UDP打洞,内网穿透(附JAVA代码)

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原创 2023-05-19 16:53:39 2.5k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

JAVA实现P2P内网穿透踩过的坑 p2p技术，又称为点对点（peer-to-peer），可以直接跨越NAT实现内网主机直接通讯。实现方式包括：中继（Relaying），逆向链接（Connection reversal）， udp打洞（UDP hole punching）。中继方式是比较传统且效率较低的一种，不推荐使用，本人采用的是udp打洞，可以极大的降低服务器的压力，提高作业效率。因为项目需要，开始研究起了p2p，之前对网络这... 阅读详情

1.内网穿透概论

1.1 公网IP端口，NAT转发，内网IP端口之间的关系

1.2 NAT转发和UDP打洞原理

1.3 核心代码

1.内网穿透概论

本人不喜欢长篇大论的讲一些学术用语，最后看的云里雾里的。就用最简单的白话文大概讲一下内网穿透的原理和作用。

1.1 公网IP端口，NAT转发，内网IP端口之间的关系

要了解和使用内网穿透，首先要明白他们之间是如何交换消息的。

举个例子:在网页上输入www.baidu.com 就可以打开百度，这是因为知道了域名，域名在DNS服务器上映射到了对应的公网IP，域名是和ip地址绑定的，访问www.xxx.com 等于访问公网IP,可以使用cmd的ping命令去看返回ip地址。

当我们访问了www.baidu.com ，百度的服务器需要知道你的公网ip和端口才能把信息返回给你（最终结果就是浏览器上显示百度页面）

浏览器输入www.baidu.com到返回百度页面整个过程的路径

内网 IP:端口 -> nat（转发）网线的公网 IP:端口 -> 百度服务器公网 IP:端口 ->nat(转发) 网线的公网 IP:端口 -> 内网 IP:端口

其中内网和 nat（转发）每一次请求都会刷新端口，内网IP(在cmd 中输入 ipconfig /all 可以查看的ipv4地址 ) 如下图：

了解网络传输协议的应该都知道互联网上进行信息传输需要目标地址，端口和响应地址，端口

这里涉及到一个知识就是nat,因为ipv4地址是有限的，现在运营商的网线大部分是一个公网对应一个区域的用户，简单来说就是你和其他人一起使用一个公网ip。

nat起到一个转发作用，所以你在本地电脑上的地址和端口是不能被外网用户访问的，但是可以被同一个公网ip下的用户访问。可以这样理解一个公网ip对应一个nat。

那么为什么要进行udp打洞呢？因为需要和nat外用户进行信息交换。

前面的内容只是介绍一下大概，下面是重点（仔细看）

1.2 NAT转发和UDP打洞原理

当两个内网A,B想要互相通信怎么办呢？首先需要知道A,B的nat地址和端口

每次发送信息到百度服务器返回的地址其实是nat的地址和端口，然后由nat转发给你的内网地址和端口并生成记录，记录类似于：（nat地址：端口——内网地址:端口）。

nat地址端口和内网地址端口 1对1绑定了（可以画上等于号,每次调用端口都会刷新）

因为A,B都是内网，无法直接通信，所以需要一个公网服务器来记录A,B的nat地址和端口。

然后让A向公网服务器的地址发UDP消息，这样A的NAT上就会留下一条记录 A IP：端口 ——natA 公网IP:端口。

让B向公网服务器的地址发UDP消息，这样B的NAT上就会留下一条记录 B IP：端口 ——natB公网IP:端口。

这样A,B的nat地址和端口都知道了,然后在让A,B互相发送UDP请求在nat中留下记录这样 A,B之间就可以通过UDP进行通信了。

重点！！！使用java new DatagramSocket() 一定要使用单例模式，千万不要关闭不然每次nat映射的端口都不一样 ,nat在变化就无法获取正确的地址了之前踩坑过

1.3 核心代码

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.apache.commons.lang.StringUtils;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.scheduling.annotation.Scheduled;
import org.springframework.stereotype.Component;

import javax.annotation.PostConstruct;
import java.io.IOException;
import java.net.DatagramPacket;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.InetAddress;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

import static spike.controller.CheckSyncStateController.doGet;

/**
 * @PACKAGE_NAME: spike.schedule
 * @NAME: NatSchedule
 * @USER: spike
 * @DATE: 2023/5/12 10:27
 * @PROJECT_NAME: Springcolud_Spike
 */
@Slf4j
@Component
public class NatSchedule {

    @Value("${tarurl}")
    private String TAR_URL;

    @Value("${isserver}")
    private boolean IS_SERVER;

    @Value("${key}")
    private String KEY;

    @Value("${sendport}")
    private Integer SEND_PORT;

    @Value("${receiveport}")
    private Integer RECEIVE_PORT;

    public static DatagramSocket RECEIVE_SOCKET = null;
    public static DatagramSocket SEND_SOCKET = null;

    public static Map<String, Object> NAT_MAP = new HashMap<>();

    //每1分钟执行一次
    @PostConstruct
    @Scheduled(cron = "0/60 * * * * ?")
    private void SendUdp() throws IOException {
        sendUpdMsg();
    }

    //每1秒钟执行一次
    @Scheduled(cron = "*/1 * * * * ?")
    private void receiveUpd() throws IOException {
        receiveUpdMsg();
    }

    public void sendUpdMsg() throws IOException {
        if (!IS_SERVER) {
            if (SEND_SOCKET == null) {
                //清除key值
                doGet("http://" + TAR_URL + "/Nat/clearNatMap?key=" + KEY);
                SEND_SOCKET = new DatagramSocket(SEND_PORT);
                Thread thread = new Thread() {
                    @SneakyThrows
                    @Override
                    public void run() {
                        log.info("开始接收upd请求");
                        responseSend();
                    }
                };
                thread.start();
            }
            sendUpdToServer();
        }
    }

    private void responseSend() throws IOException {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        DatagramPacket packet1 = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
        while (true) {
            SEND_SOCKET.receive(packet1);
            String receive = new String(bytes, 0, packet1.getLength(), "utf-8");
            if (receive.contains("client")) {
                String msg = "****************************打洞成功****************************";
                log.info(msg);
            }else {
                log.info("*************************** upd信息开始 ***************************\n {}", receive);
                log.info("*************************** upd信息结束 ***************************");
            }
        }
    }

    private void sendUpdToServer() throws IOException {
        String ipV4 = InetAddress.getLocalHost().getHostAddress();
        String[] ipArr = TAR_URL.split(":");
        // 客户段发送upd请求到服务端(服务端记录 客户端内网ip/外网ip/外网端口)
        String text = KEY + ":" + ipV4 + ":" + SEND_SOCKET.getLocalPort();
        byte[] buf = text.getBytes();
        sendUdp(buf, ipArr[0], RECEIVE_PORT, SEND_SOCKET);
        //查询 相同key的两个客户段nat信息
        String result = doGet("http://" + TAR_URL + "/Nat/getNatMap?key=" + KEY);
        if (result.isEmpty()) {
            return;
        }
        List<String> list = JSON.parseObject(result, List.class);
        // 相同key 需要nat穿透的ip数组
        log.info("键值：{} 下穿透ip数组 {}", KEY, JSON.toJSONString(list));
        String client = "";
        for (String str : list) {
            if (str == null || str.isEmpty()) {
                continue;
            }
            String[] strArr = str.split(":");
            if (strArr[0].equals(ipV4)) {
                client = str;
            }
            if (!strArr[0].equals(ipV4)) {
                //upd打洞
                String[] udpArr = str.split("/")[1].split(":");
                // 2，明确要发送的具体数据。
                String clientMsg = "来自 client " + client + " upd 信息";
                byte[] data = clientMsg.getBytes();
                sendUdp(data, udpArr[0], Integer.valueOf(udpArr[1]), SEND_SOCKET);
            }
        }
    }

    public static void sendUdp(byte[] data, String ip, int port, DatagramSocket datagramSocket) throws IOException {
        // 3，将数据封装成了数据包。
        DatagramPacket packet = new DatagramPacket(data, data.length, InetAddress.getByName(ip), port);
        log.info("向服务端" + ip + ":" + port + "发送upd 信息");
        datagramSocket.send(packet);
    }

    /**
     * 服务端接收upd请求
     *
     * @throws IOException
     */
    public void receiveUpdMsg() throws IOException {
        if (IS_SERVER) {
            //创建一个数据包，用于接收数据
            byte[] bytes = new byte[1024];
            DatagramPacket dp = new DatagramPacket(bytes, bytes.length);
            //DatagramSocket(int port)构造数据报套接字并将其绑定到本地主机上的指定端口
            if (RECEIVE_SOCKET == null) {
                RECEIVE_SOCKET = new DatagramSocket(RECEIVE_PORT);
            }
            DatagramSocket ds = RECEIVE_SOCKET;
            //调用DatagramSocket对象的方法接收数据
            ds.receive(dp);
            InetAddress address = dp.getAddress();
            int port = dp.getPort();
            String url = address.getHostAddress() + ":" + port;
            //解析数据包，并把数据在控制台显示
            byte[] data = dp.getData();
            //int getLength()返回要发送的数据的长度或接收到的数据的长度
            int length = dp.getLength();
            String dataString = new String(data, 0, length);
            log.info("\n客户端Nat地址：  **** {}**** \n客户端内网地址： **** {} **** ", url, dataString);
            String[] clientArr = dataString.split(":");
            if (IS_SERVER) {
                String key = clientArr[0];
                putNatMap(key, clientArr[1] + ":" + clientArr[2] + "/" + url);
                log.info("key :{} 映射数组更新完成", KEY);
            }
        }
    }

    private void putNatMap(String key, String value) {
        if (NAT_MAP.get(KEY) == null) {
            List<String> tempArr = new ArrayList<>();
            tempArr.add(value);
            NAT_MAP.put(key, tempArr);
        } else {
            List<String> tempArr = (List<String>) NAT_MAP.get(key);
            String refresh = null;
            for (String str : tempArr) {
                String uuid = StringUtils.substringBeforeLast(str, ":");
                String uuidValue = StringUtils.substringBeforeLast(value, ":");
                if (uuid.equals(uuidValue)) {
                    refresh = str;
                    break;
                }
            }
            if (refresh != null) {
                tempArr.remove(refresh);
            }
            tempArr.add(value);
            NAT_MAP.put(key, tempArr);
        }
    }
}

import io.swagger.annotations.ApiOperation;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMethod;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import spike.schedule.NatSchedule;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.DatagramSocket;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.MalformedURLException;
import java.net.URL;

import static spike.schedule.NatSchedule.RECEIVE_SOCKET;
import static spike.schedule.NatSchedule.SEND_SOCKET;
import static spike.schedule.NatSchedule.sendUdp;

/**
 * @PACKAGE_NAME: com.example.controller
 * @NAME: CheckSyncState
 * @USER: spike
 * @DATE: 2023/5/8 8:57
 * @PROJECT_NAME: SendAlertMsg
 */
@Slf4j
@RestController
@RequestMapping("Nat")
public class CheckSyncStateController {
    @Value("${isserver}")
    private boolean IS_SERVER;

    /**
     * 查询NAT_MAP
     */
    @ApiOperation(value = "查询NAT_MAP", tags = "Nat Upd打洞")
    @RequestMapping(value = "/getNatMap", method = RequestMethod.GET)
    public Object getSyncState(@RequestParam(required = false, value = "key") String key) {
        if (!key.isEmpty()) {
            return NatSchedule.NAT_MAP.get(key);
        }
        return NatSchedule.NAT_MAP;
    }

    /**
     * 清除指定NAT_MAP key
     */
    @ApiOperation(value = "清除指定NAT_MAP key", tags = "Nat Upd打洞")
    @RequestMapping(value = "/clearNatMap", method = RequestMethod.GET)
    public Object clearNatMap(@RequestParam(required = false, value = "key") String key) {
        if (NatSchedule.NAT_MAP.get(key) != null) {
            NatSchedule.NAT_MAP.put(key, null);
            return NatSchedule.NAT_MAP.get(key);
        }
        return NatSchedule.NAT_MAP.get(key);
    }

  
    /**
     * 请求
     */
    @ApiOperation(value = "udp打洞", tags = "CheckSyncStateController 检查同步状态")
    @RequestMapping(value = "/sendToUdp", method = RequestMethod.GET)
    public String sendToUdp(@RequestParam(value = "key") String key, @RequestParam(value = "client_ip") String client_ip, @RequestParam(value = "client_port") Integer client_port) throws IOException {
        DatagramSocket datagramSocket;
        if (IS_SERVER) {
            datagramSocket = RECEIVE_SOCKET;
        } else {
            datagramSocket = SEND_SOCKET;
        }
        sendUdp(key.getBytes(), client_ip, client_port, datagramSocket);
        log.info("GET接口向服务端 {}:{} 发送upd 信息：{}", client_ip, client_port, key);
        return "打洞完成";
    }

    public static String doGet(String httpurl) {
        HttpURLConnection connection = null;
        InputStream is = null;
        BufferedReader br = null;
        String result = null;// 返回结果字符串
        try {
            // 创建远程url连接对象
            URL url = new URL(httpurl);
            // 通过远程url连接对象打开一个连接，强转成httpURLConnection类
            connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            // 设置连接方式：get
            connection.setRequestMethod("GET");
            // 设置连接主机服务器的超时时间：15000毫秒
            connection.setConnectTimeout(15000);
            // 设置读取远程返回的数据时间：60000毫秒
            connection.setReadTimeout(60000);
            // 发送请求
            connection.connect();
            // 通过connection连接，获取输入流
            if (connection.getResponseCode() == 200) {
                is = connection.getInputStream();
                // 封装输入流is，并指定字符集
                br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is, "UTF-8"));
                // 存放数据
                StringBuffer sbf = new StringBuffer();
                String temp = null;
                while ((temp = br.readLine()) != null) {
                    sbf.append(temp);
                    sbf.append("\r\n");
                }
                result = sbf.toString();
            }
        } catch (MalformedURLException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            // 关闭资源
            if (null != br) {
                try {
                    br.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            if (null != is) {
                try {
                    is.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            connection.disconnect();// 关闭远程连接
        }

        return result;
    }

}

server:
  port: 5001
#服务端公网地址
tarurl: xx.xxx.xx.xxx:5001
#是否服务器
isserver: false
#客户端连接唯一键值
key: 自己定义一个uuid
sendport: 5001
receiveport : 7091

nat内网穿透获取连接服务器的map

http://服务器地址:5001/Nat/getNatMap?key=定义的唯一uuid

返回示例：

[

"192.168.0.117:50979/x11.xx2.89.xx2:15623"

]

upd发送消息接口

http://内网IPV4:5001/Nat/sendToUdp?client_ip=目标公网ip&client_port=目标的nat端口&key=发送内容

返回示例：

打洞完成

结果展示：

标签

#udp #java #网络协议

Java实现的udp打洞demo Java实现的udp打洞demo、Java实现的udp打洞demo、Java实现的udp打洞demo、立即下载

UDP打洞,内网穿透(附JAVA代码)

1.内网穿透概论

1.1 公网IP端口，NAT转发，内网IP端口之间的关系

1.2 NAT转发和UDP打洞原理

1.3 核心代码

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