内网ip打洞-----p2p实现原理

Posted 2020-09-29 gccbuaa

网上找了非常多。代码大堆，原理讲清楚透彻的不多。

本人找几篇讲得好的来整理一下。

一片技术文章，最基本的讲清楚原理。假设再有完整的能执行的源码也可，关键是要把核心部分代码分析清楚。

（1）问题的由来：

大部分的电脑上网都是用动态ip地址。内网的ip是由net（路由、网关）分配的。net发出去的时候。映射到一个公网地址。这是一个动态计算的过程（特别是port号），因此称为动态ip地址。外部网是无法直接訪问内网计算机的，但在大部分情况下，借助一台有公网ip地址电脑（这里叫server），通过某种方式，能够实现连接，这样的技术较“打洞”。

（2）动态ip详细分析：

 

如图：

有一个私有网络192.168.0.2。client a是当中的一台计算机。这个网络的网关natA（一个nat设备）的外网ip是202.103.142.29(应该另一个内网的ip地址，比方10.0.0.10)。假设client a中的某个进程（这个进程创建了一个socket,这个socket绑定1234port）想訪问外网主机129.208.12.38的2000port。那么当数据包通过nat时会发生什么事情呢？

先nat会改变这个数据包的原ip地址，改为202.103.142.29。接着nat会为这个传输创建一个session（session是一个抽象的概念，假设是tcp，或许session是由一个syn包開始。以一个fin包结束。而udp呢，以这个ip的这个port的第一个udp開始。结束不确定，或许是几分钟。或许是几小时，这要看详细的实现了）而且给这个session分配一个port，比方62000，然后改变这个数据包的源port为62000。

所以本来是

                                  （192.168.0.2:1234->129.208.12.38:2000）

的数据包到了互联网上变为了

                                   （202.103.142.29:62000->129.208.12.38:2000）。

一旦nat创建了一个session后，nat会记住62000port相应的是192.168.0.2的1234port，以后从129.208.12.38发送到62000port的数据会被nat自己主动的转发到192.168.0.2上。（注意：这里是说129.208.12.38发送到62000port的数据会被转发，其它的ip发送到这个port的数据将被nat抛弃，这就是真正头痛的问题）这样client a就与server s1建立以了一个连接。

假设client a的原来那个socket(绑定了1234port的那个udp socket)又接着向另外一个服务器server s2发送了一个udp包，那么这个udp包在通过nat时会怎么样呢？

答案是net决定的，不同的net有不同的答案。

这里须要介绍一下NAT的类型：
NAT设备的类型对于TCP穿越NAT,有着十分重要的影响,依据port映射方式,NAT可分为例如以下4类,前3种NAT类型可统称为cone类型。
(1)全克隆( Full Cone) : NAT把全部来自同样内部IP地址和port的请求映射到同样的外部IP地址和port。不论什么一个外部主机均可通过该映射发送IP包到该内部主机。
(2)限制性克隆(Restricted Cone) : NAT把全部来自同样内部IP地址和port的请求映射到同样的外部IP地址和port。可是,仅仅有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才干向该内部主机发送IP包。
(3)port限制性克隆( Port Restricted Cone) :port限制性克隆与限制性克隆类似,仅仅是多了port号的限制,即仅仅有内部主机先向IP地址为X,port号为P的外部主机发送1个IP包,该外部主机才可以把源port号为P的IP包发送给该内部主机。

(4)对称式NAT ( Symmetric NAT) :这样的类型的NAT与上述3种类型的不同,在于当同一内部主机使用同样的port与不同地址的外部主机进行通信时, NAT对该内部主机的映射会有所不同。

对称式NAT不保证全部会话中的私有地址和公开IP之间绑定的一致性。相反,它为每一个新的会话分配一个新的port号。

第一种最为理想，基本就是无需打洞；

第四种最糟糕。根本就不能打洞。好消息就是这样的net基本没有，非常少。

所以关键是第二和第三种net类型。

因此打洞的本质就是利用net的特性“仅仅有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才干向该内部主机发送IP包”

（3）实现步骤（各个实现可能都不一样）

我们先如果一下：有一个serverS在公网上有一个IP，两个私网分别由NAT-A和NAT-B连接到公网，NAT-A后面有一台clientA。NAT-B 后面有一台clientB，如今。我们须要借助S将A和B建立直接的TCP连接，即由B向A打一个洞。让A能够沿这个洞直接连接到B主机。就好像NAT-B不存在一样。
实现步骤例如以下：
1、 S启动两个网络侦听，一个叫【主连接】侦听。一个叫【协助打洞】的侦听。
2、 A和B分别与S的【主连接】保持联系。
3、 当A须要和B建立直接的TCP连接时，首先连接S的【协助打洞】port。并发送协助连接申请。

同一时候在该port号上启动侦听（保证net类型3也能成功）。

注意因为要在同样的网络终端上绑定到不同的套接字上，所以必须为这些套接字设置 SO_REUSEADDR 属性（即同意重用），否则侦听会失败。
4、 S的【协助打洞】连接收到A的申请后通过【主连接】通知B。并将A经过NAT-A转换后的公网IP地址和port等信息告诉B。

5、 B收到S的连接通知后首先与S的【协助打洞】port连接。随便发送一些数据后马上断开，这样做的目的是让S能知道B经过NAT-B转换后的公网IP和port号。
6、 B尝试与A的经过NAT-A转换后的公网IP地址和port进行connect（这就是所谓“打洞”），依据不同的路由器会有不同的结果，有些路由器在这个操作就能建立连接（比如我用的TPLink R402），大多数路由器对于不请自到的SYN请求包直接丢弃而导致connect失败，但NAT-A会纪录此次连接的源地址和port号，为接下来真正的连接做好了准备，这就是所谓的打洞。即B向A打了一个洞，下次A就能直接连接到B刚才使用的port号了。
7、 clientB打洞的同一时候在同样的port上启动侦听。

B在一切准备就绪以后通过与S的【主连接】回复消息“我已经准备好”，S在收到以后将B经过NAT-B转换后的公网IP和port号告诉给A。
8、 A收到S回复的B的公网IP和port号等信息以后。開始连接到B公网IP和port号，因为在步骤6中B以前尝试连接过A的公网IP地址和port，NAT-A纪录 了此次连接的信息。所以当A主动连接B时。NAT-B会觉得是合法的SYN数据，并同意通过，从而直接的TCP连接建立起来了。

（4）让内网主机做server

以上的应用主要在于做p2p软件。假设我们想用家里的电脑，做server，是不须要这项技术（“打洞”）的，应为我们能够把路由器设置为net1型。能够直接设置port映射：

但还是须要一个外网固定ip的server来负责通知其它客服端。由于拨号时得到的ip（这事实上也是外网ip，就是其它的计算机能够直接訪问你的）每次还是变化的。

（5）花生壳是什么

花生壳是能够把这个变化的ip映射为固定域名的域名服务商，假设不须要域名服务，仅仅要用ip訪问就可以的应用（比方数据库），是用不上这个软件的。

可是另一种办法，假设你已经有一台有静态ip的server，在上面部署一个代理server（比方nginx），然后把这个动态的ip通知它就能够了。