大規模NATを越えるための UDP Multi Hole Punchingの拡張 コンピュータ・ネットワーク工学科 4年 後藤滋樹研究室 戸部 和洋 (1G06R140-0) 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 1 研究の背景 (1) Network Address Translator (NAT) の問題 UDP Hole Punching NATの問題点 • NATは外側から接続できない • NATの内側のホストのアドレス は外側からわからない • インバウンドの開始パケット (initiation packet) を破棄する NAT private address realm global address realm the Internet 越え host-A NAT-B host-B (1)host-Aの外部IP, 外部portがわかる (2)host-Bの外部IP, 外部portがわかる (3)host-Bと通信したいな (5)戻りパケットを 期待して穴が空く NATは外側から 接続できない rendezvous server NAT-A (8)戻りパケットと して転送される (4) host-Bは(A, P)にいます host-Bにもお知らせしますね (6)知らない相手 のパケットは破棄 (7)戻りパケットを 期待して穴が空く (9)戻りパケットと して転送される UDP Hole Punchingによって、NATを越えて相手と直接通信（NAT越え）できる。 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, 卒業論文審査会 February 1, 2010 NATに限る。 Dept. ofi.e. Computer Science and Engineering ※ただし、Cone Symmetric NATは（普通には）越えられない。 2 既存手法 UDP Multi Hole Punching • UDP Hole Punching の改良版 NAT-A server-A server-B host-A (Cone NAT) • 2台のサーバとの通信 によるポート予測 • 低いTTLに設定した UDPパケットを大量送信 • Symmetric NATをリレー サーバなしで越えられる • サーバに低負荷・低遅延 • cf. TURN, ICE, Teredo (Symmetric NAT) host-B (7) Time Exceeded (8) (9) 当時はこれでよかったが・・・ 卒業論文審査会 February 1, 2010 NAT-B Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering (10) (11) 3 研究の背景 (2) 大規模NAT (Large Scale NAT) [Huston] G. Huston, “IPv4 Address Report”, http://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html • IPv4アドレスの在庫枯渇が迫る (IANA:2011, RIR:2012) [Huston] • ISPは大規模NAT (Large Scale NAT/ the Carrier Grade NAT) の配置を計画 global Internet • NATの多段接続 • NAT越えが難しくなる Large Scale NAT address realm e.g. UPnPは機能しない • ポート番号の制限 • 同時セッション数の制限 e.g. Google Maps UDP Multi Hole Punching の改良が必要 private address realm home network ISP network home NAT home network ISP shared address realm ISP network home NAT home network home network ポート数の制限 • NATで使えるポート数 にはかぎりがある • 約60000個 (=216－1024) の ポート番号を複数のユーザで 共有するため 「虫食い」のGoogle Maps • 大規模NATにポート数が制限されて、 虫食い状態になったGoogle Maps • 高速化のため、大量の セッションを同時に張る アプリケーションがある • iTunes (230～270) • Amazon (90) • ニコニコ動画 (50～80) 卒業論文審査会 February 1, 2010 このページの図と測定値はすべて以下の文献から引用しています。 [Miyakawa] 宮川 晋, “インターネット10分講座：大規模NAT （Large Scale NAT:LSN） あるいはキャリアグレードNAT（CGN）”, http://www.nic.ad.jp/ja/newsletter/No41/0800.html Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 5 背景のまとめと研究の目的 • 大規模NATや集合団地におけるNATの配置 • NATの多段接続 • 利用可能ポート番号の制限 ⇒ UDP Multi Hole Punching（既存のNAT越え手法）による Symmetric NAT越えの可能性が低下 • 大規模NAT環境においても、UDP Multi Hole Punchingが 効率的に利用できるように技術を拡張 • ポート予測 (Port Prediction) • Low TTL Value Determination 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 6 Mapping Behavior • Address and Port-Dependent Mapping (Symmetric NAT) internal network Host-L Addr: AL Local Global Remote <AL, PL> <AN, PN> <AR, PR> <AL, PL> <AN, PN’> <AX, PR’> <AL, PL> <AN, PN’’> <AX, PR’’> PN external network PR PN’ NAT PN’’ Addr: Na mapped a new port (PN’) mapped a new port (PN’’) PL Hole Punching must predict this new port (PN’’). PR’ PX Host-R Addr: AR Host-X Addr: AX (≠AR) NAT maps a new endpoint when a local host (Host-L) sends a packet to any external endpoints which Host-L hasn’t sent a packet, if the NAT behaves as “Endpoint-Independent Mapping”. This NAT was once called “Symmetric NAT”. ポート予測 (Port Prediction) • NATが割り当てるポートの規則性を調べ、 次に割り当てられるポートを予測する技術 • これが成功すれば、Hole PunchingでSymmetric NATを越えられる +1 +1 +1 規則性あり (Predictable) Randomの場合 手当たり次第に 大量のパケットを送 信するしかない（最 後の手段） -4 -4 - 61 !? 規則性なし (Random) 既存手法の問題点1 ポート予測 (Port Prediction) における問題 問題点1. 同じNATに他のホストがいる場合、 ポート予測が正しく行えない可能性がある • 自分以外のホストの通信によっても、Symmetric NATが新しいポートのマッピングを生成するため • Predictable (e.g. Incremental) にもかかわらず、 Randomと誤判定してしまう可能性がある 「最後の手段」として大量のポートをオープン ⇒ 大規模NATのポートを食い尽くしてしまう 提案手法1 Port Predictionの拡張 解決策1-a. キャプチャ法 • ポート予測中にLAN内のパケットをキャプチャ • NATの外側の新しいあて先へパケットが流れて いた場合、その数をポート予測で考慮する • Predictableであるにもかかわらず、Randomと誤判定 してしまう可能性を減らすことができる 解決策1-b. スキャン法 • 所属するネットワーク上の全IPアドレスを確認 • 応答のあったノード数をポート予測で考慮する 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 10 キャプチャ法 vs. スキャン法 キャプチャ法 利点 利点 • ポート予測に追加時間 がほとんどかからない 欠点 • ユーザモードでも動作 （実装による） 欠点 • 管理者権限 (Windows) / root権限 (Linux) が必要 • ハブでつながっている マシンのトラヒックしか キャプチャできない 卒業論文審査会 February 1, 2010 スキャン法 • 確率的な予測のみ • スキャンのための時間 がかかる • 攻撃として検知される 可能性あり (e.g. IDS) Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 11 Low TTL Value Determination • UDP Multi Hole PunchingはパケットのTTLを低く 設定1) して送信することで、自分側のNATを越えて、 相手側のNATに到達する前にパケットを破棄する • Low TTL Value Determination：1) の値を決めるアルゴリズム • UDP Multi Hole Punching : 「決めうち」 • NATBLASTER :「traceroute の方法」（提案のみ、未実装） • e.g.) TTL = 2の場合 Time Exceeded TTL => 0 TTL => 1 卒業論文審査会 February 1, 2010 NAT router (1st hop) TTLの値は次の条件を満たしていればよい TTL > 1 ∧ TTL – 5 < 0 ∴ 1 < TTL < 5 router (4th hop) router (2nd hop) router (3rd hop) NAT router (5th hop) 12 既存手法の問題点 (2) Low TTL Value Determination における問題 • NATが多段の場合、自分側の一番外側のNATを越 えて相手側の一番外側のNATに到達する前にTTL が0になればよいが・・・ • TTL > 2 ∧ TTL – 4 < 0 ∴ 2 < TTL < 4 問題点2. NATがいくつ連なっているか判断できない • Tracerouteで得られたルーターのIPアドレスから、NATか どうか判断できることがあるが、ICMPを返さないルータがある NAT router (4th hop) NAT router (2nd hop) 卒業論文審査会 February 1, 2010 NAT router (1st hop) router (3rd hop) NAT router (5th hop) 13 提案手法2 Low TTL Value Determinationの方法 解決策2. tracerouteやtracertでhop数を求め、 それを2で割った値をTTLとする [仮定] NATは経路の両端に存在し、中央にはない（はず） • 本手法は途中のルーターのIPアドレスを知る（NATか判 定する）必要がないためICMPが返されなくても問題ない $ tracert 208.77.188.166 Tracing route to www.example.com [208.77.188.166] over a maximum of 30 hops: 1 2 * * * * 11 12 * 144 ms * 147 ms Trace complete. * Request timed out. * Request timed out. （省略） * Request timed out. 146 ms www.example.com [208.77.188.166] 14 実装 Javaで実装 • 一部、Rubyで実装し、java.lang.Runtime#exec()で実行 • Javaでは、ユニキャストUDPパケットのTTLを設定できないため • キャプチャ法 • Jpcapを利用 • libpcap / WinPcap のJavaラッパー • スキャン法 • java.net.InetAddress#isReachable() • （権限があれば）ICMP ECHO REQUEST • （なければ）ポート 7 (Echo) で TCP 接続 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 15 実験用ネットワーク （VMware ESXiによる仮想環境） home NAT-2 home NAT-1 LSN-1 LSN-2 (flexNES) private private (flexNES) (flexNES) global realm (flexNES) Linux realm-2 realm-1.1 .2 .1 .2 Sym .1 .2 vs .1 .66 vs router .1 .65 (10.0.1.0/24) (10.0.0.0/24) vs vs virtual switch virtual switch (promiscuous mode) ISP-1 (192.0.2.0 .129 (192.0.2.64/26) ISP-2 shared .2 shared /26) virtual switch (vs) .2 .3 address address .130 .131 realm realm internal host-1,2 internall host-3 (192.168.0.0/24) (192.168.1.0/24) external server-1, 2 (192.0.2.128/26) ※Sym = Symmetric NAT ※flexible NAT Emulation Server (flexNES) = RFC4787に準拠したNATエミュレータ 実験用ネットワーク（論理図） home NAT-1 private (flexNES) realm-1.1 .2 LSN-1 LSN-2 (flexNES) global realm (flexNES) Linux .2 .1 .1 router .66 .1 .65 (10.0.1.0/24) (10.0.0.0/24) .2 .3 home NAT-2 (flexNES) private realm-2 .2 Sym .1 ISP-1 (192.0.2.0 .129 (192.0.2.64/26) ISP-2 shared shared /26) address address .130 .131 realm realm .2 internal host-1,2 internall host-3 (192.168.0.0/24) (192.168.1.0/24) external server-1, 2 (192.0.2.128/26) ※Sym = Symmetric NAT ※flexible NAT Emulation Server (flexNES) = RFC4787に準拠したNATエミュレータ まとめと今後の課題 まとめ UDP Multi Hole Punchingの拡張 • 必要以上のポートをオープンしてしまう問題の解決 • 通信経路上でNATが多段になっていても適応可能 今後の課題 Low TTL Value Determinationにおける仮定の妥当性の検討 • 「NATはエンドホストの近くに集中」 • 「経路の中央付近には存在しない」 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 18 ご清聴ありがとうございました 卒業論文審査会 February 1, 2010 Kazuhiro TOBE, GOTO Laboratory, Dept. of Computer Science and Engineering 19
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