基于TCP的点对点传输协议的研究与实现

摘要

互联网的快速发展使得 IP地址资源日渐枯竭。将IPv4地址空间升级为IPv6地址空间可以从根本上扩充地址空间，但还需要大量的升级换代工作；而另一途径是使用NAT（Network Address Translator）对私有网络的地址进行转换。NAT短期内解决了IP地址资源短缺、提高网络安全性的问题，但随之而来的是大量建立在点对点连接基础上的P2P应用（如：电驴、BT、PPLive等）无法运行，这些应用在人们日常生活中已无法取代，所以NAT的产生严重阻碍了P2P的发展。 为了使NAT设备对于P2P应用而言变得透明，穿越NAT设备建立两种基本的网络传输协议UDP和TCP连接有着基础性的作用。目前穿越NAT建立UDP的研究已经较为成熟，并形成了相关的行业标准，但TCP NAT穿越一直未能完好解决。 本文 从系统地解决NAT穿越解决方案的完整性出发，针对穿越NAT建立TCP连接的问题进行了研究。首先分析了目前几种NAT穿越技术，并总结归纳了不同NAT穿越解决方案各自的特点。随后对于尚未完好解决的TCP NAT穿越问题，提出了一种基于端口关联分析预测（PCAP）算法的NAT TCP穿越策略。最后通过实验对该方法进行了测试。本文主要研究工作如下： 1.深入分析了现有解决NAT穿越的方法，并针对这些方法存在的不足进行了归纳和总结。借鉴现有NAT UDP的协议分类，构建了对应的NAT TCP类型定义。 2.提出了一种端口关联分析预测（PCAP）算法，该算法能够通过对多次试探连接获取NAT映射地址和端口的信息，并通过对这些信息进行关联分析，从而预测下次发起连接时NAT可能分配的端口大小。该算法的特点在于避免了孤立地考虑最后一次映射信息，而导致对NAT端口分配策略探测不准确的缺点，能够提高端口预测的成功率。 3.提出了一种基于PCAP算法的NAT TCP穿越方案，改进了 现有方案的不足，完善了NAT穿越问题解决方案系统。实验结果表明：PCAP算法对NAT行为探测和端口预测是有效的，利用PCAP算法能够获得较高的P2P连接成功率。 4.实现了基于PCAP算法的NAT TCP穿越协议栈，在不同网络负载条件下，对NAT类型探测、端口预测、TCP直连失败次数进行了测试，并于传统方法进行了比较。实验结果表明：本文提出的TCP NAT穿越方案具有较高的成功率和良好的抗负载能力。