Server S
18.181.0.31:1235
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NAT A |
155.99.25.11:62000 |
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Client A Client B
10.0.0.1:1234 138.76.29.7:1234
客户A有一个私有IP地址10.0.0.1，并且一个应用程序使用TCP端口1234。这个客户端和服务器S的公网IP地址18.181.0.31和端口1235建立了一个连接。NAT A为了客户端A和服务器S的会话，临时分配了一个终端地址，其TCP端口62000，它自己的IP地址是155.99.25.11：因此，服务器S认为客户端A用的是IP地址155.99.25.11，端口是62000。然而，客户端B有着自己的固定IP地址，138.76.29.7，并且在它上面的P2P应用程序可以在端口1234接收TCP连接。
现在推想客户端B想要与客户端A建立一个P2P连接会话。B可能用客户端A本身的地址，即10.0.0.1:1234，也可能用在服务器S上得到到的地址，155,99.25.11:62000，去尝试连接。然而无论在哪一种情况下，连接都会失败。第一种情况下，指向IP地址10.0.0.1的通讯包会被丢弃，因为10.0.0.1不是一个公网固定IP地址。第二种情况下，来自客户端B的TCP SYN请求包将会到达NAT A的62000端口，但NAT A将会拒绝这个请求，因为NAT A只允许向外发送数据。
在尝试和客户端A建立直接连接失败后，客户端B会利用服务器S传递一个请求，让客户端A去主动连接客户。客户端A在通过服务器S接收到传递的请求后，会使用客户端B的公共IP地址和端口建立一个TCP连接。 因为这个连接是在防火墙内部发起的，所以NAT A允许这个连接建立，而客户端B也能接收这个连接，因为它并不处于middlebox后面。当前实现P2P系统的一种技术，它有一个主要的局限性，就是它只能允许P2P中一方在NAT后面：而两方都在NAT后面的情况是很常见的，这种方法就会失败。因为这种逆向连接并不是解决问题的普遍方法，通常不推荐这个方法。应用程序可以选择试一试逆向连接，但当"向前"或"逆向"都不能建立连接时，应用程序应该能够自动的可以选择另外的连接机制，比如relaying(即3.1说的)。
3.3 UDP hole punching
第三种技术，也是这篇文章的一个重要点之一，就是被称为"UDP Hole Punching"的技术。当两个需要通讯的主机可能都在middlebox后面的时候，UDP hole punching依赖于cone NAT和普通防火墙的一些特性，允许合适的P2P应用程序以"punch holes"方式通过middlebox并且建立彼此之间直接的连接。这种技术在RFC 3027[NAT- PORT]的5.1节中简要的提及，并且在英特网[KEGEL]非证实的提到，也在最近的一些协议[TEREDO, ICE]中用到。正如名字中的所提到的，这种技术只能用于UDP连接。
我们将会考虑两个特别情况，并且考虑应用程序如何完善的处理两者之间的握手连接。第一种情况下，也是较为普通的情况，两个在不通的NAT后面的客户端要求直接的进行P2P连接。第二种情况，两台客户端位于同一个NAT后面，但不能肯定(两台客户端位于同一个NAT后面)。
3.3.1 位于不同NAT后面(Peers behind different NATs)
假设客户端A和B都有自己的私有IP地址，也都位于不同的NAT后面。P2P应用程序在A、B和服务器S上运行，用的都是UDP端口1234。A和B各自和服务器S建立UDP通讯连接，使NAT A为A的连接分配一个自己的公共端口62000，而NAT B为B的连接分配的是31000端口。
Server S
18.181.0.31:1234
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+----------------------+----------------------+
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NAT A NAT B
155.99.25.11:62000 138.76.29.7:31000
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Client A Client B
10.0.0.1:1234 10.1.1.3:1234
现在推想一下，客户端A想要直接和B建立一个UDP通讯会话。假设A简单的发一个UDP信息包到B的公共地址138.76.29.7:31000，然而NAT B将会丢弃这些进入的数据信息(除非它是一个FULL cone NAT)，原因是NAT B和S已经建立的外部会话，而A发送的信息中的源地址和端口号是和S不匹配的(可以参照一下上面的内容，匹配才能接受)。同样，假如B发送一个条UDP数据包给A的公网地址，NAT A也会丢弃。
但是，假设A发出一个UDP数据信息给B的公网IP地址，同时也通过服务器S传递一个请求给B，要求B也发一个UDP信息给A的公网IP地址。A直接向B的公共IP地址(138.76.29.7:31000)发送的数据包会让NAT A在A的私有地址和B的公网地址之间建立了一个新的连接会话。同时，B到A的公网地址(155.99.25.11:62000)的信息会导致NAT B在B的私有地址和A的公共地址之间建立一个新的连接会话。一旦这种新的UDP连接在两者之间建立起来，客户端A和B就不需要服务器S的"介绍"就能彼此直接通讯了。
UDP hole punching技术有几个很有用的特点。一旦在两个位于middlebox后面的客户端建立了一个直接的P2P连接，在连接中的任何一方都可以扮演一个"介绍人"的角色，依次继续和另一个客户端建立连接，减少了最初的服务器S的负担。如果说有[STUN]的话，假如两个中的任意一个或两个都碰巧不在middlebox后面，上述应用程序将同样可以建立P2P通讯通道，应用程序不需要尝试明确middlebox的类型。Hole punching技术甚至可以自动的运用在多级NAT下面，多重NAT就是那些客户端需要经历多级地址转换才能进入公网。
3.3.2 位于同一NAT后(Peers behind the same NAT)
现在考虑两台客户端(但并不确定)都在同一个NAT后面的情况，因此会有私有IP地址空间。客户端A与服务器S建立一个UDP会话，NAT会分配一个公共端口62000。客户端B与服务器S也建立一个简单的连接，NAT为此分配一个公共端口62001。
Server S
18.181.0.31:1234
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NAT
A-S 155.99.25.11:62000
B-S 155.99.25.11:62001
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+----------------------+----------------------+
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Client A Client B
10.0.0.1:1234 10.1.1.3:1234
假想A和B使用UDP hole punching技术与服务器S的建立一个外部的通讯路线做为中间介绍。然后A和B将可以通过服务器S得到各自公共IP地址和端口号，然后使用这些地址各自向对方发送数据。两个客户能够以这种方式彼此通讯，只要NAT不仅仅允许外网上的主机可以和内网上的主机进行UDP传输会话，也可以允许内网上的主机可以和其他内网的主机进行UDP会话。我们在"loopback translation"中设计到这种情况，因为来自私有网络的数据包到达NAT后，会"looped back"到私有网络上就象从公网来的一样。例如，当A向B的公共IP地址发送一个UDP包，这个包的包头有一个源IP地址和端口，是10.0.0.1:1234，而目的地址是155.99.25.11.62001。NAT接受到这个包，会把源地址转换(映射)为155.99.25.11:62000(就是A的公网地址)，把目的地址转换为10.1.1.3:1234，然后发给B。即使NAT支持回环映射，NAT的转换和发送步骤看上去是多余的，在A和B通讯时似乎为NAT添加了潜在的负担。
这个问题的解决方法是直接的。当A和B一开始在服务器S上交换地址信息时，它们就可以包含他们自己的IP地址和端口号，并且是可见的，对服务器S也是可见的。客户端根据它们得到的地址同时开始向对方发数据包，并建立成功的通讯。假如这两个客户端都在同一NAT后面，数据包象通讯一开始就能直接到达，而不需要通过NAT就能建立直接连接。假如这两个客户端位于不同的NAT后，到达彼此私有地址的数据包会被丢弃，但是客户端可以通过各自的公共地址来建立连接。重要的是这些数据包需要通过一些方法去鉴别，然而，在这种情况下，A发到B的私有地址的数据包完全有可能到达A私网内其他无关的终端，B发到A的包也是这样。
3.3.3 Peers separated by multiple NATs(多级NAT)
在有多重NAT设备的拓扑结构中，如果没有一些拓扑的知识，在两个客户端之间建立理想的P2P链路是不可能的。看看下面的举的例子。
Server S
18.181.0.31:1234
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NAT X
A-S 155.99.25.11:62000
B-S 155.99.25.11:62001
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+----------------------+----------------------+
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NAT A NAT B
192.168.1.1:30000 192.168.1.2:31000
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Client A Client B
10.0.0.1:1234 10.1.1.3:1234
假设NAT X是由一个英特网服务提供者(ISP)设置的一个大型NAT，在一些公网IP地址上拥有许多用户，NAT A和B是小用户群的NAT网关，由ISP的用户自己独自配置，有各自的私有网络和用户群，使用的是ISP提供的IP地址。只有SERVER S和NAT X有自己全球固定的IP地址，而NAT A和B用的"公共"IP地址实际上是ISP地址域中私有地址，而客户端A和B的地址对NAT A和B来说也是私有的地址。每当客户端需要和服务器S建立一个外部的连接，都会导致NAT A和B和客户端建立一个单独的公共/私有连接，然后让NAT X为每个连接会话建立一个公共/私有连接。
现在推想客户A和B尝试建立一个直接的P2P UDP连接。对客户端A来说，最佳的方法是发送一个数据信息到客户端B在NAT B上，属于ISP的地址域的公共IP地址192.168.1.2:31000，对客户端B来说就是发信息到A在NAT A的公共IP地址192.168.1.1:30000(原文是NAT B，是不是笔误，还是我理解有问题？)。不幸的是，A和B并没有知道这些地址的方法，因为服务器S只能看到客户端"全局"的公共IP地址，就是155.99.25.11:62000和155.99.25.11:62001。甚至当A和B有某些方法可以得到这些地址，但他们依然不能保证这些地址是有用的，因为这些由ISP的私有地址域分配的地址可能与客户自己分配的私有地址由冲突。客户端因此没有选择只能使用由服务器S知道的公共IP地址来通讯，并且依赖NAT X来提供loopback translation。
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