UDP/TCP的差異 TCP的模擬 模擬TCP的現實意義
本章內容分為三部分:
NAT（NAPT）機制及應用TCP協議的特性- 使用
UDP模擬TCP實現TCP協議中的主要特性
NAT（NATP）
我們已經學習過UDP與TCP協議(伯克利socket接口函數)的使用，無論是sendto還是send，我們的目標IP地址都是公網IP，而不是局域網IP（本機通信或者局域網通信除外）。
當我們想要將流量發送到公網(廣域網)上時，目標IP地址必須是公網IP。
以上是網絡編程的基礎常識。
那么，為什么我主機上的釘釘能夠能跟你主機上的釘釘通信呢？我們兩台主機都在不同的局域網中，都位於網關（路由器）后面。
似乎道理也很簡單，因為釘釘服務器的存在，我們不過是將消息發送給了釘釘的公網服務器，然后服務器進行了轉發。那么，一台網關設備后面有若干台主機，每台主機上都有釘釘，那網關是怎么准確無誤的指導需要將釘釘消息發送到哪台主機呢？
最關鍵的問題是，我們的局域網IP地址192.168.0.1怎么就能與一個局域網后面的192.168.0.2主機通信呢？服務器的存在？為啥公網服務器就能與局域網IP通信呢？
要回答這個問題，就要知道，NAT機制。
為了緩解IP地址的緊張，現在網關都具備NAT功能，能夠只通過一個公網IP地址就能讓N台主機與外界通信。
NAT的全稱是Network Address Translation網絡地址轉換。
局域網地址之所以能訪問遠程公網服務器的原因在於在網關（路由器）設備中，有一個nat模塊專門用來處理局域網地址與公網地址的映射關系:
真的的秘密在於每台主機的流量到達網關后，其內網IP地址以及端口都會被改寫。
改寫為這個網關的外網IP地址和一個新的端口號因此內網IP:端口1與外網IP:端口2形成了一個1對1的新映射，這個映射的組成元素一共有4個，任何一個元素不同都是一條新的映射。
其實注意到，並不是簡單的內網IP與外網IP組成一條映射，還包括端口這一元素，因此NAT又被稱為NAPT（P = Port）
因此，真實的通信就變成了這樣子:
NAT還未形成一個標准方案，不同的設備廠商都有自己的實現，不過大致說了現行的NAT有4種不同的類型:
- 完全圓錐形NAT類型
- 受限圓錐形NAT類型
- 端口受限圓錐形NAT類型
- 對稱NAT類型
從名字上看不出任何端倪，甚至有些莫名其妙。
當主機通過網關(路由器)訪問遠程服務器server-1時，流量經過網關前往server-1服務器時，便會建立一個NAT映射，將內部地址LocalIP:LocalPort映射到了外部地址WideIP:WidePort，此時通過WideIP：WidePort這個點就能訪問server-1服務器，而server-1也能講流量發送到WideIP:WidePort這個點，然后通過查NAT映射關系，網關將流量轉發到局域網主機上。不僅如此，即使之前沒有與主機通信過的server-2服務器此時也能直接通過WideIP:WidePort將流量發送到局域網內部主機，即server-2也能直接與局域網主機通信，而這一切得益於NAT表映射關系的建立。
映射建立完成后，對目標主機的IP和端口都無限制，的這種類型，就是所謂的完全圓錐形NAT類型
主機LocalIP:LocalPort訪問server-1時，NAT設備會創建一個NAT表映射，得到一個WideIP:WidePort，通過這個地址訪問主機server-1，此后server-1就能通過NAT設備將流量傳輸給主機了，與上面（完全圓錐形NAT類型）類型不同的是，此時server-2不能通過這個WideIP:WidePort訪問主機，而必須要是內部主機先與外部主機通信，然后外部主機才能將流量傳輸給內部主機。比如內部主機通過LocalIP:LocalPort先訪問了server-3后，此時server-3才能訪問內部主機(通過NAT設備)。
而對外部主機的地址要求是theWideHostIP:AnyPort。必須要是已經通過信的那個外部主機IP，而對外部主機的端口，不做要求。
映射建立完成后，對目標主機的IP有限定，對目標主機端口無限制，的這種類型，就是所謂的受限圓錐形NAT類型
當在『受限圓錐形NAT類型』的基礎上加一個端口限制后，就成了第三種NAT類型，即所謂的『端口受限圓錐形NAT類型』
這意味着，只有主機先與外部server通信后，外部server才能與主機通信，並且前提還有，並不是只要外部主機IP地址符合要求就好，還必須要求外部主機的端口也不能變，如圖:
而最后一種類型就是『對稱NAT』，這種類型的限制最多。
只有先當內部主機訪問外部主機（服務器）后，外部主機（服務器）才能訪問內部主機，並且，只能沿着原路返回數據，也就是說，通過網關設備出去的外部地址都是一個唯一的點，通過這個點，只能訪問一對IP:端口號（注意，不是說只能訪問一台主機）
到目前為止，我們已經討論完了NAT的4種類型，路由器就是一個NAT設備。那么有個這個知識儲備后，有什么用呢?
主機之間的通信
C-S模型的架構是非常經典的並且占據互聯網大部分流量的一種模型，幾乎我們常說的網絡編程就是在使用C-S架構（及其變種)
這是經典的C-S通信架構，通過公網服務器，每一個客戶端都能訪問到這台服務器，而無論客戶端是否位於NAT后面（是否處於局域網中），這種設計的好處是明顯的:
- 保證兩台主機之間肯定可以進行通信
- 讓兩台主機實現通信的邏輯變得簡單
- 很多時候業務邏輯並不要求兩台主機進行通信，而是服務器只作為資源的提供者，這種模式下
C-S架構天生適合
以上都是這種架構的優勢。但這種架構並不適合所有場景（其實，沒有任何一種架構能包治百病），比如即時聊天軟件直接的通信就是主機與主機的通信了，那么在需要端與端的通信時，C-S模式的架構就不是最優的了（只是從技術上講，不從政策上講。因為政策上而言，服務器必須介入主機與主機的通信，用來保存通信內容供government查閱，這種情況下必須C-S架構，而某些主打隱私安全的設計就不是采用這種架構）
我們對C-S-C模式能夠理解，但是我們需要討論下p2p（peer to peer）可行的理由。（這部分只是在我們實際工作中可能不會使用上，但是對理解掌握網絡的完整性是個必不可少的一部分，甚至日后理解所謂的反射、隧道等都大有裨益）
根據圖示，兩台NAT之間的流量是可以直達的，但這是否意味這局域網主機1和局域網主機2就能因此而流量直達了呢?
答案是肯定的，但是還有幾個問題要解決:
- 主機需要知道自己的公網IP地址(端口)。
- 主機需要讓另一台主機知道自己的公網IP地址（端口)，且，自己也需要知道對方的。
那么，怎么解決呢?
引入一個公網服務器，完美解決以上2個問題。
這個服務器通常被稱為『打洞服務器』，這個『洞』就是給NAT挖了個洞，讓流量可以穿透過去。那么這個打洞服務器做了幾個什么事情呢?
- 識別局域網主機1和局域網主機2的外網地址以及端口
- 相互交換對方的外網地址(端口)信息
這樣，局域網主機1里的相關進程就知道了局域網主機2的外網地址(端口)，反之同理。這樣局域網主機1 、2里的某個相關進程都掌握了對方的外網地址(端口)。
那這樣是不是就意味着局域網主機1、2能直接通信了呢？
答案是不一定。
回顧我們上面討論的NAT的4種類型，會發現一種NAT類型是絕對無法打洞成功的。在此之前，我們來理一下正常情況下，是如何打洞的，步驟是什么。
1、主機A訪問打洞服務器
2、主機B訪問打洞服務器
3、打洞服務器交換兩個主機的外網地址信息（端口)
4、主機A訪問B的外網地址，此時NAT會記錄B的外網地址，當流量到達主機B的NAT設備后，因為NAT設備『不認識』（沒記錄過A主機，也不知道這個流量要轉發給那個主機），所以直接丟棄這個包，數據並不會到主機B，但是，此時B主機的NAT設備會記錄A的外網地址。
5、此時，打洞服務器會通知主機B，讓B主機馬上把流量發送到主機A的外網地址，此時因為在第4步時主機A的NAT設備記錄了主機B的外網信息，因此主機A的NAT設備會讓主機B的流量通過，並且會把B的流量准確的轉發給主機A。
6、此時，主機A會馬上訪問主機B的外網地址，因為在第4步時，主機B的NAT設備記錄了主機A的外網地址，同時在第5步時也記錄了主機B要訪問主機A的外網地址的信息，因此，主機B的NAT設備會讓主機A的流量通過，並且准確的轉發到主機B上
經過以上6步，就能建立主機A與主機B之間的端到端的通信了。
至此事情似乎都很完美，但是回頭看看我們上面所說的NAT類型的第四個，也就是『對稱NAT類型』，在這種類型的NAT面前，此路不通了。我們來推演一下:
當此時NAT類型是第4中類型（對稱NAT)時:
1、主機A訪問打洞服務器;NAT-A設備記錄映射(192.168.0.1:5566：43.250.201.20:6789)，遠程服務器記錄A的外網地址為43.250.201.20:6789
2、主機B訪問打洞服務器;NAT-B設備記錄映射(192.168.0.2:7788：113.250.201.20:4567),遠程服務器記錄B的外網地址為113.250.201.20:4567
3、交換2個外網地址信息
4、主機A訪問B的外網地址，113.250.201.20:4567 ,NAT直接拒絕，並且不會留下任何記錄。理由很簡單，這個外網地址建立的訪問路徑是本機地址-外網IP:端口1-打洞服務器地址 ，流量只能在這條路徑上傳輸，打洞服務器能與外網IP:端口1通信，但是當別的外網地址訪問這個B的地址時，直接被拒。也就是說在對稱NAT的類型中，本機地址-NAT外網地址-遠程外網地址 三者構成了獨一無二的通信鏈路，其他節點無法加入。
需要再三說明的是，這里的地址是指IP地址:端口號這一對組合。
有NAT設備的地方，就有NAT類型。因此兩端其實有10種兩兩組合的情況。
我們不能簡單的說端口受限型NAT可以打洞，對稱型NAT不能打洞，而是要看雙方的組合是什么。
比如 對稱型-對稱型，這就是不能打洞的。而如果是受限錐型-對稱型則可能可以。
那么，用來打洞的通常是UDP流量，還是TCP流量呢？答案是UDP流量。
答案很簡單，並非TCP不行，而是用TCP打洞太難太難，操作手法復雜，而用UDP則相對簡單很多。
為什么?
回想一下打洞過程:
主機A的某進程需要通過socket訪問打洞服務器，為了讓主機端口固定，使用bind，將某個固定端口綁定到本機，此后又要創建一個socket訪問遠程主機B，使用TCP無法創建2個本機IP和綁定端口一致的socket。
而UDP就沒有這樣的問題。
這算是『非面向鏈接』協議的一點點『好處』吧。
遠程控制既可以通過C-S模式實現，或者p2p模式實現，至於那種方案更優，相信大家有自己的判斷。（在p2p的打洞中，如果打不通，會切換成C-S模式）。當然，C-S的實現模型更簡單，而NAT是可以嵌套的，因此情況會更復雜。
以上，就是有關NAT的相關內容。