codefker / coderink-udpnat

用udp实现的NAT穿透，一个p2p聊天系统.

udpnat 用UDP实现NAT穿透,p2p聊天系统

  用UDP实现的NAT穿透，一个简单的p2p聊天系统, 理论上来说, 只要不是Port Restricted Cone NAT与Symmetric NAT , Symmetric NAT与Symmetric NAT. 这两种类型组合之间打洞,都可以使用．这两种类型参考其他方案． (默认只有一个网卡，一个ip的情况)

原理

NAT分类

Full Cone NAT:

    内网主机建立一个UDP socket(LocalIP:LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP,PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP,PublicPort)。此外任何外部主机只要知道这个(PublicIP,PublicPort)就可以发送数据给(PublicIP,PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Restricted Cone NAT:

    内网主机建立一个UDP socket(LocalIP,LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP,PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP,PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP,PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机IP发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,任何端口)发送数据给(PublicIP,PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Port Restricted Cone NAT:

    内网主机建立一个UDP socket(LocalIP,LocalPort) 第一次使用这个socket给外部主机发送数据时NAT会给其分配一个公网(PublicIP,PublicPort),以后用这个socket向外面任何主机发送数据都将使用这对(PublicIP,PublicPort)。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，只要知道这个(PublicIP,PublicPort)并且内网主机之前用这个socket曾向这个外部主机(IP,Port)发送过数据。只要满足这两个条件，这个外部主机就可以用自己的(IP,Port)发送数据给(PublicIP,PublicPort)，内网的主机就能收到这个数据包

Symmetric NAT:

    内网主机建立一个UDP socket(LocalIP,LocalPort),当用这个socket第一次发数据给外部主机1时,NAT为其映射一个(PublicIP-1,Port-1),以后内网主机发送给外部主机1的所有数据都是用这个(PublicIP-1,Port-1)，如果内网主机同时用这个socket给外部主机2发送数据，第一次发送时，NAT会为其分配一个(PublicIP-2,Port-2), 以后内网主机发送给外部主机2的所有数据都是用这个(PublicIP-2,Port-2).如果NAT有多于一个公网IP，则PublicIP-1和PublicIP-2可能不同，如果NAT只有一个公网IP,则Port-1和Port-2肯定不同，也就是说一定不能是PublicIP-1等于 PublicIP-2且Port-1等于Port-2。此外，如果任何外部主机想要发送数据给这个内网主机，那么它首先应该收到内网主机发给他的数据，然后才能往回发送，否则即使他知道内网主机的一个(PublicIP,Port)也不能发送数据给内网主机，这种NAT实现UDP-P2P通信比较困难，可以通过先给对端发送消息，再给发服务器发送消息，猜测端口。

思路

    既然已经知道了各种NAT类型的特点了, 也就可以知道,那三个cone类型的NAT, 同一个socket向外部的任何主机通信, NAT都会为它映射同一个端口,在外部主机看来, 就好像有固定的IP和端口一样.

    即然对外面所有主机来说, 它的IP和端口一样, 那么我们做NAT穿透是不是就差最后一步了, 如何知道对方的IP和端口.

    答案就是辅助服务器. 搭建一个服务器, 它有固定的外网IP和端口. 可以让所有的客户端都能连接它. 这样, 这个服务器就能知道所有连入它的客户端的外网IP和端口号了.

    到这里思路就清楚了:

    所有客户端都去连接辅助服务器,服务器就知道了所有客户端的外网ip和端口, 客户端再向服务器请求要穿透的目标客户端, 服务器就可以返回其目标的外网IP和端口, 同时通知目标客户端要被P2P连接并发送要连接它的另一个客户端的IP和端口. 这时双方都知道对方IP和端口,P2P就能顺利进行了.

    , 需要唯一标识符表明需要哪个客户端的IP和端口. 这里就可以有很多设计方案了, 比如事先两个客户端之间就协定好了这个标识符, 比如一个友好的唯一用户名.

代码实现流程

1. 加入p2p系统的节点向服务器发送注册消息，服务器记录加入节点的用户名与经过NAT设备后的ip与port.
2. Client A向用户名B发送消息，则先找到用户名B的经过NAT后的ip和port，判断与对端是否已经打洞．
3. 如果没打洞则发送握手消息给Client B，如果在一个局域网则B收到握手消息后回复ACK;如果不在同一个局域网则等待ACK超时，发送握手消息给服务器，服务器转发消息给Client B.
4. Client B收到握手消息后回复ACK给Client A,由于CLIent A先给Client B发送握手消息，则Client A的NAT设备记录了Client B的信息，当Client使用相同的端口回复消息时，能透过NAT A到达A．
5. 由于Client　B给Client A发送了消息，则Client B的NAT设备也记录下了Client A的经过NAT　A后的ip和port，则Client A也可以给Client B发送消息．

聊天系统使用

服务端

./server --ip serverIp --port serverPort

//ip后带服务器ip,port后带服务器监听端口，默认ip为0.0.0.0,端口为8848

客户端

./client --sip serverIp --sport serverPort --cip clientIp --cport clientPort

//sip后带服务器ip地址，sport后带服务器监听端口，cip为本客户端ip地址，--cport本客户端监听端口，默认服务器ip:port为(0.0.0.0:8848),默认客户端ip:port(0.0.0.0:8900)