Возможности, обеспечиваемые технологиями NAT Traversal и UPnP в системе Windows XP

Что такое NAT Traversal?

NAT Traversal (прохождение NAT) — это набор возможностей, позволяющих сетевым приложениям определять, что они находятся «под защитой» устройства NAT, узнавать внешний IP-адрес и выполнять сопоставление портов для пересылки пакетов из внешнего порта NAT во внутренний порт, используемый приложением; все это выполняется автоматически, так что пользователю не приходится вручную настраивать сопоставления портов или какие-либо другие параметры.

Данная технология представляет собой более целостное решение проблем связи, обусловленных применением устройств NAT, по сравнению с использовавшимися раньше методами, ориентированными на конкретные приложения. До сих пор подобные специализированные решения требовали либо наличия у пользователя технических знаний, либо специальной доработки со стороны создателя приложения или производителя шлюза интернета, либо всего этого вместе.

Хотя средство прохождения NAT направлено на решение некоторых проблем, связанных с NAT, оно не являются панацеей и не способно разрешить ВСЕ проблемы. Тем не менее его воплощение в автоматизированном виде представляет собой существенный шаг вперед в деле более полного удовлетворения пользователей, снижения нагрузки на службу технической поддержки и продвижения новейших служб и приложений, особенно в среде домашней сети.

Технологию NAT Traversal следует рассматривать как подручный механизм, который должен использоваться в случае необходимости, а не во всех ситуациях подряд. Потребность в NAT и, следовательно, в технологии NAT Traversal отпадет с появлением IPv6, когда каждый клиент получит IP-адрес, допускающий глобальную маршрутизацию. Существуют различные прогнозы относительно того, как скоро завершится повсеместное развертывание IPv6. Компании отрасли, включая Microsoft, вкладывают значительные средства в продвижение IPv6, однако решение NAT Traversal, описываемое ниже, принесет немало пользы сейчас и в ближайшие несколько лет всем, кто работает дома и в небольших офисах и испытывает трудности с использованием NAT.

Принципы работы NAT Traversal

NAT Traversal в своей работе опирается на протоколы обнаружения и управления, входящие в спецификации, установленные Форумом UPnP (Universal Plug and Play). В составе Форума UPnP имеется рабочий комитет, занимающийся составлением протокола управления шлюзовыми устройствами интернета (Internet Gateway Device, IGD) и определением служб для этих устройств.

Шлюзы интернета, поддерживающие обязательные элементы протокола управления устройствами IGD, будут объявлять о своем присутствии и публиковать XML-документы с описаниями для пунктов управления своих локальных сетей. Из этих документов пункты управления смогут узнать, какие операции UPnP требуется вызвать для того, чтобы определить, включена ли поддержка NAT в шлюзе, и выполнить сопоставление портов.

API-интерфейс NAT Traversal в составе Windows позволяет избежать необходимости доступа к UPnP напрямую; он включает функции обнаружения, управления и настройки устройства NAT.

NAT Traversal API

Когда сетевому приложению нужно обнаружить устройство NAT и отрегулировать параметры его работы, приложение может воспользоваться интерфейсом NAT Traversal API, входящим в комплект Windows (и полностью описанным в материалах пакета Platform SDK), и выполнить следующие функции:

• определить, присутствует ли устройство NAT;
• получить внешний IP-адрес NAT;
• получить данные о статическом сопоставлении конкретного внешнего порта, если таковое существует;
• добавить статическое сопоставление портов, если внешний порт не был ранее назначен;
• включить или отключить конкретное сопоставление портов, не удаляя его;
• изменить описание статического сопоставление портов, понятное для пользователя;
• удалить статическое сопоставление портов;
• получить список статических сопоставлений портов для локальной сети.

С помощью этих функций приложения могут обходить многие проблемы, вызываемые наличием NAT. Следует учесть, что API-интерфейсы NAT Traversal в составе Windows на сегодняшний день поддерживают сопоставления портов только неограниченного срока действия — так называемые статические сопоставления портов.

API-интерфейсы NAT Traversal в составе Windows XP

API-интерфейсы NAT Traversal устанавливаются в Windows XP по умолчанию. Их также можно устанавливать на компьютерах, работающих под управлением Windows Me и Windows 98; для этого используется специальная программа, имеющаяся на компакт-диске Windows XP, — мастер настройки сети (Network Setup Wizard). Для доступа к API-интерфейсам NAT Traversal пользователи также должны установить обозреватель Internet Explorer версии 6.0, обеспечивающий дополнительную поддержку средства синтаксического разбора XML.

NAT Traversal в Windows 2000 на данный момент не поддерживается.

Поддержка NAT Traversal в шлюзах интернета

Поддержка NAT Traversal в шлюзах интернета реализована в виде поддержки спецификации IGD (Internet Gateway Device), определенной Рабочим комитетом по шлюзам интернета в рамках Форума UPnP. Производители шлюзов должны иметь в виду, что API-интерфейсы NAT Traversal, включенные в Windows, исходят из следующих предположений о работе устройств IGD.

• Устройства IGD объявляют в каждый момент времени только один внешний интерфейс. Хотя с технической точки зрения допустимо объявление нескольких внешних интерфейсов, API-функции NAT Traversal будут использовать только первый из них.
• IGD поддерживают сопоставления портов, обеспечивающие пересылку пакетов с любого удаленного IP-адреса внутренним клиентам.
• IGD поддерживают сопоставления портов, в которых в качестве клиента указан широковещательный адрес.
• IGD поддерживают различные номера для внешнего порта NAT и внутреннего порта клиента.
• IGD генерируют объявления с номером версии 1.
• Статические сопоставления портов действуют неограниченно долго, невзирая на перезагрузки, изменения IP-адресов и присутствие клиента на сервере.

На момент написания данного документа уже несколько ведущих производителей объявили о планах начать в 2001 г. поставки поддерживающих эти спецификации UPnP шлюзовых устройств интернета, совместимых с API-интерфейсами Windows NAT Traversal. Это важное событие как для пользователей, так и для отрасли в целом.

Чем больше производителей шлюзов интернета осознают преимущества технологии UPnP как средства обхода проблем NAT и чем больше пользователей знакомятся с этими средствами, тем выше шансы на то, что решение NAT Traversal на базе UPnP станет непременным атрибутом устройств данной категории.

Производителям шлюзов интернета следует вступать в ряды Форума UPnP — так они смогут быстрее узнать о том, как добиться совместимости своих устройств со стандартами UPnP.

Следует заметить, что средство общего доступа к подключению интернета в Windows XP поддерживает версию 0.9 стандарта UPnP IGD. Ожидается, что версия 1.0 будет совместима с версией 0.9.

Как приложения используют NAT Traversal

Способ использования NAT Traversal приложением зависит от ряда факторов, например, от того, каким должен быть срок действия сопоставления портов и сколько клиентов или служб используют данный порт. Очень важно, чтобы приложения в конце уничтожали («очищали») создаваемые ими статические сопоставления портов, чтобы освобождать порты для других приложений.

Если приложение представляет собой сетевую службу (например, веб-сервер), которой требуется какой-либо широко известный порт на всем протяжении ее существования, программа установки такого приложения может настроить статическое сопоставление порта с помощью API-интерфейсов NAT Traversal. Если сетевая топология остается постоянной и механизмы очистки не затрагивают это сопоставление, внешние клиенты смогут контактировать со службой в течение всего периода ее работы. Удалить сопоставление должна будет программа удаления приложения. После аварийного сбоя статические сопоставления портов останутся, несмотря на отсутствие службы. Изменение внешнего IP-адреса будет автоматически учтено статическим сопоставлением портов.

Если приложение не будет работать постоянно или нет гарантии, что его статические сопоставления портов будут все время поддерживаться сетью, оно может резервировать какой-либо известный порт при каждом запуске и возвращать его при каждом завершении работы. Это можно делать с помощью параллельно активизируемого сценария. Возможен и иной вариант: вместо добавления и удаления сопоставления портов приложение будет каждый раз включать и выключать его. Можно также оставить статическое сопоставление портов постоянно действующим и просто обновлять его при запуске приложения.

И в этом случае изменение внешнего IP-адреса автоматически учитывается статическим сопоставлением портов.

Если один и тот же внутренний номер порта используется сразу несколькими приложениями разных клиентов частной сети, эти приложения придется немного изменить, чтобы обеспечить работу нескольких клиентов. В каждый момент времени только один клиент может сопоставлять внешнему порту этот внутренний номер порта. Рекомендуется такой режим: право на использование порта получает первый клиент. Остальные клиенты должны запрашивать асимметричные сопоставления, в которых внутренний порт отличался бы от внешнего.

Следует рассмотреть такой особый случай: несколько клиентов могут прослушивать один и тот же внешний порт с единственной целью — быть обнаруженными удаленными узлами. Входящие пакеты могут преобразовываться так, чтобы в качестве внутреннего IP-адреса клиента указывался широковещательный адрес, а не адрес конкретного клиента. Клиенты, прослушивающие сеть через этот порт, смогут ответить, инициируя свое собственное подключение к удаленному узлу. Такой метод не рекомендуется для общего пользования, поскольку входящие пакеты с этим адресом назначения будут приниматься каждым клиентом сети, создавая для них дополнительную нагрузку.

Если службе необходимо прослушивать произвольный порт в течение короткого промежутка времени, она должна запросить статическое сопоставление порта в приложении, а не в сценарии. Закончив работу, служба должна сразу же выполнить очистку (удалить сопоставление). В приложении следует вести учет собственных действующих сопоставлений портов. В итоге если произойдет сбой приложения и оно не успеет закрыть сопоставления портов, при следующем запуске приложения оно сможет получить все данные, необходимые для очистки.

Если приложение должно выйти из сети без очистки своих сопоставлений портов, они будут сохранены, и ответственность за очистку перекладывается на пользователя. В настоящее время в Windows механизм очистки отсутствует, поскольку трудно определить, когда приложение заканчивает пользоваться сопоставлением.

Недостатки NAT Traversal

Хотя NAT Traversal позволяет решить ряд проблем, связанных с подключением через устройства NAT, некоторые проблемы все же остаются. Они перечислены ниже.

• NAT Traversal использует модель открытых доверительных отношений. Это означает, что все приложения в частной сети имеют доступ ко всем сопоставлениям портов, установленным в NAT. В результате значительно повышается гибкость администрирования (точек управления становится больше), однако приложения лишаются прав монопольного владения своими сопоставлениями.
• Разрешение конфликтов является обязанностью приложений. Если приложение пытается сопоставить порт, уже сопоставленный другому клиенту, следует либо найти другой порт, либо соответственно изменить программный код.
• NAT Traversal не решает проблемы интернет-провайдеров, которые сами распределяют частные адреса и используют NAT для подключения клиентов. В этом случае NAT оказывается снаружи шлюза интернета, фактически в сети провайдера. Средство NAT Traversal в домашней или небольшой офисной сети не сможет работать, если устройство NAT в клиентской сети защищено еще одним таким же устройством NAT. Поэтому интернет-провайдерам не рекомендуется развертывать NAT в своих сетях.
• Изначально приложение не имеет доступа к NAT Traversal — его необходимо изменить, чтобы можно было вызывать функции API, или сопроводить соответствующим сценарием. Впрочем, это вполне осуществимая задача для разработчика, особенно учитывая тот факт, что как только механизмы NAT Traversal интегрированы в приложение, оно приобретает способность работать с множеством различных шлюзов интернета.
• Приложения, закончив работу с сопоставлениями портов, должны выполнить после себя очистку. Статические сопоставления сохраняются неопределенно долго и наиболее всего подходят для служб, которые собираются прослушивать широко известные порты на протяжении всего существования приложения.
• Шлюз интернета, на котором установлены средства NAT, должен поддерживать спецификацию Universal Plug and Play Internet Gateway Device версии 0.9 или более поздней.

Заключение

NAT представляет собой одобренное группой IETF решение проблемы исчерпания пространства имен IPv4. Шлюзы интернета, использующие NAT, часто устанавливаются дома и в небольших офисах. Они применяются потому, что дешевы, легко управляемы и не требуют установки специального программного обеспечения.

Недостатком использования NAT является то, что оно препятствует применению коллективных игр, служб общения в режиме реального времени и приложений одноранговой связи. Это объясняется тем, что сетевые протоколы действуют исходя из предположений об архитектуре сети, которые с появлением NAT перестают выполнятся.

Технология NAT Traversal позволяет приложениям обнаружить устройство NAT, определить совместно используемый IP-адрес, допускающий глобальную маршрутизацию, и настроить статические сопоставления портов с целью устранения некоторых проблем связи. Решение NAT Traversal не избавляет от всех проблем, связанных с NAT, но предотвращает некоторые из них.

Основные тезисы данного документа:

• Производители шлюзов интернета должны реализовывать технологию UPnP в своих устройствах, чтобы обеспечить поддержку NAT Traversal.
• Разработчики сетевых приложений должны использовать API-интерфейсы Windows NAT Traversal для обнаружения NAT и предусмотреть в своих приложениях возможность прохождения NAT в случае необходимости.
• Пользователи, желающие добиться наиболее эффективной работы приложений, должны выбирать для себя шлюзы интернета, поддерживающие технологии UPnP и NAT Traversal.
• Провайдеры широкополосного доступа (через DSL и кабельные модемы) должны организовать продажу и аренду шлюзов интернета, поддерживающих UPnP NAT Traversal.

NAT Traversal будет существовать в той или иной форме до тех пор, пока с появлением IPv6 не отпадет необходимость в NAT.