UDP/TCP穿越NAT的P2P通信方法研究(UDP/TCP打洞 Hole Punching)

UDP/TCP穿越NAT的P2P通信方法研究(UDP/TCP打洞 Hole Punching)

NAT设备的类型介绍：转载http://www.limou.net/?p=120

NAT设备的类型对于TCP穿越NAT,有着十分重要的影响,根据端口映射方式,NAT可分为如下4类,前3种NAT类型可统称为cone类型。

• 全克隆( Full Cone) : NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一个外部主机均可通过该映射发送IP包到该内部主机。
• 限制性克隆(Restricted Cone) : NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才能向该内部主机发送IP包。
• 端口限制性克隆( Port Restricted Cone) :端口限制性克隆与限制性克隆类似,只是多了端口号的限制,即只有内部主机先向IP地址为X,端口号为P的外部主机发送1个IP包,该外部主机才能够把源 端口号为P的IP包发送给该内部主机。
• 对称式NAT ( Symmetric NAT) :这种类型的NAT与上述3种类型的不同,在于当同一内部主机使用相同的端口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不保证所有会话中的私有地址和公开IP之间绑定的一致性。相反,它为每个新的会话分配一个新的端口号。

技术实现：关于NAT的打洞技术，打洞原理和程序没有多大关系，只是在传输层做一个端口映射，打洞好以后建立连接可以使用TCP/UDP

我们先假设一下：有一个服务器S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后面有一台客户端A，NAT-B后面有一 台客户端B，现在，我们需要借助S将A和B建立直接的TCP连接，即由B向A打一个洞，让A可以沿这个洞直接连接到B主机，就好像NAT-B不存在一样。实现过程如下：

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需要和B建立直接的TCP连接时，首先连接S的【协助打洞】端口，并发送协助连接申请。同时在该端口号上启动侦听。注意由于要在相同的网络终端上绑定 到不同的套接字上，所以必须为这些套接字设置 SO_REUSEADDR 属性（即允许重用），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地址和端口等信息告诉B。
5. B收到S的连接通知后首先与S的【协助打洞】端口连接，随便发送一些数据后立即断开，这样做的目的是让S能知道B经过NAT-B转换后的公网IP和端口号。
6. B尝试与A的经过NAT-A转换后的公网IP地址和端口进行connect，根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，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端口号，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刚才使用的端口号了。
7. 客户端B打洞的同时在相同的端口上启动侦听。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和端口号告诉给A。
8. A收到S回复的B的公网IP和端口号等信息以后，开始连接到B公网IP和端口号，由于在步骤6中B曾经尝试连接过A的公网IP地址和端口，NAT-A纪录 了此次连接的信息，所以当A主动连接B时，NAT-B会认为是合法的SYN数据，并允许通过，从而直接的TCP连接建立起来

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P2P之UDP穿透NAT的原理与实现(附源代码)

分类： 网络 2011-12-12 14:41 49人阅读 评论(0) 收藏 举报

P2P 之 UDP穿透NAT的原理与实现（附源代码）
原创：shootingstars
参考：http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt

论坛上经常有对P2P原理的讨论，但是讨论归讨论，很少有实质的东西产生（源代码）。呵呵，在 这里我就用自己实现的一个源代码来说明UDP穿越NAT的原理。

首先先介绍一些基本概念：
    NAT(Network Address Translators)，网络地址转换：网络地址转换是在IP地址日益缺乏的情况下产生的，它的主要目的就是为了能够地址重用。NAT分为两大类，基本 的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。
    最开始NAT是运行在路由器上的一个功能模块。
   
    最先提出的是基本的NAT，它的产生基于如下事实：一个私有网络（域）中的节点中只有很少的节点需要与外网连接（呵呵，这是在上世纪90年代中期提出 的）。那么这个子网中其实只有少数的节点需要全球唯一的IP地址，其他的节点的IP地址应该是可以重用的。
    因此，基本的NAT实现的功能很简单，在子网内使用一个保留的IP子网段，这些IP对外是不可见的。子网内只有少数一些IP地址可以对应到真正全球唯一的 IP地址。如果这些节点需要访问外部网络，那么基本NAT就负责将这个节点的子网内IP转化为一个全球唯一的IP然后发送出去。(基本的NAT会改变IP 包中的原IP地址，但是不会改变IP包中的端口)
    关于基本的NAT可以参看RFC 1631
   
    另外一种NAT叫做NAPT，从名称上我们也可以看得出，NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址，还会改变IP数据报的 TCP/UDP端口。基本NAT的设备可能我们见的不多（呵呵，我没有见到过），NAPT才是我们真正讨论的主角。【常见的在d-link或t-link上的端口映射就是这种情况】看下图：
                                Server S1                        
                         18.181.0.31:1235                         
                                      |
          ^  Session 1 (A-S1)  ^      | 
          |  18.181.0.31:1235  |      |  
          v 155.99.25.11:62000 v      |   
                                      |
                                     NAT
                                 155.99.25.11
                                      |
          ^  Session 1 (A-S1)  ^      | 
          |  18.181.0.31:1235  |      | 
          v   10.0.0.1:1234    v      | 
                                      |
                                   Client A
                                10.0.0.1:1234
    有一个私有网络10.*.*.*，Client A是其中的一台计算机，这个网络的网关（一个NAT设备）的外网IP是155.99.25.11(应该还有一个内网的IP地址，比如 10.0.0.10)。如果Client A中的某个进程（这个进程创建了一个UDP Socket,这个Socket绑定1234端口）想访问外网主机18.181.0.31的1235端口，那么当数据包通过NAT时会发生什么事情呢？
    首先NAT会改变这个数据包的原IP地址，改为155.99.25.11。接着NAT会为这个传输创建一个Session（Session是一个抽象的概 念，如果是TCP，也许Session是由一个SYN包开始，以一个FIN包结束。而UDP呢，以这个IP的这个端口的第一个UDP开始，结束呢，呵呵， 也许是几分钟，也许是几小时，这要看具体的实现了）并且给这个Session分配一个端口，比如62000，然后改变这个数据包的源端口为62000。所 以本来是（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的数据包到了互联网上变为了 （155.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
    一旦NAT创建了一个Session后，NAT会记住62000端口对应的是10.0.0.1的1234端口，以后从18.181.0.31发送到 62000端口的数据会被NAT自动的转发到10.0.0.1上。（注意：这里是说18.181.0.31发送到62000端口的数据会被转发，其他的 IP发送到这个端口的数据将被NAT抛弃）这样Client A就与Server S1建立以了一个连接。

    呵呵，上面的基础知识可能很多人都知道了，那么下面是关键的部分了。
    看看下面的情况：
    Server S1                                     Server S2
 18.181.0.31:1235                              138.76.29.7:1235
        |                                             |
        |                                             |
        +----------------------+----------------------+
                               |
   ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
   |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
   v 155.99.25.11:62000 v      |      v 155.99.25.11:62000 v
                               |
                            Cone NAT
                          155.99.25.11
                               |
   ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
   |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
   v   10.0.0.1:1234    v      |      v   10.0.0.1:1234    v
                               |
                            Client A
                         10.0.0.1:1234
    接上面的例子，如果Client A的原来那个Socket(绑定了1234端口的那个UDP Socket)又接着向另外一个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？
    这时可能会有两种情况发生，一种是NAT再次创建一个Session，并且再次为这个Session分配一个端口号（比如：62001）。另外一种是 NAT再次创建一个Session，但是不会新分配一个端口号，而是用原来分配的端口号62000。前一种NAT叫做Symmetric NAT，后一种叫做Cone NAT。我们期望我们的NAT是第二种，呵呵，如果你的NAT刚好是第一种，那么很可能会有很多P2P软件失灵。（可以庆幸的是，现在绝大多数的NAT属 于后者，即Cone NAT）
  
    好了，我们看到，通过NAT,子网内的计算机向外连结是很容易的（NAT相当于透明的，子网内的和外网的计算机不用知道NAT的情况）。
    但是如果外部的计算机想访问子网内的计算机就比较困难了（而这正是P2P所需要的）。
    那么我们如果想从外部发送一个数据报给内网的计算机有什么办法呢？首先，我们必须在内网的NAT上打上一个“洞”（也就是前面我们说的在NAT上建立一个 Session），这个洞不能由外部来打，只能由内网内的主机来打。而且这个洞是有方向的，比如从内部某台主机（比如：192.168.0.10）向外部 的某个IP(比如：219.237.60.1)发送一个UDP包，那么就在这个内网的NAT设备上打了一个方向为219.237.60.1的“洞”，（这 就是称为UDP Hole Punching的技术）以后219.237.60.1就可以通过这个洞与内网的192.168.0.10联系了。（但是其他的IP不能利用这个洞）。

呵呵，现在该轮到我们的正题P2P了。有了上面的理论，实现两个内网的主机通讯就差最后一步了：那就是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题了，两边都无法主动发 出连接请求，谁也不知道谁的公网地址，那我们如何来打这个洞呢？我们需要一个中间人来联系这两个内网主机。
    现在我们来看看一个P2P软件的流程，以下图为例：

                       Server S （219.237.60.1）
                          |
                          |
   +----------------------+----------------------+
   |                                             |
 NAT A (外网IP:202.187.45.3)                 NAT B (外网IP:187.34.1.56)
   |   (内网IP:192.168.0.1)                      | (内网IP:192.168.0.1)
   |                                             |
Client A  (192.168.0.20:4000)             Client B (192.168.0.10:40000)

    首先，Client A登录服务器，NAT A为这次的Session分配了一个端口60000，那么Server S收到的Client A的地址是202.187.45.3:60000，这就是Client A的外网地址了。同样，Client B登录Server S，NAT B给此次Session分配的端口是40000，那么Server S收到的B的地址是187.34.1.56:40000。
    此时，Client A与Client B都可以与Server S通信了。如果Client A此时想直接发送信息给Client B，那么他可以从Server S那儿获得B的公网地址187.34.1.56:40000，是不是Client A向这个地址发送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因为如果这样发送信息，NAT B会将这个信息丢弃（因为这样的信息是不请自来的，为了安全，大多数NAT都会执行丢弃动作）。现在我们需要的是在NAT B上打一个方向为202.187.45.3（即Client A的外网地址）的洞，那么Client A发送到187.34.1.56:40000的信息,Client B就能收到了。这个打洞命令由谁来发呢，呵呵，当然是Server S。
    总结一下这个过程：如果Client A想向Client B发送信息，那么Client A发送命令给Server S，请求Server S命令Client B向Client A方向打洞【很明显，Client A是不会拒绝Client B的打洞请求的。否则他别想向Client B发送数据】。呵呵，是不是很绕口，不过没关系，想一想就很清楚了，何况还有源代码呢（侯老师说过：在源代码面前没有秘密 8）），然后Client A就可以通过Client B的外网地址与Client B通信了。
   
    注意：以上过程只适合于Cone NAT的情况，如果是Symmetric NAT，那么当Client B向Client A打洞的端口已经重新分配了，Client B将无法知道这个端口（如果Symmetric NAT的端口是顺序分配的，那么我们或许可以猜测这个端口号，可是由于可能导致失败的因素太多，我们不推荐这种猜测端口的方法）。
   
    下面是一个模拟P2P聊天的过程的源代码，过程很简单，P2PServer运行在一个拥有公网IP的计算机上，P2PClient运行在两个不同的NAT 后（注意，如果两个客户端运行在一个NAT后，本程序很可能不能运行正常，这取决于你的NAT是否支持loopback translation，详见http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt， 当然，此问题可以通过双方先尝试连接对方的内网IP来解决，但是这个代码只是为了验证原理，并没有处理这些问题），后登录的计算机可以获得先登录计算机的 用户名，后登录的计算机通过send username message的格式来发送消息。如果发送成功，说明你已取得了直接与对方连接的成功。
    程序现在支持三个命令：send , getu , exit
   
    send格式：send username message
    功能：发送信息给username
   
    getu格式：getu
    功能：获得当前服务器用户列表
   
    exit格式：exit
    功能：注销与服务器的连接（服务器不会自动监测客户是否吊线）
       
    代码很短，相信很容易懂，如果有什么问题，可以给我发邮件[email protected]  或者在CSDN上发送短消息。同时，欢迎转发此文，但希望保留作者版权8-）。
   
    最后感谢CSDN网友 PiggyXP 和 Seilfer的测试帮助

P2PServer.c

#pragma comment(lib, "ws2_32.lib")

#include "windows.h"
#include "..\proto.h"
#include "..\Exception.h"

UserList ClientList;

int main(int argc, char* argv[])
{
 try{
  InitWinSock();
  
  SOCKET PrimaryUDP;
  PrimaryUDP = mksock(SOCK_DGRAM);

  sockaddr_in local;
  local.sin_family=AF_INET;
  local.sin_port= htons(SERVER_PORT);
  local.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  int nResult=bind(PrimaryUDP,(sockaddr*)&local,sizeof(sockaddr));
  if(nResult==SOCKET_ERROR)
   throw Exception("bind error");

  sockaddr_in sender;
  stMessage recvbuf;
  memset(&recvbuf,0,sizeof(stMessage));

  // 开始主循环.
  // 主循环负责下面几件事情:
  // 一:读取客户端登陆和登出消息,记录客户列表
  // 二:转发客户p2p请求
  for(;;)
  {
   int dwSender = sizeof(sender);
   int ret = recvfrom(PrimaryUDP, (char *)&recvbuf, sizeof(stMessage), 0, (sockaddr *)&sender, &dwSender);
   if(ret <= 0)
   {
    printf("recv error");
    continue;
   }
   else
   {
    int messageType = recvbuf.iMessageType;
    switch(messageType){
    case LOGIN:
     {
      //  将这个用户的信息记录到用户列表中
      printf("has a user login : %s\n", recvbuf.message.loginmember.userName);
      stUserListNode *currentuser = new stUserListNode();
      strcpy(currentuser->userName, recvbuf.message.loginmember.userName);
      currentuser->ip = ntohl(sender.sin_addr.S_un.S_addr);
      currentuser->port = ntohs(sender.sin_port);
      
      ClientList.push_back(currentuser);

      // 发送已经登陆的客户信息
      int nodecount = (int)ClientList.size();
      sendto(PrimaryUDP, (const char*)&nodecount, sizeof(int), 0, (const sockaddr*)&sender, sizeof(sender));
      for(UserList::iterator UserIterator=ClientList.begin();
        UserIterator!=ClientList.end();
        ++UserIterator)
      {
       sendto(PrimaryUDP, (const char*)(*UserIterator), sizeof(stUserListNode), 0, (const sockaddr*)&sender, sizeof(sender));
      }

      break;
     }
    case LOGOUT:
     {
      // 将此客户信息删除
      printf("has a user logout : %s\n", recvbuf.message.logoutmember.userName);
      UserList::iterator removeiterator = NULL;
      for(UserList::iterator UserIterator=ClientList.begin();
       UserIterator!=ClientList.end();
       ++UserIterator)
      {
       if( strcmp( ((*UserIterator)->userName), recvbuf.message.logoutmember.userName) == 0 )
       {
        removeiterator = UserIterator;
        break;
       }
      }
      if(removeiterator != NULL)
       ClientList.remove(*removeiterator);
      break;
     }
    case P2PTRANS:
     {
      // 某个客户希望服务端向另外一个客户发送一个打洞消息
      printf("%s wants to p2p %s\n",inet_ntoa(sender.sin_addr),recvbuf.message.translatemessage.userName);
      stUserListNode node = GetUser(recvbuf.message.translatemessage.userName);
      sockaddr_in remote;
      remote.sin_family=AF_INET;
      remote.sin_port= htons(node.port);
      remote.sin_addr.s_addr = htonl(node.ip);

      in_addr tmp;
      tmp.S_un.S_addr = htonl(node.ip);
      printf("the address is %s,and port is %d\n",inet_ntoa(tmp), node.port);

      stP2PMessage transMessage;
      transMessage.iMessageType = P2PSOMEONEWANTTOCALLYOU;
      transMessage.iStringLen = ntohl(sender.sin_addr.S_un.S_addr);
      transMessage.Port = ntohs(sender.sin_port);
                       
      sendto(PrimaryUDP,(const char*)&transMessage, sizeof(transMessage), 0, (const sockaddr *)&remote, sizeof(remote));

      break;
     }
    
    case GETALLUSER:
     {
      int command = GETALLUSER;
      sendto(PrimaryUDP, (const char*)&command, sizeof(int), 0, (const sockaddr*)&sender, sizeof(sender));

      int nodecount = (int)ClientList.size();
      sendto(PrimaryUDP, (const char*)&nodecount, sizeof(int), 0, (const sockaddr*)&sender, sizeof(sender));

      for(UserList::iterator UserIterator=ClientList.begin();
        UserIterator!=ClientList.end();
        ++UserIterator)
      {
       sendto(PrimaryUDP, (const char*)(*UserIterator), sizeof(stUserListNode), 0, (const sockaddr*)&sender, sizeof(sender));
      }
      break;
     }
    }
   }
  }

 }
 catch(Exception &e)
 {
  printf(e.GetMessage());
  return 1;
 }

 return 0;
}

 

#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")

#include "windows.h"
#include "..\proto.h"
#include "..\Exception.h"
#include <iostream>
using namespace std;

UserList ClientList;

 

bool SendMessageTo(char *UserName, char *Message)
{
  char realmessage[256];
  unsigned int UserIP;
  unsigned short UserPort;
  bool FindUser = false;
  for(UserList::iterator UserIterator=ClientList.begin();
            UserIterator!=ClientList.end();
            ++UserIterator)
  {
    if( strcmp( ((*UserIterator)->userName), UserName) == 0 )
    {
      UserIP = (*UserIterator)->ip;
      UserPort = (*UserIterator)->port;
      FindUser = true;
    }
  }

 

 if(!FindUser)
  return false;

 strcpy(realmessage, Message);
 for(int i=0;i<MAXRETRY;i++)
 {
  RecvedACK = false;

  sockaddr_in remote;
  remote.sin_addr.S_un.S_addr = htonl(UserIP);
  remote.sin_family = AF_INET;
  remote.sin_port = htons(UserPort);
  stP2PMessage MessageHead;
  MessageHead.iMessageType = P2PMESSAGE;
  MessageHead.iStringLen = (int)strlen(realmessage)+1;
  int isend = sendto(PrimaryUDP, (const char *)&MessageHead, sizeof(MessageHead), 0, (const sockaddr*)&remote, sizeof(remote));
  isend = sendto(PrimaryUDP, (const char *)&realmessage, MessageHead.iStringLen, 0, (const sockaddr*)&remote, sizeof(remote));
  
  // 等待接收线程将此标记修改
  for(int j=0;j<10;j++)
  {
   if(RecvedACK)
    return true;
   else
    Sleep(300);
  }

  // 没有接收到目标主机的回应，认为目标主机的端口映射没有
  // 打开，那么发送请求信息给服务器，要服务器告诉目标主机
  // 打开映射端口（UDP打洞）
  sockaddr_in server;
  server.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(ServerIP);
  server.sin_family = AF_INET;
  server.sin_port = htons(SERVER_PORT);
 
  stMessage transMessage;
  transMessage.iMessageType = P2PTRANS;
  strcpy(transMessage.message.translatemessage.userName, UserName);

  sendto(PrimaryUDP, (const char*)&transMessage, sizeof(transMessage), 0, (const sockaddr*)&server, sizeof(server));
  Sleep(100);// 等待对方先发送信息。
 }
 return false;
}

// 解析命令，暂时只有exit和send命令
// 新增getu命令，获取当前服务器的所有用户

工程下载地址:upload/2004_05/04052509317298.rar

转自 http://blog.sina.com.cn/s/blog_515526710100l3ze.html