NAT穿透技術及其在智能家居控制系統(tǒng)的應用設計研究

徐曉灼，江凱，王志新，史莉，鄒建龍

（1.上海交通大學電氣工程系，上?！?00240；2.國網上海市南供電公司，上海　200233；3.上海納杰電氣成套有限公司，上?！?01111；4.嘉興清源電氣科技有限公司，浙江嘉興　314031）

NAT穿透技術及其在智能家居控制系統(tǒng)的應用設計研究

徐曉灼1，江凱2，王志新1，史莉3，鄒建龍4

（1.上海交通大學電氣工程系，上海200240；2.國網上海市南供電公司，上海200233；3.上海納杰電氣成套有限公司，上海201111；4.嘉興清源電氣科技有限公司，浙江嘉興314031）

隨著社會經濟與科學技術的不斷發(fā)展，可再生能源發(fā)電和智能家居越來越深入人們的生活。在智能家居控制系統(tǒng)中，如果服務器沒有公網IP并且與手機客戶端不在同一個局域網中，服務器不能被客戶端直接連接，現(xiàn)有的網絡通信和NAT穿透方案并不能很好地應用于上述情況。將基于UDP通信協(xié)議的Socket通信技術用于智能家居控制系統(tǒng)，針對不同種類NAT的特點，設計了適用于該系統(tǒng)的NAT穿透方案。最后，將此方案應用于戶用分布式光伏發(fā)電實際系統(tǒng)，驗證了該NAT穿透方案在不同的網絡環(huán)境下都能保證客戶端與服務器進行有效通信，實現(xiàn)對智能設備的遠程監(jiān)控。

智能家居；UDP協(xié)議；NAT穿透；戶用；分布式光伏發(fā)電

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線、網絡通信、自動控制等多項技術，將家居生活有關的設施進行集成，形成的高效管理系統(tǒng)，集安全性、便利性、舒適性和藝術性于一身［1］。隨著社會經濟和科學技術的不斷發(fā)展，“三網合一”、“三屏合一”等新概念不斷被提出，智能家居已經成為未來家居發(fā)展的主流方向［2］。目前智能家居的主要研究方向是基于IP技術的第四代智能家居［3］，它的末端設備使用Zigbee、WiFi等技術，能根據用戶需求實現(xiàn)定制化、個性化。

目前，由于智能手機的廣泛普及，智能家居的概念也逐漸延伸到智能手機客戶端領域。典型的智能家居系統(tǒng)應包括服務器、手機客戶端、第三方服務器與硬件模塊等。其中，手機客戶端APP需要與服務器進行通訊來實現(xiàn)遠程控制的目的。這里的服務器可以是一個運行在PC上的程序，客戶端APP需要從PC端接收各個設備的狀態(tài)，并能向PC端發(fā)送有效的控制指令。應用程序的網絡通訊一般可以通過Socket（套接字）來實現(xiàn)，即手機客戶端APP通過Socket通信連接服務器，并進行信息的有效交換，實現(xiàn)遠程控制的功能。但如果服務器沒有公網IP并且與客戶端不在同一個局域網中，服務器端是不能被客戶端直接連接的。要在這種情況下實現(xiàn)通訊，就要實現(xiàn)有效的NAT穿透。本文采用UDP協(xié)議的Socket通信，在分析常規(guī)NAT穿透方式的基礎上，設計了適用于智能家居控制系統(tǒng)的NAT穿透方式，并成功應用于計及分布式光伏發(fā)電的智能家居控制系統(tǒng)。

1　NAT穿透技術

1.1NAT技術概述

NAT（network address translation），即網絡地址轉換，是用1個或幾個IP地址來實現(xiàn)1個內網中的所有主機和公網中主機相互通信的技術，簡單來講就是將內網私有IP地址轉換為可在網絡中傳播的合法IP地址。NAT技術的出現(xiàn)在一定程度上解決了IP地址不足的問題，而且還能夠有效地避免來自網絡外部的攻擊，隱藏并保護網絡內部的計算機。

NAT技術包括靜態(tài)網絡地址轉換、動態(tài)網絡地址轉換、網絡地址及端口轉換、端口映射等。文獻［4-6］詳細介紹了NAT技術的基本原理與分析應用。需要注意的是，如果服務器處在內網中，NAT技術會阻止位于公網或其他內網中的客戶端連接服務器，而且一般也會丟棄來自未知IP地址的數(shù)據包。在這種情況下，就需要借助一個有公網IP的第三方服務器來進行NAT穿透。

1.2圓錐形NAT穿透技術

在STUN協(xié)議中，根據內網｛IP：端口｝到NAT出口的公網地址｛IP：端口｝的映射方式，把NAT分為4種類型［7］，按照穿透難度由難到易排序，通常依次被稱為對稱型NAT（symmetric NAT）、端口限制錐形NAT（port restricted cone NAT）、限制性錐形NAT（restricted cone NAT）、完全錐形NAT（full cone NAT），其中穿透較易的后3種可以統(tǒng)稱為圓錐形NAT（cone NAT）。

當服務器與客戶端雙方均處在公網時，不需要進行NAT穿透即可連接成功，而當雙方處在內網且均為圓錐形NAT時，才能實現(xiàn)基于UDP協(xié)議的內網穿透［8］。文獻［9-10］詳細分析了通信雙方均處在內網時穿透過程中的打洞問題，其關鍵是服務器端首先必須通過自身的NAT向請求連接的一方發(fā)送數(shù)據，雖然會被拒收，但是在自身端打洞成功，請求連接方接收后就可以與服務器端成功建立連接。

2　NAT穿透方案設計

2.1通訊協(xié)議選擇

Socket通信協(xié)議分為UDP和TCP 2種。TCP（transmission control protocol）是傳輸控制協(xié)議，UDP（user datagram protocol）則是用戶數(shù)據報協(xié)議。TCP協(xié)議是一種面向連接的協(xié)議，即雙方數(shù)據交換之前必須先建立連接，一方作為服務器方，一方作為客戶方，因而它可以保證寫入流的數(shù)據按順序被讀出來，可靠性高，但過程較為復雜，效率較低。UDP則是一種無連接的協(xié)議，通信雙方并不需要建立一個明確可靠的線路，即一方可同時作為客戶端或服務器，所以它不保證報文到達的先后順序，過程簡單且效率高，但可靠性低［11］。

本方案采取UDP協(xié)議下的Socket通信，一方面程序編寫簡單，可以保證客戶端一定的簡單易用性，另一方面由于智能家居遠程控制系統(tǒng)需要通過網絡傳輸?shù)氖窃O備狀態(tài)以及控制信息，所以并不需要嚴格保證報文的先后順序。此外，TCP協(xié)議下的NAT穿透過程實際應用時會存在端口預測［12］或所謂“三次握手”［13］的問題，可能對安卓手機客戶端的運行造成不便，因此UDP協(xié)議的NAT穿透是最佳的選擇。

2.2穿透流程設計

第1節(jié)闡述的圓錐形NAT穿透方法對于雙方均在圓錐形NAT后的情況理論上有100%的成功率，但是若其中一方為對稱型NAT，那么在這個過程中它就會向第三方服務器與通信另一方提供不同的端口或IP，因此一般不會成功。例如，通信雙方如果分別為對稱型NAT和圓錐形NAT，那么無論雙方哪一方作為服務器，哪一方作為客戶端，接收數(shù)據包一方無法在自身的映射表上查詢到對應映射項而將數(shù)據包丟棄，導致連接失?。?4］。

對于智能家居控制系統(tǒng)而言，安卓手機客戶端需要與服務器建立有效連接，因此相關程序需要在手機或平板電腦上運行。然而這些電子產品可能會通過對稱型NAT聯(lián)網工作，所以有必要設計一種能以較高的成功率穿透對稱型NAT的方法。文獻［15］提出了一種用于解決一方是對稱型NAT而另一方是圓錐形NAT的穿透方法，它的核心思想是端口猜測，即對稱型NAT所分配的端口通常有一定的統(tǒng)計上的規(guī)律，因此可以通過對舊端口號進行大量的端口猜測來實現(xiàn)高概率的穿透。然而，對于安卓手機客戶端而言，若從統(tǒng)一端口向不同IP發(fā)送信息，由于廠商設計等方面原因，NAT設備分配的端口號并無規(guī)律可循［16］。進一步的，文獻［17］提出了一種準隨機猜測方法，對于對稱型NAT的穿透有重要的指導意義。

在上述文獻思路的基礎上，設計以下應用于智能家居控制系統(tǒng)的NAT穿透方案，其步驟示意圖如圖1所示。

圖1　NAT穿透方案步驟示意圖Fig.1　The schematic diagram of NAT traversal project

連接過程包含以下5個步驟：

1）手機客戶端開啟后，直接連接服務器，判斷是否需要進行NAT穿透。具體來說，若服務器的IP位于公網中，則可以直接連接成功，通過公網進行網絡通訊，并不需要NAT穿透，否則客戶端連接失敗，則需要繼續(xù)進行步驟二，借助第三方服務器的協(xié)助。

2）手機客戶端請求第三方服務器的協(xié)助。這里的“第三方服務器”指的是一個有公網IP的用于協(xié)助雙方進行NAT穿透的服務器，手機客戶端須保證必要時連接第三方服務器的可靠性。這一步驟中，客戶端向第三方服務器發(fā)送消息，第三方服務器接收消息后，對客戶端進行回應，告知客戶端協(xié)助信息已收到，并將客戶端的IP地址和端口號發(fā)送給服務器，以便服務器發(fā)送數(shù)據包。

3）服務器往客戶端與第三方服務器連接所用的端口發(fā)一個數(shù)據包，然后往客戶端的500個不同端口各發(fā)一個數(shù)據包。這樣做的目的是為了在服務器的NAT上打洞，它并不需要被客戶端收到，所以對每個端口各發(fā)一個數(shù)據包即可。發(fā)送結束后通知第三方服務器發(fā)送過程已完成。

4）第三方服務器通知客戶端，服務器已向它的500個端口發(fā)完數(shù)據包，客戶端確認收到信息后，向服務器與第三方服務器連接所用的端口發(fā)多個數(shù)據包。若服務器和客戶端都在圓錐形NAT或者服務器在不限制端口的錐形NAT后、客戶端在對稱型NAT后時，此時連接成功。然后客戶端用500個不同端口向服務器與第三方服務器連接所用的端口發(fā)數(shù)據包，并向第三方服務器請求服務器的IP與端口號。這是穿透成功最重要的一步，這時為了減小丟包帶來的影響，要盡量多發(fā)幾個數(shù)據包。

5）服務器收到客戶端的數(shù)據包后，第三方服務器將服務器的IP和端口號回復給客戶端，客戶端則可以記錄下收到回復的端口，使用該端口與服務器通訊。若客戶端在一定時間內未收到服務器回應，則可以認為信息丟失，客戶端重新向第三方服務器發(fā)送協(xié)助請求，從步驟2）開始重復進行。

2.3方案成功率分析計算

首先，對于雙方都在圓錐形NAT后的情況，顯然有100%的成功率。

其次，若客戶端在對稱型NAT后，服務器端在不限制端口的錐形NAT（即完全錐形或限制性錐形NAT）后，在服務器第3）步打洞成功后，客戶端IP發(fā)送的消息就都可以被服務器收到，因此在第4）步中客戶端往服務器發(fā)頭幾個數(shù)據包的時候就可以連接成功。在這種情況下，成功率依然是100%。

本方案最難穿透的一種情況是服務器端在端口限制錐形NAT后，而客戶端在對稱型NAT后。在這種情況下，完成第3）步后，服務器的NAT會允許來自客戶端IP中500個不同端口向自己發(fā)送數(shù)據。在網絡上，每個IP地址擁有65 536個端口，端口號的范圍為0到65 535，其中0號端口不能用于雙向通信，因此端口號最多只有65 535種可能，進而在第4）步中，客戶端每次嘗試用一個端口向服務器發(fā)送數(shù)據包，都有的概率被服務器收到。如此重復嘗試500次，其中至少有一個包被服務器收到的概率為：

同時，若考慮已經試過的端口不再重復嘗試［18］，穿透成功率應該比97.8%略高。

最后一種情況是雙方都在對稱型NAT后，此時雙方都無法知道對方的端口，而且連接第三方服務器與通信另一端的IP地址和端口可能都不相同，因此本方案無法解決。值得注意的是，文獻［19］已經說明，目前供個人和家庭使用的路由器等NAT設備大多數(shù)是圓錐形NAT，而服務器端程序最終要運行在用戶家庭的PC機上，所以服務器端處在對稱型NAT后的概率很小。

在實際應用時，由于某些防火墻設定、移動或聯(lián)通等運營商對網絡連接中NAT穿透可占用端口數(shù)的限制等因素帶來的不利影響，實際的穿透成功率應該比計算得到的理論穿透成功率略低。

3　應用系統(tǒng)實例

3.1系統(tǒng)概述

本文所涉及的智能家居控制系統(tǒng)是以無線網絡技術作為平臺，以實現(xiàn)智能設備遠程控制的系統(tǒng)。具體而言，本方案應用的是基于ZigBee技術［20-21］，并計及戶用分布式光伏發(fā)電的智能家居控制系統(tǒng)，其結構示意圖如圖2所示。

其中，中央控制器和手機客戶端可以相互通信，主要進行各部分的能量管理與調度。分布式光伏發(fā)電部分由太陽能光伏陣列、逆變器、DC/DC電路、蓄電池、電表等構成。在白天，光照充足，屋頂上的太陽能光伏陣列發(fā)出直流電，經過DC/DC電路和DC/AC電路供給用戶使用，多余的電首先通過DC/ DC電路向蓄電池充電，再進行余電上網，最大程度地利用光伏產生的清潔電能，并能為用戶產生額外的經濟效益。夜間或光照不足時段，光伏板發(fā)電量小，由蓄電池向外放電以供用戶使用，必要時電網也可以向家庭電器供電。由于電能的雙向流動，這里的電表中必須包含有雙向電表［22］。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網可以對電力系統(tǒng)起到削峰填谷的作用，對電網的安全運行以及能源的充分利用發(fā)揮重要作用［23，24］。

圖2　計及戶用分布式光伏發(fā)電的智能家居控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.2　The schematic diagram of the structure of smart home control system with household distributed photovoltaic

智能家居部分主要實現(xiàn)的是中央控制器和手機客戶端對家庭中各智能設備終端的控制，它是通過ZigBee無線網絡進行通信的。家庭網絡是這一部分的核心，其網絡通信原理圖如圖3所示。

圖3　智能家居控制系統(tǒng)網絡通信原理圖Fig.3　The schematic diagram of the network communication in the smart home control system

其中，家庭ZigBee網絡的關鍵是Zigbee協(xié)調點，整個系統(tǒng)由它進行網絡設置，然后開始組建網絡。一方面，協(xié)調點通過串口與PC機相連，與機上的服務器端程序進行串口通信；另一方面，各個加入該網絡的節(jié)點都必須與協(xié)調點相連，受協(xié)調點控制。目前系統(tǒng)的ZigBee協(xié)調點采用CC2530單片機，并利用星型網絡拓撲結構，各智能節(jié)點都可以與協(xié)調點直接通信。

智能設備終端開關控制的實現(xiàn)方式是在電器與電源之間接入智能插座，而智能插座的核心是基于ZigBee通信的開關繼電器模塊，ZigBee協(xié)調點發(fā)送的信息實質上是通過控制繼電器的通斷來實現(xiàn)設備開關狀態(tài)變化的。這樣，組網后電器上的這個模塊就成為無線通信網絡的一個節(jié)點。另外，插座中集成有適用于單相配電系統(tǒng)的電能計量芯片ADE7755作為電能計量模塊的核心，可以通過內部編寫程序的方式實現(xiàn)電能數(shù)據的采集，并采用1602LCD顯示屏加以顯示，這樣用戶就可以實時了解智能設備的電能數(shù)據。同時，芯片通過ZigBee網絡將電能數(shù)據發(fā)送至協(xié)調點，協(xié)調點進一步傳輸至PC機，這樣用戶也可以在服務器端查詢智能設備的各項電能數(shù)據，方便快捷。

PC機上的服務器端程序界面如圖4所示。

圖4　智能家居控制系統(tǒng)服務器端用戶界面Fig.4　The user interface of the server of the smart home control system

只要家中的服務器端程序在正常運行，用戶就可以在圖3所示的外部網絡環(huán)境中通過手機客戶端APP進行遠程監(jiān)控。這里的外部網絡環(huán)境可以是移動網絡或者WiFi網絡。手機客戶端用戶界面如圖5所示。這樣，用戶可以清晰地查看家中連接的智能設備的運行狀況，包括開關情況、實時電能數(shù)據，甚至可以查看一段時間以來的設備功率曲線（見圖6）。

圖5　智能家居控制系統(tǒng)客戶端用戶界面Fig.5　The user interface of the client of the smart home control system

圖6　智能家居控制系統(tǒng)客戶端功率曲線示意圖Fig.6　The power curve of the client of the smart home control system

3.2方案驗證

首先，用戶若在家中，可以連接家庭內部WiFi，此時手機客戶端和服務器相當于處在同一內網中。模擬此種情況時須將手機連接入內網WiFi中，可以發(fā)現(xiàn)穿透最為簡單，驗證時手機客戶端連接速度很快，從用戶體驗來看，幾乎相當于直接進入連接成功界面的速度，可參照圖5。

若用戶處在一般的移動網絡環(huán)境下，相當于處于對稱型NAT后，這時若所在家庭網絡處在端口限制錐形NAT后，那么上述方案的5個步驟需要依次執(zhí)行。模擬時手機不接入家庭內部WiFi，直接使用移動數(shù)據，設置好穿透IP與端口號之后可以發(fā)現(xiàn)手機客戶端頁面底端的顯示狀態(tài)經歷如圖7所示的變化。在這個過程中，客戶端直接連接服務器不成功，則開始嘗試NAT穿透，首先服務器會向客戶端的500個端口打洞，之后客戶端通過500個端口向服務器發(fā)送數(shù)據包，發(fā)送數(shù)據包之后等待服務器回應，若服務器收到數(shù)據包，則回復客戶端，連接成功。實驗同樣證明了該方案可行性很高，但連接成功的時間相比之前直接連接家庭內部WiFi的情況下略長。

圖7　NAT穿透過程客戶端狀態(tài)變化圖Fig.7　The changes of the client’s state in the process of NAT traversal

進一步驗證手機客戶端與服務器端的通信可以發(fā)現(xiàn)，客戶端可以保持與服務器端的通信，并能遠程控制各個智能設備的運行。因此通過上述驗證可以證明，該NAT穿透方案具有很高的可行性。

4　結論

在智能家居控制系統(tǒng)中，手機客戶端APP必須與用戶的服務器進行有效的網絡通信才能控制相關設備的運行。本文采用UDP協(xié)議的Socket通信，根據實際系統(tǒng)和不同NAT種類的特點設計了NAT穿透方案，并進行了系統(tǒng)驗證，證明了該方案在不同的網絡環(huán)境下都能保證客戶端與服務器進行有效通信，實現(xiàn)對智能設備的遠程監(jiān)控，具有很高的可行性。

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（編輯馮露）

Research on NAT Traversal Technology and Its Application Design in the Smart Home Control System

XU Xiaozhuo1，JIANG Kai2，WANG Zhixin1，SHI Li3，ZOU Jianlong4
（1.Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.State Grid Shanghai Shinan Electric Power Supply Co.，Shanghai 200233，China；3.Shanghai Najie Electrical Co.，Ltd.，Shanghai 201111，China；4.Jiaxing Renewable Power Electrical Co.，Ltd.，Jiaxing 314031，Zhejiang，China）

With continuous development of social economy，science and technology，renewable energy generation and smart home are more and more popular in the daily life.In the smart home control system，if the server，which does not have a public IP address，is not in the same intranet with the mobile client，then it is allowed for the client to connect to the server directly.Also，the existing project of network communication and NAT traversal cannot cope with such situations very well.In this paper，the method of UDP protocol Socket is adopted in the smart home control system.Furthermore，according to the characteristics of various NATs，this paper also designs a new NAT traversal project for the system.In the end，this project is applied in the household distributed photovoltaic system，which verifies that this new NAT traversal project can guarantee the successful communication between the mobile client and the server in different network circumstances，meanwhile，the remote control of the smart devices can also be implemented effectively.

smart home；UDP protocol；NAT traversal； household；distributed photovoltaic

1674-3814（2015）11-0067-07

TM615

A

2015-04-23。

徐曉灼（1993—），男，碩士研究生，研究方向為戶用分布式光伏發(fā)電，智能家居能效管理；

王志新（1964—），男，博士生導師，教授，研究分布式光伏發(fā)電，海上風力發(fā)電，光伏發(fā)電控制，電機控制及系統(tǒng)節(jié)能。

國家863計劃（2014AA052005）；國家自然科學基金（51377105）；上海市閔行區(qū)產學研合作計劃項目（2014MH103）；嘉興市科技計劃項目（2014BZ15002）。

Project Supported by National 863 Program（2014AA052005）；Natural Science Foundation of China（51377105）；Science and Technology Program of Minhang District，Shanghai（2014MH103）；Science and Technology Program of Jiaxing（2014BZ15002）.