[論文レビュー] Peer-to-Peer Communication Across Network Address Translators

Bryan Ford, P. Srisuresh+1 more|ArXiv.org|Mar 18, 2006

Peer-to-Peer Network Technologies参考文献 20被引用数 332

ひとこと要約

この論文は、NATを越えてピアツーピア通信を可能にする強固でアプリケーションレベルの技術としてのホールパンチングを提示し、その有効性をUDPおよびTCPプロトコルの両方で示している。82%のテスト済みNATがUDPホールパンチングをサポートし、64%がTCPホールパンチングをサポートしていると報告しており、非標準的なNAT動作にもかかわらず実用的な妥当性が示されている。

ABSTRACT

Network Address Translation (NAT) causes well-known difficulties for peer-to-peer (P2P) communication, since the peers involved may not be reachable at any globally valid IP address. Several NAT traversal techniques are known, but their documentation is slim, and data about their robustness or relative merits is slimmer. This paper documents and analyzes one of the simplest but most robust and practical NAT traversal techniques, commonly known as "hole punching." Hole punching is moderately well-understood for UDP communication, but we show how it can be reliably used to set up peer-to-peer TCP streams as well. After gathering data on the reliability of this technique on a wide variety of deployed NATs, we find that about 82% of the NATs tested support hole punching for UDP, and about 64% support hole punching for TCP streams. As NAT vendors become increasingly conscious of the needs of important P2P applications such as Voice over IP and online gaming protocols, support for hole punching is likely to increase in the future.

研究の動機と目的

• NATを越えてピアツーピア通信を可能にする実用的手法としてのホールパンチングを文書化・分析すること。
• 良好に動作するNATが存在する環境下で、ホールパンチングがUDPおよびTCPプロトコルの両方で信頼性を持って機能することを示すこと。
• さまざまなベンダーの多数の展開済みNATデバイスにおけるホールパンチングの実世界での相互運用性を評価すること。
• 特にマルチレベルNAT環境下でホールパンチングを可能にするか阻害するかを左右する主要なNAT動作を特定すること。
• 長期的に壊れる可能性のある複雑で脆弱な代替策を避ける、シンプルで強固なホールパンチング手法の推奨すること。

提案手法

• 著者は、自己選択的なユーザーコミュニティから実世界のNAT動作データを収集するために、NAT Checkと呼ばれるツールを実装・展開した。
• UDPのホールパンチングを分析するため、ピア同士が互いのパブリックエンドポイントに対して同時にアウトバウンド接続を開始させ、NATを介して双方向セッションを確立した。
• TCPの場合、同じローカルポートからの同時接続試行を可能にするために、SO_REUSEADDR/SO_REUSEPORTソケットオプションを拡張してホールパンチング技術を拡張した。
• ハリピン変換動作（NATが同じ内部ホストにパケットを戻す機能）を特定・テストし、マルチレベルNAT環境で必要不可欠な要件であることを確認した。
• 異なるNATの背後にある2つのピアが同時に接続試行を行うことで、ピアツーピアセッションが確立されるかを観察し、NAT動作を評価した。
• 特にUDPの相互運用性に関しては、STUNおよびSTUNTプロトコルを用いた独立した研究と照合し、結果を裏付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現存するNATは、実世界の展開においてどの程度UDPホールパンチングをサポートしているか？
• RQ2 同じホールパンチング技術をTCP接続に信頼性を持って適用できるか。また、その実現に必要なソケットレベルのメカニズムは何か？
• RQ3 ハリピン変換のような特定のNAT動作は、複数のNATレイヤーを越えてホールパンチングを成功させるために必須であるか？
• RQ4 ホールパンチングの信頼性は、異なるNATベンダーおよびモデル間でどのように変動するか？
• RQ5 壊れやすいNAT動作を回避するための複雑な技術と比較して、シンプルで強固なホールパンチング技術の妥当性は何か？

主な発見

• テスト済みNATの約82%がUDP通信のホールパンチングをサポートしている。
• テスト済みNATの約64%がTCPストリームのホールパンチングをサポートしており、TCPホールパンチングは実現可能ではあるが、UDPほど広くサポートされているわけではない。
• ホールパンチングの成功は、NATがハリピン変換をサポートしているかどうかに強く依存しており、これはまだ広く実装されていないが、マルチレベルNATトポロジーにおいて必須の機能である。
• 良好に動作するNATと組み合わせて使用する場合、特別な権限やネットワークトポロジーの知識を必要とせず、一般のP2Pアプリケーションに実用的である。
• STUNおよびSTUNTプロトコルを用いた独立した検証により、NAT Checkの結果が裏付けられ、データの自己選択的性質にもかかわらず、研究結果の信頼性が高まった。
• NAT動作の標準化がまだない中でも、ホールパンチングはNATを越えてピアツーピア通信を可能にする実用的で透明でアプリケーションレベルの解決策のまま残っている。