P2P技术简介

NAT（ Network Address Translation）穿越（俗称打洞）技术

前言：

p2p已经存在于我们生活的方方面面；我们通过下载在工具（比如迅雷，bitorent，各种网盘）下载，观看live视频（ppstream，pplive）都在使用p2p，有些im也是通过p2p来传递消息的；我们知道使用p2p技术的下载工具下载更快，使用p2p的live视频更流畅，而且同时使用的人越多效果越好，因为他是可能从我们“邻居”那里获取数据。

那么p2p到底是个什么样的东西呢。暂且我么可以这样理解为：他是通过NAT穿越来建立的一种网络链接，实现了私有网络对私有网络（peer to peer）的互通。既然p2p链接是通过NAT穿越来建立，那么NAT穿越又是怎么回事呢？且看下文分解。

一、NAT 简介

  • 为了解决ipv4地址的紧缺（约为43亿）问题而出现了NAT
  • NAT将网络划分为内部网络和外部网络
    • 内部网络使用私有ip地址
    • 私有地址段包括以下三个：
    • 10.0.0.0-10.255.255.255； 172.16.0.0-172.31.255.255；192.168.0.0-192.168.255.255
    • 私有地址段，仅能在内部使用，不能作为全球路由地址
    • 内网所有主机共用一个外网地址
    • 内网中的主机通过将地址转换为外网地址才可以访问外网

二、NAT的特点

  1. 网络被分为私网和公网两个部分，NAT网关设置在私网到公网的路由出口位置，双向流量必须都要经过NAT网关；
  2. 网络访问只能先由私网侧发起，公网侧无法主动访问私网主机
  3. NAT网关在两个访问方向上完成两次地址的转换或翻译，出方向做源地址替换，入方向做目的地址替换；
  4. NAT网关的存在对通信双方是保持透明的；
  5. NAT网关为了实现双向翻译的功能，需要维护一张关联表，把会话的信息保存下来。

在这里第二条是重点，正是因为NAT规定了“网络访问只能先由私网侧发起，公网侧无法主动访问私网主机”，才引出了我们的主题：NAT穿越，我们就是要通过NAT穿越来实现“公网侧主动访问私网主机”。

三、地址转换表的建立与删除

  • NAT中内外网地址转换表的形式如下：

（内网）ip:port <----->（外网）ipw:portw
                …… <-----> ……

  • 建立：内网的ip:port首次访问外网时,建立映射关系

Udp：使用sendto发出第一个包时，建立映射关系
Tcp：发生在connect过程中（三次握手的第一个包(syn)发出时）

  • 删除：

Udp链接长时间静默时，删除映射关系
Tcp链接还会通过监测其关闭事件(FIN)来删除映射关系

四、NAT的类型
锥型:
地址转换关系的建立条件：首次访问外网的时候
    锥型NAT按照地址转换关系可被使用的条件可细分三种：
        完全锥型(full cone)
           地址转换关系，可以被任意外网地址（ip:port）使用
        受限锥型(restrict cone)
           地址转换关系，只可以被特定外网ip使用,(之前向此ip发送数据)
        端口受限锥型(port restrict cone)
           地址转换关系，只可以被特定外网ip:port使用,(之前向此ip:port发送数据)
对称型:
地址转换关系的建立条件：首次访问外网的时候, 或者再次访问不同的外网地址(ip:port)时

下面，通过一张图来再次分析一下各种NAT类型

在这张图中左侧是内网 右侧是外网，中间一个NAT，NAT中有一个地址转换表，地址转换表的左侧是内网地址，右侧是对应的外网地址

完全锥形的地址转换关系，可以被任何的外网地址W（x,y）使用，这里W（x,y）只要知道W(u,v),只有就可以通过这个地址内网的L(a,b)发送数据

受限锥形的地址转换关系，增加了一个可以被使用的条件，就是特的ip，在这里只有ip为1，还有ip为2的外网地址使用，可以通过W（u，v）向内网L（a，b）发送数据

端口受限锥形的地址转换关系，可以被使用的条件更加严格，就是特定的ip:port，在这里只有ip和port都满足这个条件的外网W（1:1），W（2:2）才可以通过W（u：v）向内网L（a，b）发送数据

对称型的地址转换关系更加严格，它的地址转换关系和目的外网地址一一对应，为访问W（1:1）建立的转换关系，只可以用来与外网W（1：1）通信，为访问W（2:2）建立的地址转换关系，只用来与外网W（2:2）通信，这就是为什么对称型NAT不能穿越的原因

五、如何穿越各种NAT

  • 完全锥型

穿越者仅需要知道被穿越者的公网地址(ip:port)，就可以通过此公网地址实现穿越

  • 受限锥型

被穿越者必须向穿越者公网ip发送数据，穿越者才能通过被穿越者的公网地址实现穿越

  • 端口受限锥型

被穿越者必须向穿越者公网ip:port发送数据，穿越者才能通过被穿越者的公网地址实现穿越

  • 对称型

目前没有较好的办法实现穿越，但是可以通过中继的方式实现数据中转

一招就够了

  1. 双方同时向对方的公网地址发送试探数据
  2. 如果对方是受限型或者端口受限型NAT，此试探数据丢失
  3. 双发再次向对方的公网地址发送试探数据，
  4. 如果排除网络丢包，此时三种锥型NAT均已穿越成功

打洞相关协议

STUN: Session Traversal Utilities for NAT (STUN)
https://tools.ietf.org/html/rfc5389

TURN: Traversal Using Relays around NAT (TURN)
https://tools.ietf.org/html/rfc5766

ICE: Interactive Connectivity Establishment (ICE)
https://tools.ietf.org/html/rfc5245

开源实现(client)

- libjingle  由google公司开发, 现在已经被合入了webrtc项目
- pjnath   http://www.pjsip.org/pjnath/docs/html/
- libnice  https://nice.freedesktop.org/wiki/ 被用于janus-gateway
- libre  http://www.creytiv.com/re.html

开源实现(server)

rfc5766-turn-server webrtc推荐使用的
https://github.com/coturn/rfc5766-turn-server

Coturn rfc5766-turn-server 的新版本
https://github.com/coturn/coturn

时间： 2024-10-11 23:02:37

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