使用UPnP来穿透NAT使内网接口对外网可见

原文链接http://www.cnblogs.com/mgen/archive/2013/02/03/2890987.html

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 = new UPnPNAT();
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 = new WebClient())
{
<
d44a
p style="margin:10px auto;padding-top:0px;padding-bottom:0px;">    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 = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
//绑定内网IP和内部端口
socket.Bind(new IPEndPoint(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
static void ClientSocket(string ip, int port)
{
    try
    {
        Console.WriteLine("建立客户端TCP连接");
        var socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);
        socket.Connect(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ip),
port));
        using (var ns = new NetworkStream(socket))
        using (var sr = new StreamReader(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。