穿越NAT方面的特性也差不多，尤其是对于外部地址欲往NAT内部地址发包的情况。既然如此，又为何有必要把iptables分得这么清呢，本文顺带解决了读者在这一方面的疑惑。
网站http://midcom-p2p.sourceforge.net/给出了P2P程序具体如何穿越NAT的一个思路，并提供了一个P2P协议穿越NAT兼容性的测试工具natcheck。让我们仍旧用实例（例1）来说明这一思路吧！
A机器在私网（192.168.0.4）
A侧NAT服务器（210.21.12.140）
B机器在另一个私网（192.168.0.5）
B侧NAT服务器（210.15.27.140）
C机器在公网（210.15.27.166）作为A和B之间的中介
A机器连接过C机器，假使是 A（192.168.0.4:5000）-> A侧NAT（转换后210.21.12.140:8000）-> C（210.15.27.166:2000）
B机器也连接过C机器，假使是 B（192.168.0.5:5000）-> B侧NAT（转换后210.15.27.140:8000）-> C（210.15.27.166:2000）
A 机器连接过C机器后，A向C报告了自己的内部地址（192.168.0.4:5000），此时C不仅知道了A的外部地址（C通过自己看到的 210.21.12.140:8000）、也知道了A的内部地址。同理C也知道了B的外部地址（210.15.27.140:8000）和内部地址（192.168.0.5:5000）。之后，C作为中介，把A的两个地址告诉了B，同时也把B的两个地址告诉了A。
假设A先知道了B的两个地址，则A从192.168.0.4:5000处同时向B的两个地址192.168.0.5:5000和210.15.27.140:8000发包，由于 A和B在两个不同的NAT后面，故从A（192.168.0.4:5000）到B（192.168.0.5:5000）的包肯定不通，现在看A （192.168.0.4:5000）到B（210.15.27.140:8000）的包，分如下两种情况：
1、B侧NAT属于Full Cone NAT
则无论A侧NAT属于Cone NAT还是Symmetric NAT，包都能顺利到达B。如果P2P程序设计得好，使得B主动到A的包也能借用A主动发起建立的通道的话，则即使A侧NAT属于Symmetric NAT，B发出的包也能顺利到达A。
结论1：只要单侧NAT属于Full Cone NAT，即可实现双向通信。
2、B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone
则包不能到达B。再细分两种情况
（1）、A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone
虽然先前那个初始包不曾到达B，但该发包过程已经在A侧NAT上留下了足够的记录：A（192.168.0.4:5000）-> （210.21.12.140:8000）->B（210.15.27.140:8000）。如果在这个记录没有超时之前，B也重复和A一样的动作，即向A（210.21.12.140:8000）发包，虽然A侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，但先前A侧NAT已经认为A已经向B（210.15.27.140:8000）发过包，故B向A（210.21.12.140:8000）发包能够顺利到达A。同理，此后A到B的包，也能顺利到达。
结论2：只要两侧NAT都不属于Symmetric NAT，也可双向通信。换种说法，只要两侧NAT都属于Cone NAT，即可双向通信。
（2）、A侧NAT属于Symmetric NAT
因为A侧NAT属于Symmetric NAT，且最初A到C发包的过程在A侧NAT留下了如下记录：A（192.168.0.4:5000）->（210.21.12.140: 8000）-> C（210.15.27.166:2000），故A到B发包过程在A侧NAT上留下的记录为：A（192.168.0.4:5000）-> （210.21.12.140:8001）->B（210.15.27.140:8000）（注意，转换后端口产生了变化）。而B向A的发包，只能根据C给他的关于A的信息，发往A（210.21.12.140:8000），因为A端口受限，故此路不通。再来看B侧NAT，由于B也向A发过了包，且 B侧NAT属于Restricted Cone或Port Restricted Cone，故在B侧NAT上留下的记录为：B（192.168.0.5:5000）->（210.15.27.140:8000）->A （210.21.12.140:8000），此后，如果A还继续向B发包的话（因为同一目标，故仍然使用前面的映射），如果B侧NAT属于 Restricted Cone，则从A（210.21.12.140:8001）来的包能够顺利到达B；如果B侧NAT属于Port Restricted Cone，则包永远无法到达B。
结论3：一侧NAT属于Symmetric NAT，另一侧NAT属于Restricted Cone，也可双向通信。
显然，还可得出另一个不幸的结论4，两个都是Symmetric NAT或者一个是Symmetric NAT、另一个是Port Restricted Cone，则不能双向通信。
上面的例子虽然只是分析了最初发包是从A到B的情况，但是，鉴于两者的对称性，并且如果P2P程序设计得足够科学，则前面得出的几条结论都是没有方向性，双向都适用的。
通过上述分析，我们得知，在穿越NAT方面，Symmetric NAT和Port Restricted Cone是有本质区别的，尽管他们表面上看起来相似。我们上面得出了四条结论，而natcheck网站则把他归结为一条：只要两侧NAT都属于Cone NAT（含Full Cone、Restricted Cone和Port Restricted Cone三者），即可双向通信。而且natcheck网站还建议尽量使用Port Restricted Cone，以充分利用其端口受限的属性确保安全性。目前，国内充分利用了上述思路的具有代表性的P2P软件是“E话通”（www.et66.com）。
在对natcheck提供的思路进行详细分析后，开始探讨本文主题：iptables与natcheck。
Natcheck 脱胎于Stun协议，由拙作“iptables与stun”一文可知，其对iptables进行的穿越NAT兼容性测试结果必然是GOOD。此外，我在该文中还提到一句，如果在每个NAT后面仅有一个客户端这种特殊情况下，iptables就是一个标准的Port restricted Cone。根据前面natcheck的结论，这样两个iptables后面的客户端应该可以互相穿越对方的NAT。让我们来看一下实际情况（例2）呢？
仍然参考前例，只是两侧都使用iptables来进行地址转换。（因为采用了iptables，故此处和前例稍有点区别，即转换后源端口不变）
A 与B通过C交换对方地址的初始化环节此处略去，我们从A（192.168.0.4:5000）向B（210.15.27.140:5000）（注意因使用 iptables而导致端口和前例不一样）发包开始分析，因为在本例中，两侧均只有一个客户端，我们姑且把iptables简化成Port restricted Cone看待。
如前例一样，从A（192.168.0.4:5000）到B（210.15.27.140: 5000）的第一个包必不能到达B，但其会在A侧iptables上留下记录，在这条记录没有超时之前（iptables下默认30秒），如果B也向A （210.21.12.140:5000）发包，如前所述，按理该包应该能够到达A，但事实上却是永远到不了。
难道是natcheck的结论错了，或者是特殊情况下iptables并不是Port restricted Cone（即仍然是Symmetric NAT），我们还是别忙着再下结论，先来看看来两侧iptables上留下的记录吧：
A侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 192.168.0.4 | grep udp
udp 17 18 src=192.168.0.4 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.15.27.140 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 use=1
B侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 192.168.0.5 | grep udp
udp 17 26 src=192.168.0.5 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=1026 use=1
把两条记录翻译如下：（关于ip_conntrack文件的分析，请见http://www.sns.ias.edu/~jns/secu … bles_conntrack.html）
A（192.168.0.4:5000）-> A侧NAT（转换后210.21.12.140:5000）-> B（210.15.27.140:5000）
B（192.168.0.5:5000）-> B侧NAT（转换后210.15.27.140:1026）-> A（210.21.12.140:5000）
奇怪，B到A的包在映射后源端口号怎么变了呢，按理不应该呀？因为按照iptables转换原则（详见“iptables与stun”），要求尽量保持源端口号不变，除非socket有重复。难道B侧NAT上还有重复记录，再cat一下呢？
B侧：cat /proc/net/ip_conntrack | grep 210.21.12.140 | grep udp
udp 17 10 src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.15.27.140 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 use=1
udp 17 16 src=192.168.0.5 dst=210.21.12.140 sport=5000 dport=5000 [UNREPLIED] src=210.21.12.140 dst=210.15.27.140 sport=5000 dport=1026 use=1
操！还果真有两条差不多的记录，第一条与NAT无关，是A到B的包在B侧iptables上留下的记录，产生时间上略早于第二条记录，其构成的socket是（210.21.12.140:5000，210.15.27.140:5000）。第二条即B到A的包产生的记录，其构成的socket是（210.15.27.140:1026，210.21.12.140:5000），如果其源端口不改动，即是（210.15.27.140:5000，210.21.12.140:5000），还真和第一条记录重复了呢，怪不得转换后需要修改源端口，也怪不得B 发包到不了A。
为什么是这样的结果呢？我们知道，iptables是一个有状态的防火墙，他通过连接跟踪模块来实现状态检测的功能，该模块检查所有到来的数据包，也就是说，该模块不仅对NAT起作用，而且对普通的包过滤也起作用。显然，在上述例子里，A到B的包就是作为普通的包过滤而被记载在 B侧iptables的连接跟踪表里，导致后来B到A的包为避免socket重复而不得不改换端口号，从而导致无法实现双向通信。看来，natcheck 的结论并没有错，只是由于iptables具有状态检测的新特性导致即使在特殊情况下iptables又从Port restricted Cone变成了Symmetric NAT而已。
那么，有办法解决这一问题吗？根据连接跟踪的特性，在iptables下，只要启用了 NAT，就肯定要启用连接跟踪功能，而只要启用了连接跟踪功能，就必然顺带跟踪普通包过滤（启用连接跟踪后，似乎无法控制不让跟踪普通包过滤），也就是说，只要用NAT，就无法避免上述情况，真残酷！然而，这却是事实，即只要两端都采用了iptables作为NAT，则尽管两侧都通过了natcheck 的兼容性测试，但iptables两侧永远也不能互相穿越。
在“iptables与stun”一文中曾经附带提到，Win2000下的ics 或nat在Stun协议下的表现和iptables是完全一样的。那么，在natcheck下，表现是否还一致呢？答案是否定的，虽然Win2000下的 ics或nat也具有状态检测的功能，但该状态检测，仅对NAT起作用，不对普通包过滤起作用。所以在两侧都是Win2000下的ics或nat可以作为 Port restricted Cone的特殊情况下，是允许被穿越的。另外，在一侧使用iptables，另一侧使用Win2000下的ics或nat，但两者都表现为Port restricted Cone的特殊情况下，从某个方向发起，最终是允许互相穿越的，但是这种穿越不具有对称性，即从另一个方向发起，则永远无法穿越，具体原理，读者可以参考例2自行分析。