.NET使用UPnP来穿透NAT

2013 年 2 月
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在写完Object 672后，软件的一个致命问题暴露出来，如果服务器和客户端都在内网环境下，即双方都通过NAT来接触外网，那么此时客户端是无法直接和服务器交流的。

解决方案可以是：

1：把服务器部署在不存在NAT的公网环境下。

2：使用常见的NAT穿透方法比如UDP打洞，或者STUN协议，但是这些方法都需要另一个已知的部署在公网环境下的服务器。

3：就是这篇文章主要讨论的方案，即不需要部署任何公网环境下的服务器，通过路由器支持的UPnP协议来把内网的接口绑定到公网接口上。

UPnP的一大优势就是不会像UDP打洞那样，内网接口不需要先向外部接口发送UDP包来把绑定的公网接口告诉NAT，而且对于对称NAT，UDP打洞是无效的。而UPnP一旦设置成功后，内网接口完全以绑定的公网接口暴露在公网中。

演示程序的运行是这样的：

具体过程：

1. 输出用户Host Name和内网IP地址。

2. 通过UPnP把内网IP地址，内部端口号绑定到一个外部端口号上。

3. 通过HTTP从外部网站获取公网IP地址。

4. 在内网中创建TCP Socket服务器。

5. 建立另一个TCP Socket客户端，然后尝试连接上面获取的公网IP和UPnP绑定的外部端口。

6. 如果一切没有问题的话，此时会成功连接到服务器，并收到回应！

在.NET环境下使用Windows的UPnP组件需要现在工程中引用：NATUPnP 1.0 Type Library，这是一个COM类库。

下面开始逐句分析源代码，源代码均拟用户已加入下列命名空间：

using System.Net;

using System.Net.Sockets;

using System.Text.RegularExpressions; //提取IP时的正则

using System.Threading.Tasks; //Task

using System.IO; //读取服务器信息用到StreamReader

using NATUPNPLib; //Windows UPnP COM组件

首先输出本机（也就是内网接口信息），这个很简单了：

//获取Host Name

var name =Dns.GetHostName();

Console.WriteLine("用户："+ name);

//从当前Host Name解析IP地址，筛选IPv4地址是本机的内网IP地址。

var ipv4 =Dns.GetHostEntry(name).AddressList.Where(i => i.AddressFamily ==AddressFamily.InterNetwork).FirstOrDefault();

Console.WriteLine("内网IP："+ ipv4);

接下来就是设置UPnP了，首先需要初始化UPnPNAT类型（他是一个接口，只不过通过CoClass特性把执行导向UPnPNATClass类型），接着通过UPnPNAT的StaticPortMappingCollection来添加或者删除UPnP绑定。注意在没有路由器或者路由器的UPnP不开启的情况下，StaticPortMappingCollection属性可能会返回null。

代码如下：

Console.WriteLine("设置UPnP");

//UPnP绑定信息

var eport =8733;

var iport =8733;

var description ="Mgen测试";

//创建COM类型

var upnpnat =newUPnPNAT();

var mappings = upnpnat.StaticPortMappingCollection;

//错误判断

if (mappings ==null)

{

Console.WriteLine("没有检测到路由器，或者路由器不支持UPnP功能。");

return;

}

//添加之前的ipv4变量（内网IP），内部端口，和外部端口

mappings.Add(eport, "TCP", iport, ipv4.ToString(), true, description);

Console.WriteLine("外部端口：{0}", eport);

Console.WriteLine("内部端口：{0}", iport);

如果成功后，你应该可以在路由器的UPnP选项中看到这些数据：

设置好UPnP后，开始获取外网IP地址，可以通过这个网址（http://checkip.dyndns.org/）。此时只需要发送一个HTTP GET请求，然后把返回的HTML中的IP地址提取出来就可以了，我们用正则来提取IP地址。

代码如下：

//外网IP变量

string eip;

//正则

var regex =@"\b\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\.\d{1,3}\b";

using (var webclient =newWebClient())

{

var rawRes = webclient.DownloadString("http://checkip.dyndns.org/");

eip =Regex.Match(rawRes, regex).Value;

}

Console.WriteLine("外网IP："+ eip);

OK，这个时候（如果一切顺利的话），一切准备工作都做好了。我们有了：内网IP，内部端口，外网IP，外部端口。那么就可以做一个TCP连接做测试了。

直接建立一个TCP服务端，代表在NAT下的服务器，注意端口号要绑定到UPnP设置时的内部端口。

代码：

//在NAT下的服务器

var socket =newSocket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

//绑定内网IP和内部端口

socket.Bind(newIPEndPoint(ipv4, iport));

socket.Listen(1);

//在另一个线程中运行客户端Socket

Task.Run(() =>

{

Task.Delay(1000);

ClientSocket(eip, eport);

});

//成功连接

var client = socket.Accept();

//服务器向客户端发送信息

client.Send(Encoding.Unicode.GetBytes("=== 欢迎来到Mgen的服务器！==="+Environment.NewLine));

Console.ReadKey(false);

上面的ClientSocket方法就是客户端的Socket连接执行，注意TCP协议是不保留数据边界的，因此服务器在发送消息时，后面加了个换行符（Environment.NewLine），然后在客户端接受数据时，使用Socket –> NetworkStream –> StreamReader的嵌套组合，最后由StreamReader的ReadLine读取数据，这样确保会读到最后的换行符。

ClientSocket方法的执行代码：

//ip参数和port参数是公网的IP地址，和UPnP中的外部端口

staticvoid ClientSocket(string ip, int port)

{

try

{

Console.WriteLine("建立客户端TCP连接");

var socket =newSocket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

socket.Connect(newIPEndPoint(IPAddress.Parse(ip), port));

using (var ns =newNetworkStream(socket))

using (var sr =newStreamReader(ns, Encoding.Unicode))

{

Console.WriteLine("收到来自服务器的回应：");

Console.WriteLine(sr.ReadLine());

}

catch (Exception ex)

{

Console.WriteLine(ex.Message);

}

OK。

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源代码环境：Microsoft Visual Studio Express 2012 for Windows Desktop
注意：源代码不包含引用的外部类库文件

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