一文讀懂p2p實現(xiàn)原理和NAT的類型

p2p實現(xiàn)原理

什么是打洞，為什么要打洞

由于Internet的快速發(fā)展 IPV4地址不夠用，不能每個主機分到一個公網(wǎng)IP 所以使用NAT地址轉(zhuǎn)換。

下面是我在網(wǎng)上找到的一副圖

一般來說都是由私網(wǎng)內(nèi)主機（例如上圖中“電腦A-01”）主動發(fā)起連接，數(shù)據(jù)包經(jīng)過NAT地址轉(zhuǎn)換后送給公網(wǎng)上的服務器（例如上圖中的“Server”），連接建立以后可雙向傳送數(shù)據(jù)，NAT設備允許私網(wǎng)內(nèi)主機主動向公網(wǎng)內(nèi)主機發(fā)送數(shù)據(jù),但卻禁止反方向的主動傳遞，但在一些特殊的場合需要不同私網(wǎng)內(nèi)的主機進行互聯(lián)（例如P2P軟件、網(wǎng)絡會議、視頻傳輸?shù)龋?，TCP穿越NAT的問題必須解決。

下面是NAT的幾種類型

NAT設備的類型對于TCP穿越NAT,有著十分重要的影響,根據(jù)端口映射方式,NAT可分為如下4類,前3種NAT類型可統(tǒng)稱為cone類型。(1)全克隆( Full Clone) : NAT把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口的請求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一個外部主機均可通過該映射發(fā)送IP包到該內(nèi)部主機。(2)限制性克隆(Restricted Clone) : NAT把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口的請求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有當內(nèi)部主機先給IP地址為X的外部主機發(fā)送IP包,該外部主機才能向該內(nèi)部主機發(fā)送IP包。(3)端口限制性克隆( Port Restricted Clone) :端口限制性克隆與限制性克隆類似,只是多了端口號的限制,即只有內(nèi)部主機先向IP地址為X,端口號為P的外部主機發(fā)送1個IP包,該外部主機才能夠把源端口號為P的IP包發(fā)送給該內(nèi)部主機。(4)對稱式NAT ( Symmetric NAT) :這種類型的NAT與上述3種類型的不同,在于當同一內(nèi)部主機使用相同的端口與不同地址的外部主機進行通信時, NAT對該內(nèi)部主機的映射會有所不同。對稱式NAT不保證所有會話中的私有地址和公開IP之間綁定的一致性。相反,它為每個新的會話分配一個新的端口號。

先假設：有一個服務器S在公網(wǎng)上有一個IP，兩個私網(wǎng)分別由NAT-A和NAT-B連接到公網(wǎng)，NAT-A后面有一臺客戶端A，NAT-B后面有一臺客戶端B，現(xiàn)在，我們需要借助S將A和B建立直接的TCP連接，即由B向A打一個洞，讓A可以沿這個洞直接連接到B主機，就好像NAT-B不存在一樣。

實現(xiàn)過程如下：1、 S啟動兩個網(wǎng)絡偵聽，一個叫【主連接】偵聽，一個叫【協(xié)助打洞】的偵聽。2、 A和B分別與S的【主連接】保持聯(lián)系。3、 當A需要和B建立直接的TCP連接時，首先連接S的【協(xié)助打洞】端口，并發(fā)送協(xié)助連接申請。同時在該端口號上啟動偵聽。注意由于要在相同的網(wǎng)絡終端上綁定到不同的套接字上，所以必須為這些套接字設置 SO_REUSEADDR 屬性（即允許重用），否則偵聽會失敗。4、 S的【協(xié)助打洞】連接收到A的申請后通過【主連接】通知B，并將A經(jīng)過NAT-A轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口等信息告訴B。5、 B收到S的連接通知后首先與S的【協(xié)助打洞】端口連接，隨便發(fā)送一些數(shù)據(jù)后立即斷開，這樣做的目的是讓S能知道B經(jīng)過NAT-B轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號。6、 B嘗試與A的經(jīng)過NAT-A轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP地址和端口進行connect，根據(jù)不同的路由器會有不同的結果，有些路由器在這個操作就能建立連接，大多數(shù)路由器對于不請自到的SYN請求包直接丟棄而導致connect失敗，但NAT-A會紀錄此次連接的源地址和端口號，為接下來真正的連接做好了準備，這就是所謂的打洞，即B向A打了一個洞，下次A就能直接連接到B剛才使用的端口號了。7、 客戶端B打洞的同時在相同的端口上啟動偵聽。B在一切準備就緒以后通過與S的【主連接】回復消息“我已經(jīng)準備好”，S在收到以后將B經(jīng)過NAT-B轉(zhuǎn)換后的公網(wǎng)IP和端口號告訴給A。8、 A收到S回復的B的公網(wǎng)IP和端口號等信息以后，開始連接到B公網(wǎng)IP和端口號，由于在步驟6中B曾經(jīng)嘗試連接過A的公網(wǎng)IP地址和端口，NAT-A紀錄了此次連接的信息，所以當A主動連接B時，NAT-B會認為是合法的SYN數(shù)據(jù)，并允許通過，從而直接的TCP連接建立起來了。