TCPホールパンチング

コンピュータネットワークにおけるTCP NAT トラバーサルとTCP ホールパンチング( NAT パンチスルーと呼ばれることもあります) は、ネットワークアドレス変換(NAT) の背後にある 2 つのホストが、アウトバウンド TCP 接続を使用して相互に接続しようとするときに発生します。このようなシナリオは、Voice-over-IP (VoIP)、ファイル共有、テレビ会議、チャットシステムなどのアプリケーションなどのピアツーピア通信の場合に特に重要です。

TCP ホールパンチングは、NAT デバイスの背後にあるインターネット上の 2 つのピア間で TCP 接続を確立するために実験的に使用されているNAT トラバーサル技術です。NATトラバーサルは、NAT ゲートウェイを通過するTCP/IPネットワークやTCP接続を確立および維持する技術の総称です。

用語

以下では、ホスト、クライアント、ピアという用語はほぼ同じ意味で使用されます。

ローカルエンドポイント、内部エンドポイント: ホストと NAT の内部部分によってローカルに見えるローカル IP:ポート。
パブリックエンドポイント、外部エンドポイント: ネットワークと NAT の外部部分から見た、NAT によってマップされた外部 IP:ポート。
リモートエンドポイント: ネットワークから見た他のピアの IP:ポート、または両方の NAT の外部部分。

説明

NAT トラバーサルは、TCP ホールパンチングを通じて、 NAT を使用するプライベートネットワーク内のインターネットホスト間で双方向 TCP 接続を確立します。NAT の動作は標準化されていないため、すべての種類の NAT で機能するわけではありません。2 つのホストが TCP で相互に接続している場合、両方とも送信接続を介して、TCP 状態マシン図の「同時 TCP オープン」のケースになります。^[1]

ネットワーク図

NATの種類

TCP ホールパンチングが利用できるかどうかは、NAT が使用するコンピュータポート割り当ての種類によって異なります。NAT の背後にある 2 つのピアがTCP 同時オープン^[明確化]を介して相互に接続するには、お互いについて少し知っておく必要があります。絶対に知っておく必要があることの 1 つは、もう一方のピア、つまりリモートエンドポイントの「場所」です。リモートエンドポイントは、ピアが接続する IP アドレスとポートのデータです。したがって、2 つのピア A と B がそれぞれローカルポート Pa と Pb にバインドして TCP 接続を開始する場合、接続を確立するために NAT によってマップされたリモートエンドポイントポートを知っておく必要があります。両方のピアが NAT の背後にある場合、もう一方のピアのパブリックリモートエンドポイントを検出する方法は、NAT ポート予測と呼ばれる問題です。すべての TCP NAT トラバーサルおよびホールパンチング技術は、ポート予測問題を解決する必要があります。

NAT ポートの割り当ては、次の 2 つのいずれかになります。

予測可能な: ゲートウェイは、単純なアルゴリズムを使用して、ローカルポートを NAT ポートにマッピングします。ほとんどの場合、NAT はポート保存を使用します。つまり、ローカルポートは NAT 上の同じポートにマッピングされます。
予測不可能: ゲートウェイは、ランダムであるか、予測するには非現実的すぎるアルゴリズムを使用します。

NAT が予測可能な動作を示すか予測不可能な動作を示すかに応じて、TCP 同時オープンを介して TCP 接続を実行できるかどうかが決まります。これは、さまざまなケースとエンドツーエンドの通信への影響を表す接続マトリックスによって次のように示されます。^{[引用が必要]}

はい: 接続は常に機能します
いいえ: 接続はほとんど機能しません

テクニック

ポート予測の方法（予測可能な NAT を使用）

ピアがポート予測を実行できるようにするために NAT が使用する方法をいくつか示します。

NAT は、連続する内部ポートに連続する外部ポートを割り当てます。リモートピアが 1 つのマッピングの情報を持っている場合、後続のマッピングの値を推測できます。TCP 接続は 2 つの手順で行われます。最初に、ピアはサードパーティに接続し、そのマッピングを学習します。2 番目の手順では、両方のピアが後続のすべての接続の NAT ポートマッピングを推測して、ポート予測を解決します。この方法では、各ピアに対して少なくとも 2 つの連続した接続を行う必要があり、サードパーティを使用する必要があります。この方法は、各 IP アドレスの背後に多数の加入者が存在するキャリアグレード NATの場合、使用できるポートの数が限られており、同じ内部ホストに連続したポートを割り当てることが非現実的または不可能な場合があるため、適切に機能しません。

NAT はポート保存割り当て方式を使用します。つまり、NAT は内部ピアの送信元ポートを同じパブリックポートにマッピングします。この場合、ポート予測は簡単で、ピアは TCP の同時発信接続を開く前に、別の通信チャネル (UDP やDHT ^{[明確化が必要]}など) を介してバインドされているポートを交換するだけです。この方法では、ピアごとに 1 つの接続のみが必要であり、ポート予測を実行するために第三者を必要としません。

NAT は「エンドポイントに依存しないマッピング」を使用します。つまり、同じ内部エンドポイントから来る 2 つの連続した TCP 接続が同じパブリックエンドポイントにマッピングされます。このソリューションでは、ピアは最初にサードパーティサーバーに接続し、そのサーバーがポートマッピング値を保存して、両方のピアにもう一方のピアのポートマッピング値を提供します。2 番目のステップでは、両方のピアが同じローカルエンドポイントを再利用して、相互に TCP 同時オープンを実行します。残念ながら、これには TCP ソケットで SO_REUSEADDR を使用する必要がありますが、このような使用は TCP 標準に違反し^{[どのように? ]}、データの破損につながる可能性があります。これは、アプリケーションがこのようなデータの破損から自身を保護できる場合にのみ使用してください。