UDP通信在NAT（NAPT/内网穿透）中Session保持实现与效果测试

在网络开发中，常常使用UDP通信进行数据传输。随着路由的普及，NAT在UDP数据包回发形成了障碍。我们知道UDP协议是“无连接”的，既然有回发数据的需求，那么路由器就为了这种需求，开发了UDP映射保持。

1、朴素的UDP数据包发送与回发

当电脑A向电脑B发送UDP数据的时候，电脑B可以直接向电脑A直接回发数据包。拓扑如下：



在同一网段下，通信毫无障碍，可以任意发送数据。

2、NAT（NAPT）下的网络发送

在IPV4资源紧张的大背景下诞生的NAT技术缓解了地址紧张的局面，但是也带来了大量设备不能直接访问公网的问题。如下图所示，电脑获得的为私有地址：



在这种网络环境下，拓扑通常是这样的：



这时候，电脑A就不能愉快的通过TCP/IP协议联系到电脑B了。我们知道同一层网络的同一网段的设备可以相互访问，也就是左边的路由器能看见右边的路由器，处于不同局域网的设备不能互相访问，即电脑A和电脑B处于不同的局域网，所以他们互相都不能直接访问。我们讨论的并不是这一种情况。而是：



这时，通过路由器的NAT/NAPT就可以让数据包发送到B电脑，原理如下：



在链接建立的生命周期中，内网的端口和外网的端口通过路由器建立起了映射，达到地址转换/端口转换的效果。这种映射方式，对于TCP这种有链接的协议来说，很容易确定映射的生命周期。但是对于UDP来说，就很困难了。还好，路由器厂家在做NAT的时候想到了这一点，在UDP从内网发送的时刻开始，为UDP数据回送保留了映射，这个时间根据路由器的厂家不同，保留映射数秒到数分钟不等。这个时间叫做Session（会话）保持时间。

3、验证与效果测试

为了验证网络UDP“打洞”是否可行，我们采用以下方法验证数据回发:

1、使用一台局域网内的电脑A和一台具有公网IP地址的电脑B；

2、使用电脑A向电脑B发送一个UDP数据包；

3、在电脑B接受到数据包时，立刻向源地址返回一个数据包。

如果Session会保持，则电脑A会收到电脑B返回的数据包。

为了实现以上效果，作者使用了两段Python程序来做这个实验：

局域网内电脑A的程序，会向电脑B发送“Hello”，然后静等数据返回：

import socket

if __name__ == "__main__":
addr = ('127.0.0.1',21500)
receive = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
receive.bind(addr)

msg = 'Hi!\r\n'

data,addr = receive.recvfrom(2048)
print(addr,' : ',data)
receive.sendto(msg.encode('UTF_8'),addr)

receive.close()

具有公网IP地址的电脑B的程序（IP地址略去），接收到数据后会立刻回发“Hi”：

import socket

if __name__ == "__main__":
addr = ('x.x.x.x',21500)
receive = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
receive.bind(addr)

msg = 'Hi!\r\n'

data,addr = receive.recvfrom(2048)
print(addr,' : ',data)
receive.sendto(msg.encode('UTF_8'),addr)

receive.close()

通常Session保持会持续一段时间，如何测试这段时间有多长呢？我们采用以下方法验证：

1、使用一台局域网内的电脑A和一台具有公网IP地址的电脑B；

2、使用电脑A向电脑B发送一个UDP数据包；

3、在电脑B接受到数据包时，延迟一段时间向源地址返回一个数据包。

4.1、若电脑A收到数据，增大步骤3的延迟时间，重复2。

4.2、若电脑A无法收到数据，实验结束，最后一次成功收到数据的时间为当前网络下的最大保持时间。

电脑A的程序保持不变，电脑B的程序变化如下：

import socket
import time
if __name__ == "__main__":
addr = ('x.x.x.x',21500)
receive = socket.socket(socket.AF_INET,socket.SOCK_DGRAM)
receive.bind(addr)

msg = 'Hi!\r\n'

data,addr = receive.recvfrom(2048)
print(addr,' : ',data)
time.sleep(10)#这里为延迟时间
receive.sendto(msg.encode('UTF_8'),addr)

receive.close()

最终作者的网络环境测试的最大延迟时间为5分钟。

4、小结

通过这个实验，说明网络设备在NAT/NAPT时对UDP通信已经做优化，只要延迟时间不是太长，很大概率可以将回传数据包成功送达。更有厂家对UDP Session保持时间做优化，在端口资源不紧张时长期保持端口映射。