UPNP通用即插即用 
 

簡介
隨著越來越多的家庭和小型企業添置電腦,它們會 發現網路是一種非常強大的電腦資源共享工 具。Internet 連接是網路上較為
珍貴的資源之一,有可 能進行共享。為共享 Internet 連接,同時利用價格便 宜、管理簡單的家庭或小型辦公室網路,需要部署 
Internet 網關。Internet 網關通常將 NAT(網路地址轉 換)作為將多個主機連接到 Internet 以共享單個公共 IP 地址的途徑。但不
幸的是,該解決方案卻會破壞多 種網路應用程式。我們將在本文中對此加以說明。

現有的 NAT Traversal 技術允許網路應用程式檢測是否 存在本地 NAT 設備。檢測到後,應用程式隨即對 NAT 進行配置,定義
對應的映 射來解決相容性問題。

本文屬於概述性文章,將向網路應用程式的用戶和開發人員簡要介紹一下 NAT, 介紹如何識別常見 NAT 問題,同時介紹應用
程式如何使用 NAT Traversal 來解決 這些問題。Windows 中所提供的 NAT Traversal API 的詳細技術資料有望於 2001 年 初夏開始
在 Windows Platform SDK 中得到。建議開發人員查閱這些資源,瞭解有 關如何充分利用這些新的操作系統功能(也已擴展到第
三方網關設備上)的詳細說 明。

NAT Traversal 依賴於提供 UpnP(通用即插即用)支持的 NAT 設備,其定義由 UPnP 論壇的 Internet Gateway Device Working 
Committee 給出。有關 UPnP 的信息, 可見 UPnP Web 站點。特別詳細的資料位於 UPnP 站點中僅限成員訪問的部分 內。

支持 UPnP 和 NAT Traversal 是 Internet 網關設備中比較重要的功能,需要加以確 認。對於購買或租用服務提供商 Internet 網關設
備的用戶,我們強烈建議只考慮使 用那些為 NAT Traversal 提供 UPnP 支持的設備,這是因為該功能對於滿足用戶、 降低支持
費用及使用更有創新性的服務和應用程式而言至關重要。

對於網關設備製造商而言,向 Internet 網關設備新增對 NAT Traversal 的 UPnP 支持 並不複雜,費用不高,也不用花大量的時
間。通過使用 UPnP(其基礎已經是 Internet 標準和協議),Internet 網關設備製造商就可以解決 NAT Traversal 問題,並 將優點
延伸給大多數經過該設備的應用程式。這同許多應用程式開發人員或網關 設備製造商不得不為解決上述問題而提供一次性解決
方案形成鮮明的對比。本文 並非旨在為希望在 Internet 網關設備中實施 NAT Traversal 的硬體製造商提供詳細 的指南。有關此信
息,請參閱 UPnP 論壇 Web 站點。

瞭解 Windows 體系結構、網路和 UPnP 對於充分理解本文會有所幫助,但並非必 須如此。

什麼是 NAT?
「網路地址轉換」(NAT) 是一種 Internet Engineering Task Force (IETF) 標準,用於允 許專用網路上的多台 PC 機(使用專用地址
範圍,例如 10.0.x.x、192.168.x.x、172.x.x.x)共享單個、可全局路由的 IPv4 地址。經常部署 NAT 的一個主要原因就是 IPv4 地
址日漸緊缺。Windows XP 和 Windows Me 中 的「Internet 連接共享」及許多 Internet 網關設備都使用 NAT,尤其是在通過 DSL 
或電纜調製解調器連接寬帶網的情況下。

NAT 對於解決 IPv4 地址耗費問題(在 IPv6 部署中卻沒必要)儘管成效及時,但畢 竟屬於臨時性的解決方案。這種 IPv4 地址
耗費問題在亞洲及世界其它一些地方已 比較嚴重,且日漸成為北美地區需要關注的問題。這就是人們為什麼長久以來一 直關
注使用 IPv6 來克服這個問題的原因所在。

除了減少所需的 IPv4 地址外,由於專用網路之外的所有主機都通過一個共享的 IP 地址來監控通訊,因此 NAT 還為專用網路提
供了一個隱匿層。NAT 與防火牆或 代理服務器不同,但它確實有利於安全。


圖 1:使用 NAT 設備進行 Internet 通訊的網路示例。PC 機可以成為 NAT 設備,就 象固態的電纜調製解調器或 DSL 調製解調器
也能成為 NAT 設備一樣。

一般 NAT 操作
NAT 設備後面的客戶端通常通過 DHCP(動態主機配置協議)分配到專用的 IP 地 址,或者由管理員進行靜態配置。在該專用
網路的外面進行通訊時,通常會發生 下列事情。

客戶機上
當應用程式想同服務器通訊時,它將開啟與源 IP 地址、源Port、目標 IP 地址、 目標Port及網路協議相關聯的套接字。這樣可以
識別通訊所需的兩個端點。當應 用程序利用該套接字傳輸信息時,客戶機的專用 IP 地址(源 IP 地址)和Port(源 Port)將被
插入資料包的源字段中。資料包的目標字段將包含服務器的 IP 地址 (遠程主機 - 目標 IP 地址)和Port。由於該資料包的目的
地是該專用網路之外的 某個位置,因此客戶機將把該資料包轉發給預設的網關。這種情況下的預設網關 就是 NAT 設備。

NAT 設備上的輸出資料包
NAT 設備將截獲該輸出資料包,然後利用目標 IP 地址(服務器)、目標端 口、NAT 設備的外部 IP 地址、外部Port、網路協議
及客戶機的內部 IP 地址和端 口來建立Port映射。

NAT 設備將維護這些映射組成的表,並將該Port的映射存儲在表中。外部 IP 地 址和Port就是該資料通訊用於取代內部客戶機 IP 
地址和Port的公共 IP 地址和端 口。

NAT 設備隨即將來自客戶機專用內部 IP 地址和Port的資料包的源字段轉換為 NAT 設備的公共 IP 地址和Port,從而對這些資料
包進行轉換。

然後,資料包將通過外部網路進行發送,並最終到達目標服務器。


圖 2:輸出資料包轉換的示例。

服務器上
當服務器接收到資料包時,它認為自己是在和一台具有可全局路由 IP 地址的計算 機進行通訊。它會利用自己源字段中的 IP 地
址和Port將回應資料包定向給 NAT 設備的外部 IP 地址和Port。

NAT 設備上的輸入資料包
NAT 從服務器那接收到這些資料包,然後將資料包與其Port映射表進行比較。如 果 NAT 發現某個Port映射的遠程主機 IP 地
址、遠程Port、外部Port及網路協議 與輸入資料包的源 IP 地址、源Port、目標Port和網路協議匹配,NAT 就會進行 反向轉
換。NAT 將把資料包目標字段中的外部 IP 地址和外部Port替換為客戶機 的專用 IP 地址和內部Port。

隨後,NAT 將內部網路上的資料包發送給客戶機。但如果 NAT 找不到對應的端 口映射,它就會丟棄輸入資料包並中斷連接。

NAT 的作用在於:客戶機將能在全球 Internet 上與專用 IP 地址進行通訊,而應用 程序或客戶機卻無需做任何額外的工作。這意
味著應用程式不必執行其它 API,而 客戶機也不必進行其它配置。這種情況下,NAT 對於客戶機和服務器應用程式就 是透明
的 - 所有對象都能正常工作。

但是,並非所有網路應用程式都使用能與 NAT 協同工作的協議。這就是問題的所 在。

NAT 與應用程式之間的常見問題
如果客戶機在開始連接和接收回復時都使用同一Port,則讓客戶機利用 NAT 來共 享單個可全局路由的 IP 地址不會有什麼問
題。但是,許多應用程式所用策略的假 定條件在 NAT 設備用於連接 Internet 時都不成立。這裡將討論其中一些問題。

內部網路上的服務
許多網路服務或服務器假定:如果建立監聽套接字,則 Internet 上的所有客戶機都 可以與之聯繫。但在網路邊緣上有 NAT 設備
時,NAT 卻要求進行Port映射,以 便將輸入通訊轉發給內部網路上的服務。因此,該服務僅對專用網路上的客戶機 有效。它對
於 Internet 其餘部分而言不可用。

該問題最常見的解決辦法是手動配置Port映射,使 NAT 設備將定向給 NAT 特定 外部 IP 地址和Port的通訊轉發給該服務所用的
內部 IP 地址和Port。

利用該Port映射,服務可以接收輸入資料包,從而使服務可被專用網路外部的客 戶機所使用。建立Port映射之前,網路是斷開
的。

手動配置該映射的過程通常比較複雜,要求較有經驗的用戶才能正確進行映射的 配置。因此,除非是聯繫自己寬帶 Internet 服
務提供商、PC 製造商、零售商或 Internet 網關製造商的客戶服務中心以嘗試找到問題的根源及解決方案,否則許多 一般用戶或
小型企業用戶將無法使用所需的應用程式或服務。上述情況還會造成 映射的不嚴格:許多外部客戶機都可以使用該映射來連接
服務器。

嵌入地址或Port
有些網路應用程式假定客戶機所分配的 IP 地址和Port將始終可進行全局路由,並 可直接在 Internet 上使用。許多情況下,它們
屬於 IETF 保留地址範圍內的專用 IP 地址。應用程式會在發送給服務器的資料包的負載中包含該專用 IP 地址或Port。 服務器可
以將該嵌入地址用作聯繫客戶機時所用的地址。

如果服務器試圖用嵌入 IP 地址和Port進行回復,而非 NAT 提供的映射地址和端 口,系統就會丟棄該資料包。這是因為嵌入 IP 
地址是無法路由的。如果網路應用 程序能找到 NAT 設備並檢索到所要使用的外部 IP 地址和外部Port映射,應用程 序就可以在
資料包中嵌入正確的信息。

使用分散套接字的應用程式
還有一些網路應用程式使用Port X 上的套接字向服務器或對等電腦發送通訊信 息,然後等待將服務器的通訊信息接收到Port Y 
的獨立監聽套接字上。NAT 將監 視輸出通訊並為Port X 建立Port映射,但並不對尋址到Port Y 的返回資料包進行 Port映射。尋
址到Port Y 的輸入資料包將被丟棄。

需要Port可用
有些網路協議假定始終有可全局路由的已知Port可用。當多個客戶機共享 IP 地址 時,每次將只有一個客戶機能使用已知的
Port。例如,每次只有一個 Web 服務能 使用本地網路上的Port 80。如果不是這樣,NAT 設備將無法確定外部請求所適用 的客
戶機。即使在配置Port映射的用戶的幫助下,如果從本地網路的外部能找到 多個客戶機,也必須採取某些特殊的措施。

多個 NAT
如果客戶機位於一個 NAT 後面的 NAT 的後面,則出現的問題已超出本文所涵蓋 的範圍。

對用戶和行業的影響
上一段介紹了與 NAT Traversal 有關的技術問題。從用戶的角度講,它所造成的影 響比較簡單:人們再也無法使用受到 NAT 干
擾的服務或應用程式。

現在,大多數用戶甚至沒有意識到自己已成為這種 NAT 問題的受害者。他們只是 知道,當試圖玩多方遊戲或者使用對等應用
程式(例如進行既時通訊)或其它某些 應用程式時,卻無法玩或無法使用。他們可能會在 PC 機看到類似「無法連 接」等的錯
誤消息,或者在試圖使用應用程式時,程序卻出現故障。

有時,具有撥號調製解調器 Internet 連接的用戶在使用撥號調製解調器時不會出現 上述問題。但當用戶註冊寬帶服務並將 DSL 
或電纜調製解調器設備與 NAT 一起 使用時,卻出現故障。在進行快速 Internet 連接的情況下,這些用戶尤其會受到 NAT 問題
的困擾:它們會突然禁止用戶玩遊戲或使用其它服務。

這樣會引使用戶不滿,並會將這種不滿轉嫁給 PC 製造商、ISP、Internet 網關製造 商或其它方。通常,用戶並不知道問題的根
源,而技術支持人員也並不總能知道 如何通過電話解決這些問題。

這已不僅是用戶的問題。它也成為向用戶提供產品和服務的製造商的問題。用戶 在試圖解決這些由 NAT 引起的問題時會撥打
支持電話,而這部分費用會減少製造 商或零售商的利潤,甚至使其無利。這些問題會導致用戶對試用服務的不滿,從 而使某
些用戶降低了對後續新服務或應用程式的興趣。因此,NAT 會妨礙其它創 新性產品/服務的推出和使用。

鑒於上述因素,解決 NAT 問題已成為行業的一項重要任務。

什麼是 NAT Traversal?
NAT Traversal 是這樣一組功能:它允許網路應用程式能明確自己位於 NAT 設備的 後面,獲得外部 IP 地址,並將Port映射配置
為將 NAT 外部Port的資料包轉發給 應用程式所用的內部Port,而所有這些都是自動完成的,因此用戶不必手動配置 Port映射或
其它類似的方面。

相對與目前所用的、面向特定應用程式的其它方法而言,這對於解決由 NAT 引起 的連接問題確實是一種更為全面的解決方
案。目前使用的那些專門解決方案有的 要求用戶具有一定的技術知識,有的要求應用程式開發人員或 Internet 網關製造商 進行
專門的開發工作,也有的則要求上面兩方面。

儘管 NAT Traversal 可以解決一些 NAT 問題,但它卻不是萬能的,還不能解決所 有的問題。在提高用戶滿意度、減少用戶支持
呼叫的次數和支持新的、具有創造 性的服務和應用程式方面,這種自動式 NAT Traversal 代表了非常重要的一步,尤 其對於家
庭網路環境而言。

NAT Traversal 應視為一種在需要時使用的處理機制,而非在所有情況下都發揮作 用。在 IPv6 中,每個客戶機都具有可全局路
由的 IP 地址,因此已不再需要 NAT 及 NAT Traversal。就 IPv6 能在多長時間得到普遍部署這一問題,有各種不同的預 測。業
界(包括 Microsoft)已投入巨資推進 IPv6,但在現在及未來的幾年內,本文 後面所述的 NAT Traversal 解決方案對於希望解決 
NAT 問題的一般用戶和小型企 業用戶而言卻意義非凡。

NAT Traversal 操作
NAT Traversal 依賴於作為通用即插即用 (UPnP) 論壇規範組成部分的 Discovery and Control 協議。UPnP 論壇有一個工作委員會主
要負責定義 Internet 網關設備的控制 協議並定義這些設備的服務。

支持 Internet 網關設備控制協議基本元素的 Internet 網關設備可向局域網上的控制 點聲明自己的存在並發佈 XML 描述文檔。利
用這些 XML 描述文檔,控制點就能 瞭解用於確定 Internet 網關是否支持 NAT、獲取 NAT 的外部 IP 地址及建立Port映 射時需要
執行的 UPnP 操作。

Windows 中的 NAT Traversal API 對直接使用 UPnP 的要求進行了提煉,可提供用 於檢測、管理和配置 NAT 設備的接口。

NAT Traversal API
當網路應用程式需要檢測是否存在 NAT 設備並調整該設備的行為時,該應用程式 可以使用 Windows 中提供的 NAT Traversal 
API(完整記錄在 Platform SDK 中)來實 現下列功能:

確定是否存在 NAT
獲取 NAT 的外部 IP 地址。
獲取特定外部Port的靜態Port映射信息(如果已映射)。
新增靜態Port映射(除非已分配外部Port)。
啟用或禁用特定的Port映射而不刪除
編輯靜態Port映射的界面友好描述
刪除靜態Port映射
獲取局域網靜態Port映射的列表

利用這些功能,應用程式可以解決許多因 NAT 而導致的問題。注意:Windows NAT Traversal API 目前僅在有限的時間內支持
Port映射,否則將稱為靜態Port映 射。

Windows XP 中的 NAT Traversal API
預設情況下,Windows XP 中將安裝 NAT Traversal API。這些 API 也可安裝在執行 Windows Me 和 Windows 98 的電腦中,方法是
使用 Windows XP CD 上一個名 為「網路安裝嚮導」的工具。為提供附加 XML 分析程式支持,NAT Traversal API 還要求安裝 
Internet Explorer 6.0。

Windows 2000 中當前不支持 NAT Traversal。

Internet 網關中支持 NAT Traversal
Internet 網關對 NAT Traversal 的支持是通過支持「通用即插即用論壇」Internet Gateway Working Committee 所定義的 Internet 網關
設備 (IGD) 規範而實現的。網關 製造商還應注意到:Windows 中的 NAT Traversal API 對 IGD 進行下列假定:

IGD 每次僅聲明一個外部接口。儘管在技術上允許 Internet 網關設備聲明多個外部接口,但 NAT Traversal API 卻只使用第一
個。
IGD 支持允許任何遠程 IP 地址將資料包發送給內部客戶機的Port映射。
IGD 支持具有廣播地址(列為客戶機)的Port映射
IGD 支持 NAT 外部Port數與客戶機內部Port數不同。
IGD 將聲明版本號 1。
靜態Port映射(或稱持續時間設置為無限的Port映射)將無限期存在。即使是重新啟動系統、更改 IP 地 址或是服務器上存在客
戶機,都無法去除靜態Port映射。

本文寫作的過程中,幾個業界領先的製造商已經宣佈在 2001 年提供支持這些 UPnP 方法且能與 Windows NAT Traversal API 協同
使用的 Internet 網關設備。這對 於行業和用戶都是非常重要的一步。

隨著越來越多的 Internet 網關設備製造商認識到使用 UPnP 解決上述問題所具有的 優勢,隨著更多一般用戶和小型企業用戶開
始意識到與 NAT 有關的問題及這些支 持 UPnP 的 NAT Traversal 解決方案的強大功能,為 NAT Traversal 提供 UPnP 支持 有望稱
為此類設備的核查項或入市前提。

Internet 網關製造商應加入 UPnP 論壇,瞭解如何使自己的 Internet 網關設備符合 UPnP 標準。

應說明的是:Windows XP 上的「Internet 連接共享」支持 UPnP IGD 標準 0.9 版。 預計版本 1.0 將與版本 0.9 相容。

應用程式如何利用 NAT Traversal
應用程式使用 NAT Traversal 的方式與多個因素有關,包括Port映射期望的生存期 及Port是否用於多個客戶機或服務。應用程式
應清除自己建立的所有靜態Port映 射,以避免出現孤立映射及Port被其它應用程式佔盡的情況。

如果應用程式是一種網路服務(例如 Web 服務器),並在生存期內要求使用已知 Port,它的安裝程序就可以使用 NAT Traversal 
API 來配置一個靜態Port映射。假 定其它應用程式、網路管理員、網路拓撲結構都維持原狀,而清除機制也保持映 射不變,則
外部客戶機就能在服務生存期內連接該服務。應用程式的解除服務將 負責刪除該映射。如果出現崩潰,即使服務已不存在,靜
態Port映射也仍將存 在。如果外部 IP 地址發生變化,則靜態Port映射將自動獲取更改的內容。

如果應用程式並不始終執行,或者對網路維護其靜態Port映射的信任度降低,它 就可以在每次啟動時保留某個已知的Port,並
在每次關閉時恢復資源。這一點可 通過執行某個並行腳本來實現。作為新增和刪除Port映射的替代方案,可以讓應 用程序根據
需要啟用和禁用映射。應用程式還可以始終保留靜態Port映射,且只 在每次啟用時刷新一下映射。

同樣,如果外部 IP 地址發生變化,則靜態Port映射將自動獲取更改的內容。

如果專用網路上不同客戶機的多個應用程式使用同一內部Port號,應用程式就會 要求進行修改,以支持多個客戶機的執行。只
有單個客戶機能使用外部Port映射 的內部Port號。此處建議讓第一個客戶機使用。其它客戶機應請求內部Port數不 同於外部Port
數的非對稱Port映射。

有一種特殊的情況:多個客戶機可監聽同一外部Port,而唯一的目的是被遠程主 機發現。輸入資料包可以轉換為使用內部客戶
機 IP 地址的廣播地址,而非特定的 客戶機地址。監聽該Port的客戶機可通過啟動自己與遠程主機之間的連接而予以 回復。建
議不要普遍使用這種方案,因為到該地址的輸入資料包將被網路上的所 有客戶機接收,並會反過來對它們造成影響。

如果服務需要短期監聽某個隨機Port,它應在應用程式中請求一個靜態Port映 射,而非使用腳本。服務結束時,應予以清除
(刪除映射)。應用程式應保留一份 自己特有Port映射的記錄。這樣,如果應用程式在崩潰時沒有關閉映射,就可以 在下一次
啟動時檢索出清除Port映射所需的必要信息。

如果應用程式離開網路時沒有清除其Port映射,則該映射就會保留下來,而清除 任務就落在用戶的身上。目前 Windows 中尚沒
有清除機制,這是因為判斷應用程 序不再使用映射的時間非常難。

NAT Traversal 的局限
儘管 NAT Traversal 可以解決與通過 NAT 設備進行連接時有關的多種問題,但還 有 NAT Traversal 無法解決的問題及由其引起的
問題。這些問題包括:

NAT Traversal 使用開放式信任模式。這意味著專用網路上的所有應用程式都能訪問 NAT 上的所有端 口映射。儘管這樣可以增
加多點管理的靈活性,但應用程式也就失去了對其映射的唯一佔有權。
應用程式將負責解決衝突。如果應用程式嘗試映射某個已映射給其它客戶機的Port,它就應負責搜尋另 一個Port或改寫應用程
式。
NAT Traversal 無法解決在 ISP 分發專用地址和使用 NAT 進行客戶機連接方面的問題。這種情況 下,NAT 位於 Internet 網關設備
的外面,實際上位於服務提供商網路的內部。如果客戶機網路上的 NAT 位於另一個同類 NAT 的後面,家庭或小型企業中的 
NAT Traversal 就會出現故障。因此,建議 Internet 服務提供商不要在自己的網路內部署 NAT。
應用程式獲取 NAT Traversal 時並非毫無代價。它們必須同時進行修改以執行 API,或者隨帶腳本以提 供解決方案。這對於大多
數開發人員而言仍在可控制的範圍內,尤其是考慮到將這些 NAT Traversal 機 制並入應用程式後,應用程式就能自動與多種 
Internet 網關設備協同使用。
使用完Port映射後,應用程式負責清除工作。靜態映射會無限期存在,最好用於打算在整個應用程式生 存期內監聽已知Port的
服務。
提供 NAT 的 Internet 網關必須支持通用即插即用 Internet 網關設備規範(至少為版本 0.9)。

結論
NAT 是得到 IETF 認可的解決方案,針對的是 IPv4 名稱空間耗用問題。使用 NAT 的 Internet 網關經常用於家庭和小型企業。之
所以使用它們,是因為它們價格便 宜,易於管理,無需用戶安裝特殊的軟體。

使用 NAT 的不足在於會破壞許多聊天、多玩家遊戲和對等應用程式。這是因為它 們的網路協議對網路體系結構所做的假定已
不成立。

NAT Traversal 為應用程式提供了一條搜尋 NAT 設備、發現可全局路由的共享 IP 地址並配置靜態Port映射以解決某些連接問題
的途徑。NAT Traversal 解決方案無 法解決與 NAT 有關的所有問題,但可以緩解部分問題。

本文的主要結論是:

Internet 網關設備製造商應在自己的設備中支持 UPnP,從而支持 NAT Traversal。
網路應用程式開發人員應使用 Windows NAT Traversal API 來檢測 NAT 的存在,並在必要時允許其 應用程式經過 NAT。
用戶應使用支持 UPnP 和 NAT Traversal 的 Internet 網關設備,以確保最佳的應用程式性能。
DSL 和電纜調製解調器的服務提供商應指定、銷售和租賃為 NAT Traversal 提供 UPnP 支持的 Internet 網關設備。

在 IPv6 最終消除 NAT 之前,某些形式的 NAT Traversal 仍會繼續存在。 
 
www.000webhost.com