【网络】P2P打洞原理
1. 引入
如果你折腾过NAS或者BT下载等等玩意，可能听说过“P2P打洞”这一技术名词。简单来说，P2P打洞可以让我们直接在外网访问内网的设备，从而让没有公网IP的家庭设备也能获得“公网直连”的速度。
比如绿联、极空间等国产NAS的客户端，在外网访问的时候，都会先尝试P2P打洞让你和你的NAS实现P2P直连，打洞失败的时候才会采用服务器转发的方式；
1 | P2P打洞后：你的当前设备和家里的NAS直接通信 |
因为服务器转发的速度直接依赖于服务器的出口带宽，所以使用服务器转发的用户越多，速度也就越慢，有的时候你会发现服务器转发的速度甚至不如没开会员的某度云盘。
2. 前置技术了解
在学习P2P打洞之前，你需要了解以下知识点。注意，本文只是对P2P打洞的简单理解和说明，深入了解底层原理请自行百度其他更详细的文章！
2.1. 什么是P2P？
P2P即 Peer to Peer，是一种对等连接方式，纯P2P架构包含如下内容
- 没有总是在线的服务器
- 任意端之间直接通信
- 对等方之间可以间断链接，并可以动态改变IP地址
P2P技术的实际的用例如下：
- 文件分发（BT下载）
- 流媒体
- VolP
- 内网穿透式访问（建立P2P链接，直接和内网主机通信）即本文即将要讲述的P2P打洞。
2.2. NAT类型
参考本站 IP层和数据链路层 博客中4.3节对NAT技术的解析。
2.2.1. NAT2：地址限制锥形NAT
所谓地址限制锥形NAT，即NAT映射之后的外网端口和IP地址对请求具有一定的限制，这个限制体现为它只允许已建立链接的主机与之进行通信。
- 局域网主机C需要和公网服务器S1进行通信
- 局域网主机C发送请求报文，通过运营商路由器转发，抵达S1服务器
- 这个过程中每一层的路由器都建立了一个NAT转发表
- 如果是限制锥形NAT，运营商的路由器将会限制该NAT地址的外网访问IP地址：
- 只有S1服务器发来的报文能被正常往内网转发（端口不限制），发送给给局域网主机C；
- 其他公网服务器（和S1不同IP地址）如果企图向该NAT地址发送报文，会被运营商路由器拒绝；
举个具体的的例子，在地址限制锥形NAT下
- C请求
1.1.1.1:8080，会建立一个NAT映射，假设是2.2.2.2:9000； - 只有
1.1.1.1这个IP能发送报文给NAT地址，对来源端口不限制； - 其他来源IP都会被NAT地址拒绝。
2.2.2. NAT3：端口限制锥形NAT
在限制锥形NAT的基础上，添加了端口的限制，即只有局域网设备C请求过的S1的端口，才能发送信息给局域网主机。
1 | 端口限制锥形NAT下 |
2.2.3. NAT1：完全锥形NAT
完全锥形NAT的映射过程同上，但是不会对外网访问做任何限制。
即NAT地址建立后，任何外网主机都可以发送信息给这个NAT地址。
2.2.4. NAT4：对称式NAT（动态NAT）
对称式NAT把内网IP和端口到相同目的地址和端口的所有请求，都映射到同一个公网地址和端口；同一个内网主机，用相同的内网IP和端口向另外一个目的地址发送报文，则会用不同的映射（比如映射到不同的端口）。
和端口限制式NAT不同的是，端口限制式NAT是所有请求映射到相同的公网IP地址和端口，而对称式NAT是为不同的请求建立不同的映射。它具有端口受限锥型的受限特性，内部地址每一次请求一个特定的外部地址，都可能会绑定到一个新的端口号。也就是请求不同的外部地址映射的端口号是可能不同的，甚至请求同一个主机的不同端口也会映射到不同的NAT地址上。
说白了就是，客户端请求目标的端口不同就会更换映射；甚至请求的端口相同时都有可能更换NAT的映射。
2.3. NAT类型IP端口映射示意图
根据NAT类型，可能产生如下映射表，表中<->符号左侧表示内网主机IP和端口，<->符号右侧表示NAT的外网IP和端口，@符号右表示限制条件：外网主机地址IP和端口。
2.4. 如何验证NAT类型
通过这个表，也能反推出我们应该如何验证一个NAT的类型
- 局域网客户端C向服务器S1发起请求，服务器S1能得到一个C的NAT地址和端口；
- 服务器S1让C向自己的另外几个端口发起请求，如果这些请求的来源IP和端口都一致，则代表C是锥形NAT，如果出现了不同的端口，则代表是对称NAT；
- 服务器S1将这个地址和端口交给服务器S2，S2向C发送一个报文；
- 如果C收到了这个S2发来的报文，代表是完全锥形NAT，不对外网来源做限制；
- 如果C没有收到，说明是限制锥形NAT;
- 服务器S1换一个端口向C的NAT地址和端口发起请求；
- 如果C收到了，则代表是地址限制锥形NAT，对端口不做限制；
- 如果C没有收到，则代表是端口限制锥形NAT，对地址和端口都做了限制；
- 服务器S1尝试让客户端C用相同的本地端口，给S1的另外一个端口发送请求，如果两次请求的来源端口出现了变化，说明是对称式NAT；
这里客户端和服务器都是我们单独实现的程序，所以可以通过自定义特定的字段来让客户端、服务器做不同的操作。验证客户端的NAT类型至少需要两个不同IP的公网服务器。
博客：NAT打洞_nat1打洞-CSDN博客 中有一个不错的流程图，在此引用一下
现在假设 192.168.0.100 通过 8000 端口 访问 114.135.246.90 的 9001 端口
经过NAT之后，会形成这样一种结果：
- 内网的 192.168.0.100:8000 ↔ 120.230.117.10:9999 NAT公网IP，形成绑定关系
- 服务端 114.135.246.90:9001 被 120.230.117.10:9999 NAT公网IP，访问
然后如果客户端 192.168.0.100 的8000端口：
- 8000 端口 能收到 紫色 发来的消息，就是 NAT1
- 8000 端口 收不到 紫色 发来的消息，却能收到 浅蓝色 线发来的消息，就是 NAT2
- 8000 端口 收不到 紫色 和 浅蓝色 线发来的消息，只能收到 绿色 线返回来的消息，就是 NAT3 | NAT4
NAT3 和 NAT4 的区别：
- NAT3 是 8000 端口与 9999 端口形成绑定关系，不管通过 8000 端口访问谁，·都是从 9999 端口出去
- NAT4 是 8000 端口与 9999 端口形成的绑定关系是有条件的，8000 端口访问同一
ip:port时，都会从 9999 端口出去；但通过 8000 端口访问其他ip:port时，就会绑定 NAT 其他端口，比如 9990（目标端口变化NAT就会变化）
有流程图片，看起来会更清楚一点。
你可以下载微力同步（这是一个P2P的远程加密备份软件），在它的设置里，就可以看到你当前的网络环境是什么类型的NAT。
3. P2P打洞以及穿透性
3.1. P2P如何打洞？
如果想实现P2P打洞，那么当前局域网内设备必须是在锥形NAT下，才能实现直接通信。因为在对称NAT下，NAT的端口地址会经常变化，很难实现稳定的连接。
对于锥形NAT，比较好打洞的自然是完全锥形NAT了，因为它对外网的来源IP和端口都不做限制，那么就可以用下面的流程来实现打洞
- 需要中间服务器S
- 客户端C1和C2都是完全锥形NAT
- 客户端C1请求和C2实现P2P连接
- 客户端C1向中间服务器S发起请求，NAT会为C1维护一个端口和地址
- 服务器S收到C1的请求，并对内网客户端C2下发一个通知，让C2也来请求S
- C2也向服务器发起一个请求，NAT为C2也维护了一个地址
- 此时服务器S就同时知道C1和C2通过NAT出来的一个公网端口和IP地址
- 服务器S将C1/C2的
IP:端口互相告知对方 - C1和C2都得到了对方的IP和端口，因为是完全锥形NAT，双方可以直接通信
- 打洞完成
这个过程中，中间服务器S是不可或缺的，如果没有这个中间服务器，C1和C2就很难知道对方的NAT公网IP和端口，也就没有办法直接实现通信。
个人理解，只要C1和C2有一方是完全锥形NAT，那么P2P打洞就是比较容易实现的，假设C1是完全锥形NAT，C2是有限制的NAT：
- 服务器S知道了C1的NAT的公网IP地址和端口后，将其告知C2；
- C2重新对C1的完全锥形NAT发送请求，限制锥形NAT会对C2的新请求更新自己的限制表中的白名单，将C1的IP地址和端口也加入到了这个白名单中；
- 此时限制锥形NAT的限制就消失了，C1和C2依旧可以点对点发起通信。
上述过程还是比较好弄明白的。
3.2. NAT穿透性表格
下表展示了不同NAT组合的穿透性。
但是我没想明白两边都是端口限制型NAT如何打洞？百度也没找到好的说明。
搞清楚这个问题后我会回来补充本文。
3.3. NAT3如何进行打洞？
2024.05.04更新：之前没有弄明白两端都是端口限制NAT（即NAT3）如何进行打洞，经过一位大佬的指点，现在弄明白了。
假设A和B都是端口限制锥形NAT，为了简单起见我直接用客户端的名字来代指最后映射的NAT公网IP地址，S代指中间服务器。
1 | A通过内网端口1000给S:80发送请求，建立映射 A:公网8000 - S:80 |
假设是A:内网1000和S:80通信，建立了A:公网8000 -> S:80的NAT3映射，同时B建立了B:公网9000 -> S:80的NAT3映射。
这时候就需要A:内网1000发送一个消息给B:公网9000，此时因为A的内网端口没有变化，所以A的公网的端口也不会变（还是A:公网8000），A端的NAT设备就会将B:公网9000加入到请求历史中，即允许了B:公网9000发送消息给A:公网8000 -> A:内网1000。
但是因为B端的NAT设备不认识A:公网8000，这个请求会被直接抛弃。
这时候让B端也用原本的内网端口2000发送一个消息给A:公网8000（这个消息可以正常送到A端），就相当让B端的NAT设备也把A:公网8000加入到允许列表中，这时候A和B就可以直接通过A:公网8000和B:公网9000进行通信了，打洞成功！
3.4. 打洞失败怎么办？
如果打洞失败，C1和C2就得借助中间服务器S的转发来实现通信，此时通信的速度就会出现限制。同时，中间服务器S的带宽/流量资费也比较感人。
这也是为什么绿联和极空间虽然提供了中间服务器转发的方式，但依旧会想办法让你和你的NAS能实现P2P直接通信。除了能提高连接速度，更多的是节省它们服务器的带宽和资费。
4. The end
P2P打洞的大概原理就是如此，更深层次的就不再研究了~你看明白了吗？
爱发电
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