P2P(peer to peer)打洞原理介绍

UDP打洞技术允许两端处于NAT后的设备通过公共防火墙直接通信。该过程涉及客户端通过服务器中转交换信息,打开NAT上的端口,创建直接的UDP连接。对于不同NAT后的客户端,每个客户端需向对方公网地址发送数据包,同时通过服务器邀请对方响应,从而在NAT上建立新的会话通道,实现通信。

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UDP打洞技术依赖于由公共防火墙和cone NAT,允许适当的有计划的端对端应用程序通过NAT"打洞",即使当双方的主机都处于NAT之后。这种技术在 RFC3027的5.1节[NAT PROT] 中进行了重点介绍,并且在Internet[KEGEL]中进行了非正式的描叙,还应用到了最新的一些协议,例如[TEREDO,ICE]协议中。不过,我们要注意的是,"术"如其名,UDP打洞技术的可靠性全都要依赖于UDP。
这里将考虑两种典型场景,来介绍连接的双方应用程序如何按照计划的进行通信的,第一种场景,我们假设两个客户端都处于不同的NAT之后;第二种场景,我们假设两个客户端都处于同一个NAT之后,但是它们彼此都不知道(他们在同一个NAT中)。


 
处于不同NAT之后的客户端通信

    我们假设 Client A 和 Client B 都拥有自己的私有IP地址,并且都处在不同的NAT之后,端对端的程序运行于 CLIENT A,CLIENT B,S之间,并且它们都开放了UDP端口1234。 CLIENT A和CLIENT B首先分别与S建立通信会话,这时NAT A把它自己的UDP端口62000分配给CLIENT A与S的会话,NAT B也把自己的UDP端口31000分配给CLIENT B与S的会话。

假如这个时候 CLIENT A 想与 CLIENT B建立一条UDP通信直连,如果 CLIENT A只是简单的发送一个UDP信息到CLIENT B的公网地址138.76.29.7:31000的话,NAT B会不加考虑的将这个信息丢弃(除非NAT B是一个 full cone NAT),因为 这个UDP信息中所包含的地址信息,与CLIENT B和服务器S建立连接时存储在NAT B中的服务器S的地址信息不符。同样的,CLIENT B如果做同样的事情,发送的UDP信息也会被 NAT A 丢弃。

 假如 CLIENT A 开始发送一个 UDP 信息到 CLIENT B 的公网地址上,与此同时,他又通过S中转发送了一个邀请信息给CLIENT B,请求CLIENT B也给CLIENT A发送一个UDP信息到 CLIENT A的公网地址上。这时CLIENT A向CLIENT B的公网IP(138.76.29.7:31000)发送的信息导致 NAT A 打开一个处于 CLIENT A的私有地址和CLIENT B的公网地址之间的新的通信会话,与此同时,NAT B 也打开了一个处于CLIENT B的私有地址和CLIENT A的公网地址(155.99.25.11:62000)之间的新的通信会话。一旦这个新的UDP会话各自向对方打开了,CLIENT A和CLIENT B之间就可以直接通信,而无需S来牵线搭桥了。(这就是所谓的打洞技术)!

NAT大致分为下面四类 1) Full Cone 这种NAT内部的机器A连接过外网机器C后,NAT会打开一个端口.然后外网的任何发到这个打开的端口的UDP数据报都可以到达A.不管是不是C发过来的. 例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88 A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100 : 8000) -> C(292.88.88.88:2000) 任何发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000) 2) Restricted Cone 这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用任何端口和A通信.其他的外网机器不行. 例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88 A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100 : 8000) -> C(292.88.88.88:2000) 任何从C发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000) 3) Port Restricted Cone 这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用原来的端口和A通信.其他的外网机器不行. 例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88 A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100 : 8000) -> C(292.88.88.88:2000) C(202.88.88.88:2000)发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000) 以上三种NAT通称Cone NAT.我们只能用这种NAT进行UDP打洞. 4) Symmetic 对于这种NAT.连接不同的外部目标.原来NAT打开的端口会变化.而Cone NAT不会.虽然可以用端口猜测.但是成功的概率很小.因此放弃这种NAT的UDP打洞.
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