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。