p2p技术之tcp内网穿透 java实现版
如今p2p技术已经十分成熟，然而很多人停留在理论层面，在实现过程中遇到这样那样的问题，甚至有的人说tcp打洞无法实现，本文简单阐述tcp穿透的过程，然后附上完整的java代码。
由于32位Ip地址的稀少，我们身边的设备，大部分运行在nat后面，无论是家庭还是单位，都会由一个路由器统一接入互联网，很多设备连上路由器组成一个内网。同一内网里的所有设备，拥有相同的外网ip地址，内网设备对外网进行访问，每次会使用不同的端口进行通信，不同内网里面的设备不能直接进行连接 ，因为不知道对方的公网地址和端口，这个时候就需要借助一台公网的设备进行牵线搭桥，也就是大家常说的穿透打洞。穿透的原理和NAT的运行原理，就不在此讨论，网上已有大量理论文章。
假设现在有以下3台机器：
外网机器，IP：121.56.21.85 ， 以下简称“主机A”
处在内网1下的机器，外网IP：106.116.5.45 ，内网IP：192.168.1.10， 以下简称“主机1”
处在内网2下的机器，外网IP：104.128.52.6 ，内网IP：192.168.0.11，以下简称“主机2”
很显然内网的两台机器不能直接连接，我们现在要实现的是借助外网机器，让两台内网机器进行tcp直连通讯。
实现过程如下：
1、主机A启动服务端程序，监听端口8888，接受TCP请求。
2、启动主机1的客户端程序，连接主机A的8888端口，建立TCP连接。
3、启动主机2的客户端程序，连接主机A的8888端口，建立TCP连接。
4、主机2发送一个命令告诉主机A，我要求与其他设备进行连接，请求协助进行穿透。
5、主机A接收到主机2的命令之后，会返回主机1的外网地址和端口给主机2，同时把主机2的外网地址和端口发送给主机1。
6、主机1和主机2在收到主机A的信息之后，同时异步发起对对方的连接。
7、在与对方发起连接之后，监听本地与主机A连接的端口（也可以在发起连接之前），（由于不同的操作系统对tcp的实现不尽相同，有的操作系统会在连接发送之后，把对方的连接当作是回应，即发出SYN之后，把对方发来的SYN当作是本次SYN的ACK，这种情况就不需要监听也可建立连接，本文的代码所在测试环境就不需要监听，测试环境为：服务器centos 7.3， 内网1 win10，内网2 win10和centos7.2都测试过）。
8、主机1和主机2成功连上，可以关闭主机A的服务，主机1和主机2的连接依然会持续生效，不关闭就形成了一个3方直连的拓扑网状结构网络。
服务器端代码：
package org.inchain.p2p;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 外网端服务，穿透中继
*
* @author ln
*
*/
public class Server {
public static List connections = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
try {
// 1.创建一个服务器端Socket，即ServerSocket，指定绑定的端口，并监听此端口
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8888);
Socket socket = null;
// 记录客户端的数量
int count = 0;
System.out.println("***服务器即将启动，等待客户端的连接***");
// 循环监听等待客户端的连接
while (true) {
// 调用accept()方法开始监听，等待客户端的连接
socket = serverSocket.accept();
// 创建一个新的线程
ServerThread serverThread = new ServerThread(socket);
// 启动线程
serverThread.start();
connections.add(serverThread);
count++;// 统计客户端的数量
System.out.println("客户端的数量：" + count);
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
package org.inchain.p2p;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.Socket;
/**
* 外网端服务多线程处理内网端连接
*
* @author ln
*
*/
public class ServerThread extends Thread {
// 和本线程相关的Socket
private Socket socket = null;
private BufferedReader br = null;
private PrintWriter pw = null;
public ServerThread(Socket socket) throws IOException {
this.socket = socket;
this.br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
this.pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
}
// 线程执行的操作，响应客户端的请求
public void run() {
InetAddress address = socket.getInetAddress();
System.out.println("新连接，客户端的IP：" + address.getHostAddress() + " ,端口：" + socket.getPort());
try {
pw.write("已有客户端列表：" + Server.connections + "\n");
// 获取输入流，并读取客户端信息
String info = null;
while ((info = br.readLine()) != null) {
// 循环读取客户端的信息
System.out.println("我是服务器，客户端说：" + info);
if (info.startsWith("newConn_")) {
//接收到穿透消息，通知目标节点
String[] infos = info.split("_");
//目标节点的外网ip地址
String ip = infos[1];
//目标节点的外网端口
String port = infos[2];
System.out.println("打洞到 " + ip + ":" + port);
for (ServerThread server : Server.connections) {
if (server.socket.getInetAddress().getHostAddress().equals(ip)
&& server.socket.getPort() == Integer.parseInt(port)) {
//发送命令通知目标节点进行穿透连接
server.pw.write("autoConn_" + socket.getInetAddress().getHostAddress() + "_" + socket.getPort()
+ "\n");
server.pw.flush();
break;
}
}
} else {
// 获取输出流，响应客户端的请求
pw.write("欢迎您！" + info + "\n");
// 调用flush()方法将缓冲输出
pw.flush();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("客户端关闭：" + address.getHostAddress() + " ,端口：" + socket.getPort());
Server.connections.remove(this);
// 关闭资源
try {
if (pw != null) {
pw.close();
}
if (br != null) {
br.close();
}
if (socket != null) {
socket.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
@Override
public String toString() {
return "ServerThread [socket=" + socket + "]";
}
}客户端代码：
package org.inchain.p2p;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintWriter;
import java.net.InetAddress;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.Socket;
import java.util.Scanner;
/**
* 内网客户端，要进行穿透的内网服务
*
* @author ln
*
*/
public class Client {
//输入scanner
private Scanner scanner = new Scanner(System.in);
//是否等待输入
private boolean isWaitInput = true;
//首次与外网主机通信的连接
private Socket socket;
//首次与外网主机通信的本地端口
private int localPort;
private PrintWriter pw;
private BufferedReader br;
public static void main(String[] args) {
new Client().start();
}
public void start() {
try {
// 新建一个socket通道
socket = new Socket();
// 设置reuseAddress为true
socket.setReuseAddress(true);
//TODO在此输入外网地址和端口
String ip = "xxx.xxxx.xxxx.xxxx";
int port = 8888;
socket.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
//首次与外网服务器通信的端口
//这就意味着我们内网服务要与其他内网主机通信，就可以利用这个通道
localPort = socket.getLocalPort();
System.out.println("本地端口：" + localPort);
System.out.println("请输入命令 notwait等待穿透，或者输入conn进行穿透");
pw = new PrintWriter(socket.getOutputStream());
br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
try {
while (true) {
if(process()) {
break;
}
}
} finally {
// 关闭资源
try {
if(pw != null) {
pw.close();
}
if (br != null) {
br.close();
}
if (socket != null) {
socket.close();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
/*
* 处理与服务器连接的交互，返回是否退出
*/
private boolean process() throws IOException {
String in = null;
if (isWaitInput) {
//把输入的命令发往服务端
in = scanner.next();
pw.write(in + "\n");
//调用flush()方法将缓冲输出
pw.flush();
if ("notwait".equals(in)) {
isWaitInput = false;
}
}
//获取服务器的响应信息
String info = br.readLine();
if(info != null) {
System.out.println("我是客户端，服务器说：" + info);
}
//处理本地命令
processLocalCommand(in);
//处理服务器命令
processRemoteCommand(info);
return "exit".equals(in);
}
private void processRemoteCommand(String info) throws IOException {
if (info != null && info.startsWith("autoConn_")) {
System.out.println("服务器端返回的打洞命令，自动连接目标");
String[] infos = info.split("_");
//目标外网地址
String ip = infos[1];
//目标外网端口
String port = infos[2];
doPenetration(ip, Integer.parseInt(port));
}
}
private void processLocalCommand(String in) throws IOException {
if ("conn".equals(in)) {
System.out.println("请输入要连接的目标外网ip:");
String ip = scanner.next();
System.out.println("请输入要连接的目标外网端口:");
int port = scanner.nextInt();
pw.write("newConn_" + ip + "_" + port + "\n");
pw.flush();
doPenetration(ip, port);
isWaitInput = false;
}
}
/*
* 对目标服务器进行穿透
*/
private void doPenetration(String ip, int port) {
try {
//异步对目标发起连接
new Thread() {
public void run() {
try {
Socket newsocket = new Socket();
newsocket.setReuseAddress(true);
newsocket.bind(new InetSocketAddress(
InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), localPort));
System.out.println("connect to " + new InetSocketAddress(ip, port));
newsocket.connect(new InetSocketAddress(ip, port));
System.out.println("connect success");
BufferedReader b = new BufferedReader(
new InputStreamReader(newsocket.getInputStream()));
PrintWriter p = new PrintWriter(newsocket.getOutputStream());
while (true) {
p.write("hello " + System.currentTimeMillis() + "\n");
p.flush();
String message = b.readLine();
System.out.println(message);
pw.write(message + "\n");
pw.flush();
if("exit".equals(message)) {
break;
}
Thread.sleep(1000l);
}
b.close();
p.close();
newsocket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}.start();
// //监听本地端口
// ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
// serverSocket.setReuseAddress(true);
// serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLoopbackAddress(), localPort));
//
// // 记录客户端的数量
// System.out.println("******开始监听端口：" + localPort);
// // 循环监听等待客户端的连接
// // 调用accept()方法开始监听，等待客户端的连接
// Socket st = serverSocket.accept();
//
// System.out.println("成功了，哈哈，新的连接：" + st.getInetAddress().getHostAddress() + ":" + st.getPort());
//
// serverSocket.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("监听端口 " + socket.getLocalPort() + " 出错");
}
}
}
服务端就是一个普通的socket服务，没什么特别的地方。
客户端需要注意的是：
1、最关键的地方，设置SO_REUSEADDR参数，41行的socket.setReuseAddress(true)和161行的newsocket.setReuseAddress(true)。
2、内网主机穿透时一定要异步发起连接。
3、在穿透时，新建的连接，需要先设置SO_REUSEADDR，再绑定端口，最后进行连接，顺序不能错。
Socket newsocket = new Socket(ip, port);
newsocket.setReuseAddress(true);
newsocket.bind(new InetSocketAddress(
InetAddress.getLocalHost().getHostAddress(), localPort));
System.out.println("connect to " + new InetSocketAddress(ip, port));
System.out.println("connect success");如果改成上面这样就会连接超时。
最后附上测试方法和运行效果：
使用方法：
1、在服务器启动Server。
2、在客户端1启动Client，输入notwait命令，等待服务器通知打洞。
3、在客户端2启动Client，输入conn命令，然后输入服务器返回的客户端1的外网ip和端口，接下来就会自动完成连接。
运行效果：
客户端1运行结果 （穿透成功之后，客户端会把穿透对方返回的内容发送给服务器，服务器再返回）：
客户端1使用netstat查看的网络连接
客户端2的运行结果
客户端2使用netstat查看的网络连接
可以看到客户端2对应的端口不同，那是因为电信NAT的问题，本地获取的Ip是电信10开头的内网地址，相当于在客户端2的上层还进行了一次中继。
最后附上完整的代码 http://download.csdn.net/detail/kiss1987f5/9763947
ps：由于没有对称型的NAT设备，无法做深入研究，对称型设备的端口太难猜测，穿透成功概率很小。