[网络协议]P2P打洞过程详解

• 什么是NAT。

NAT(Network Address Translation),网络地址转换协议。NAT是1994年提出的，当在专用网内部的一些主机本来已经分配到了本地IP地址（即仅在本专用网内使用的专用地址），但现在又想和因特网上的主机通信时，就可以使用NAT技术。

比如说内网ip地址192.168.1.155与外网ip地址150.158.106.96是无法直接通信，如果想要让这两个ip能够直接通信，就需要用到NAT技术将ip地址192.168.1.155先转换成公网ip地址和端口之后就可以进行通信了。

NAT的出现主要是因为IP4地址耗尽，理论上当全球IP6全面普及使用之后，NAT是可以退出历史舞台的。可见NAT的本质就是让一群机器公用同一个IP，这样就暂时解决了IP短缺的问题。

NAT的出现还有一个出于网络安全的原因，外网的主机要想攻击内网的主机，必须要经过防火墙，经过NAT转换才能找到内网的主机。

• 路由器种类

1. 基本型（没用）

当一个内网设备要访问外网时，路由器为这个内网ip分配一个外网ip完全供这个设备使用，通常需要路由器有多个外网ip。

1. 对称型（无法穿透）

当一个内网设备要访问外网时，根据源地址，源端口，目的地址，目的端口的不同映射成外网ip下不同的端口进行会话。所以只要（源地址，源端口，目的地址，目的端口）其中的一个不同，会话的端口就会改变，所以无法穿透。

1. 完全克隆型（最容易穿透）

当一个内网设备要访问外网时，根据源地址，源端口的不同映射成外网ip下不同的端口进行会话。

1. 端口限制克隆型（可以穿透）

当一个内网设备要访问外网时，根据源地址，源端口的不同映射成外网ip下不同的端口进行会话。但路由器只接受目的端口返回的udp数据。

1. 端口地址限制克隆型（可以穿透）

当一个内网设备要访问外网时，根据源地址，源端口的不同映射成外网ip下不同的端口进行会话。但路由器只接受目的端口且目的ip返回的udp数据。

以上3,4,5类路由器只要源地址和源端口相同，无论访问外网哪一个地址，映射成的端口都相同，这是这3种类型能穿墙的原因。

• 如何判断是哪一种网络。

通过使用STUN服务器检测设备所处网络的NAT类型，STUN服务器需要两个公网IP。

我们假定client是要检测的设备，server是STUN服务器，并假设server的两公网SOCKET的IP地址和端口号分别是IP1:port和IP2:port。

步骤1：

client向server IP1:port发送请求，server使用IP1:port将收到请求的源IP和port（即设备的公网IP地址和端口号）回复给client，如果得到的公网IP和设备自身的IP一样，则判定设备自身处在公网，无NAT，检测结束，否则进行下一步。

步骤2：

client向server IP1:port发送请求，server使用IP2:port来回复，如果设备能收到回复，则判定client的NAT为完全锥形（Full Cone NAT），检测结束，否则进行下一步。

步骤3：

client向server IP2:port发送请求，server使用IP2:port将收到的源IP和port回复给client，client判断此port和步骤1得到的port是否一样，如果不一样，则为对称型（Symmetric NAT），检测结束；

如果一样，则为限制型（Restricted Cone NAT），这时候需要进一步检查是地址限制型NAT还是端口限制型NAT。

步骤4：

client向server IP2:port发送请求，要求server使用该IP的另一个端口来回复，server使用IP2:port2回复请求，如果client能收到回复，则判断为地址限制型（Address Restricted Cone） NAT，否则为端口限制型（Port Restricted Cone） NAT

• udp打洞过程

1. 网络拓扑图

外S1，外S2为假设在外部的两个辅助穿墙的server

PC1为子网1下想要连接PS1的client

PS1,为子网2下的，提供数据的server

1. 打洞流程

1. PS1 用udp向 外S1,S2 发送 注册登记请求，请求登记成功之后，外S1,S2

持有了PS1用于注册的名称（假设为“manager”）、外部的IP、外部的port、以及server

分配给PS1的session（由于udp不是长链接，所以，需要一个session区分对端是否断线重连）。由S1，S2持续向PS1发送心跳保活。

1. 接着PC1 在 外S1上注册登记(假设为”client”)
2. PC1创建两个子socket，一个用于send，一个用于recv，在S1上登记两个子sock，此时，

S1上有PC1 的三个外网ip+port，一个用于通讯，另外两个用于和PS1打洞

1. PC1 请求 S1向 manager 发送 连接请求 （附带了client的session，client的两个sock外网ip+port）

1. PS1 收到 S1 来的连接请求之后，创建两个sock，一个用于发送，一个用于接收，并通过S1发给PC1，并向PC1,的两个端口发送心跳包（第一次打洞，由于PC1从来没有给PS1发过数据，这些心跳包可能PC1收不到），

1. PC1收到S1传来的PS1的两个端口之后，也向PS1发送心跳（第二次打洞,如果打洞成功，此时PS1应该能收到数据）

1. PS1 检测到 PC1有发过来的数据，回两个心跳，并callback给其他逻辑（server端建立完成）
2. PC1只要收到了PS1发过来的任何数据，直接返回connect连接成功，如果超时，则打洞失败，
3. PC1 注销在S1的登记

PS:整个逻辑下来，PS1 和 PC1的socket中可能残存有未处理的心跳包（用于打洞用的数据）p

faststream交流群：643201623

网址：首页